CN112304559A - 天然气流场测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气流场测试系统，包括：测试管道、加注装置和测试舱，测试管道包括相连通的测试区段和非测试区段，测试舱位于测试区段，加注装置位于非测试区段，测试区段为透光区段，加注装置包括：混合腔、加注管、加注喷头、驱动组件和控制器，加注管为可伸缩管，加注管的另一端位于非测试区段，加注喷头可转动地安装在加注管的另一端；驱动组件用于驱动加注管伸缩和驱动加注喷头转动；控制器用于控制驱动组件驱动加注管和加注喷头中的至少一个动作，测试舱上的透明视窗与测试区段相对，测试舱用于对测试区段进行粒子成像测速和激光多普勒测速。本发明能确保混合气体能充分地分散到测试管道内各处，提高流场测试结果的准确性。

Description

天然气流场测试系统

技术领域

本发明涉及天然气管道测试技术领域，特别涉及一种天然气流场测试系统。

背景技术

天然气是一种重要的清洁能源，其需求量也越来越高。天然气运输的过程中，天然气在管道内流动的过程也具有重要的研究意义。目前，检测流场和流速的方法包括粒子成像测速和激光多普勒测速。该两个测速方法属于非接触式测试，均需要向测试区域打光以照亮测试区域，且测试要求流体(天然气)中存在跟随流体运动并不干扰流场的示踪粒子。测试时，粒子成像测速和激光多普勒测速方法可以通过测试示踪粒子以获取到管道内的流场信息。

现有的天然气流场测试系统工作时，先将天然气和示踪粒子混合，待示踪粒子和天然气充分混合后，将混合气体通入天然气管道内以待测试。

由于现有的天然气流场测试系统将示踪粒子和天然气混合后直接注入到天然气管道内，且并不能保证混合气体注入的过程中是否能充分扩散到天然气管道内的各处位置，从而导致流场测试结果的准确性较差。

发明内容

本发明实施例提供了一种天然气流场测试系统，能确保混合气体能充分地分散到测试管道内各处，提高流场测试结果的准确性。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种天然气流场测试系统，所述天然气流场测试系统包括：测试管道、加注装置和测试舱，所述测试管道包括相连通的测试区段和非测试区段，所述测试舱位于所述测试区段，所述加注装置位于所述非测试区段，所述测试区段为透光区段，所述加注装置包括：混合腔、加注管、加注喷头、驱动组件和控制器，所述混合腔具有出气口、示踪物质注入口和用于与所述非测试区段连通的进气口，所述加注管的一端与所述出气口连通，所述加注管为可伸缩管，所述加注管的另一端位于所述非测试区段，所述加注管在所述非测试区段的位置距所述测试区段的距离小于所述进气口与所述非测试区段连通的位置距所述测试区段的距离，所述加注喷头可转动地安装在所述加注管的另一端，所述加注喷头的转动中心线与所述加注管的中轴线垂直；所述驱动组件用于驱动所述加注管伸缩和驱动所述加注喷头转动；所述控制器与所述驱动组件电连接，所述控制器用于控制所述驱动组件驱动所述加注管和所述加注喷头中的至少一个动作，所述测试舱的侧壁上具有透明视窗，所述透明视窗与所述测试区段相对，所述测试舱用于对所述测试区段进行粒子成像测速和激光多普勒测速。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述加注装置还包括：与所述进气口连通的进气管、与所述注入口连通注入管、连通所述出气口和所述加注管的出气管，所述进气管、所述注入管和所述出气管上均设有电控阀门，所述电控阀门与所述控制器电连接，所述电控阀门包括压力调节阀和流量调节阀中的至少一个。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述加注管包括：连接管和伸缩管，所述连接管与所述出气口连通，所述伸缩管滑动密封套装在所述连接管上。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述加注喷头包括：软管和喷头，所述软管连接所述喷头和所述加注管的另一端，所述驱动组件包括：第一转板、第二转板和电机，所述第一转板上设有垂直于板面的转销，所述第二转板上设有转销孔，所述转销可转动地插装在所述转销孔内，所述第一转板固定在所述喷头上，所述第二转板固定在所述加注管上，所述电机的输出轴与所述转销同轴连接。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述测试区段包括：管道本体和位于所述管道本体两端的法兰，所述管道本体包括第一管壁和第二管壁，所述第一管壁和所述第二管壁的两条分界线沿所述管道本体的轴向延伸，所述第一管壁为透明侧壁，所述第二管壁为非透明侧壁，所述透明视窗与所述第一管壁相对的。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一管壁所在圆弧对应的圆心角为180°至240°，或者，所述第一管壁所在圆弧对应的圆心角为15°至60°。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述透明视窗的表面积不小于所述第一管壁的表面积。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述透明视窗呈弧形状，所述透明视窗所在圆弧对应的圆心角不小于所述第一管壁所在圆弧对应的圆心角，或者，所述透明视窗包括侧边相连的第一视窗板和第二视窗板，所述第一视窗板和所述第二视窗板均包括相对的第一侧边和第二侧边，两个所述第一侧边相连，所述第一视窗板的第二侧边距所述第二视窗板的距离不小于所述管道本体的直径，所述第二视窗板的第二侧边距所述第一视窗板的距离不小于所述管道本体的直径。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述天然气流场测试系统还包括用于调节所述测试管道内压力的第一调压件，所述第一调压件位于所述加注管在所述非测试区段的位置和所述进气口与所述非测试区段连通的位置之间。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述天然气流场测试系统还包括用于调节所述测试管道内压力的第二调压件和第三调压件，所述进气口在所述非测试区段的位置位于所述第二调压件和所述加注管与所述非测试区段连通的位置之间，所述测试区段位于所述第二调压件和所述第三调压件之间。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例测试系统包括测试管道、加注装置和测试舱，测试舱位于测试管道的测试区段，加注装置位于测试管道的非测试区段，在测试前，通过使用加注装置对非测试区段内的天然气进行示踪粒子的注入，以得到可用于测试天然气。并且加注装置中的混合腔具有出气口、用于与非测试区段连通的进气口和示踪物质注入口，通过进气口获取非测试区段的天然气，并使进入混合腔的天然气与通过注入口进入混合腔的示踪粒子能在混合腔内得到混合，然后从出气口排出混合腔。加注时，将加注管道置入测试管道的非测试区段内，混合气体可通过与出气口连通的加注管和安装在加注管上的加注喷头注入到测试管道内。由于加注管为可伸缩管，加注喷头为可转动的喷头，即喷头喷射方向可调，通过控制加注管伸缩能调整加注管在测试管道内的深度位置，控制喷头转动能调整喷头喷射混合气体的角度。本实施例中控制器用于控制驱动组件驱动加注管和加注喷头中的至少一个动作，技术人员可以根据混合气体的注入状况，控制控制器调整加注管在测试管道内的深度位置和调整加注喷头喷射混合气体的角度，即形成反馈调节模式，这样通过反馈调节就能确保混合气体注入到测试管道后能充分地分散到测试管道内的各处位置，从而保证流场测试结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种天然气流场测试系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种加注装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种加注管的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种加注喷头与加注管装配的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种加注喷头与加注管装配的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种加注装置的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种出气管上具有缩径区域的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种测试管道的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的一种测试管道的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的一种测试舱与测试管道的安装位置示意图；

图11是本发明实施例提供的一种测试舱与测试管道的安装位置示意图；

图12是本发明实施例提供的一种测试舱与测试管道的安装位置示意图。

图中各符号表示含义如下：

A-测试管道，1a-测试区段，10a-管道本体，11a-第一管壁，12a-第二管壁，2a-非测试区段，B-加注装置，C-测试舱，1c-透明视窗，11c-第一视窗板，12c-第二视窗板，13c-第三视窗板，1-混合腔，11-进气口，12-示踪物质注入口，13-出气口，2-加注管，21-连接管，22-伸缩管，3-加注喷头，31-软管，32-喷头，33-第一转板，34-第二转板，341-电机安装架，35-转销，4-驱动组件，51-进气管，52-注入管，53-出气管，6-电控阀门，7-储气罐，8-缩径区域，9-加注管道，91-法兰，101-第一调压件，102-第二调压件，103-第三调压件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

目前测试天然气管道内气体的流场、流速可以采用粒子成像测速和激光多普勒测速方法。两种测试方法都要求流体(如天然气)中存在能跟随流体一起运动且不干扰流场的示踪粒子。测试时，粒子成像测速和激光多普勒测速方法可以通过测试示踪粒子以获取到管道内的流场信息。

相关技术中的天然气流场测试系统工作时，先将示踪粒子和天然气混合，待示踪粒子和天然气充分混合后，将混合气体通入天然气管道内以待测试。其中，混合的过程采用粒子注入装置，该粒子注入装置通常包括混合腔、与混合室连通的第一管道和第二管道，第一管道和第二管道均与气源连通，混合腔内存放有示踪粒子，第一管道用于将气体通入混合室与示踪粒子混合，第二管道用于将位于混合腔内的示踪粒子喷吹扩散至混合腔内，使示踪粒子与气体充分混合，混合后将混合气体通过管道输送至待检测管道内，以进行流场测试。

由于该粒子注入装置将示踪粒子和气体混合后直接注入到天然气管道内，且气体在和示踪粒子混合的过程中示踪粒子的扩散状态不能得到保证，同时混合气体输送至待检测管道后，混合气体是否能充分分散至管道内的各处位置也不能保证。

为此本发明实施例提供了一种天然气流场测试系统。图1是本发明实施例提供的一种天然气流场测试系统的结构示意图。如图1所示，该天然气流场测试系统包括：测试管道A、加注装置B和测试舱C。测试管道A包括相连通的测试区段1a和非测试区段2a，测试舱C位于测试区段1a，加注装置B位于非测试区段2a，测试区段1a为透光区域。

图2是本发明实施例提供的一种加注装置的结构示意图。如图2所示，加注装置B包括：混合腔1、加注管2、加注喷头3、驱动组件4和控制器，混合腔1具有出气口13、示踪物质注入口12和用于与非测试区段2a连通的进气口11，加注管2的一端与出气口13连通，加注管2为可伸缩管22，加注管2的另一端位于非测试区段2a，加注管2在非测试区段2a的位置距测试区段1a的距离小于进气口11与非测试区段2a连通的位置距测试区段1a的距离，加注喷头3可转动地安装在加注管2的另一端，加注喷头3的转动中心线与加注管2的中轴线垂直；驱动组件4用于驱动加注管2伸缩和驱动加注喷头3转动；控制器与驱动组件4电连接，控制器用于控制驱动组件4驱动加注管2和加注喷头3中的至少一个动作。

如图1所示，测试舱C包括测试舱本体，测试舱本体的侧壁上具有透明视窗1c，透明视窗1c与测试区段1a相对，测试舱C内设有粒子成像测速设备和激光多普勒测速设备，使测试舱C可用于对测试区段1a进行粒子成像测速和激光多普勒测速。

本发明实施例测试系统包括测试管道、加注装置和测试舱，测试舱位于测试管道的测试区段，加注装置位于测试管道的非测试区段，在测试前，通过使用加注装置对非测试区段内的天然气进行示踪粒子的注入，以得到可用于测试天然气。并且加注装置中的混合腔具有出气口、用于与非测试区段连通的进气口和示踪物质注入口，通过进气口获取非测试区段的天然气，并使进入混合腔的天然气与通过注入口进入混合腔的示踪粒子能在混合腔内得到混合，然后从出气口排出混合腔。加注时，将加注管道置入测试管道的非测试区段内，混合气体可通过与出气口连通的加注管和安装在加注管上的加注喷头注入到测试管道内。由于加注管为可伸缩管，加注喷头为可转动的喷头，即喷头喷射方向可调，通过控制加注管伸缩能调整加注管在测试管道内的深度位置，控制喷头转动能调整喷头喷射混合气体的角度。本实施例中控制器用于控制驱动组件驱动加注管和加注喷头中的至少一个动作，技术人员可以根据混合气体的注入状况，控制控制器调整加注管在测试管道内的深度位置和调整加注喷头喷射混合气体的角度，即形成反馈调节模式，这样通过反馈调节就能确保混合气体注入到测试管道后能充分地分散到测试管道内的各处位置，从而保证流场测试结果的准确性。

其中，注入情况可以采用以下方式确定：将在非测试区段2a中的一段管路设置为透明管，当加注装置将混合气体注入到非测试区段2a后，待混合气体流至透明管。此时技术人员可以通过观察透明管内的示踪粒子的分布情况，从而控制控制器调整加注管在测试管道内的深度位置和调整加注喷头喷射混合气体的角度，形成反馈调节模式。

如图1所示，天然气流场测试系统还包括用于调节测试管道内压力的第一调压件101，第一调压件101位于加注管在非测试区段的位置和进气口与非测试区段连通的位置之间。第一调压件101调节压力之后，能降低测试管道内的天然气的压强，使注入装置注入测试管道内的气体压强比测试管道内的天然气的压强大至少0.5MPa至1.0Mpa，例如，0.6MPa、0.75MPa等，这样的压差可以保证使经注入装置混合后的气体能正常加注进入测试管道内的天然气中，不会因为压差过低导致注入装置内的混合气体加入的流量太小，也不会因为加注压差过大导致注入装置内的混合气体冲击测试管道的管壁。

可选地，天然气流场测试系统还包括用于调节测试管道内压力的第二调压件102和第三调压件103，进气口在非测试区段的位置位于第二调压件102和加注管与非测试区段连通的位置之间，测试区段位于第二调压件102和第三调压件103之间。第二调压件102设置在测试管道的测试区段之前的管路上，能够调节天然气的压强、流量，使调节后的天然气具有稳定压强、流量。当测试管道的测试区段之前的管道内的天然气为高压天然气时，可调节通过第二调压件102调节测试管道的测试区段之前的管道内的天然气的压强、流量，使调节后的高压天然气具有稳定压强、流量。例如，高压天然气的压强为3.0MPa的时，可将高压天然气的压强调整至2.2MPa，这样可以减小激光多普勒测速装置和粒子成像测速装置在测试过程中因压强和流量波动引起的误差。同时，在测试区段之后的管道内设置第三调压件103，能够对经测试后的天然气进行压强、流量调节，然后输送至运输管道中进行天然气的输送。

本发明实施例中，控制器可以是可编程控制器Programmable Logic Controller，简称PLC。可编程逻辑控制器采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制驱动组件4动作。

图3是本发明实施例提供的一种加注管的结构示意图。如图3所示，加注管2可以包括：连接管21和伸缩管22，连接管21与出气口13连通，伸缩管22滑动密封套装在连接管21上。这样通过调整伸缩管22套装在连接管21上的位置，就可以实现加注管2的伸缩目的，得以调整加注管2位于天然气管道内的深度。其中，连接管21与出气口13连通可以是连接管21与出气口13直接对接，以使得混合气体可以通过出气口13进入连接管21中；连接管21与出气口13连通还可以是连接管21与出气口13通过管道接通，即管道的两端分别与连接管21和出气口13接通，以使得混合气体可以通过管道从出气口13流入连接管。

其中，连接管21和伸缩管22的滑动密封配合可以采用以下方式实现。例如，连接管21的外壁上可开设用于安装密封圈的凹槽，这样伸缩管22套装在连接管21后，伸缩管22和连接管21之间的微小间隙通过密封圈封堵，从而提高伸缩管22与连接管21在相对滑动时的密封性。

可选地，加注管2可以有一个或多个，当加注管2有多个时，混合腔1上配置有多个与加注管2相连的出气口13，其中多个加注管2并行分布，且每个加注管2均安装有一个加注喷头3。设置多个加注管2同时加注混合气体，能提高加注速度，并且多个加注管2同时加注，使混合气体能同时从多个位置扩散，可以改善混合气体混合不均匀的问题。

其中，各加注喷头3的转动中心线均不平行。即各个加注喷头3的转动中心线相互呈角度，这样使得多个加注喷头3可以在垂直于加注管2的平面上，从各种不同的角度将混合气体注入到天然气管道内，从而使得喷射出的天然气更加均匀地混入天然气管道内。

本实施例中，驱动组件4可以包括电动伸缩杆，电动伸缩杆位于连接管21的外管壁上，电动伸缩杆的伸缩端与伸缩管22连接，电动伸缩杆的伸缩方向与连接管21的轴向相同。由于电动伸缩管22安装在连接管21上，因此在电动伸缩杆的推动下，伸缩管22可以在连接管21上往复滑动，从而实现自动调控加注管2伸缩的目的。

示例性地，如图3所示，连接管21上设有两个电动伸缩杆，电动伸缩杆以连接管21的中轴线为对称轴分布在连接管21的两侧，且两个电动伸缩杆的伸缩端均与伸缩管22的端面连接。通过两个电动伸缩杆同时驱动伸缩管22滑动，能使加注管2更快速地完成伸缩动作，同时电动伸缩杆分布在连接管21的两侧，能使得伸缩管22的端面受力更加均匀，从而使伸缩管22的滑动过程更流畅。

图4是本发明实施例提供的一种加注喷头与加注管装配的结构示意图。如图4所示，加注喷头3包括：软管31和喷头32，软管31连接喷头32和加注管2的另一端，驱动组件4包括：第一转板41、第二转板42和电机44，第一转板41上设有垂直于板面的转销43，第二转板42上设有转销孔，转销43可转动地插装在转销孔内，第一转板41固定在喷头32上，第二转板42固定在加注管2上，电机44的输出轴与转销43同轴连接。通过软管31连接喷头32和加注管2，为喷头32的转动提供了动作空间，以实现加注喷头3可转动的目的。由于第一转板41和第二转板42分别安装在喷头32和加注管2上，而第一转板41和第二转板42通过转销43铰接，即使用加注喷头3时，通过转动转销43就可以控制喷头32绕转销43转动，从而实现调节喷头32喷射角度的目的。同时电机44的输出轴与转销43同轴连接，因此在电机44的驱动下，可以使喷头32绕转销43进行360°转动，从而实现自动调控加注喷头3的喷射角度的目的。

示例性地，如图5所示，电机为微型电机，且第二转板34上设有电机安装架341，微型电机固定安装在电机安装架341上，这样在微型电机工作时，就能将驱动力矩传递至转销35，从而实现喷头32转动的目的。

可选地，喷头32的喷射出混合气体的方向可以与天然气管道内天然气的流向相反，这样能够更好地使混合气体与天然气混合。喷头32的喷射出混合气体的方向还可以垂直于天然气管道内天然气的流向或喷头32的喷射角度为其他方向，本实施例不做限制。

图6是本发明实施例提供的一种加注装置的结构示意图。如图6所示，该加注装置还包括：与进气口11连通的进气管51、与注入口12连通注入管52、与出气口13连通的出气管53，进气管51、注入管52和出气管53上均设有电控阀门6，电控阀门6与控制器电连接。本实施例通过在进气口11、注入口12和出气口13上都设置了管道，并在管道上都设置了电控阀门6，即进气管51、注入管52和出气管53上均设有电控阀门6，由于电控阀门6与控制器电连接，因此还可以通过控制器控制电控阀门6的启闭，控制进入混合腔1的示踪粒子和天然气的量，以调整混合气体中示踪粒子的浓度，同时还可以控制位于出气管53上电控阀门6的启闭，来调整天然气管道内示踪粒子的浓度。这样能实现自动化调节，降低人工劳动强度，提高操作精准度。

其中，进气管51可以与储气罐7连通，储气罐7内存储有用于与示踪粒子混合的天然气；注入管52可以与存储罐连通，存储罐内存储有示踪粒子；出气管53可以与加注管2连通，以便将混合气体通过加注管2注入到天然气管道内。

可选地，电控阀门6包括压力调节阀和流量调节阀中的至少一个。即电控阀门6可以为以下三种情况，第一种，电控阀门6包括压力调节阀，第二种，电控阀门6包括流量调节阀，第三种，电控阀门6包括压力调节阀和流量调节阀。其中，压力调节阀用于调节气体通过阀门后的压力，流量调节阀用于调节气体通过的流量。

示例性地，位于进气管51和注入管52上的电控阀门6可以包括压力调节阀和流量调节阀，位于出气管53上的电控阀门6可以包括流量调节阀。这样可以通过位于进气管51和注入管52上的流量调节阀控制调节好混合气体中示踪粒子的浓度，同时还可以通过位于进气管51和注入管52上的压力调节阀调节好输出的混合气体的压力。本实施例中，要求进入加注管2内的混合气体的压力要比天然气管道内天然气的压力大至少0.5MPa，这样的压差可以保证让混合气体正常地加注到天然气管道中，既不会因为压差过低导致混合气体加入流量太小，也不会因为加注压差过大导致加注的示踪粒子冲击天然气管道的管壁。例如，当天然气管道内天然气的流量在100至500m³/h的工况时，将上述压差保持在0.5至1.0MPa能够使流场测试的不确定度低于0.9％，即通过设置压力调节阀调节注入压力，还可以提高测试准确度。最后通过控制位于出气管53上电控阀门6的启闭时长，来调整天然气管道内示踪粒子的浓度，从而确保流场的测试效果，提高准确性。

可选地，进气管51上还可以设置单向阀，以防止天然气回流。

在其他的一些实施例中，进气管51可以直接与上游的天然气管道连通，加注管2与下游天然气管道连通，而下游的天然气管道处设有流场测试装置，即流场测试在下游的天然气管道处进行。进气管51直接与上游的天然气管道连通后，可利用输送管路上设置的调压撬自动调节，使天然气管道在形成的上下游形成压差，即进入到进气管51的天然气的压力已经大于下游的天然气管道内的天然气压力，所以此时无需在进气管51上设置压力调节阀来调节天然气的压力，以使混合气体符合注入时的压力。这样可以节省调节压力调节阀过程所消耗的能量，同时也简化了加注装置的结构，便于使用。

可选地，加注装置还包括旋流混合器，旋流混合器位于混合腔1内，旋流混合器的第一入口与进气口11连通，旋流混合器的第二入口与加注口连通。其中，旋流混合器包括第一入口和第二入口，两个入口分别与注入口12和进气口11连接，旋流混合器能够将示踪物质和天然气以旋流的形式高速充分混合，形成混合气体。其中，注入口12和进气口11可相对设置，以相对设置，使天然气和示踪粒子对冲混合，便于示踪粒子快速混入到天然气中。

本实施例中，可以通过调整旋流混合器混合示踪物质和天然气的速度，来调整示踪粒子的粒径。由于旋流混合器工作时会使示踪物质和天然气以旋流形式混合，即混合时会存在离心力，离心力的存在进而使质量较大的示踪粒子脱离示踪物质和天然气的混合区域，从而能将粒径大且质量大的示踪粒子筛选出去，保留符合要求粒径的示踪粒子。

可选地，加注管2或出气管53上具有缩径区域8，加注管2或出气管53上位于缩径区域8的管径小于加注管2或出气管53上不位于缩径区域8的管径。这样能增加混合气体的流速，使混合气体更好地扩散到天然气管道中。

示例性地，图7是本发明实施例提供的一种出气管上具有缩径区域的结构示意图。如图7所示，缩径区域8位于出气管53的上，缩径区域8的管径小于出气管53的两端区域，当混合气体通过缩径区域8时，混合气体的速度会得到提升，从而更好地扩散到天然气管道中。

在本实施例中，示踪物质可以是液态示踪物质，例如水、有机溶剂和气溶胶等。液态示踪物质可以置于混合腔1内，待与天然气混合后。当携带液态示踪物质的混合气体通过缩径区域8时，出气管53的上下游会形成压差，让液态示踪物质气化成气态示踪粒子。即设置缩径区域8还可以起到气化的作用，便于雾状的示踪粒子的产生。

如图2、6所示，加注装置还包括加注管道9，加注管道9两端具有用于与天然气管道连接的法兰91，加注管道9的管壁上具有供加注管2通过的通孔。加注管道9可替代天然气管道中的一部分，通过位于两端的法兰91与天然气管道连接。由于加注管2注入混合气体时需要置入天然气管道内，为了不影响天然气管道正常使用，通过设置加注管道9，在加注管道9上加工通孔，以实现加注管2能置入天然气管道内的目的。其中，加注管道9和加注管2可以是一体结构，这样可以提高密封性，另外，加注管2通过通孔进入加注管道9内后，可以将加注管2的外管壁与通孔焊接，从而保证加注管道9的密封性。

图8是本发明实施例提供的一种测试管道的结构示意图。如图8所示，该测试区段1a包括：管道本体10a和位于管道本体10a两端的法兰，管道本体10a包括第一管壁11a和第二管壁12a，第一管壁11a和第二管壁12a的两条分界线沿管道本体10a的轴向延伸，第一管壁11a为透明侧壁，第二管壁12a为非透明侧壁，透明视窗1c与第一管壁11a相对的。

其中，测试区段1a包括位于管道本体10a和位于管道本体10a两端的法兰，通过法兰能将管道本体10a与天然气管道连接，从而使得天然气管道内的天然气进入到管道本体10a内进行流场、流速的测试。且管道本体10a包括相连形成整圆的第一管壁11a和第二管壁12a，第一管壁11a为透明侧壁。即在通过粒子成像测速和激光多普勒测速对管道本体10a内的天然气进行测试时，可以通过第一管壁11a向管道本体10a内部打光，照亮管道本体10a内部，从而使得粒子成像测速和激光多普勒测速均能获取到管道本体10a内的流场和流速，便于天然气管道的流场的研究。

在一种实现方式中，第一管壁11a所在圆弧对应的圆心角α可以为180°至240°。该种管道尤其适用于粒子成像测速方法，由于粒子成像测速方法测试时，需要在流体中注入一定数量跟随流体运动的示踪粒子，并采用激光照亮流场中的一个测试面，为满足粒子成像测速方法在天然气管道内能拍摄到一个测试面，因此要使第一管壁11a所在圆弧对应的圆心角α足够大，且设置圆心角α至少为180°，以使得粒子成像测速方法拍摄的测试面，能涉及管道本体10a的最大轴向横截面，从而使获取的天然气管道的流场信息更全面。并且为防止环境光照射到管道本体10a内，还设置了圆心角α不大于240°从而使位于第一管壁11a背部的环境光不会照射到管道本体10a内，以避免对拍摄的测试面造成干扰，以提高测试的准确度。

示例性地，如图8所示，第一管壁11a所在圆弧对应的圆心角α可以为210°。该圆心角在保证满足粒子成像测速方法的前提下，还可以有效地减少环境光的影响。进一步地，圆心角α可以为195°等更接近180°的角度，从而能最大程度地减少环境光的影响。并且在本实施例中，粒子成像测速方法为了使得照射的激光能照亮待测管道本体10a的最大轴向横截面，以获取全面的天然气管道的流场信息，即会使激光沿径向照射，且保证激光的光路始终在第一管壁11a的区域中，这样就能在管道本体10a内形成一个轴向延伸的光亮面，并能使粒子成像测速装置经通过第一侧壁完成对光亮面的拍摄。

需要说明的是，上述管道也可以满足激光多普勒测速方法的要求，即采用该管道可以同时进行激光多普勒测速方法和粒子成像测速方法的测试。

在本发明的另一种实现方式中，第一管壁11a所在圆弧对应的圆心角为15°至60°。该种管道尤其适用于激光多普勒测速方法，由于激光多普勒测速方法时，需要通过发射源发射两束相干的光波形成测量区域，因此适用于激光多普勒测速方法的管道，只需要第一管壁11a所在圆弧对应的圆心角α满足使两束激光通过即可。本实施例中，第一管壁11a所在圆弧对应的圆心角α可以足够小，设置圆心角α不小于15°，以使得激光多普勒测速方法所发射的激光能通过第一管壁11a进入到管道本体10a内，且圆心角α不大于60°，以使防止环境光照射到管道本体10a内，最大程度地避免环境光对激光多普勒测速造成干扰，以提高测试的准确度。

示例性地，如图9所示，第一管壁11a所在圆弧对应的圆心角为60°。该第一管壁11a能使激光多普勒测速装置发射的检测信号如激光通过第一管壁11a进入到充满待测天然气的管道本体10a中，同时，经第一管壁11a进入管道本体10a内的激光照射到待测天然气后，还可以再次经第一管壁11a重新被激光多普勒测速装置接收，从而实现激光多普勒测速方法的测试。且使用该种管道进行激光多普勒测试方法测试，能将不确定度降低至2％，因此更为适用于激光多普勒测速方法。

在一些实施例中，第一管壁11a的透光率可以大于第二管壁12a的透光率。通过设置第一管壁11a的透光率大于第二管壁12a的透光率，使在测试时，激光能更多地从第一管壁11a射入管道内，且避免环境光从第二管壁12a射入管道内，提高测试的准确度并降低干扰。

需要说明的是，在测试管道本体的流场和流速时，需要采用粒子成像测速方法进行测试，为满足粒子成像测速方法在天然气管道内能拍摄到一个测试面，即管道应选用第一管壁11a所在圆弧对应的圆心角α为180°至240°的管道。在需要精确测试管道本体的流速时，需要采用激光多普勒测试方法进行测试，即管道应选用第一管壁11a所在圆弧对应的圆心角为15°至60°的管道。

可选地，第一管壁11a的透光率可以不小于80％，第二管壁12a的透光率可以不大于40％。示例性地，第一管壁11a的透光率可以为90％，第二管壁12a的透光率可以20％。为使第一管壁11a和第二管壁12a的透光率满足上述要求，管道本体10a可以采用有机玻璃管，有机玻璃管的透光度可达80％以上，且同时，在第二管壁12a的内壁或外壁上可以设置用于降低透光率的降透层。例如，降透层可以为磨砂层或非透明薄膜层、涂层。示例性地，非透明薄膜层、涂层或磨砂层的厚度可以不大于1mm(如0.8±0.1mm)。这样能减少从第二管壁12a射入的环境光，以防止第二管壁12a外的环境光和粉尘等对测试造成影响，同时减少反射回来的激光，而反射回来的激光会对信号采集例如拍摄造成干扰，因此可以提高测试准确度和精度。

在其他一些实施例中，第一管壁11a的透光率可以等于第二管壁12a的透光率。即管道本体10a为透明管，可以采用有机玻璃制成，虽然存在部分从第二管壁12a处射入管道本体10a内的环境光影响测试，但是透明管可用于粒子成像测速方法和激光多普勒测速方法的测试。

本实施例中，粒子成像测速装置、激光多普勒测速装置测试时，管道本体10a内的天然气压力如6MPa较高，管道本体10a的耐压强度可根据测试要求确定，可通过调整管道本体10a的材质、厚度和管径来达到压强要求。

其中，采用激光多普勒测速装置、粒子成像测速装置进行流场、流速测试时，管道本体10a的长度可以根据测试要求进行加工。例如，管道本体10a的长度可以为0.5m、1m或1.5m。

本实施例中，测试舱C的透明侧壁1c与第一管壁11a相对，透明视窗1c的表面积不小于第一管壁11a的表面积。如图10、11所示，透明视窗1c位于测试舱C的角部，且透明视窗1c凹陷于测试舱C内，这样使测试管道可以容纳在测试舱C的凹陷处，同时，透明视窗1c与第一管壁11a相对，且透明视窗1c的表面积不小于第一管壁11a的表面积，使透明视窗1c将第一管壁11a包覆其中，从而通过透明视窗1c可以完全观察到第一管壁11a。

本实施例的一种实现方式中，如图10所示，透明视窗1c可以呈弧形状，透明视窗1c所在圆弧对应的圆心角不小于第一管壁11a所在圆弧对应的圆心角。呈弧形状的透明视窗1c对应的圆弧可以与第一管壁11a所在圆弧为同心圆弧，即使透明视窗1c将第一管壁11a包覆其中，从而通过透明视窗1c可以完全观察到第一管壁11a。

本实施例的另一种实现方式中，透明视窗1c可以呈矩形状，如图11所示，透明视窗21设置在测试舱C的角部位置，第一视窗板11c和第二视窗板12c均包括相对的第一侧边和第二侧边，两个第一侧边相连，第一视窗板11c的第二侧边距第二视窗板12c的距离L1不小于管道本体10a的直径，第二视窗板12c的第二侧边距第一视窗板11c的距离L2不小于管道本体10a的直径。从而使管道本体10a包覆在凹陷于测试舱C上的透明视窗1c内。

在本实施例的另一种实现方式中，透明视窗1c可以呈矩形状，如图12所示，透明视窗21设置在测试舱C的侧面且非侧面边缘位置，透明视窗21可以包括侧边相连的第一视窗板11c、第二视窗板12c和第三视窗板13c，第一视窗板11c、第二视窗板12c和第三视窗板13c均包括第一侧边和第二侧板，第一视窗板11c的第二侧边与第二视窗板12c的第一侧边连接，第二视窗板12c的第二侧边与第三视窗板的第一侧边连接，第一视窗板11c的第一侧边距第二视窗板12c的距离L3、第三视窗板13c的第二侧边距第二视窗板12c的距离L4以及第二视窗板12c的第一侧边与第二侧边之间的距离L5均不小于管道本体1a的直径。以满足管道本体1a包覆在凹陷与测试舱1中的透明视窗21内

在本实施例中，第一管壁11a和透明视窗1c之间的距离可以根据激光多普勒测试中发射激光的交汇点位置以及粒子成像测试中相机拍摄的焦距来确定，从而保证测试的准确度。

可选地，测试装置还可以包括将管道本体10a与透明视窗1c之间的间隙与外界隔绝的封闭件。例如封闭件可以为遮光布、防尘布帘等，设置封闭件能避免外界环境中的粉尘、水气以及光线等对流场、流速测试造成影响，从而能减少外界环境因素对测量的影响，提高测试准确度。

可选地，透明视窗1c可以具有良好的透光性能，例如，透明视窗1c透光度可以为90％。这样，在测试时粒子成像测速装置、激光多普勒测速装置发射的激光可以通过透明视窗1c进入管道本体10a内，同时良好的透光性能，在粒子成像测速装置、激光多普勒测速装置进行测试时，能减少透明视窗1c的反射和折射，避免对测试造成影响，提高准确度。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天然气流场测试系统，其特征在于，所述天然气流场测试系统包括：测试管道(A)、加注装置(B)和测试舱(C)，所述测试管道(A)包括相连通的测试区段(1a)和非测试区段(2a)，所述测试舱(C)位于所述测试区段(1a)，所述加注装置(B)位于所述非测试区段(2a)，所述测试区段(1a)为透光区段，

所述加注装置(B)包括：混合腔(1)、加注管(2)、加注喷头(3)、驱动组件(4)和控制器，所述混合腔(1)具有出气口(13)、示踪物质注入口(12)和用于与所述非测试区段(2a)连通的进气口(11)，所述加注管(2)的一端与所述出气口(13)连通，所述加注管(2)为可伸缩管(22)，所述加注管(2)的另一端位于所述非测试区段(2a)，所述加注管(2)在所述非测试区段(2a)的位置距所述测试区段(1a)的距离小于所述进气口(11)与所述非测试区段(2a)连通的位置距所述测试区段(1a)的距离，所述加注喷头(3)可转动地安装在所述加注管(2)的另一端，所述加注喷头(3)的转动中心线与所述加注管(2)的中轴线垂直；所述驱动组件(4)用于驱动所述加注管(2)伸缩和驱动所述加注喷头(3)转动；所述控制器与所述驱动组件(4)电连接，所述控制器用于控制所述驱动组件(4)驱动所述加注管(2)和所述加注喷头(3)中的至少一个动作，

所述测试舱(C)的侧壁上具有透明视窗(1c)，所述透明视窗(1c)与所述测试区段(1a)相对，所述测试舱(C)用于对所述测试区段(1a)进行粒子成像测速和激光多普勒测速。

2.根据权利要求1所述的天然气流场测试系统，其特征在于，所述加注装置(B)还包括：与所述进气口(11)连通的进气管(51)、与所述注入口(12)连通注入管(52)、连通所述出气口(13)和所述加注管(2)的出气管(53)，所述进气管(51)、所述注入管(52)和所述出气管(53)上均设有电控阀门(6)，所述电控阀门(6)与所述控制器电连接，所述电控阀门(6)包括压力调节阀和流量调节阀中的至少一个。

3.根据权利要求1所述的天然气流场测试系统，其特征在于，所述加注管(2)包括：连接管(21)和伸缩管(22)，所述连接管(21)与所述出气口(13)连通，所述伸缩管(22)滑动密封套装在所述连接管(21)上。

4.根据权利要求1所述的天然气流场测试系统，其特征在于，所述加注喷头(3)包括：软管(31)和喷头(32)，所述软管(31)连接所述喷头(32)和所述加注管(2)的另一端，所述驱动组件(4)包括：第一转板(41)、第二转板(42)和电机(44)，所述第一转板(41)上设有垂直于板面的转销(43)，所述第二转板(42)上设有转销孔，所述转销(43)可转动地插装在所述转销孔内，所述第一转板(41)固定在所述喷头(32)上，所述第二转板(42)固定在所述加注管(2)上，所述电机(44)的输出轴与所述转销(43)同轴连接。

5.根据权利要求1所述的天然气流场测试系统，其特征在于，所述测试区段(1a)包括：管道本体(10a)和位于所述管道本体(10a)两端的法兰，所述管道本体(10a)包括第一管壁(11a)和第二管壁(12a)，所述第一管壁(11a)和所述第二管壁(12a)的两条分界线沿所述管道本体(10a)的轴向延伸，所述第一管壁(11a)为透明侧壁，所述第二管壁(12a)为非透明侧壁，所述透明视窗(1c)与所述第一管壁(11a)相对的。

6.根据权利要求5所述的天然气流场测试系统，其特征在于，所述第一管壁(11a)所在圆弧对应的圆心角为180°至240°，或者，所述第一管壁(11a)所在圆弧对应的圆心角为15°至60°。

7.根据权利要求5所述的天然气流场测试系统，其特征在于，所述透明视窗(1c)的表面积不小于所述第一管壁(11a)的表面积。

8.根据权利要求7所述的天然气流场测试系统，其特征在于，所述透明视窗(1c)呈弧形状，所述透明视窗(1c)所在圆弧对应的圆心角不小于所述第一管壁(11a)所在圆弧对应的圆心角，

或者，所述透明视窗(1c)包括侧边相连的第一视窗板(11c)和第二视窗板(12c)，所述第一视窗板(11c)和所述第二视窗板(12c)均包括相对的第一侧边和第二侧边，两个所述第一侧边相连，所述第一视窗板(11c)的第二侧边距所述第二视窗板(12c)的距离(L1)不小于所述管道本体(10a)的直径，所述第二视窗板(12c)的第二侧边距所述第一视窗板(11c)的距离(L2)不小于所述管道本体(10a)的直径。

9.根据权利要求1至8任一项所述的天然气流场测试系统，其特征在于，所述天然气流场测试系统还包括用于调节所述测试管道(A)内压力的第一调压件(101)，所述第一调压件(101)位于所述加注管(2)在所述非测试区段(2a)的位置和所述进气口(11)与所述非测试区段(2a)连通的位置之间。

10.根据权利要求1至8任一项所述的天然气流场测试系统，其特征在于，所述天然气流场测试系统还包括用于调节所述测试管道(A)内压力的第二调压件(102)和第三调压件(103)，所述进气口(11)在所述非测试区段(2a)的位置位于所述第二调压件(102)和所述加注管(2)与所述非测试区段(2a)连通的位置之间，所述测试区段(1a)位于所述第二调压件(102)和所述第三调压件(103)之间。

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