一种加注方法、示踪方法、加注装置、示踪装置及应用与流程

1.本发明涉及一种加注方法、示踪方法、加注装置、示踪装置及应用。


背景技术：

2.在利用激光测量天然气管道中气相流速和流场变化时，需要在天然气管道中添加示踪粒子。示踪粒子在管道中跟随气相流动，其位置坐标被高速摄像机捕捉并记录下来，然后通过相应的算法可获得粒子的运动速度，进一步推算出气相在管道中的流动状态与速度。
3.现有的粒子加注装置均为外置设备，并通过高压管线与天然气主管道连接，然后利用主管道壁面或内部管道完成示踪粒子加注，在实际应用过程中存在几个突出问题：
①
外置粒子加注设备结构复杂，在使用过程中粒子反应釜和高压管线内会附着大量示踪剂残余，示踪剂损耗大，有效利用率低，并且在测试过程前后需要来回搬运，体积庞大操作不便；
②
管道外壁面单点加注，示踪粒子大量附着于对侧管壁，不仅造成示踪粒子二次耗损，而且会导致下游透明测试管段快速积液，严重干扰激光测速，并且需要频繁对高压管道进行卸压并拆卸清洗。这两个问题导致天然气管道内流场测试过程中示踪剂消耗量大且有效利用率低，管体外壁单点加注难度大而效果差。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的示踪剂消耗量大、有效利用率低、检测干扰严重的技术问题，本发明实施例提供一种加注方法、示踪方法、加注装置、示踪装置及应用。
5.本发明实施例的目的通过下述技术方案实现：
6.第一方面，本发明实施例提供一种天然气内流场的示踪剂的加注方法，包括：示踪剂在大于或等于示踪剂由液相变为气相的临界相变温度下与天然气气相混溶。
7.可选地，所述示踪剂在大于或等于示踪剂由液相变为气相的临界相变温度下与天然气的气相混溶，包括：当天然气内流场稳定后，示踪剂在大于或等于示踪剂由液相变为气相的临界相变温度下与天然气气相混溶。
8.可选地，所述气相混溶后得到的混合气体的温度大于或近似等于示踪剂由液相变为气相的临界相变温度。
9.第二方面，本发明实施例提供一种天然气内流场的示踪方法，包括：
10.当天然气内流场稳定后，示踪剂在大于或等于示踪剂由液相变为气相的临界相变温度下与天然气的气相混溶；
11.对所述混溶后得到的混合气体降温，以使所述混合气体中的气相示踪剂冷凝形成示踪剂液滴；
12.对所述示踪剂液滴进行示踪检测。
13.第三方面，本发明实施例提供一种天然气内流场的示踪方法，包括：
14.当天然气管道中的天然气内流场稳定后，示踪剂在大于或等于示踪剂由液相变为
气相的临界相变温度下与上游天然气管道中的天然气的气相混溶；
15.在下游天然气管道中，对所述混溶后得到的混合气体降温，以使所述混合气体中的气相示踪剂冷凝形成示踪剂液滴；
16.对所述示踪剂液滴进行示踪检测。
17.第四方面，本发明实施例提供一种示踪剂加注装置，包括：
18.温度单元，用于将液相状态的示踪剂转变为气相状态的示踪剂；以及
19.加注单元，用于向天然气管道内注入气相状态的示踪剂。
20.可选地，所述加注单元包括：
21.示踪剂存储单元，用于存储示踪剂并向天然气管道内注入气相状态的示踪剂；
22.所述温度单元包括：
23.示踪剂存储单元温控模块，用于控制示踪剂存储单元的温度。
24.可选地，所述加注单元还包括：示踪剂环形注入模块和示踪剂泵注模块；
25.所述示踪剂环形注入模块包括加注环；
26.示踪剂储存单元通过所述加注环的加注孔道与天然气管道连通；
27.示踪剂泵注模块，用于将示踪剂加注到示踪剂储存单元。
28.可选地，所述示踪剂泵注模块包括示踪剂注入泵和截止阀；所述示踪剂注入泵通过截止阀与所述示踪剂储存单元连接。
29.可选地，所述示踪剂存储单元温控模块包括加热带和温度控制器；加热带缠绕贴合于示踪剂储存单元外壁；所述加热带与温度控制器连接。
30.可选地，所述温度单元还包括：温度压力检测模块和温度控制模块；
31.所述温度压力检测模块与所述温度控制模块连接；
32.所述温度压力检测模块包括温度压力传感器、温度传感器和温度采集器；
33.所述温度压力传感器、温度传感器和温度采集器分别与温度控制模块连接；
34.所述温压传感器安装于加注环内部；
35.所述温度传感器和温度采集器均安装于示踪剂储存单元注入口。
36.可选地，温压传感器为防爆型温压一体传感器；
37.温度传感器为铂电阻式温度传感器，温度采集器为铂电阻式温度采集器。
38.第五方面，本发明实施例提供一种天然气内流场的示踪装置，包括：加注装置以及
39.预加热单元，用于对天然气进行预加热，以减小天然气与气相状态下的示踪剂的温差，使含有天然气与气相状态的示踪剂的混合气体维持气相混溶；
40.冷却单元，用于对所述混合气体降温，以使混合气体中的气相示踪剂冷凝形成示踪剂液滴；
41.检测单元，用于所述对示踪剂液滴进行示踪检测。
42.可选地，所述预加热单元包括：
43.上游主管道温控模块，安装于上游天然气管道，用于对天然气管道内的天然气预热以降低混溶时天然气与气态示踪剂的温度差；以及
44.所述冷却单元包括：
45.下游主管道冷却模块，安装于下游天然气管道，用于对与气态示踪剂混溶的天然气进行冷却以使所述与气态示踪剂混溶的天然气中的气态示踪剂冷凝成液滴。
46.可选地，所述上游主管道温控模块包括水套炉。
47.第六方面，本发明实施例提供一种天然气内流场的示踪装置的示踪方法，包括：
48.使天然气充满天然气管道完成排空；
49.当天然气管道内流场稳定后，开启温度控制器对示踪剂存储单元中的示踪剂加热；
50.通过温度传感器实时检测示踪剂温度参数，温度控制器根据温度参数调节示踪剂的温度以使示踪剂转化为气相；
51.将气相的示踪剂注入上游天然气管道中以使气相的示踪剂与天然气混溶；
52.对下游天然气管道进行冷却以使混溶气体中的气相示踪剂凝成液滴；
53.对所述液滴进行示踪检测。
54.第七方面，本发明实施例提供一种加注方法、示踪方法、加注装置或示踪装置在天然气内流场示踪检测中的应用。
55.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
56.本发明实施例通过气相示踪剂与天然气的气相混溶，实现了天然气与示踪剂的快速混溶，有效提高了管道天然气中所携带的示踪粒子浓度，从而避免了液滴加注存在的示踪剂消耗量大、示踪剂有效利用率低、检测干扰严重的缺陷。
附图说明
57.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
58.图1为一种天然气内流场的示踪方法流程示意图。
59.图2为另一种天然气内流场的示踪方法流程示意图。
60.图3为第一种示踪剂加注装置的结构示意图。
61.图4为第二种示踪剂加注装置的结构示意图。
62.图5为第三种示踪剂加注装置的结构示意图。
63.图6为天然气内流场的示踪装置的结构示意图。
64.图7为天然气内流场的示踪装置的示踪方法的流程示意图。
65.图8为示例的示踪剂加注装置的结构示意图。
66.图9为示例的温度单元和加注单元的结构示意图。
67.图10为示例的加注单元与天然气通道的连接结构示意图。
68.图11为示例的示踪装置的结构示意图。
69.附图中标记及对应的零部件名称：
70.1-加注单元，11-示踪剂环形注入模块，111-不锈钢加注环，112-示踪剂储存单元，113-加注孔道，114-可视观测窗，121-示踪剂注入泵，122-截止阀，2-温度单元，21-温度压力检测模块，211-温度压力传感器，212-温度传感器，213-温度采集器，22-温度控制模块，221-上游主管道温控模块，222-示踪剂存储单元温控模块，2221-加热带，2222-温度控制器，223-下游主管道冷却模块，3-天然气主管道，31-上游天然气管道，32-下游天然气管道，4-示踪剂。
具体实施方式
71.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
72.实施例1
73.为解决现有技术中存在的示踪剂消耗量大、有效利用率低、检测干扰严重的技术问题，发明人发现，主要是由于液滴加注过程中，液滴与天然气的混溶程度低、混溶时间长导致需要加入大量的液滴示踪剂才能使天然气中的气态示踪剂达到指定的检测浓度，而未被利用的液滴示踪剂一方面会造成浪费，一方面又会干扰后续对天然气中的示踪剂的检测。
74.发明人通过采用天然气内流场的示踪剂的加注方法，通过示踪剂在大于或等于示踪剂由液相变为气相的临界相变温度下与天然气气相混溶，实现了管道内示踪粒子在气态条件下快速充分的与天然气混溶，因此有效提高了管道天然气中所携带的示踪粒子浓度，从而有效提高了天然气中示踪剂的浓度，减少了示踪剂的用力，从而一方面避免了示踪剂的过度浪费，又避免了未被利用的示踪剂对检测造成的干扰。
75.为使检测结果更准确，一般需要对天然气管道进行排空，使天然气管道中充满天然气，使天然气内流场稳定后再进行检测。
76.可选地，当天然气内流场稳定后，示踪剂在大于或等于示踪剂由液相变为气相的临界相变温度下与天然气气相混溶。
77.一般来说，天然气的温度要低于气相示踪剂的温度，为了使气相的示踪剂在混溶后仍然能够保持气相状态，一方面可以通过提高管道内的天然气的温度，从而降低天然气与气相示踪剂的温差，一方面可以提高气相示踪剂的温度，从而使气相示踪剂在与天然气混合后混合气体的温度仍然高于或等于示踪剂的液相变为气相的临界相变温度，以使示踪剂在混合气体中仍然保持气相状态。
78.可选地，所述气相混溶后得到的混合气体的温度大于或近似等于示踪剂由液相变为气相的临界相变温度。
79.所述近似等于示踪剂由液相变为气相的临界相变温度，指的是可以使混合气体中的气相示踪剂维持气相状态的温度。
80.第二方面，将第一方面的加注方法应用到示踪方法中，本发明实施例提供一种天然气内流场的示踪方法，包括：
81.当天然气内流场稳定后，示踪剂在大于或等于示踪剂由液相变为气相的临界相变温度下与天然气的气相混溶；
82.对所述混溶后得到的混合气体降温，以使所述混合气体中的气相示踪剂冷凝形成示踪剂液滴；
83.对所述示踪剂液滴进行示踪检测。
84.参考图1所示，天然气内流场的示踪方法，在天然气内流场趋于稳定或者稳定后，示踪剂在气相状态下与天然气的气相混溶，从而得到天然气与气相示踪剂的混合气体。
85.天然气在天然气内流场作用下流动，通过对混合气体进行降温使混合气体的温度低于示踪剂的由液相变为气相的临界相变温度，从而示踪剂变为液滴状态，可选地，液滴为
粒径(0.1～10)μm的液滴。
86.最后，通过检测示踪剂液滴的运动状态进行示踪检测。
87.为了在第二方面的基础上，更准确方便的对天然气管道中的天然气进行示踪检测，第三方面，本发明实施例提供一种天然气内流场的示踪方法，包括：
88.当天然气管道中的天然气内流场稳定后，示踪剂在大于或等于示踪剂由液相变为气相的临界相变温度下与上游天然气管道中的天然气的气相混溶；
89.在下游天然气管道中，对所述混溶后得到的混合气体降温，以使所述混合气体中的气相示踪剂冷凝形成示踪剂液滴；
90.对所述示踪剂液滴进行示踪检测。
91.参考图2所示，在天然气管道中的天然气内流场稳定后，在天然气管道的上游将气相的示踪剂注入天然气管道中与天然气的气相混溶。
92.对下游的天然气管道进行冷却，当气相示踪剂和天然气的混溶气体流动至下游的天然气管道时，混溶气体中的气相示踪剂冷凝成示踪剂液体。
93.此时，可通过对示踪剂液滴的远动状态进行示踪检测。
94.第四方面，参考图3所示，本发明实施例提供一种示踪剂加注装置，包括：
95.温度单元，用于将液相状态的示踪剂转变为气相状态的示踪剂；以及
96.加注单元，用于向天然气管道内注入气相状态的示踪剂。
97.温度单元用于对液相示踪剂进行加热和温度控制，当液相示踪剂变为气相时，通过加注单元向天然气管道内注入气相状态的示踪剂，从而，通过该加注装置可以减少示踪剂的用量从而一方面避免了示踪剂的过度浪费，又避免了未被利用的示踪剂对检测造成的干扰。
98.参考图4所示，可选地，所述加注单元包括：
99.示踪剂存储单元，用于存储示踪剂并向天然气管道内注入气相状态的示踪剂；
100.所述温度单元包括：
101.示踪剂存储单元温控模块，用于控制示踪剂存储单元的温度。
102.从而，示踪剂存储单元温控模块通过控制示踪剂存储单元的温度，使当向天然气管道内注入示踪剂时，使示踪剂存储单元中有足够的气相示踪剂注入天然气管道。
103.可选地，所述加注单元还包括：示踪剂环形注入模块和示踪剂泵注模块；
104.所述示踪剂环形注入模块包括加注环；
105.示踪剂储存单元通过所述加注环的加注孔道与天然气管道连通；
106.示踪剂泵注模块，用于将示踪剂加注到示踪剂储存单元。
107.参考图5所示，示踪剂存储单元通过加注环连接在天然气管道上，可选的，加注环为不锈钢加注环；示踪剂泵注模块与示踪剂存储单元连接，当示踪剂存储单元中示踪剂不足时，通过示踪剂泵注模加注示踪剂入示踪剂存储单元中。
108.可选地，所述示踪剂泵注模块包括示踪剂注入泵和截止阀；所述示踪剂注入泵通过截止阀与所述示踪剂储存单元连接。
109.示踪剂注入泵通过截止阀与示踪剂储存单元连通。
110.可选地，所述示踪剂存储单元温控模块包括加热带和温度控制器；加热带缠绕贴合于示踪剂储存单元外壁；所述加热带与温度控制器连接。
111.参考图5所示，可选地，所述温度单元还包括：温度压力检测模块和温度控制模块；
112.所述温度压力检测模块与所述温度控制模块连接；
113.所述温度压力检测模块包括温度压力传感器、温度传感器和温度采集器；
114.所述温度压力传感器、温度传感器和温度采集器分别与温度控制模块连接；
115.所述温压传感器安装于加注环内部；
116.所述温度传感器和温度采集器均安装于示踪剂储存单元注入口。
117.可选地，温压传感器为防爆型温压一体传感器；
118.温度传感器为铂电阻式温度传感器，温度采集器为铂电阻式温度采集器。
119.第五方面，本发明实施例提供一种天然气内流场的示踪装置，包括：第四方面所述的加注装置以及
120.预加热单元，用于对天然气进行预加热，以减小天然气与气相状态下的示踪剂的温差，使含有天然气与气相状态的示踪剂的混合气体维持气相混溶；
121.冷却单元，用于对所述混合气体降温，以使混合气体中的气相示踪剂冷凝形成示踪剂液滴；
122.检测单元，用于所述对示踪剂液滴进行示踪检测。
123.参考图6所示，一种天然气内流场的示踪装置，包括温度单元、加注单元、预加热单元、冷却单元和检测单元。
124.可选地，预加热单元设于上游的天然气管道，通过对上游的天然气管道进行加热实现对天然气的预热，从而减小天然气和气相示踪剂的温差，保证含有天然气与气相状态的示踪剂的混合气体维持气相混溶的状态。
125.可选地，冷却单元设于下游的天然气管道，通过对下游的天然气管道进行冷却从而实现对下游天然气管道中的天然气的冷却，从而使下游天然气管道中的混合气体中的气相示踪剂冷凝形成示踪剂液滴。
126.检测单元，将示踪剂液滴置于激光测速区域用高速ccd相机完成拍摄。
127.可选地，所述预加热单元包括：
128.上游主管道温控模块，安装于上游天然气管道，用于对天然气管道内的天然气预热以降低混溶时天然气与气态示踪剂的温度差；以及
129.所述冷却单元包括：
130.下游主管道冷却模块，安装于下游天然气管道，用于对与气态示踪剂混溶的天然气进行冷却以使所述与气态示踪剂混溶的天然气中的气态示踪剂冷凝成液滴。
131.可选地，所述上游主管道温控模块包括水套炉。
132.第六方面，参考图7所示，本发明实施例提供一种天然气内流场的示踪装置的示踪方法，包括：
133.使天然气充满天然气管道完成排空；
134.当天然气管道内流场稳定后，开启温度控制器对示踪剂存储单元中的示踪剂加热；
135.通过温度传感器实时检测示踪剂温度参数，温度控制器根据温度参数调节示踪剂的温度以使示踪剂转化为气相；
136.将气相的示踪剂注入上游天然气管道中以使气相的示踪剂与天然气混溶；
137.对下游天然气管道进行冷却以使混溶气体中的气相示踪剂凝成液滴；
138.对所述液滴进行示踪检测。
139.第七方面，本发明实施例提供一种加注方法、示踪方法、加注装置或示踪装置在天然气内流场示踪检测中的应用。
140.示例
141.参考图8-11所示，一种天然气内流场内置示踪剂的加注装置，包括加注单元1和温度单元2；加注单元1与天然气主管道3连接；所述加注单元1包括：示踪剂环形注入模块11和示踪剂泵注模块，所述示踪剂环形注入模块11和所述示踪剂泵注模块12连接，所述示踪剂泵注模块将示踪剂加注到示踪剂环形注入模块11。
142.示踪剂环形注入模块11包括不锈钢加注环111和示踪剂储存单元112；所述不锈钢加注环111采用螺纹或者法兰的形式与所述天然气主管道3连接，所述不锈钢加注环111设计内径为dn100，相较于常规方法直接从天然气主管道壁面直接开孔加注，独立的不锈钢加注环安装位置更加灵活、加注功能和加注方式更加丰富；所述示踪剂储存单元112安装于所述不锈钢加注环111下方，不锈钢加注环111通过加注孔道113与所述天然气主管道3连接。
143.为兼顾实用性和安全性，可选地，示踪剂储存单元112设计为圆柱体结构，截面圆直径80mm，高度80mm，承压大于或等于20mpa。
144.可选地，加注孔道113为类似于蜂巢结构的密集孔道，确保相变后产生的气相示踪粒子可以快速、充分地进入天然气主管道内。
145.所述示踪剂泵注模块包括示踪剂注入泵121和截止阀122；所述示踪剂注入泵121与所述截止阀122连接，所述截止阀122与所述示踪剂储存单元112连接。
146.可选地，示踪剂储存单元112的壁面设计有可视观测窗114，可以实时监测示踪剂液位和相变状态，当示踪剂液位降低至警戒限位时，可及时向示踪剂储存单元112补充示踪剂，并通过截止阀122，控制示踪剂注入量。
147.可选地，温度控制模块包括示踪剂存储单元温控模块222；示踪剂存储单元温控模块222安装于示踪剂存储单元112。可选地，所述示踪剂存储单元温控模块222包括加热带2221和温度控制器2222；加热带2221紧密缠绕贴合于示踪剂储存单元112外壁，以保证加热效率。
148.可选地，温度单元2包括温度压力检测模块21和温度控制模块22，所述温度压力检测模块21与所述温度控制模块22连接。
149.可选地，所述温度压力检测模块21包括温度压力传感器211、温度传感器212和温度采集器213；所述温度压力传感器为贴片式，安装于不锈钢加注环111内部；所述温度传感器212和温度采集器213为贴片式，安装于示踪剂储存单元112注入口，在示踪剂储存单元112管壁侧表面，靠近底面区域，测试过程中完全浸没于液相示踪剂内部，监测温度更加精确。
150.一种天然气内流场内置示踪剂的示踪装置，包括上述加注装置还包括预加热单元和冷却单元。
151.参考图11所示，所述温度控制模块22包括三个独立温控系统，上游主管道温控模块221(加热单元)、示踪剂存储单元温控模块222和下游主管道冷却模块223(冷却单元)；所述上游主管道温控模块221安装于上游天然气管道31，示踪剂存储单元温控模块222安装于
示踪剂存储单元112，下游主管道冷却模块223安装于下游天然气管道32。
152.可选地，上游主管道温控模块221采用水套炉加热，对上游天然气管道31内的天然气进行预热处理，降低主管道天然气于气相示踪粒子的温度差，从而减少天然气和气相示踪粒子的热交换，促进两种气体均匀混溶。
153.可选地，下游主管道冷却模块223将上游已经充分混合的天然气进行降温，天然气中携带的示踪粒子重新冷凝形成微小粒径(0.1～10)μm的液滴，液滴伴随天然气向下游流动，进入激光测速区域内，由高速ccd相机完成拍摄。
154.以天然气管道内流场测试最常用的示踪剂——水为例，本装置内置示踪剂存储单元112，实验测试前泵入定量水，测试中通过温度控制器2222加热使水转化为蒸气，蒸气与天然气同为气相，可以实现充分混溶；而常规的加注需要先在天然气管道外部进行粒子发生，然后通过高压管道和喷嘴将雾化的水滴喷进天然气主管道内，初步完成与天然气混合；两相比较，新的内置加热式加注方法不仅去掉了结构复杂、体积庞大的外部加注装置，而且减少了示踪剂在粒子反应釜和高压管线内的损耗，同时有别于传统的液滴加注方式，示踪粒子在气态时可以更加快速充分的与天然气混溶，然后在下游管道中随温度降低逐渐凝聚形成小液滴，方便ccd相机捕捉并拍照。
155.上述示踪装置的具体操作过程，包括首先打开截止阀122，通过注入泵121向示踪剂储存单元112内注入定量示踪剂4，再关闭截止阀122。然后将加热带2221紧密缠绕贴合于示踪剂储存单元112外壁，热带2221一端与温度控制器2222连接。与此同时，开启上游管道阀门，使天然气充满主管道3内，完成排空。当主管道3内流场趋于稳定后，开启温度控制器2222，对示踪剂4进行加热，并通过温度传感器212实时监测示踪剂4温度参数，以便调节控温。当加热达到临界相变温度，示踪剂4大量转化为气态，即可开始实验测试。
156.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。