用于流体压力计量传感器布设的空间位置生成系统及方法与流程

本技术涉及石油化工及流体动力学领域，特别涉及用于流体压力计量传感器布设的空间位置生成系统及方法。

背景技术：

1、石油化工管道系统广泛应用于原油、天然气、液化石油气、裂解气、腐蚀性酸碱介质及其他工艺流体的输送过程中。由于该类介质通常具有高压、易燃、易爆、易腐蚀或工况波动较大的特点，管道内压力状态是否稳定，直接关系到生产装置的安全运行、工艺控制精度以及下游设备的使用寿命。

2、在石油化工生产过程中，减压阀、调节阀或角阀等阀门常设置于管道系统中，用于对上游高压介质进行节流降压，并使下游压力维持在工艺允许范围内。实际运行时，阀前压力可能受到储罐出料波动、泵送流量变化、上游温度变化及工艺负荷调整等因素影响而发生波动；阀后压力则可能受到阀门开度、出口背压、下游用气或用液负荷变化等因素影响而产生恢复迟滞或局部扰动。当阀门内部出现阀芯磨损、卡涩、密封失效或调节滞后时，容易导致出口压力偏离设定范围，进而影响下游流量计、换热器、反应器及其他精密设备的正常运行。本实施例所述角阀用于执行管道介质的节流减压，以下亦称减压阀。

3、为了监测减压阀或调节阀的工作状态，现有技术中通常在阀门入口侧和出口侧分别布置压力传感器，以获取阀前压力和阀后压力。入口侧压力传感器可用于反映上游来流压力状态，为阀门调节提供基础参数；出口侧压力传感器可用于核验减压结果，判断阀后压力是否满足工艺控制要求。通过阀前、阀后压力信号的采集，可进一步实现异常压力报警、阀门状态诊断、安全联锁控制以及闭环调节。

4、然而，在实际工程应用中，压力传感器的安装位置往往主要依赖设计经验、现场空间条件或常规安装规范确定。例如，通常仅根据距阀门或法兰的距离、管道外部可安装空间、检修便利性等因素选择传感器开孔位置，而较少结合阀门内部及阀前、阀后流场分布规律进行精确判断。对于减压阀、角阀等内部流道复杂、节流作用明显的阀门而言，阀前和阀后区域并非均处于稳定流动状态。尤其在高压差、小开度或工况快速变化条件下，阀芯附近容易形成局部高速区、回流区、压力突变区和涡旋结构，导致管道不同圆周方向及不同轴向距离处的压力值存在明显差异。

5、如果压力传感器安装在压力波动较大、流场扰动明显或静压尚未恢复的位置，传感器采集到的压力信号可能不能代表真实的阀前或阀后稳定压力。例如，入口侧传感器若布置在受入口结构扰动或局部回流影响较大的位置，则可能导致阀前压力测量值波动偏大；出口侧传感器若布置在阀后回流区、涡旋区或压力恢复尚不充分的位置，则可能导致出口压力测量值偏离下游稳定压力。上述情况会影响减压阀运行状态判断的准确性，严重时还可能造成误报警、误联锁或调节控制偏差。

6、目前，虽然计算流体动力学方法已可用于阀门内部流场分析，但现有应用更多集中于阀门结构优化、压降分析、流阻计算或局部冲蚀风险判断，较少将多工况流场仿真结果直接用于压力传感器安装位置的生成和优化。也就是说，现有技术通常缺乏一种能够根据不同入口压力、出口背压及阀门开度下的流场分布数据，自动分析阀前压力波动、阀后压力恢复及湍流强度，并据此生成压力传感器最优空间布设参数的技术方案。

7、因此，亟需提供用于流体压力计量传感器布设的空间位置生成系统及方法，能够基于计算流体动力学仿真结果，识别阀前压力稳定区域和阀后压力恢复充分且流场扰动较小的区域，并将该区域转换为可用于现场安装的空间位置参数，从而提高压力传感器测量结果的稳定性、代表性和可靠性。

技术实现思路

1、本技术提供了用于流体压力计量传感器布设的空间位置生成系统及方法，用以解决现有技术中压力传感器安装位置主要依赖人工经验确定、缺乏对阀前压力波动和阀后压力恢复过程的量化分析、难以保证传感器测量稳定性和代表性的问题。通过基于计算流体动力学方法对多种工况下的阀前、阀内及阀后流场进行仿真计算，并结合压力波动、压力恢复及湍流强度等评价指标生成传感器安装空间位置参数，从而提高流体压力计量传感器布设的科学性、准确性和可靠性。

2、用于流体压力计量传感器布设的空间位置生成系统，所述系统包括空间位置参数生成装置；

3、所述空间位置参数生成装置包括处理模块；

4、所述处理模块包括仿真计算单元和位置优化单元；

5、所述仿真计算单元用于基于计算流体动力学方法，多次改变仿真模型的边界条件参数，对多种工况下的阀前、阀内及阀后流场进行仿真计算，得到多组流场分布数据；

6、所述位置优化单元用于根据所述多组流场分布数据，对阀前区域的压力波动情况、阀后区域的压力恢复情况以及阀后区域的流场扰动情况进行分析，并根据分析结果确定入口压力传感器和出口压力传感器的空间位置参数；

7、其中，所述位置优化单元具体用于在阀前区域中，将压力波动标准差低于第一预设阈值的区域确定为入口压力传感器候选安装区域；在阀后区域中，将局部静压与下游稳定区域静压之间的偏差绝对值小于预设偏差范围，且湍流强度低于第二预设阈值的区域确定为出口压力传感器候选安装区域；再对所述入口压力传感器候选安装区域和所述出口压力传感器候选安装区域进行测量稳定性和测量代表性评价，并根据评价结果分别确定最终安装区域，生成对应的空间位置参数。

8、进一步，所述仿真模型包括管道几何模型、阀门模型、阀前流体域和阀后流体域；所述阀门模型布置于所述管道几何模型中，所述阀前流体域和所述阀后流体域分别位于所述阀门模型的入口端和出口端。

9、进一步，所述边界条件参数包括阀前入口压力、阀后出口背压及阀门开度。

10、进一步，所述空间位置参数生成装置还包括存储模块，所述存储模块用于预存管道几何参数、阀门结构参数及所述边界条件参数。

11、进一步，所述空间位置参数生成装置还包括显示模块，所述显示模块用于接收并可视化显示最终生成的所述空间位置参数。

12、进一步，所述空间位置参数包括传感器类型、对应管段标识、相对于阀门或法兰基准面的轴向距离、相对于管道截面的圆周角度、安装点三维坐标及推荐安装方向中的一种或多种。

13、进一步，所述位置优化单元还用于分别对所述入口压力传感器候选安装区域和所述出口压力传感器候选安装区域进行综合评价；其中，对所述入口压力传感器候选安装区域的综合评价指标包括压力稳定性指标和工况适应性指标，对所述出口压力传感器候选安装区域的综合评价指标包括压力恢复指标和流场稳定性指标，并根据综合评价结果分别确定所述入口压力传感器和所述出口压力传感器的最终安装区域。

14、用于流体压力计量传感器布设的空间位置生成方法，所述方法包括以下步骤：

15、s1：获取预设的管道几何参数、阀门结构参数以及边界条件参数；

16、s2：根据所述管道几何参数与阀门结构参数，构建包含阀前流体域、阀门模型及阀后流体域的流体动力学仿真模型；

17、s3：对所述流体动力学仿真模型配置所述边界条件参数，所述边界条件参数包括阀前入口压力、阀后出口背压及阀门开度，并基于计算流体动力学方法进行仿真计算，得到多组流场分布数据；

18、s4：对所述多组流场分布数据进行分析，分别计算阀前候选区域的压力波动指标以及阀后候选区域的压力恢复指标和流场扰动指标，并根据所述压力波动指标、压力恢复指标及流场扰动指标确定入口压力传感器候选安装区域和出口压力传感器候选安装区域；

19、s5：对所述入口压力传感器候选安装区域和所述出口压力传感器候选安装区域的测量稳定性和测量代表性进行评价，根据评价结果分别确定最终安装区域；

20、s6：根据所述最终安装区域生成并输出空间位置参数，以指导入口压力传感器和出口压力传感器的安装位置确定。

21、进一步，所述步骤s4包括：

22、计算阀前不同候选区域的压力波动标准差，并将压力波动标准差低于第一预设阈值的区域确定为入口压力传感器候选安装区域；

23、计算阀后不同候选区域的局部静压与下游稳定区域静压之间的偏差以及湍流强度，并将所述偏差绝对值小于预设偏差范围，且湍流强度低于第二预设阈值的区域确定为出口压力传感器候选安装区域。

24、进一步，所述步骤s5包括：

25、根据压力波动标准差、局部静压与下游稳定区域静压之间的偏差、湍流强度和安装便利性中的一种或多种指标，对入口压力传感器候选安装区域和出口压力传感器候选安装区域进行综合评价，并分别选取综合评价结果满足预设条件的区域作为最终安装区域。

26、本技术中具有以下优点：

27、本技术通过将计算流体动力学（computational fluid dynamics cfd）仿真与位置优化分析相结合，能够在压力传感器实际安装前，对阀前压力波动、阀后压力恢复及局部流场扰动情况进行量化分析，从而降低因安装位置选取不当导致的测量偏差和控制误判风险。系统基于多工况流场分布数据，自动筛选压力波动较小、压力恢复充分且流场扰动较弱的区域，并生成对应的空间位置参数，使所确定的入口压力传感器和出口压力传感器安装位置具有较好的测量稳定性和测量代表性。同时，通过自动完成空间位置参数的生成与优化，减少了人工经验判断对布设结果的影响，提高了空间位置参数生成结果的可靠性和可重复性。该方案能够为石油化工管道减压系统的压力监测、闭环控制及安全联锁提供更加准确、可靠的安装依据和数据基础。