天然气管道内流动流体的可压缩特性

1、利用PIV技术对天然气管道内流场特性的研究段继芹1 何敏2 倪锐1 刘春艳1 董守平31 国家原油大流量计量站成都天然气流量分站 四川成都 6102132 西南油气田分公司质量安全环保处 四川成都 6102133 北京石油大学 北京 100000摘要：目前天然气计量中广泛使用的各类流量计，其计量准确度受管道内流场的影响较大。国内外长期开展此方面的研究，其主要办法是改变不同阻流件及改变直管段长度、流量计类型等宏观的实验研究，但无法实现对整个流动区域的流态特征对流量计影响的微观机理测试。使用数值仿真技术对管道内流态进行模拟的方法被广泛应用，但所使用的数学模型仍然需要通过现场实验数据进行修正。随着粒

2、子成像测速（PIV）技术与电子技术的发展，应用PIV技术结合数值仿真技术对带压天然气管路进行微观研究成为可能。本文介绍了天然气计量检测中心自主研制的一套用于天然气管道内实验的粒子成像测速（PIV）系统，以及利用该系统对带压天然气管道理想条件下流体的流态和安装两种不同阻流件（扩散管、空间弯头）后流场流态进行的测试、分析，初步找出两种不同阻流件（扩散管、空间弯头）对流量计的影响机理。实验还发现在145D长直管段后的天然气管道中由于介质流动压缩特性引起不同时刻同一截面流量的脉动约为4%，并对其原因进行了剖析。关键词：PIV 扩散管 空间弯头 天然气管道 流场流态 超声流量计 可压缩特性1.概述粒子成

3、像测速技术（PIV：Particle Image Velocimetry）是利用撒在流体中的粒子对光的散射作用，用光学的方法记录下粒子在流场中的位置，而测得粒子在不同时刻的位移，同时基于粒子对流体流动的跟随性，而确定出粒子所在位置流场的速度及其相关流场参数。PIV是集流动可视化和全流场流动参数定量测试为一体的现代流场测试技术，它被广泛地应用于与流动有关的各个领域。与常规流动参数测试方法相比，PIV技术具有瞬时、全场及非接触式测量的特点。从诞生至今20多年，随着计算机技术、激光技术、光电技术及图像处理技术的迅速发展，PIV技术发展迅猛，满足了瞬态流场测试及了解流动空间结构的需要，并得到越来越广泛

4、的认同与接受。天然气流量计量现场所使用的各类流量计受管道安装条件影响较大。主要是管道的配置对管内气体流态造成影响，使气流流速剖面发生畸变或产生旋涡等，造成计量误差。除容积式流量计外，几乎所有流量计的流量均是理想流态下的经验公式或数学模型进行计算，实际应用过程中管内流场条件能否满足相应要求是准确计量的关键，现行的各类标准中在对流量计上游直管段长度、流场旋涡角、流速剖面、以及压力的波动等方面都提出了相应要求12。 目前，所有宏观的实验研究不能直观、系统地了解不同安装管路对流态造成的影响。因此，通过PIV技术可更全面、更深入地开展流动可视化实验研究，定量分析典型阻流件产生的流动形态和结构，找出对典型

5、流量计计量性能的影响规律，从而更好地指导现场流量计的选择、安装及使用，满足现场计量的需要。2.天然气管道内PIV系统的建立华阳天然气计量检测中心于06年在站内DN100管道上建立了“用于天然气现场的PIV成像系统34，下面对系统作简要介绍：片光源头双脉冲激光器同步触发电缆视频电缆计算机粒子加注装置同步器多光节臂CCD摄像头透明管系统硬件包括：Ni-Yag（掺钕铱铝石榴石）双脉冲激光器（含电源）、同步脉冲触发器、多节导光臂、双曝光CCD、Nikon C-F 转接头、Nikon 75-210mm 变焦距镜头、微距接圈、CCD三脚架、激光头坐标架、图像采集卡、计算机，以及粒子加注装置（图1）。图1

6、PIV系统硬件结构示意图系统工作原理为：粒子加注装置将成像粒子引入天然气管道中，粒子与天然气在管道中进行均匀混合后流经透明管段时，脉冲激光器发出片光源照亮透明管段，使用CCD摄像头对被照亮的透明管段截面内的粒子进行连续拍摄。同步器用于保证脉冲激光器与CCD摄像头同步工作。计算机通过图像采集卡读入所拍图像并对其进行分析处理，计算出所拍截面的流场特性参数。系统软件匹配算法使用北京石油大学具有自主知识产权的拓扑图论算法5，具有准确率好、速度快、适应性强、可靠性高的特点。3.不同阻流件后流场流态的测试本研究应用PIV技术对带压天然气管道内不同阻流件后的流场流态进行测试，分析了流体的可压缩特性。实验设备

7、主要包括：PIV成像系统、粒子回收装置、DN50-DN100扩散管、DN100空间弯头以及DN100超声流量计。实验在DN100管道上进行，从管道上游到下游依次安装长直管段（200D）、阻流件、粒子加注喷头，喷头下游13D处安装透明管，透明管长5D，其下游20D处安装超声流量计，超声之后安装过滤装置、水分析仪（图2）。图2现场实验系统结构示意图实验按透明管上游所安装阻流件分为长直管段、扩散管和空间弯头总共3种安装条件。每种安装条件下的实验包含6个流量点（100m3/h600m3/h平均分布），每个流量点重复采集6次，每次测试以每秒5幅的速度连续摄取30幅双曝光PIV图像，实验共计拍摄原始图片3

8、240幅。4.数据分析4.1PIV数据以下是一张典型原始图像（图3）应用拓扑图论算法分析得到的拍摄区域内选定区域的速度矢量场，垂直速度场，水平速度场，流线场和旋度场（图4）。图3 原始图像 图4 工况流量为100m3/h 时测试管道内分析结果按照上述处理方法对每幅原始图像进行处理，共得到处理图像25920幅。通过处理图像可得到流体流向与水平轴的夹角、平面内的旋度、流线及流速剖面分布等信息，对所有处理图像的信息的分析、汇总、分析如下表1：表1 PIV测试数据汇总安装条件旋涡角Z向旋度值流线分布透明管处流态长直管段不加整流器1.736°±0.3 rad/s管道中心水平速度剖面呈

9、均匀分布，两侧略减小；速度剖面具有对数特性充分发展的紊流状态扩散管4.0°±0.3 rad/s管道中心水平速度剖面呈均匀分布，两侧略减小；速度剖面具有对数特性充分发展的紊流状态空间弯头不加整流器2.8°±0.2 rad/s水平速度剖面的轮廓线有微小起伏，水平速度上侧较下侧稍有减小管内流速截面分布不对称4.2 超声流量计测试数据3种不同安装条件下超声流量计数据的总体误差曲线（图5）如下。 图4超声流量计误差图从以上PIV数据和超声数据分析对比可看出：PIV图像观察得到长直管和扩散管在透明管后已是充分发展的紊流状态，速度剖面具有对数特性。通过超声流量计数据的

10、误差曲线同样可看出，在长直管和扩散管两种不同安装条件下的误差基本一致。超声流量计位于扩散管39D处，流态已恢复到充分发展的湍流状态，符合SY/T6143-2004中规定的“同轴的渐扩管在1D-2D的长度由0.5D变为1D,其最大直管段36D的要求”。空间弯头给超声流量计带来11.5%的误差，在空间弯头后安装37D长直管段无法消除空间弯头对流态产生的干扰，不能满足超声流量计性能要求，在PIV图像中主要表现为水平速度剖面的轮廓线有微小起伏，水平速度上侧较下侧稍有减小，管内流速截面呈不对称分布。5.天然气管道内的流动可压缩特性5.1分析方法对所有原始图片进行处理，得到管道内的流量，然后对其分析。分析

11、的方法为：首先求得每个流量点下30个流量值的平均值：然后，求出在此流量点下单个流量值与平均值的相对误差： 使用上述方法分别对3种安装条件下的PIV实验数据进行统计分析，得到PIV数据分布图（图6）。图6长直管段、扩散管和空间弯头后PIV截面体积积分流量的波动特征对比图注：图中J100代表理想状态下相对误差,D100代表扩散管状态下相对误差, W100代表空间弯头状态下相对误差5.2实验数据分析从以上图6中可看出，在不安装阻流件（充分发展的理想流态）的6个工况流量的充分发展的天然气湍流流动情况下，其瞬时（0.4us 2.5s）截面体积积分流量存在明显的波动，流量的相对脉动幅度均保持在±

12、4%的水平，而通常认为在压力、温度稳定情况下、流态充分发展的流动流体任意时刻截面流量均为一致；通过对DN50DN100扩散管道内的实流流场进行的6个工况流量的测试实验发现，在工况流量达到400m3/h以后（气流的马赫数达到0.2），流量的相对脉动幅度将明显大于常规充分发展湍流流动的±4%的水平，其可压缩特性明显增强，相应的可压缩比也明显增大；而空间弯头的测试实验则表现出瞬时截面流量的脉动幅度在6个工况流量条件下全面超过±4%的水平，均保持在±8%±10%的水平。气体流动的可压缩性是指在气体流动过程中流速的变化会较大的影响到流动介质的密度的变化，通常情况下

13、，当地马赫数Ma0.3时，应该考虑流动过程中流体密度的变化；但当涉及的问题对流体介质密度特别敏感（比如精确的体积流量计量）而需考虑流动过程中流体介质密度的变化时，即便Ma<0.3，其压缩性也是需要考虑的。本文针对实流天然气管道内流场进行研究，流动介质的可压缩性征表现在如下三个方面：截面体积积分流量的脉动根据连续介质的连续性，通过单一管道任意横截面的天然气流的质量流量相等。如果天然气的密度=const，则其体积流量也相等；反之，如果通过任意横截面的体积流量不相等，则天然气的密度const。因此，截面体积积分流量的脉动标志着流体介质的可压缩性，其脉动的程度也表征了流体介质可压缩性的大小。主流

14、方向上速度剖面轮廓线的脉动截面体积积分流量的脉动，一般来说都会带来流场不同截面上主流速度分配的变化，这就直接引起主流方向上速度剖面轮廓线的脉动。流线的脉动不同截面上主流方向上速度剖面轮廓线的脉波动必然导致流场流线的脉动。6.结论实现了带压天然气管道流场的可视化；PIV得到的流态特征参数和超声流量计示值误差具有较好的对应关系；管道内的压力在天然气介质中是以纵向压力波形式传递，天然气管流在压力驱动下，由于天然气气体的可压缩性而导致管道截面上的密度出现疏密相间的脉动，相应的截面流量则表现出大小相间的脉动变化，在145D长直管段后的天然气管道中由于介质流动压缩特性引起不同时刻同一截面流量的脉动幅度约为

15、±4%。7.建议有针对性地对特定阻流件及不同管道安装条件下造成的流量脉动幅度及频率进行深入的研究，以对流量计的采样频率和采样周期提出指导意见；实验证明PIV得到的流态特征参数与超声误差具有很好的对应关系，通过大量实验可建立PIV流态特征参数与各类型流量计受流态影响的对应关系，对相关标准的制修订有指导作用；将PIV技术对带压天然气管道内流态的研究与数字仿真技术结合，建立适合天然气管道内使用的、准确的数值模型；参考文献：1 SY/T6143-2004 天然气流量的标准孔板计量方法，中华人民共和国石油天然气行业标准.2 JJG 198-1994速度式流量计检定规程.3 Research for Flow Profile in the Natural