CN101699264B - 一种管道持液减排的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道持液减排的测试装置及测试方法，用于测试减阻剂对气体管道持液或积液的减排性能。测试方法以零净液流量气液两相流作为气体管道持液时的实验物理模型，以临界倾角作为管道发生持液或积液的最小倾角，以垂直上升管为最大倾角的管道。对垂直管以及倾角为临界倾角的倾斜管这两种管道形态的持液减排率作为表征减阻剂对管道持液减排效果的基础数据。实现方法是通过包括垂直管和倾斜管的测试装置测量积留液体在测试段中的体积含量，得到管道持液率。对比添加减阻剂前后持液率的相对变化率得到持液减排率。

Description

一种管道持液减排的测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种管道持液减排的测试装置与测试方法，特别针对天然气管道或者其它气体管道在气液两相流状态下，用于测试减阻剂对管道持液或积液的减排性能。

背景技术

多相流减阻技术不仅仅是要降低流动摩擦阻力，在一些流动工况下，多相流减阻的主要目标是降低管道持液率。

在天然气生产与输送***中，持液是指管中积存的液体不能随气流排出而持续地在管道局部区域积留的现象，这一现象也称为积液。气体管道中的持液现象往往是一种特殊的局部现象，此时持液区的流动状态为含液率较高的气液两相流弹状流或块状流，而非持液区则为含液量非常低的气流。持液现象发生时，持液区域的两相流含液率要比非持液区气流中的含液率大一个甚至几个数量级以上。

气体管道持液严重的情况会在垂直管和一些倾斜管中发生，例如，在天然气井管、输送管道的大倾角上升管段以及管式气液分离器的上升管段，会存在零净液流量气液两相流动这一特殊流动现象，表现为在井管或管道的某一区段有明显的持液，该区段气液两相流区的含液率比较高，而管道进、出口处气流的含液率却非常小甚至为零。该现象若发生于天然气井中，会严重影响天然气的生产效率；若发生于分离器的气侧管道中，则会增大局部流动阻力，恶化分离器的性能；若发生于天然气的输送管道中，则会增大管道流动阻力和能量耗散，降低管道运力。液体可能由多种因素引起，可能是气井的产出液、由温度或压力的变化而导致的凝结液、管道水压试验残留水、由天然气管道上游处理设备出现事故而带进管道内的液体，等等。在天然气的生产与输送过程中，不论是干气输送还是湿气输送，管道中的持液不仅会降低管道输送效率，同时还是引起管道内腐蚀的原因。如何对气体管道中的持液进行减排，也因此成为多相流减阻技术要解决的一个重要问题。

减阻剂可分为两大类，一类是聚合物减阻剂，其主要作用是减小摩擦阻力；一类是表面活性剂，其主要作用是减小表面张力，当浓度达到临界胶束浓度之上时，也用于减小摩擦阻力。一些减阻剂，例如一些发泡类表面活性剂，可以通过产生泡沫使气流携液率增大，达到排液的目的，这一技术就是泡沫排液技术。泡沫排液技术通常采用泡沫携液率来表征泡沫排液的效果。泡沫排液理论一般认为，泡沫的携液率如果大于液体的产生率，天然气井管就可避免持液。这一认识虽有一定的依据，却忽略了一些非线性的因素。对天然气管道多相流减阻机理的研究表明，在气流携液率或者泡沫携液率大于液体产生率的初始一段时间内，管道中液体的含量确实会因泡沫排液而逐渐减小。但是，气流携液率或者泡沫携液率与管道中的液体含量相关。随着管道中液体含量的减小，泡沫及其携液量也随之减小甚至为零，而此时管道中的液体含量并不为零，而是与减阻剂浓度、气体流速等参数处于一个新的平衡点，这一平衡点就会对应于一个新的持液状态。泡沫携液率只是反映泡沫携液能力的参数，不能反映管道中液体的真实含量。因此，通过测试泡沫携液率的大小，或者通过测试管道出口处排液量的多少，都不能准确表征管内持液被降低的真实程度。

发明内容

本发明针对现有气流携液率测试方法的局限性，提出一种以持液减排率测试替代气流携液率测试的装置和方法，可更合理地反映减阻剂对管内持液的减排效果。本发明装置可用于测试减阻剂对气体管道持液或积液的减排性能，从而可优选、推荐天然气管道持液减排剂。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种管道持液减排的测试装置，其特征在于，包括垂直管和倾斜管，垂直管的出口通过气液分离器连接一个存放减阻剂的贮液容器，垂直管的进口通过软管连接倾斜管的出口，倾斜管的进口通过软管连接注液泵和气体流量控制装置，所述注液泵与贮液容器连接，所述气体流量控制装置通过一气体流量计与气源连接；倾斜管的进口设置有温度传感器；所述垂直管和倾斜管内分别设有两端带有进、出单向阀的测试段，所述垂直管测试段、倾斜管测试段分别设有可产生差压信号的液位变送器和可产生压力信号的压力变送器，其中倾斜管测试段还设有可调节倾斜段倾角大小的倾角调节器。

上述方案中，所述垂直管测试段、倾斜管测试段内分别设有液位刻度尺。

所述气体流量控制装置包括一个气路调节阀和一个单向阀。

所述气体流量计包括相互并联的一个小孔板流量计和一个大孔板流量计，其流量大小由气路调节阀控制，准确度等级为1.0。

所述液位变送器为Rosemount高精度差压变送器，差压量程在1kPa至100kPa范围内连续可调，准确度等级为0.25。

所述倾斜段倾角大小可调节范围为0～20°。

一种基于以上装置的管道持液减排的测试方法，包括下述步骤：

(1)在贮液容器中加入不含减阻剂的液体；

(2)开启注液泵将液体注入到倾斜管测试段和垂直管测试段，使测试段充满液体后关闭注液泵，通过气体流量控制装置打开气源使测试段形成零净液流量气液两相流；

(3)保持气体流量稳定在0.8-8m/s之间的某一值，通过倾角调节器，逐渐改变倾斜管测试段的倾角，每次改变0.5°，直至倾斜管中的液体能够被气流全部排出，将该角度回调0.5°并固定，这一角度就是该特定气体流量下所对应的临界倾角；

(4)重复步骤(2)，使测试段中形成零净液流量气液两相流，并保持10-20min，而后通过气体流量控制装置关闭气源，气流停止后，倾斜管测试段和垂直管测试段中的液体被单向阀封闭于测试段而形成静液柱，

(5)由倾斜管、垂直管测试段中各自的液位变送器测量无减阻剂时的持液率H_L0；

(6)通过气体流量控制装置将所有的液体吹出测试段，液体由气液分离器流回贮液容器；将减阻剂加入贮液容器，使溶液含有减阻剂；

(7)重复步骤(2)～(4)，在有减阻剂条件下，得到倾斜管和垂直管各自测试段中有减阻剂时持液率H_Ln；

(8)按公式： $R_{\mathrm{\ΔH}}=\frac{H_{L0}-H_{\mathrm{Ln}}}{H_{L0}}\×100\%$ 计算持液减排率R_ΔH，

其中H_L0为减阻剂体积浓度为0ppm时所对应的持液率，H_Ln为减阻剂体积浓度为n ppm时的持液率(n为自然数)。

本发明以“零净液流量气液两相流”作为气体管道持液时的实验物理模型，该模型将管道气液两相流区的进、出口液体流量都设定为零，也不考虑两相区的相变。当气流中含液量非常低时，这一物理模型能够合理模拟气体管道持液时的流动状态。由于是“零净液流量气液两相流”，因此本发明不测量液体流量，只测量气体流量。

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为本发明测试装置结构图。图中：

1-倾斜管测试段           2-垂直管测试段

3-气液分离器             4-贮液容器

5-搅拌器                 6-注液泵

7-倾角调节器             8-气体小孔板流量计

9-气体大孔板流量计       10-气路调节阀

11-气路单向阀            12-倾斜管进口金属软管

13-倾斜管进口单向阀      14-倾斜管液位刻度尺

15-倾斜管出口单向阀      16-倾斜管出口金属软管

17-垂直管进口单向阀      18-垂直管液位刻度尺

19-垂直管出口单向阀      20-气源

21-气体小孔板下游阀门    22-气体大孔板下游阀门

23-泵前阀                24-疏液阀

25-注液阀                26-倾斜管液位变送器

27-倾斜管压力变送器      28-垂直管液位变送器

29-垂直管压力变送器      30-热电偶

图2为本发明一个具体测试结果。

具体实施方式

本发明的技术方案是通过对管道平均体积含液率的测量来获得持液减排率的数据，所依据的基本原理为：

平均体积含液率是气液两相流的一个术语，是指管内液体的体积占管内总体积的比率。天然气管道中某一部位如果出现液体，则该部位就是气液两相流动状态。如果平均体积含液率大于液体体积流量在气液两相总体积流量中所占的份额，这种情况在多相流中就称为持液，相应地，管道中的平均体积含液率也称为持液率。持液现象是因为气液两相间存在速度滑移所致，即气体的真实平均流速大于液体的真实平均流速。持液率是液体在管道中积留程度的真实反映，持液减排率就是持液率的相对变化率。持液减排率R_ΔH定义为：

$R_{\mathrm{\ΔH}}=\frac{H_{L0}-H_{\mathrm{Ln}}}{H_{L0}}\×100\%$

其中R_ΔH为持液减排率，H_L0为减阻剂体积浓度为0ppm时所对应的持液率，H_Ln为减阻剂体积浓度为n ppm时的持液率(n为自然数)。测试持液减排率，就能够真实反映对管道中积留液体的减排程度。

判断气体管道持液的重要依据是管道的临界倾角。在一定的流动参数范围内，气体管道的倾角大于临界倾角，该部分管道才会发生持液，否则，管道中出现的液体会随气流排出。通常管道倾角越大，持液就会越严重，因此，临界倾角所对应的持液率是气体管道严重持液的下限。管道倾角最大为90°，所对应的管道形态是垂直上升管，因此，垂直管所对应的持液率是气体管道严重持液的上限。本发明针对垂直管以及倾角为临界倾角的倾斜管这两种管道形态，分别测试其持液减排率，以这两种管道形态的持液减排率作为表征减阻剂对管道持液减排效果的基础数据。

图1是本发明测试装置的一个实施例结构，包括：倾斜管测试段1、垂直管测试段2、气液分离器3、贮液容器4、搅拌器5、注液泵6、气体孔板流量计8与9、气体调节阀10、气路单向阀11等，倾斜管测试段包括：倾角调节器7等、倾斜管进口单向阀13、倾斜管液位刻度尺、倾斜管出口单向阀15、倾斜管液位变送器26、倾斜管压力变送器27。垂直管测试段包括：垂直管进口单向阀17、垂直管液位刻度尺18、垂直管出口单向阀19、垂直管液位变送器28和垂直管压力变送器29。垂直管与倾斜管长2米，管径相同，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。测试段的气流速度最高可达到50m/s，测试段的最大工作压力为0.5MPa。

该装置的工作原理为：减阻剂通过搅拌器5加入贮液容器4，形成含一定浓度减阻剂的液体，由注液泵6先将液体灌入倾斜管测试段1和垂直管测试段2，而后逐渐打开气路调节阀10，部分液体由气流带入气液分离器，液体循环使用，气体排空，积留于测试段的液体即为持液。

气体由气源20接入气体管道，针对流量的大小，可选用气体小孔板流量计8和气体大孔板流量计9，其流量大小由气路调节阀10控制。气体小孔板流量计8和气体大孔板流量计9都是孔板与Rosemount高精度差压变送器、压力变送器和热电偶的组合，将气体的流量信号转变为电信号，对外输出气体的质量流量。

孔板的流量系数经过检定，孔板流量计准确度等级为1.0。倾斜管的压力可由压力变送器27测量，垂直管的压力可由压力变送器29测量，两相流的温度由热电偶30测量，测试过程可看作等温过程，测得温度与压力数据，气体密度可由状态方程算出，再结合管径和孔板流量计测得的质量流量，可计算出倾斜管和垂直管处的气体流速。气路安装单向阀11，可避免液体进入气路管道。

倾斜段的倾角大小由倾角调节器7控制，倾角可调节范围为0～20°。倾斜段的进出口分别与金属软管12和金属软管16相连，使用金属软管可以使倾角的调节更易操作。通过倾角调节器7可以改变管道角度并确定临界倾角。

倾斜管测试段1的进出口设计安装了单向阀13和单向阀15，垂直管测试段2的进出口设计安装了单向阀17和单向阀19。关闭气路调节阀以后，单向阀可将积留的液体封闭于测试段中形成静止液柱，通过测量静液柱在测试段中的体积比率可以得到管道持液率。由于测试段是均匀截面的管道，因此，液体在测试段中所占的长度除以测试段总长度就是持液率。液体在倾斜管测试段和垂直管测试段中所占的长度分别由液位刻度尺14和液位刻度尺18测量。液位与静止压差有关，因此，倾斜管测试段的持液率可由倾斜管液位变送器26测量，垂直管测试段的持液率可由垂直管液位变送器28测量。该装置所使用的液位变送器为Rosemount高精度差压变送器，差压量程在1kPa至100kPa范围内连续可调，准确度等级为0.25。差压、温度和压力的电压信号都可由变送器接入数据采集***。

本发明基于图1装置的管道持液减排的测试方法包括下述步骤：零净液流量气液两相流的调试。将倾斜管的倾角调节为临界倾角。未加减阻剂时垂直管与倾斜管持液率H_L0测试。加减阻剂后测试垂直管与倾斜管持液率H_Ln；计算持液减排率R_ΔH。

具体如下：

(1)零净液流量气液两相流的调试。关闭泵前阀23和疏液阀24，将不含减阻剂的液体加入到贮液容器至一定液位。打开泵前阀23和注液阀25，开启注液泵6，将液体注入到倾斜管测试段1和垂直管测试段2，使测试段充满液体后关闭注液泵6和注液阀25。打开气源20、气体小孔板下游阀门21，逐渐打开气路调节阀10，使测试段中形成零净液流量气液两相流。

(2)临界倾角的确定。保持气体流量稳定在某一值，使用倾角调节器7每次改变0.5°，逐渐改变倾斜管测试段的倾角，直至倾斜管中的液体能够被气流全部排出。将该角度回调0.5°并固定，这一新角度就是该流动工况所对应的临界倾角。通常是测试前先将倾角调整到比较大的值，然后逐渐减小倾角直至小到临界倾角。

(3)无减阻剂时的持液率测试。重复步骤(1)，使测试段中形成零净液流量气液两相流并保持稳定10-20min，而后逐渐关闭气路调节阀10。气流停止后，倾斜管测试段中的液体被单向阀13和单向阀15封闭于测试段而形成静液柱，由液位刻度尺14或液位变送器26测量持液率。垂直管测试段中的液体被单向阀17和单向阀19封闭于测试段而形成静液柱，由液位刻度尺18或液位变送器28测量持液率。

(4)重复步骤(1)～(3)，得到倾斜管在不同气体流速的临界倾角及相应的持液率，得到垂直管在不同气体流速的持液率。而后开大气体流速，将所有的液体吹出测试段，液体由气液分离器流回贮液容器。

(5)将减阻剂加入贮液容器，由搅拌器5混合到液体中，配比得到一定减阻剂浓度的溶液。

(6)有减阻剂时的持液率测试。重复步骤(1)～(3)，在有减阻剂条件下，得到倾斜管在不同气体流速的临界倾角及相应的持液率，得到垂直管在不同气体流速的持液率。

(7)按照公式 $R_{\mathrm{\ΔH}}=\frac{H_{L0}-H_{\mathrm{Ln}}}{H_{L0}}\×100\%$ 计算持液减排率，完成气体管道持液减排测试过程，最后可绘制垂直管与倾斜管持液减排率曲线图。

图2是一个测试结果示例。依据图2，对于直径为40mm、气体流速在0.8～6.7m/s范围内运行的气体管道，采用HY型减阻剂对其中的持液或积液进行减排，当减阻剂的体积浓度为400ppm时，持液减排率的范围由图2中的两条曲线所限定。倾斜管所对应的曲线是持液减排率的下限值，最小持液减排率为6％；垂直管所对应的曲线是持液减排率的上限值，最大持液减排率为38％。根据图2的结果，结合具体的持液减排要求，可以确定HY型减阻剂在体积浓度为400ppm时是否可以作为气体管道持液减排的技术方案。

Claims (7)

1.一种管道持液减排的测试装置，其特征在于，包括垂直管和倾斜管，垂直管的出口通过气液分离器连接一个存放减阻剂的贮液容器，垂直管的进口通过软管连接倾斜管的出口，倾斜管的进口通过软管连接注液泵和气体流量控制装置，所述注液泵与贮液容器连接，所述气体流量控制装置通过一气体流量计与气源连接；倾斜管的进口设置有温度传感器；所述垂直管和倾斜管内分别设有两端带有进、出单向阀的测试段，所述垂直管测试段、倾斜管测试段均设有液位变送器和压力变送器，其中倾斜管测试段还设有调节倾斜段倾角的倾角调节器。

2.如权利要求1所述的管道持液减排的测试装置，其特征在于，所述垂直管测试段、倾斜管测试段内分别设有液位刻度尺。

3.如权利要求1所述的管道持液减排的测试装置，其特征在于，所述气体流量控制装置包括一个气路调节阀和一个单向阀。

4.如权利要求1所述的管道持液减排的测试装置，其特征在于，所述气体流量计包括相互并联的一个小孔板流量计和一个大孔板流量计，准确度等级为1.0。

5.如权利要求1所述的管道持液减排的测试装置，其特征在于，所述液位变送器的差压量程在1kPa至100kPa范围内连续可调，准确度等级为0.25。

6.如权利要求1所述的管道持液减排的测试装置，其特征在于，所述倾斜段倾角大小可调节范围为0～20°。

7.一种管道持液减排的测试方法，基于权利要求1的装置，其特征在于，包括下述步骤：

(1)在贮液容器中加入不含减阻剂的液体；

(2)开启注液泵将液体注入到倾斜管测试段和垂直管测试段，使测试段充满液体后关闭注液泵，通过气体流量控制装置打开气源使测试段形成零净液流量气液两相流；

(3)保持气体流量稳定在0.8-8m/s之间的任一值，通过倾角调节器，逐渐改变倾斜管测试段的倾角，每次改变0.5°，直至倾斜管中的液体能够被气流全部排出，将该角度回调0.5°并固定，这一角度就是该特定气体流量下所对应的临界倾角；

(4)重复步骤(2)，使测试段中形成零净液流量气液两相流，并保持稳定10-20min，而后通过气体流量控制装置关闭气源，气流停止后，倾斜管测试段和垂直管测试段中的液体被单向阀封闭于测试段而形成静液柱，

(5)由倾斜管、垂直管测试段中各自的液位变送器测量无减阻剂时，即减阻剂体积浓度为0ppm的持液率H_L0；

(6)通过气体流量控制装置将所有的液体吹出测试段，液体由气液分离器流回贮液容器；将减阻剂加入贮液容器，使溶液含有减阻剂；

(7)重复步骤(2)～(4)，由倾斜管、垂直管测试段中各自的液位变送器测量有减阻剂时，即减阻剂体积浓度为nppm的持液率H_Ln；

(8)按公式：

计算持液减排率R_ΔH，其中H_L0为减阻剂体积浓度为0ppm时所对应的持液率，H_Ln为减阻剂体积浓度为n ppm时的持液率。

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