段继芹1 何敏2 倪锐1 刘春艳1 董守平3
1 国家原油大流量计量站成都天然气流量分站 四川成都 610213
2 西南油气田分公司质量安全环保处 四川成都 610213
3 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嵌入式硬盘录像机
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[1][2]。
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，出对典型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[3][4]，下面对系统作简要介绍：
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 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（图变压器防盗器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/h～600m3/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3240幅。
电镀阳极板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 | 物联网监控平台流线分布 | 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 | ≤开关量信号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 |
银包金空间弯头 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 |
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