19225

۱۹۲۲۵

شبيه سازي CFD تاثير تغييرات فشار بر عملكرد كنتور توربيني گاز

كارشناسي ارشد

طراحي شبيه سازي و كنترل فرآيند

۱۳۹۷/۰۴/۲۰

دكتر سيد حسن هاشم آبادي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

پژوهش حاضر، توسعه مدلي عددي براي پيش بيني عملكرد كنتور توربيني گاز با استفاده از معادله حركت بر پايه تئوري تعادل گشتاور مي‌باشد. در اين مدل با استفاده از ديدگاه قاب چرخان چندتايي(MRF) و مدل اغتشاشي Standard k-ε شبيه‌سازي در حالت پايا بر روي يك كنتور توربيني گاز 2 اينچ با ظرفيت G65 و كلاس 150 ساخت شركت وِمتك بوسيله نرم افزار فلوئنت انجام گرديد. جهت مدل كردن معادله تعادل گشتاور و محاسبه سرعت زاويه‌اي روتور، كد UDF مناسب ايجاد و به نرم افزار اضافه شد. براي ارزيابي مدل ارائه شده، نتايج شبيه سازي با داده‌هاي تجربي بدست آمده از سازنده كنتور مورد مقايسه قرار گرفت كه اختلاف نتايج شبيه‌سازي و داده‌هاي تجربي در حدود 16/0درصد بود كه نشان از اعتبار مدل ارائه شده در شبيه‌سازي عملكرد كنتور توربيني گاز مي‌باشد. نتايج بدست آمده از شبيه‌سازي بيانگر عدم تقارن توزيع سرعت براي دبي‌هاي بيش از Qmax 4/0 در پايين‌دست كنتور بود و براي اينكه اين پديده تاثير منفي بر اندازه‌گيري جريان نداشته باشد، طول مناسب براي توسعه يافتگي جريان براي پايين‌دست كنتور با استفاده از شبيه‌سازي انجام شده حداقل 10برابر قطر لوله پيشنهاد گرديد. سپس با استفاده از مدل ارائه شده تاثير فشار عملياتي جريان در سه فشار 1، 4 و 10 بار بر روي عملكرد كنتور توربيني گاز مورد مطالعه قرار گرفت. نتايج حاصل شده از شبيه‌سازي براي فشار‌هاي 4 و 10 بار نسبت به فشار 1 بار بيانگر افزايش سرعت چرخش روتور به ترتيب 5 و 6 درصد بود، كه اين امر سبب خطاي اندازه‌گيري مثبت كنتور مي‌شود. همچنين با توجه به نتايج توزيع پارامترهاي جريان (سرعت، انرژي جنبشي آشفتگي و نرخ تلفات بواسطه‌ي آشفتگي) در استاتور و روتور، مي‌توان اينگونه بيان كرد كه افزايش فشار بر توزيع پارامترهاي جريان تاثيري نداشته و سبب كاهش كمي اين پارامترها بصورت بي‌بٌعد در قسمت استاتور و افزايش آنها در ناحيه روتور شده است. در نتيجه مي‌توان تاثير فشار را بر روي افزايش نيروي محركه فشاري دانست و براي رفع خطاي اندازه‌گيري كنتور توربيني، نيروي اصطكاك مكانيكي متناسب با افزايش نيروي محركه ناشي از افزايش فشار به كنتور وارد نمود، كه اين عمل با اضافه كردن چرخ‌دنده‌هاي متنوع در جنس و تعداد دندانه به بخش شماره اندازه كنتور انجام مي‌شود. بنابراين با استفاده از مدل توسعه داده شده مي‌توان هزينه‌هاي سنگين طراحي و بهينه‌سازي عملكرد كنتور توربيني گاز را كاهش داد.

1397/05/07

CFD Simulation of Pressure Effect on Gas Turbine Meter Performance

7/29/2018 12:00:00 AM

The present study is a numerical model for prediction of turbine flowmeter performance, using the equation of motion based on torque balance theory. In this model, numerical simulations were carried out for a 2 inch diameter G65 and PN/ANSI 150 gas turbine flowmeter which was made by Vemmtec Company, in steady state, using Multiple Reference Frame (MRF) model and Standard k-ε turbulence model using Fluent software. In order to model torque balance equation and calculate angular velocity of rotor, a UDF (User Defined Function) code was created and was added to the software. In order to evaluate the model's accuracy, simulation results were compared with experimental data which was obtained from manufacturer of the meter. The difference between the simulation results and experimental data was 0.16%, approximately, which indicates the accuracy of the proposed model in simulating of turbine gas flowmeter performance. The results obtained from the simulation indicate that the velocity distribution asymmetry was more than 0.4 Qmax at the downstream of the meter, and because this phenomenon had no negative effect on flow measurement, the suitable length for the flow development for the downstream of meter was done using simulation at least 10 times the diameter of the pipe was proposed. Then, using the proposed model, the effect of operating pressure in three pressures (1, 4 and 10 bar on gas) on turbine meter performance were studied. The simulation results showed that the rotor angular velocity measurement error was 5% for 4 bar and 6% for 10 bar. In addition, according to the results of the distribution of flow parameters (velocity, turbulent kinetic energy and the turbulent dissipation rate) in a rotor, it was concluded that the increase in pressure does not affect the distribution of flow parameters, which reduces the quantitative parameters of these parameters. As a result, it can be seen that the effect of the pressure on increasing the driving force is considered. To compensate for the turbine flow measurement error, the mechanical frictional force is proportional to the increase of the driving force caused by the increase in pressure to the meter, which is done by adding various gears in the type and number of tooth is placed in the index of the meter. Therefore, using the proposed model, the capital cost of design and optimization of turbine flowmeters can be reduced.