天然氣管道內(nèi)流動(dòng)流體的可壓縮特性

1、利用PIV技術(shù)對(duì)天然氣管道內(nèi)流場(chǎng)特性的研究段繼芹1 何敏2 倪銳1 劉春艷1 董守平31 國(guó)家原油大流量計(jì)量站成都天然氣流量分站 四川成都 6102132 西南油氣田分公司質(zhì)量安全環(huán)保處 四川成都 6102133 北京石油大學(xué) 北京 100000摘要：目前天然氣計(jì)量中廣泛使用的各類流量計(jì)，其計(jì)量準(zhǔn)確度受管道內(nèi)流場(chǎng)的影響較大。國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期開(kāi)展此方面的研究，其主要辦法是改變不同阻流件及改變直管段長(zhǎng)度、流量計(jì)類型等宏觀的實(shí)驗(yàn)研究，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)流動(dòng)區(qū)域的流態(tài)特征對(duì)流量計(jì)影響的微觀機(jī)理測(cè)試。使用數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)管道內(nèi)流態(tài)進(jìn)行模擬的方法被廣泛應(yīng)用，但所使用的數(shù)學(xué)模型仍然需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。隨著粒

2、子成像測(cè)速（PIV）技術(shù)與電子技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用PIV技術(shù)結(jié)合數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)帶壓天然氣管路進(jìn)行微觀研究成為可能。本文介紹了天然氣計(jì)量檢測(cè)中心自主研制的一套用于天然氣管道內(nèi)實(shí)驗(yàn)的粒子成像測(cè)速（PIV）系統(tǒng)，以及利用該系統(tǒng)對(duì)帶壓天然氣管道理想條件下流體的流態(tài)和安裝兩種不同阻流件（擴(kuò)散管、空間彎頭）后流場(chǎng)流態(tài)進(jìn)行的測(cè)試、分析，初步找出兩種不同阻流件（擴(kuò)散管、空間彎頭）對(duì)流量計(jì)的影響機(jī)理。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)在145D長(zhǎng)直管段后的天然氣管道中由于介質(zhì)流動(dòng)壓縮特性引起不同時(shí)刻同一截面流量的脈動(dòng)約為4%，并對(duì)其原因進(jìn)行了剖析。關(guān)鍵詞：PIV 擴(kuò)散管 空間彎頭 天然氣管道 流場(chǎng)流態(tài) 超聲流量計(jì) 可壓縮特性1.概述粒子成

3、像測(cè)速技術(shù)（PIV：Particle Image Velocimetry）是利用撒在流體中的粒子對(duì)光的散射作用，用光學(xué)的方法記錄下粒子在流場(chǎng)中的位置，而測(cè)得粒子在不同時(shí)刻的位移，同時(shí)基于粒子對(duì)流體流動(dòng)的跟隨性，而確定出粒子所在位置流場(chǎng)的速度及其相關(guān)流場(chǎng)參數(shù)。PIV是集流動(dòng)可視化和全流場(chǎng)流動(dòng)參數(shù)定量測(cè)試為一體的現(xiàn)代流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，它被廣泛地應(yīng)用于與流動(dòng)有關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域。與常規(guī)流動(dòng)參數(shù)測(cè)試方法相比，PIV技術(shù)具有瞬時(shí)、全場(chǎng)及非接觸式測(cè)量的特點(diǎn)。從誕生至今20多年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、光電技術(shù)及圖像處理技術(shù)的迅速發(fā)展，PIV技術(shù)發(fā)展迅猛，滿足了瞬態(tài)流場(chǎng)測(cè)試及了解流動(dòng)空間結(jié)構(gòu)的需要，并得到越來(lái)越廣泛

4、的認(rèn)同與接受。天然氣流量計(jì)量現(xiàn)場(chǎng)所使用的各類流量計(jì)受管道安裝條件影響較大。主要是管道的配置對(duì)管內(nèi)氣體流態(tài)造成影響，使氣流流速剖面發(fā)生畸變或產(chǎn)生旋渦等，造成計(jì)量誤差。除容積式流量計(jì)外，幾乎所有流量計(jì)的流量均是理想流態(tài)下的經(jīng)驗(yàn)公式或數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中管內(nèi)流場(chǎng)條件能否滿足相應(yīng)要求是準(zhǔn)確計(jì)量的關(guān)鍵，現(xiàn)行的各類標(biāo)準(zhǔn)中在對(duì)流量計(jì)上游直管段長(zhǎng)度、流場(chǎng)旋渦角、流速剖面、以及壓力的波動(dòng)等方面都提出了相應(yīng)要求12。 目前，所有宏觀的實(shí)驗(yàn)研究不能直觀、系統(tǒng)地了解不同安裝管路對(duì)流態(tài)造成的影響。因此，通過(guò)PIV技術(shù)可更全面、更深入地開(kāi)展流動(dòng)可視化實(shí)驗(yàn)研究，定量分析典型阻流件產(chǎn)生的流動(dòng)形態(tài)和結(jié)構(gòu)，找出對(duì)典型

5、流量計(jì)計(jì)量性能的影響規(guī)律，從而更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)的選擇、安裝及使用，滿足現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量的需要。2.天然氣管道內(nèi)PIV系統(tǒng)的建立華陽(yáng)天然氣計(jì)量檢測(cè)中心于06年在站內(nèi)DN100管道上建立了“用于天然氣現(xiàn)場(chǎng)的PIV成像系統(tǒng)34，下面對(duì)系統(tǒng)作簡(jiǎn)要介紹：片光源頭雙脈沖激光器同步觸發(fā)電纜視頻電纜計(jì)算機(jī)粒子加注裝置同步器多光節(jié)臂CCD攝像頭透明管系統(tǒng)硬件包括：Ni-Yag（摻釹銥鋁石榴石）雙脈沖激光器（含電源）、同步脈沖觸發(fā)器、多節(jié)導(dǎo)光臂、雙曝光CCD、Nikon C-F 轉(zhuǎn)接頭、Nikon 75-210mm 變焦距鏡頭、微距接圈、CCD三腳架、激光頭坐標(biāo)架、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)，以及粒子加注裝置（圖1）。圖1

6、PIV系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖系統(tǒng)工作原理為：粒子加注裝置將成像粒子引入天然氣管道中，粒子與天然氣在管道中進(jìn)行均勻混合后流經(jīng)透明管段時(shí)，脈沖激光器發(fā)出片光源照亮透明管段，使用CCD攝像頭對(duì)被照亮的透明管段截面內(nèi)的粒子進(jìn)行連續(xù)拍攝。同步器用于保證脈沖激光器與CCD攝像頭同步工作。計(jì)算機(jī)通過(guò)圖像采集卡讀入所拍圖像并對(duì)其進(jìn)行分析處理，計(jì)算出所拍截面的流場(chǎng)特性參數(shù)。系統(tǒng)軟件匹配算法使用北京石油大學(xué)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的拓?fù)鋱D論算法5，具有準(zhǔn)確率好、速度快、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)。3.不同阻流件后流場(chǎng)流態(tài)的測(cè)試本研究應(yīng)用PIV技術(shù)對(duì)帶壓天然氣管道內(nèi)不同阻流件后的流場(chǎng)流態(tài)進(jìn)行測(cè)試，分析了流體的可壓縮特性。實(shí)驗(yàn)設(shè)備

7、主要包括：PIV成像系統(tǒng)、粒子回收裝置、DN50-DN100擴(kuò)散管、DN100空間彎頭以及DN100超聲流量計(jì)。實(shí)驗(yàn)在DN100管道上進(jìn)行，從管道上游到下游依次安裝長(zhǎng)直管段（200D）、阻流件、粒子加注噴頭，噴頭下游13D處安裝透明管，透明管長(zhǎng)5D，其下游20D處安裝超聲流量計(jì)，超聲之后安裝過(guò)濾裝置、水分析儀（圖2）。圖2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖實(shí)驗(yàn)按透明管上游所安裝阻流件分為長(zhǎng)直管段、擴(kuò)散管和空間彎頭總共3種安裝條件。每種安裝條件下的實(shí)驗(yàn)包含6個(gè)流量點(diǎn)（100m3/h600m3/h平均分布），每個(gè)流量點(diǎn)重復(fù)采集6次，每次測(cè)試以每秒5幅的速度連續(xù)攝取30幅雙曝光PIV圖像，實(shí)驗(yàn)共計(jì)拍攝原始圖片3

8、240幅。4.數(shù)據(jù)分析4.1PIV數(shù)據(jù)以下是一張典型原始圖像（圖3）應(yīng)用拓?fù)鋱D論算法分析得到的拍攝區(qū)域內(nèi)選定區(qū)域的速度矢量場(chǎng)，垂直速度場(chǎng)，水平速度場(chǎng)，流線場(chǎng)和旋度場(chǎng)（圖4）。圖3 原始圖像 圖4 工況流量為100m3/h 時(shí)測(cè)試管道內(nèi)分析結(jié)果按照上述處理方法對(duì)每幅原始圖像進(jìn)行處理，共得到處理圖像25920幅。通過(guò)處理圖像可得到流體流向與水平軸的夾角、平面內(nèi)的旋度、流線及流速剖面分布等信息，對(duì)所有處理圖像的信息的分析、匯總、分析如下表1：表1 PIV測(cè)試數(shù)據(jù)匯總安裝條件旋渦角Z向旋度值流線分布透明管處流態(tài)長(zhǎng)直管段不加整流器1.736°±0.3 rad/s管道中心水平速度剖面呈

9、均勻分布，兩側(cè)略減?。凰俣绕拭婢哂袑?duì)數(shù)特性充分發(fā)展的紊流狀態(tài)擴(kuò)散管4.0°±0.3 rad/s管道中心水平速度剖面呈均勻分布，兩側(cè)略減??；速度剖面具有對(duì)數(shù)特性充分發(fā)展的紊流狀態(tài)空間彎頭不加整流器2.8°±0.2 rad/s水平速度剖面的輪廓線有微小起伏，水平速度上側(cè)較下側(cè)稍有減小管內(nèi)流速截面分布不對(duì)稱4.2 超聲流量計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)3種不同安裝條件下超聲流量計(jì)數(shù)據(jù)的總體誤差曲線（圖5）如下。 圖4超聲流量計(jì)誤差圖從以上PIV數(shù)據(jù)和超聲數(shù)據(jù)分析對(duì)比可看出：PIV圖像觀察得到長(zhǎng)直管和擴(kuò)散管在透明管后已是充分發(fā)展的紊流狀態(tài)，速度剖面具有對(duì)數(shù)特性。通過(guò)超聲流量計(jì)數(shù)據(jù)的

10、誤差曲線同樣可看出，在長(zhǎng)直管和擴(kuò)散管兩種不同安裝條件下的誤差基本一致。超聲流量計(jì)位于擴(kuò)散管39D處，流態(tài)已恢復(fù)到充分發(fā)展的湍流狀態(tài)，符合SY/T6143-2004中規(guī)定的“同軸的漸擴(kuò)管在1D-2D的長(zhǎng)度由0.5D變?yōu)?D,其最大直管段36D的要求”。空間彎頭給超聲流量計(jì)帶來(lái)11.5%的誤差，在空間彎頭后安裝37D長(zhǎng)直管段無(wú)法消除空間彎頭對(duì)流態(tài)產(chǎn)生的干擾，不能滿足超聲流量計(jì)性能要求，在PIV圖像中主要表現(xiàn)為水平速度剖面的輪廓線有微小起伏，水平速度上側(cè)較下側(cè)稍有減小，管內(nèi)流速截面呈不對(duì)稱分布。5.天然氣管道內(nèi)的流動(dòng)可壓縮特性5.1分析方法對(duì)所有原始圖片進(jìn)行處理，得到管道內(nèi)的流量，然后對(duì)其分析。分析

11、的方法為：首先求得每個(gè)流量點(diǎn)下30個(gè)流量值的平均值：然后，求出在此流量點(diǎn)下單個(gè)流量值與平均值的相對(duì)誤差： 使用上述方法分別對(duì)3種安裝條件下的PIV實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到PIV數(shù)據(jù)分布圖（圖6）。圖6長(zhǎng)直管段、擴(kuò)散管和空間彎頭后PIV截面體積積分流量的波動(dòng)特征對(duì)比圖注：圖中J100代表理想狀態(tài)下相對(duì)誤差,D100代表擴(kuò)散管狀態(tài)下相對(duì)誤差, W100代表空間彎頭狀態(tài)下相對(duì)誤差5.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析從以上圖6中可看出，在不安裝阻流件（充分發(fā)展的理想流態(tài)）的6個(gè)工況流量的充分發(fā)展的天然氣湍流流動(dòng)情況下，其瞬時(shí)（0.4us 2.5s）截面體積積分流量存在明顯的波動(dòng)，流量的相對(duì)脈動(dòng)幅度均保持在±

12、4%的水平，而通常認(rèn)為在壓力、溫度穩(wěn)定情況下、流態(tài)充分發(fā)展的流動(dòng)流體任意時(shí)刻截面流量均為一致；通過(guò)對(duì)DN50DN100擴(kuò)散管道內(nèi)的實(shí)流流場(chǎng)進(jìn)行的6個(gè)工況流量的測(cè)試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在工況流量達(dá)到400m3/h以后（氣流的馬赫數(shù)達(dá)到0.2），流量的相對(duì)脈動(dòng)幅度將明顯大于常規(guī)充分發(fā)展湍流流動(dòng)的±4%的水平，其可壓縮特性明顯增強(qiáng)，相應(yīng)的可壓縮比也明顯增大；而空間彎頭的測(cè)試實(shí)驗(yàn)則表現(xiàn)出瞬時(shí)截面流量的脈動(dòng)幅度在6個(gè)工況流量條件下全面超過(guò)±4%的水平，均保持在±8%±10%的水平。氣體流動(dòng)的可壓縮性是指在氣體流動(dòng)過(guò)程中流速的變化會(huì)較大的影響到流動(dòng)介質(zhì)的密度的變化，通常情況下

13、，當(dāng)?shù)伛R赫數(shù)Ma0.3時(shí)，應(yīng)該考慮流動(dòng)過(guò)程中流體密度的變化；但當(dāng)涉及的問(wèn)題對(duì)流體介質(zhì)密度特別敏感（比如精確的體積流量計(jì)量）而需考慮流動(dòng)過(guò)程中流體介質(zhì)密度的變化時(shí)，即便Ma<0.3，其壓縮性也是需要考慮的。本文針對(duì)實(shí)流天然氣管道內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行研究，流動(dòng)介質(zhì)的可壓縮性征表現(xiàn)在如下三個(gè)方面：截面體積積分流量的脈動(dòng)根據(jù)連續(xù)介質(zhì)的連續(xù)性，通過(guò)單一管道任意橫截面的天然氣流的質(zhì)量流量相等。如果天然氣的密度=const，則其體積流量也相等；反之，如果通過(guò)任意橫截面的體積流量不相等，則天然氣的密度const。因此，截面體積積分流量的脈動(dòng)標(biāo)志著流體介質(zhì)的可壓縮性，其脈動(dòng)的程度也表征了流體介質(zhì)可壓縮性的大小。主流

14、方向上速度剖面輪廓線的脈動(dòng)截面體積積分流量的脈動(dòng)，一般來(lái)說(shuō)都會(huì)帶來(lái)流場(chǎng)不同截面上主流速度分配的變化，這就直接引起主流方向上速度剖面輪廓線的脈動(dòng)。流線的脈動(dòng)不同截面上主流方向上速度剖面輪廓線的脈波動(dòng)必然導(dǎo)致流場(chǎng)流線的脈動(dòng)。6.結(jié)論實(shí)現(xiàn)了帶壓天然氣管道流場(chǎng)的可視化；PIV得到的流態(tài)特征參數(shù)和超聲流量計(jì)示值誤差具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；管道內(nèi)的壓力在天然氣介質(zhì)中是以縱向壓力波形式傳遞，天然氣管流在壓力驅(qū)動(dòng)下，由于天然氣氣體的可壓縮性而導(dǎo)致管道截面上的密度出現(xiàn)疏密相間的脈動(dòng)，相應(yīng)的截面流量則表現(xiàn)出大小相間的脈動(dòng)變化，在145D長(zhǎng)直管段后的天然氣管道中由于介質(zhì)流動(dòng)壓縮特性引起不同時(shí)刻同一截面流量的脈動(dòng)幅度約為

15、±4%。7.建議有針對(duì)性地對(duì)特定阻流件及不同管道安裝條件下造成的流量脈動(dòng)幅度及頻率進(jìn)行深入的研究，以對(duì)流量計(jì)的采樣頻率和采樣周期提出指導(dǎo)意見(jiàn)；實(shí)驗(yàn)證明PIV得到的流態(tài)特征參數(shù)與超聲誤差具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)可建立PIV流態(tài)特征參數(shù)與各類型流量計(jì)受流態(tài)影響的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂有指導(dǎo)作用；將PIV技術(shù)對(duì)帶壓天然氣管道內(nèi)流態(tài)的研究與數(shù)字仿真技術(shù)結(jié)合，建立適合天然氣管道內(nèi)使用的、準(zhǔn)確的數(shù)值模型；參考文獻(xiàn)：1 SY/T6143-2004 天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量方法，中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).2 JJG 198-1994速度式流量計(jì)檢定規(guī)程.3 Research for Flow Profile in the Natural