实压管道内天然气体积流量的PIV测试

　　0　引　言

　　准确计量是任何类型的流量计都必须考虑的重要指标。目前国际上天然气流量计量中使用量最大的孔板流量计(其在荷兰、加拿大、美国的使用率为80%~90%,国内为90%以上)满足流体动力学相似是它的一个重要使用条件。因此现行相关的各种标准、规程都对流经流量计量仪前的气流条件作了严格规定,比如要求流体稳定、涡旋角β<2°、轴向速度剖面分布良好,避开脉动流场等等。然而在流量计量中,待测流场往往很难满足这些要求。现场常用的整流器能够改变流场的速度分布,在一定程度上稳定流场,却无法改善流场的脉动特性。因此在改进现有测量装置的同时,人们也开始寻求新的流量计量技术。

　　PIV测试技术的重要意义在于它能更详细地测量气体流场。这就意味着即使在流场有严重变形(如速度剖面不对称或有涡旋流)的情况下,也有可能获得更高的测量精度,获取更多的流场信息。实验利用用PIV测试技术测量流场的瞬时体积积分流量。试验结果将为修正天然气计量行业标准,提高天然气流量计量的精度,提供试验和理论依据。

　　1　试验装置与实验安排

　　1.1　试验系统概述

　　试验所涉及的PIV测试系统,其软件开发和硬件组装,均由中国石油大学(北京)流体测试实验室完成。试验在西南油气田分公司天然气计量检测中心的4′管道上进行。考虑到管道内是高压易爆气体,透明管段采用的是离心浇铸的特制厚壁有机玻璃管,透光率99%,内径98.7mm,能承压4.0MPa(一般情况下,管内压力0.8MPa),经抛光等处理,管壁均匀,并具有良好的同轴度。

　　由于试验测量的是0.8MPa下标准天然气的流场,这就要求示踪粒子不污染天然气,并对管道无腐蚀作用。通过多次筛选,试验最终采用粘度小、跟随性好的雾化纯净水粒子做示踪粒子,并在测试区下游较远处安装聚结器回收水粒子。聚结器下游的水分析仪表明,测试区域下游的天然气含水率符合国家相关规定。

　　喷射示踪粒子的喷头安装在管轴线偏上的位置,喷射器内压4.0MPa,喷嘴外压为0.8MPa。因此从粒子引射装置中喷出的是压差3.2MPa左右的高压射流,粒子大小约为2~10μm。引射装置下游13D处是测试区域。

　　1.2　实验安排

　　考虑到厚管壁将引入非线性光学畸变以及圆管湍流流量计量一般不考虑弱流速度的影响,试验布局安排如图1。测试区设定在管道的中心纵截面上,CCD与管中心轴线在同一水平面上,镜头取景范围以测试管段中心轴线为对称,约69mm×56mm,垂直管轴线拍摄。CCD距离测试流场1m左右,θ(如图1)最大在3°以内。多次试验测试显示,该布局下拍摄区域主流速度方向上的光路畸变对粒子位移的影响在0·1个象素之内,满足测试精度。