專利名稱：天然氣管道內(nèi)粒子成像裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及天然氣管道流量測試技術(shù)領域，特別涉及天然氣管道 內(nèi)粒子成像裝置，是一種天然氣管道內(nèi)流場特性對流量計計量性能影 響研究的裝置，是一種天然氣管道內(nèi)流場特性對流量計計量性能影響 粒子加注及其成像裝置。
背景技術(shù)：
隨著計算機技術(shù)與圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了粒子成像測
速技術(shù)(PIV)。 PIV技術(shù)的最大貢獻是突破了 LDV (Laser Doppler Velocity)激光多普勒測速儀等空間單點測量技術(shù)的局限性，既具備 了單點測量技術(shù)的精度和分辨率，又能獲得平面流場顯示的整體結(jié)構(gòu) 和瞬態(tài)圖像，可在同一時刻記錄下整個流場的有關信息，并且可分別 給出平均速度、脈動速度及應變率等，同時它還是一種非接觸式的測 量方法。
目前，歐美發(fā)達國家一直很重視流量計上游管道中各阻流件(彎 管、變徑管、閥門等)對流量計上游管段的流態(tài)分布及渦流對流量測 量的影響研究，尤其是這些阻流件使流態(tài)分布規(guī)律產(chǎn)生畸變和渦流對 流量測量的負面影響。80年代起日本、法國、英國已經(jīng)開始利用PIV 技術(shù)在液體與空氣方面進行了研究，取得了一些成就。但應用于天然 氣計量研究，未見公開成果。目前，德國物理技術(shù)研究院(PTB)應用 PIV技術(shù)在天然氣計量方面初步展開了研究，但未見公開報道。國內(nèi)進 行了許多天然氣計量宏觀方面研究，同時清華大學、北京石油大學等 單位在液體可視化方面開展了 PIV技術(shù)研究工作，但與天然氣流量計量相結(jié)合并在帶壓管道中開展計量研究在國內(nèi)尚屬空白，也沒有天然 氣管道內(nèi)流場特性對流量計計量性能影響研究的裝置。
中國專利公開號為CN 101078773A，提供了一種"流場可視化方法 及裝置"。流場可視化裝置是在平臺上裝有照相機、光源、遮光板， 聚光鏡和盛粒子器皿。光源發(fā)出紅外線或紫外線光，通過遮光板和聚 光鏡所形成的光束照射盛粒子器皿，粒子在流體介質(zhì)中顯示其運動軌 跡，通過照相機記錄其運動軌跡。該發(fā)明應用粒子加注裝置向天然氣 管道加入5—一lOum吸收不可見光(紅外或紫外)的粒子成像，使用 數(shù)碼相機和激光光源，直接記錄粒子移動軌跡；省去了 PIV系統(tǒng)的高 速CCD和激光器及粒子相關性分析計算軟件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種天然氣管道內(nèi)粒子成像裝置，用粒子 成像設備、透明管、粒子加注裝置，在中壓天然氣可視管段中進行粒 子成像測試，粒子成像現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬試驗，以獲得流態(tài)分 布規(guī)律和流態(tài)是否畸變和渦流，根據(jù)試驗結(jié)果進行分析比對分析，找 出天然氣計量管道內(nèi)不同阻流件對流態(tài)及對流量計性能影響規(guī)律，作 為現(xiàn)場使用中安裝的天然氣流量計不規(guī)范或某些使用條件發(fā)生變化后 對流量計性能造成計量影響量的估計提供依據(jù)；正確指導現(xiàn)場流量計
的選型、安裝、使用。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是天然氣管道內(nèi)粒子成像裝置，包括成 像裝置、粒子加注裝置和粒子回收裝置。
成像裝置包括雙脈沖激光器、同步脈沖觸發(fā)器、雙曝光數(shù)碼相機、 圖像采集卡和計算機。計算機連接雙曝光數(shù)碼相機和圖像采集卡，圖 像采集卡連接同步脈沖觸發(fā)器并通過同步脈沖觸發(fā)器連接雙脈沖激光 器。同步脈沖觸發(fā)器同時觸發(fā)雙脈沖激光器和數(shù)碼相機。雙脈沖激光 器發(fā)出片光源照亮天然氣管道的透明管內(nèi)的流場，用數(shù)碼相機對被照亮的透明管截面進行連續(xù)拍攝。同步脈沖觸發(fā)器保證雙脈沖激光器與 數(shù)碼相機同步工作。計算機通過圖像采集卡讀入所拍圖像并對其進行 分析處理，計算出所拍透明管內(nèi)截面的流場特性參數(shù)。本領域技術(shù)人
員能完成成像裝置，并利用粒子成像測速技術(shù)(PIV)完成流體測試。
其特征在于粒子加注裝置包括氮氣瓶、高壓釜和噴嘴組成。氮 氣瓶與高壓釜入口之間由管線連接；高壓釜出口與噴嘴之間由管線連 接。噴嘴連接在天然氣管道上，并且噴嘴固定的位置在天然氣管道的 管線進口端，即安裝的位置依次是天然氣管線進口端、噴嘴、透明管 和管線出口端。天然氣首先經(jīng)過管線進口端，到達噴嘴，從噴嘴流過 后到達透明管，通過透明管后流入管線出口端。在管線出口端連接有 粒子回收裝置。
所述的透明管包括有機玻璃管，在有機玻璃管內(nèi)壁涂有吸光涂層。 吸光涂層是熒光粉和透明環(huán)氧樹脂混合而成，采用真空鍍膜涂敷在有 機玻璃管內(nèi)壁，有機玻璃管的兩端固定有鋼制法蘭。采用法蘭將透明 管連接在天然氣管道中間。
有機玻璃管可以采用離心澆鑄特制成O 130X15的厚壁管，能承受 最高壓力為4.0MPa 。
為了提高粒子霧化程度，提高的成像效果，要求粒子均勻分布， 粒徑在2 " m 10 u m之間。噴嘴有1個噴孔，噴孔的直徑在0. 08 0. 2mm之間。
把高壓液體氮氣通入高壓釜；打開高壓釜氣相閥門，使汽化后的 氮蒸汽由噴嘴噴出，氮蒸汽在天然氣管道中遇冷后霧化，達到成像要 求。
粒子回收裝置包括由濾筒、筒體、天然氣進入口和天然氣排出口。 在筒體的中部有天然氣進入口，天然氣進入口的端部連接有向上彎管， 彎管的端部固定在筒體內(nèi)的托盤中心孔上，托盤上部有濾筒，在筒體上有天然氣排出口，天然氣排出口的高度在濾筒中部相對的位置。在 筒體的底部有出液口，出液口的作用是排污。
流經(jīng)天然氣管道內(nèi)并經(jīng)過噴嘴加注粒子后的天然氣，成像測試后 需要把加注粒子清除干凈后才能外輸。粒子回收裝置起到清除成像粒 子的作用。帶有加注粒子的天然氣由天然氣進入口進入粒子回收裝置 的濾筒內(nèi)部，經(jīng)過懸浮在天然氣中的液滴微粒通過粒子回收裝置的濾 筒時，液滴與濾膜絲網(wǎng)產(chǎn)生碰撞、吸附、分離和聚結(jié)。液滴由微粒顆 粒漸漸聚結(jié)成顆粒，最后在重力作用下沿濾筒外表面流到筒體下部的 存液區(qū)內(nèi)。通過濾筒的天然氣由天然氣排出口排出。使氣、液兩相分 區(qū)流動不會產(chǎn)生二次反混。
所述的筒體為立式壓力罐。
所述的濾筒的結(jié)構(gòu)是折疊聚結(jié)濾芯。
聚結(jié)效率取決于濾層濾膜最小孔徑和流體在濾層內(nèi)的運動狀態(tài)，
本項目聚結(jié)器氣液分離效率當粒徑》3um時為80%;當粒徑^5"m時 為98% 。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明天然氣管道內(nèi)粒子成像裝置，能在中
壓天然氣透明管中進行粒子成像測試。技術(shù)創(chuàng)新點是
(1) 高壓霧化粒子發(fā)生器以純凈水為工作介質(zhì)，粒子粒徑2um 10um，分布均勻，能滿足帶壓天然氣管道流場可視化要求。
(2) 透明管透光率>90%，采用特制鋼法蘭連接安裝，可承受 壓力4.0MPa，內(nèi)壁添加吸光涂層可削弱激光反射引起的亮帶，采用高 精度的設備定位坐標，提高了 PIV流量測試準確度。
(3) 正壓通風房為了避免泄漏的天然氣進入操作房內(nèi)引起爆炸， 操作房采用正壓通風，操作房內(nèi)保持500Pa 800Pa左右的正壓，從而 保證電器設備及設備操作人員的安全。
利用此項技術(shù)及計算機數(shù)字模擬技術(shù)研究典型管路阻流件產(chǎn)生的流場對流量計計量準確度的影響，將宏觀、外在、投資大、模擬實驗 次數(shù)有限的實驗研究(用不同的儀器、儀表，在不同安裝管路條件下， 用標準裝置與被測儀表的外觀顯示值比較，分析不同安裝條件被測儀 表的影響)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒂^、內(nèi)在、投資小、模擬實驗次數(shù)可無限地研究 影響儀表性能的作用機理，正確指導現(xiàn)場流量計的設計、選型、安裝、 使用，減小流場對流量測量準確度影響，提高計量準確度。
通過消除透明管道內(nèi)壁反光、提高粒子加注裝置加注粒子的均勻
度以及采用高精度的設備定位坐標架，可進一步提高piv流量測試精
度，可發(fā)展為新一代的流量標準裝置。


圖1是天然氣管道內(nèi)粒子成像裝置原理示意圖2是天然氣管道內(nèi)粒子成像裝置的粒子加注示意圖3粒子回收裝置結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
圖中，l.雙脈沖激光器，2.透明管，3.同步脈沖觸發(fā)器，4.數(shù)碼 相機，5.圖像采集卡，6.計算機，7.氮氣瓶，8.高壓釜，9.管線，10. 噴嘴，ll.管線進口端，12.管線出口端，13.天然氣進入口， 14.筒體， 15.濾筒，16.雙頭螺栓，17.天然氣排出口， 18.彎頭，19.出液口。
具體實施例方式
實施例1:以透明管2直徑為130mm，壁厚為15mm。噴嘴10的孔 徑為0. 15mm的天然氣管道內(nèi)粒子成像裝置為例，對本發(fā)明作進一步詳 細說明。
參閱圖1。本發(fā)明天然氣管道內(nèi)粒子成像裝置，包括成像裝置、粒 子加注裝置和粒子回收裝置。
成像裝置包括雙脈沖激光器1、同步脈沖觸發(fā)器3、雙曝光數(shù)碼相機4、圖像采集卡5和計算機6。計算機6連接雙曝光數(shù)碼相機4和圖 像采集卡5，圖像采集卡5連接同步脈沖觸發(fā)器3并通過同步脈沖觸發(fā) 器3連接雙脈沖激光器1。同步脈沖觸發(fā)器3同時觸發(fā)雙脈沖激光器1 和數(shù)碼相機4。雙脈沖激光器1發(fā)出片光源照亮天然氣管道的透明管2 內(nèi)的流場，用數(shù)碼相機4對被照亮的透明管2截面進行連續(xù)拍攝。同 步脈沖觸發(fā)器3保證雙脈沖激光器1與數(shù)碼相機4同步工作。計算機6 通過圖像采集卡5讀入所拍圖像并對其進行分析處理，計算出所拍透 明管2內(nèi)截面的流場特性參數(shù)。
粒子加注裝置包括氮氣瓶7、高壓釜8和噴嘴10組成。氮氣瓶7 與高壓釜8入口之間由直徑為10mm的管線9連接。高壓釜8出口與噴 嘴10之間由管線9連接。噴嘴IO連接在天然氣管道上，并且噴嘴IO 固定的位置在天然氣管道的管線進口端11，即安裝的位置依次是天然 氣管線進口端ll、噴嘴9、透明管2和管線出口端12。噴嘴10噴射方 向在管線的中心軸線上。在管線出口端10連接有粒子回收裝置。
所述的透明管2包括有機玻璃管，在有機玻璃管內(nèi)壁涂有吸光涂 層。吸光涂層是熒光粉和透明環(huán)氧樹脂混合而成，采用真空鍍膜涂敷 在有機玻璃管內(nèi)壁，有機玻璃管的兩端固定有鋼制法蘭。采用法蘭將 透明管2連接在天然氣管道中間。有機玻璃管可以采用離心澆鑄特制 成①130X15mm的厚壁管，能承受最高壓力為4. OMPa。
粒子回收裝置包括由濾筒15、筒體14、天然氣進入口 13和天然 氣排出口 17。筒體14為立式壓力罐，直徑為700mm，高度為1000mm。 在筒體14的中部有天然氣進入口 13，天然氣進入口 13的端部連接有 向上彎管18，彎管18的端部固定雙頭螺栓16。在筒體14內(nèi)上部固定 有濾筒15，濾筒15的結(jié)構(gòu)是折疊聚結(jié)濾芯。在筒體14上有天然氣排 出口 17，天然氣排出口 17的高度在濾筒15中部相對的位置。在筒體 14的天然氣排出口 17處安裝有法蘭。在筒體14的底部有出液口 19。
權(quán)利要求
1、一種天然氣管道內(nèi)粒子成像裝置，包括成像裝置、粒子加注裝置和粒子回收裝置，成像裝置采用雙脈沖激光器(1)、同步脈沖觸發(fā)器(3)、雙曝光數(shù)碼相機(4)、圖像采集卡(5)和計算機(6)，計算機(6)連接雙曝光數(shù)碼相機(4)和圖像采集卡(5)，圖像采集卡(5)連接同步脈沖觸發(fā)器(3)并通過同步脈沖觸發(fā)器(3)連接雙脈沖激光器(1)，其特征在于粒子加注裝置包括氮氣瓶(7)、高壓釜(8)和噴嘴(10)組成，氮氣瓶(7)與高壓釜(8)入口之間由管線(9)連接；高壓釜(8)出口與噴嘴(10)之間由管線(9)連接，噴嘴(10)連接在天然氣管道上，并且噴嘴(10)固定的位置在天然氣管道的管線進口端(11)，即安裝的位置依次是天然氣管線進口端(11)、噴嘴(9)、透明管(2)和管線出口端(12)，天然氣首先經(jīng)過管線進口端(11)，到達噴嘴(9)，從噴嘴(9)流過后到達透明管(2)，通過透明管(2)后流入管線出口端(12)，在管線出口端(10)連接有粒子回收裝置；粒子回收裝置包括由濾筒(15)、筒體(14)、天然氣進入口(13)和天然氣排出口(17)，在筒體(14)的中部有天然氣進入口(13)，天然氣進入口(13)的端部連接有向上彎管(18)，彎管(18)的端部固定在筒體(14)內(nèi)的托盤中心孔上，托盤上部有濾筒(15)，在筒體(14)上有天然氣排出口(17)，天然氣排出口(17)的高度在濾筒(15)中部相對的位置，在筒體(14)的底部有出液口(19)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣管道內(nèi)粒子成像裝置，其特征是: 所述的透明管(2)包括有機玻璃管，在有機玻璃管內(nèi)壁涂有吸光涂層， 吸光涂層是熒光粉和透明環(huán)氧樹脂混合而成，采用真空鍍膜涂敷在有 機玻璃管內(nèi)壁，有機玻璃管的兩端固定有鋼制法蘭，采用法蘭將透明 管(2)連接在天然氣管道中間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的天然氣管道內(nèi)粒子成像裝置，其特征是:有機玻璃管可以采用離心澆鑄特制成①130X15的厚壁管，能承受最高 壓力為4. 0MPa。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣管道內(nèi)粒子成像裝置，其特征是: 所以所述的噴嘴(10)有l(wèi)個噴孔，噴孔的直徑在0.08 0.2mm之間。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣管道內(nèi)粒子成像裝置，其特征是: 所述的噴嘴(10)的噴射方向在管線的中心軸線上。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2、 3、 4或5所述的天然氣管道內(nèi)粒子成像 裝置，其特征是所述的濾筒(15)采用的是折疊聚結(jié)濾芯。
全文摘要
天然氣管道內(nèi)粒子成像裝置，應用于天然氣管道流量測試技術(shù)領域。包括成像裝置、粒子加注裝置和粒子回收裝置。特征粒子加注裝置包括氮氣瓶、高壓釜和噴嘴組成。氮氣瓶、高壓釜和噴嘴之間由管線連接。噴嘴連接在天然氣管道上，在天然氣管道上有透明管。在管線出口端連接有粒子回收裝置。粒子回收裝置的天然氣進入口的端部連接有向上彎管，彎管的端部固定雙頭螺栓。在筒體內(nèi)上部固定有濾筒，在筒體上有天然氣排出口在筒體的底部有出液口。效果是能在中壓天然氣透明管中進行粒子成像測試，滿足帶壓天然氣管道流場可視化要求。
文檔編號G01P5/00GK101430221SQ20081024003
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者敏 何, 銳 倪, 劉春艷, 文代龍, 段繼芹, 董守平, 郭緒明, 琦 陳, 陳薈宇, 顏 韋 申請人:中國石油天然氣股份有限公司;中國石油集團工程設計有限責任公司;中國石油大學(北京)