CN101696925A - 一种两相流减阻剂性能的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两相流减阻剂性能的测试装置及测试方法，用于测试减阻剂在不同的气速、液速、减阻剂浓度等条件下对水平管两相流摩擦阻力的减阻性能。采用相同管径的光滑管水平测试段和粗糙管水平测试段构成环道测试装置，对两相流减阻剂性能进行包括以下基本步骤的测试：减阻剂溶剂相与非溶剂相在水平光滑管中两相混合流动时，减阻剂的减阻性能测试；在与水平光滑管相同的流体流速、两相流流型、减阻剂浓度等条件下，减阻剂溶剂相与非溶剂相在水平粗糙管中两相混合流动时，减阻剂的减阻性能测试；以减阻剂在光滑管中对两相流的减阻率为下边界线、以减阻剂在粗糙管中对两相流的减阻率为上边界线，表征两相流减阻剂性能的测试结果。

Description

一种两相流减阻剂性能的测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种测试减阻剂对两相流摩擦阻力减阻性能的装置与方法，用以测试各种减阻剂在两相流中的减阻性能。

背景技术

采用减阻剂降低管流摩擦阻力是常见的减阻技术之一。减阻剂是一类可溶于液体的化学物质，通常分为水溶性减阻剂和油溶性减阻剂两大类。最常用的减阻剂是高分子聚合物。研究表明，微量聚合物减阻剂可使液体在管道中的流动摩擦阻力明显减小，减阻率可以达到50％，一些情况下甚至可以高达70％～80％。成功地将聚合物减阻剂应用于水或油的输送已经给一些工业部门带来了可观的经济效益。对两相流减阻的研究表明，减阻剂同样可以降低两相流的摩擦阻力，提高两相混输管道的输送效率。

减阻剂的减阻机理是由于减阻剂干扰了流体内部靠近壁面处的湍流结构，特别是抑制了边界层内的湍流猝发，减小了湍流旋涡的形成及其向主流核心区的传播，使雷诺应力和能量耗散减小，从而具有减阻作用。到目前为止，已有专利技术涉及减阻剂在单相流中减阻性能的测试。单相流可以是水溶液在管道中的流动，也可以是油在管道中的流动。对于两相流，如何测试减阻剂的性能还缺少相应的技术。两相流可以是气液两相流，也可以是液液两相流。油水两相流是最常见的液液两相流。

聚合物减阻剂在两相流中的减阻作用包括两部分：其一为与单相流体相同的阻力变化效应；其二是减阻剂在发挥其减阻作用的同时，引起两相流相态分布发生变化而派生的阻力变化效应。两相流减阻因相态分布可能发生变化而有别于单相流减阻，不能简单地依据减阻剂对单相流的减阻性能，来判断其在两相流中的减阻性能。对应于相同的液体雷诺数，在不同的两相流流型中，同一种减阻剂可能具有不同的减阻性能。一些研究结果显示出减阻剂对两相流的减阻效率高于单相流，这表明其中可能存在二次减阻效应，而大多数研究结果则显示减阻剂在两相流中的减阻率低于其在单相流中的减阻率。某些条件下，减阻剂对两相流的减阻效果很大程度上取决于两相流的最终流型。

两相流具有不同的流型，这是两相流与单相流的重要区别。减阻剂在单相流中的性能测试可以不考虑流型，减阻剂在两相流中的性能测试则必须考虑流型，因此，两相流减阻剂的性能测试***必须能够模拟两相流的流型。对于水平管气液两相流，流型包括泡状流、弹状流、分层流、环状流。对于水平管油水两相流，虽然其流型划可细分为分层流、分散流、环状流、弹块状流等流型，其基本流型则是“水包油”和“油包水”两类。减阻剂在两相流中的具体性能如何，必须针对不同的流型，通过两相流的实验测试才能得到准确的结论。

不同的气液两相流与油水两相流，不仅其管线的设计参数不同，而且可选用的减阻剂也不同。对于海洋油田、陆地油田的油气混输管线，以及其它工业领域中与气液两相流和液液两相流相关的流动***，对减阻剂用于两相流减阻的性能进行测试，依据测试数据，可以优选、推荐两相流减阻剂，淘汰不适用于两相流的减阻剂，为工程应用提供基础数据，使减阻剂在两相流减阻中发挥性能优势，避免盲目使用减阻剂所带来的损失。特别是对于长距离气液或液液混输管道，通过测试数据确定与之相适用的两相流减阻剂，将会明显提高输运效率，节省输送过程对能源的消耗，实现节能降耗的目标，产生可观的经济效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种两相流减阻剂性能的测试装置及测试方法，用于测试减阻剂在不同的气速、液速、减阻剂浓度等条件下对两相流摩擦阻力的减阻性能，从而可优选、推荐两相流减阻剂，淘汰不适用两相流的减阻剂，为工程应用提供基础数据。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种两相流减阻剂性能的测试装置，其特征在于，包括由粗糙管与光滑管相互连通组成的一个U形管，U形管水平设置，其中粗糙管的自由端通过气液分离器与一个贮液容器连接；光滑管的自由端连通一个管式混合器，贮液容器通过一个螺杆泵与管式混合器连通，该管式混合器为三通型混合器，其另外一端通过气体流量控制装置连通气源；所述螺杆泵与管式混合器连通的管路上设有流量调节装置、流量及密度检测装置，并铠装有液体测温探头；所述气体流量控制装置连通气源的管路上设有气体测温探头和压力变送器；所述粗糙管与光滑管中分别设有水平测试段，该水平测试段中设有差压变送器；所述光滑管水平测试段前、粗糙管水平测试段后也设有压力变送器。

上述方案中，所述光滑管水平测试段前预留两相流稳定段，粗糙管水平测试段前预留两相流稳定段。所述光滑管水平测试段与其两相流稳定段之间设有流型观察窗。

所述气体流量控制装置包括一个流量由气体调节阀控制的三组并联的气体孔板，该三组并联的气体孔板分别为小气量孔板、中气量孔板和大气量孔板。

所述流量调节装置包括一个与螺杆泵串联的主管道调节阀和一个与螺杆泵并联的旁通调节阀，液体流速大小由主管道调节阀和旁通调节阀联动调节控制。

流量及密度检测装置采用一个MicroMotion振动管质量流量与密度测量仪，准确度等级为0.25。所述差压变送器的差压量程在1kPa至100kPa范围内连续可调，精度等级为0.25。所述压力变送器量程在0.1MPa至2MPa的范围内连续可调，精度等级为0.25。

一种基于上述装置的两相流减阻剂性能的测试方法，为气液两相流减阻剂性能的测试方法：包括下述步骤：

(1)将减阻剂溶剂相加入贮液容器中，不加入减阻剂；

(2)顺序开启螺杆泵和气源，通过液体流量调节装置使液体流速保持为一平稳值，通过气体流量控制装置，使气体流速在0.6-8m/s之间保持为一平稳值，气体与液体在管式混合器中混合，形成气液两相流进入光滑管水平测试段和粗糙管水平测试段，而后进入气液分离器，气体排空，液体流回贮液器循环使用；

(3)保持液体流速不变，逐步改变气体流速的大小，分别测试光滑管水平测试段的摩擦阻力和粗糙管水平测试段的摩擦阻力；

(4)获得无减阻剂条件下不同气速条件下的测试数据；

(5)将减阻剂加入贮液容器中使减阻剂溶解于溶剂相中，形成减阻剂溶液；

(6)重复步骤(2)、(3)，获得有减阻剂条件下不同气速的测试数据；

(7)数据处理，两相流减阻率按添加减阻剂前后两相流摩擦阻力的相对变化率计算，其公式为：DR_气液＝(ΔP_气液-ΔP_气液DR)/ΔP_气液×100％；式中：DR_气液为气液两相流减阻率，ΔP_气液为没有加减阻剂时的气液两相流摩擦阻力，ΔP_气液DR为添加减阻剂时的气液两相流摩擦阻力。

一种基于上述装置的两相流减阻剂性能的测试方法，为油水两相流减阻剂性能的测试方法：包括下述步骤：

(1)将油与水按比例加入贮液容器中形成油水混合液，不加入减阻剂；

(2)关闭气源，开启螺杆泵，通过液体流量调节装置，逐步改变油水混合液的流速大小，分别测试光滑管水平测试段的摩擦阻力和粗糙管水平测试段的摩擦阻力；

(3)获得无减阻剂条件下油水混合液不同流速时的测试数据；

(4)将减阻剂加入贮液容器使减阻剂混合溶解于溶剂相中；

(5)重复步骤(2)，获得有减阻剂条件下不同流速时的测试数据；

(6)测试数据处理，油水两相流减阻率按添加减阻剂前后两相流摩擦阻力的相对变化率计算，其公式为：DR_油水＝(ΔP_油水-ΔP_油水DR)/ΔP_油水×100％；式中：DR_油水为油水两相流减阻率，ΔP_油水为没有加减阻剂时的油水两相流摩擦阻力，ΔP_油水DR为添加减阻剂时的油水两相流摩擦阻力。

本发明的优点是：以减阻剂在光滑管中的减阻率作为减阻效果的下限，以减阻剂在粗糙管中的减阻率作为减阻效果的上限，在相同的流体流速、两相流流型、减阻剂浓度等条件下，通过分别测试减阻剂在光滑管两相流和粗糙管两相流中的摩擦减阻率，得到减阻剂在两相流中减阻性能的下限数据和上限数据，依据减阻性能的上、下限数据，结合具体的油气管道摩擦减阻要求，可以优选、推荐适用于两相流的减阻剂，淘汰不适用于两相流的减阻剂。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明两相流减阻剂性能测试装置的结构图。图中：1-光滑管水平测试段；2-粗糙管水平测试段；3-气源；4-贮液容器；5-搅拌器；6-气液分离器；7-数据采集***；8-螺杆泵；9-管式混合器；10-MicroMotion质量流量与密度测量***；11-主管道调节阀；12-旁通调节阀；13-计算机；4-气体孔板；15-气体调节阀；16-差压变送器；17-流型观测窗；18-光滑管两相流稳定段；19-压力变送器；20-粗糙管两相流稳定段；21-环道出口压力调节阀；22-疏液阀；23-气体孔板后球阀；24-气体孔板前球阀；25-气体温度铠装热电偶；26-液体温度铠装热电偶。

图2为实施例1的测试结果示例。

图3为实施例2的测试结果示例。

具体实施方式

本发明测试装置的一个具体结构如图1所示，包括：光滑管水平测试段1、粗糙管水平测试段2、气源3、贮液容器4、搅拌器5、气液分离器6、数据采集***7等，将减阻剂加入贮液容器4并采用搅拌器5使减阻剂混合溶解于液相中，形成一定体积分数的低浓度减阻剂溶液后，以螺杆泵8将溶液送至管式混合器9后进入测试段测量后进入气液分离器6。粗糙管与水平管的内径在20mm至60mm范围内可变，如无特殊说明或要求，通常将管道内径选定为40mm。测试环道的液速最高可达到10m/s，气速最高可达到50m/s，可以覆盖水平管多相流的所有流型。测试环道的设计压力为1.0MPa。粗糙管粗糙度的确定是在完全粗糙区测定其达西摩擦系数，然后用冯·卡门公式计算粗糙度。

液相的质量流量与混合密度由MicroMotion振动管质量流量与密度测量***10测量。MicroMotion的准确度等级为0.25，通过液相的总质量流量与混合密度可计算出油与水各相的流量。流量大小由主管道调节阀11和旁通调节阀12联动调节控制。气体由气源3接入气体管道，流量采用孔板14测量，准确度等级为1.0，其流量大小由气体调节阀15控制。设计三组气体孔板，分别为小气量孔板、中气量孔板和大气量孔板，针对气体流量的大小选择使用。

测试过程将两相流中的相态分为减阻剂溶剂相和非溶剂相。对于水溶性减阻剂，水相为减阻剂溶剂相，气相与油相为非溶剂相。对于油溶性减阻剂，油相为减阻剂溶剂相，气相与水相为非溶剂相。减阻剂溶剂相与非溶剂相经管式混合器9形成两相流进入光滑管水平测试段1和粗糙管水平测试段2，这两个测试段的摩擦阻力由差压变送器16测量，两相流的流型通过观测窗17观测并记录。光滑管测试段前预留两相流稳定段18，粗糙管测试段前预留两相流稳定段20，以消除阀门、弯头对两相流的影响。如果是液液两相流，则液体循环利用。如果是气液两相流，则气体经气液分离器6排空，液体循环利用。该装置可模拟的气液两相流是指水与空气的两相流、油与空气的两相流，可模拟的液液两相流是指油水两相流。光滑管水平测试段1的摩擦阻力、粗糙管水平测试段2的摩擦阻力以及气体孔板14的差压，都采用Rosemount高精度差压变送器16测量，差压量程在1kPa至100kPa范围内连续可调。气体在孔板前的压力以及测试段的压力由Rosemount高精度压力变送器19测量，量程在0.1MPa至2MPa的表压范围内连续可调。差压与压力变送器的精度等级都为0.25。通过测量液相的质量流量与密度可计算出油与水各相的流量。流体温度由铠装热电偶25测量。

数据测点分布于光滑管水平测试段、粗糙管水平测试段、液相循环管道和气体管道，差压、温度和压力的电压信号送入PCI数据采集***7，该***采用16位模数转换。以VB语言编制专门的测试程序，通过计算机13对两相流减阻剂性能的测试数据进行采集与监控，该程序具有显示、存储等功能，采样频率可调节。两相流本质上具有随机过程的特征，采用保持实验条件不变来获得两相流随机过程平稳性的测试结果，按各态遍历定理设定采集数据的样本长度。依据两相流的流型特征，确定信号采样频率和数据量。对于波动大的流型，选较快的采样频率和较大的数据量；对波动小的流型，选较慢的采样频率和较小的数据量。测试数据是代表了平稳随机过程样本记录的离散时间序列，将其均值视为测试数据的最终结果。

测试前的检查。打开计算机13，运行数据采集程序，对环道的上测试仪器的信号进行诊断检测，确认差压变送器、压力变送器、热电偶、MicroMotion质量流量计等处的信号无故障后进入数据监测状态。确认光滑管测试段1和粗糙管测试段2的管径大小，设计测试方案，确定气速与液速的范围，以及与之对应的气体流量与液体流量大小。

实施例1气液两相流减阻剂性能测试

(1)先将减阻剂溶剂相加入贮液容器4，此时不加入减阻剂，等待测试无减阻剂时的两相流摩擦阻力特性。

(2)顺序开启螺杆泵8和气源3。依次打开压力调节阀21、液体主管道调节阀11和旁通调节阀12，通过液体主管道调节阀11和旁通调节阀12的联动调节作用使液体流速在0.6～3m/s范围内保持为一平稳值，在本实施例中，这一平稳值为1.8m/s。依据气体流速的大小选择气体孔板的大小，打开所选孔板前后的球阀。而后打开气体调节阀15，通过气体调节阀15的调节作用，使气体流速在1.2-6m/s之间保持为一平稳值，在本实施例中，这一平稳值最初为1.2m/s。气体与液体在管式混合器9中混合，形成气液两相流进入光滑管测试段1和粗糙管测试段2，而后进入气液分离器6，气体排空，液体流回贮液器循环使用。待稳定10～15min后，对于光滑管测试段1和粗糙管测试段2，分别测试两相流在气体流速为1.2m/s、液体流速为1.8m/s时的摩擦阻力。

(3)保持液体流速为1.8m/s不变，逐步改变气体流速的大小，使气体流速从最初的1.2m/s增至2.5m/s后稳定10～15min，按(2)中的方法，对于光滑管测试段1和粗糙管测试分别测试其摩擦阻力。

(4)保持液体流速为1.8m/s不变，将气体流速继续增大至3.8m/s、5.0m/s和6.0m/s，获得无减阻剂条件下不同气速时的一组摩擦阻力为ΔP_气液，

(5)将减阻剂加入贮液容器4并采用搅拌器5使减阻剂混合溶解于溶剂相中，形成一定体积浓度的减阻剂溶液。在本实施例中，减阻剂在溶液中的体积浓度为100ppm。

(6)重复步骤(2)～(4)，获得有减阻剂条件下不同气速的一组摩擦阻力为ΔP_气液DR。

(7)测试数据处理，气液两相流减阻率按添加减阻剂前后两相流摩擦阻力的相对变化率计算，其公式为：DR_气液＝(ΔP_气液-ΔP_气液DR)/ΔP_气液×100％。

在完成气液两相流减阻剂性能测试过程后，为了更直观的表达测试结果，本发明以减阻剂对光滑管的减阻率为下限、以减阻剂对粗糙管的减阻率为上上限，结合两相流的流型，绘制光滑管与粗糙管两相流减阻效果图，见图2。

实施例2油水两相流减阻剂性能测试

(1)将油与水按一定比例加入贮液容器4并采用搅拌器5使油水两相充分混合，此时不加减阻剂。在本实施例中，油与水的体积比例为4∶1。

(2)关闭气体调节阀15和气体孔板前后的球阀24、15。开启螺杆泵8，依次打开压力调节阀21、液体主管道调节阀11和旁通调节阀12，通过液体主管道调节阀11和旁通调节阀12的联动调节作用逐步改变油水混合液的流速大小，分别测试油水两相流在光滑管测试段和粗糙管测试段中的摩擦阻力。

(3)获得无减阻剂条件下油水混合液不同流速时的一组摩擦阻力数据DR_油水；

(4)将减阻剂加入贮液容器4并采用搅拌器5使减阻剂混合溶解于溶剂相中，形成体积浓度为200ppm的低浓度减阻剂溶液。重复步骤(2)，获得添加减阻剂条件下油水混合液不同流速时的另一组摩擦阻力数据ΔP_油水DR。

(6)测试数据处理。油水两相流减阻率按添加减阻剂前后两相流摩擦阻力的相对变化率计算，DR_油水＝(ΔP_油水-ΔP_油水DR)/ΔP_油水×100％。

在完成油水两相流减阻剂性能测试过程后，以减阻剂对光滑管的减阻率为下边界线、以减阻剂对粗糙管的减阻率为上边界线，结合两相流的流型，绘制光滑管与粗糙管两相流减阻效果图，参见图3。

Claims (10)

1.一种两相流减阻剂性能的测试装置，其特征在于，包括由粗糙管与光滑管相互连通组成的一个U形管，U形管水平设置，其中粗糙管的自由端通过气液分离器与一个贮液容器连接；光滑管的自由端连通一个管式混合器，贮液容器通过一个螺杆泵与管式混合器连通，该管式混合器为三通型混合器，其另外一端通过气体流量控制装置连通气源；所述螺杆泵与管式混合器连通的管路上设有流量调节装置、流量及密度检测装置，并铠装有液体测温探头；所述气体流量控制装置连通气源的管路上设有气体测温探头和压力变送器；所述粗糙管与光滑管中分别设有水平测试段，该水平测试段中设有差压变送器；所述光滑管水平测试段前、粗糙管水平测试段后也设有压力变送器。

2.如权利要求1所述的两相流减阻剂性能的测试装置，其特征在于，所述光滑管水平测试段前预留两相流稳定段，粗糙管水平测试段前预留两相流稳定段。

3.如权利要求1所述的两相流减阻剂性能的测试装置，其特征在于，所述光滑管水平测试段与其两相流稳定段之间设有流型观察窗。

4.如权利要求1所述的两相流减阻剂性能的测试装置，其特征在于，所述气体流量控制装置包括一个流量由气体调节阀控制的三组并联的气体孔板，该三组并联的气体孔板分别为小气量孔板、中气量孔板和大气量孔板。

5.如权利要求1所述的两相流减阻剂性能的测试装置，其特征在于，所述流量调节装置包括一个与螺杆泵串联的主管道调节阀和一个与螺杆泵并联的旁通调节阀，液体流速大小由主管道调节阀和旁通调节阀联动调节控制。

6.如权利要求1所述的两相流减阻剂性能的测试装置，其特征在于，所述流量及密度检测装置采用一个MicroMotion振动管质量流量与密度测量仪，准确度等级为0.25。

7.如权利要求1所述的两相流减阻剂性能的测试装置，其特征在于，所述差压变送器的差压量程在1kPa至100kPa范围内连续可调，精度等级为0.25。

8.如权利要求1所述的两相流减阻剂性能的测试装置，其特征在于，所述压力变送器量程在0.1MPa至2MPa的范围内连续可调，精度等级为0.25。

9.一种基于权利要求1所述装置的气液两相流减阻剂性能的测试方法：包括下述步骤：

(1)将减阻剂溶剂相加入贮液容器中，不加入减阻剂；

(2)顺序开启螺杆泵和气源，通过液体流量调节装置使液体流速保持为一平稳值，通过气体流量控制装置，使气体流速在0.6-8m/s之间保持为一平稳值，气体与液体在管式混合器中混合，形成气液两相流进入光滑管水平测试段和粗糙管水平测试段，而后进入气液分离器，气体排空，液体流回贮液器循环使用；

(3)保持液体流速不变，逐步改变气体流速的大小，分别测试光滑管水平测试段的摩擦阻力和粗糙管水平测试段的摩擦阻力；

(4)获得无减阻剂条件下不同气速条件下的测试数据；

(5)将减阻剂加入贮液容器中使减阻剂溶解于溶剂相中，形成减阻剂溶液；

(6)重复步骤(2)、(3)，获得有减阻剂条件下不同气速的测试数据；

(7)数据处理，两相流减阻率按添加减阻剂前后两相流摩擦阻力的相对变化率计算，其公式为：DR_气液＝(ΔP_气液-ΔP_气液DR)/ΔP_气液×100％；式中：DR_气液为气液两相流减阻率，ΔP_气液为没有加减阻剂时的气液两相流摩擦阻力，ΔP_气液DR为添加减阻剂时的气液两相流摩擦阻力。

10.一种基于权利要求1所述装置的油水两相流减阻剂性能的测试方法：包括下述步骤：

(1)将油与水按比例加入贮液容器中形成油水混合液，不加入减阻剂；

(2)关闭气源，开启螺杆泵，通过液体流量调节装置，逐步改变油水混合液的流速大小，分别测试光滑管水平测试段的摩擦阻力和粗糙管水平测试段的摩擦阻力；

(3)获得无减阻剂条件下油水混合液不同流速时的测试数据；

(4)将减阻剂加入贮液容器使减阻剂混合溶解于溶剂相中；

(5)重复步骤(2)，获得有减阻剂条件下不同流速时的测试数据；

(6)测试数据处理，油水两相流减阻率按添加减阻剂前后两相流摩擦阻力的相对变化率计算，其公式为：DR_油水＝(ΔP_油水-ΔP_油水DR)/ΔP_油水×100％；式中：ΔP_油水为油水两相流减阻率，ΔP_油水为没有加减阻剂时的油水两相流摩擦阻力，ΔP_油水DR为添加减阻剂时的油水两相流摩擦阻力。

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