CN116448634B - 一种流动液体中颗粒极限沉降速度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种流动液体中颗粒极限沉降速度测量装置及方法，包括注液模块、稳压注气模块、多相循环模块、数据测量与采集模块和温度控制模块；注液模块与多相循环模块连接，用于向多相循环模块进行常压实验液体注入或高压实验液体注入；稳压注气模块与多相循环模块连接，用于向多相循环模块中注入恒定压力的实验气体；多相循环模块用于对注入的多相流体进行流动循环；数据测量与采集模块与多相循环模块连接，用于测量和采集多相循环模块中多相流体中固体颗粒的运动信息，并将测量和采集到的信息进行收集储存；温度控制模块与多相循环模块连接，用于对多相循环模块进行控温。本发明能够对动态***中固体颗粒的运动参数进行精细刻画和捕捉。

Description

一种流动液体中颗粒极限沉降速度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及固-液两相流领域，具体涉及一种流动液体中颗粒极限沉降速度测量装置及方法，用于探究固-液两相流中颗粒极限沉降速度。

背景介绍

在“液体-固体”混合输运过程中，通常出现均质流、非均质流、移动床和固定床四种流型，流型之间的转换可以通过临界速度或临界流量来定义，颗粒从悬浮在液体中(非均质流)过度到在管道底部形成床层(移动床)之间的临界速度被称为极限沉降速度。该参数对于食品工业、核工业、矿产工业、油气开采工业等都至关重要。颗粒极限沉降速度涉及泵送耗能、输运设备磨损与堵塞几率风险之间的平衡，过高的输运速度除导致额外耗能外还会加剧泵送设备磨损而一旦速度低于极限沉降速度又会导致介质在管道内沉积堵塞。

在英、美等国存在大量核废料，如何安全运输、储存、处理这些核废料是一项巨大的挑战。美国华盛顿州的Hanford核工业点近30年来产生大量的核废料难以处理，对周围环境造成严重污染。该工业点核废料问题引起广泛关注，研究人员针对该处的核废料浆液输运提出了大量的极限沉降速度预测模型，这对防止核废料造成二次污染是至关重要的。然而，目前大部分模型的预测性能是不能满足要求的。在油气开发领域也存在两个与极限沉降速度相关的重要问题：其一是油气管道中的砂颗粒问题，若流体输运速度过高砂颗粒将会造成管道及相关设备磨损，而若流体速度低于极限沉降速度砂颗粒则会在管道底部沉积增加压降导致减产甚至造成堵塞事故。其二是水合物堵塞问题，与砂颗粒相比水合物堵塞风险更高、损害更大。天然气水合物是由水分子和天然气分子在低温高压环境下形成的晶体化合物。在海底油气输运管道中，水合物导致的堵塞问题尤为突出。水合物晶体在流体中呈微小颗粒状，颗粒不断生成流体粘度将会增加，进而导致流体速度降低。当流速低于水合物颗粒极限沉降速度之后，颗粒将在管道壁面处发生沉降形成沉积床，并不断聚集形成堵塞。水合物的堵塞往往是非常迅速且难以控制的，不仅会降低生产效率，带来经济损失，严重时还会造成输运管道和相关设备的损坏，甚至引发人员伤亡和海洋生态危机。目前油气开发领域迫切需要准确的水合物颗粒极限沉降速度预测模型。

缺少有效观测手段是目前模型开发中最大的难题。由于极限沉降速度是指颗粒从分散状态过度到形成床时的速度，因此通过全透明管道进行视觉观察自然成为最常用的手段。但该方法存在三点缺陷：(1)视觉观察存在主观性，不同研究人员的判断标准存在偏差；(2)管道内液体介质必须为透明状，且颗粒较大肉眼可见；(3)透明管道的光学折射现象往往导致实验结果存在误差。然而颗粒的沉降速度与液体种类、流速、性质，管道直径、表面材质，颗粒大小、材质等等有关，这就导致当把“纯水-大颗粒”***建立的模型推广到实际工况中的效果较差。而除直接视觉观察外的最小压降法、声波测量法则属于间接方法，效果较差且相关研究较少。另一个研究困难的原因是颗粒与液体之间存在相对运动即滑移速度，受表征手段限制，目前研究中只能通过流量计记录液体流速，并将颗粒形成沉积床时的液体流速视作该工况下颗粒的极限沉降速度，这种方法能分析液体运动，但却无法描述颗粒运动。在“液-固”流中，颗粒受流体推动力向前运动，但颗粒速度不等于液体速度。“液-固”间速度差被称为滑移速度，滑移速度受颗粒尺寸、形状以及液体性质影响。然而目前仍没有实验***能够测量颗粒在液体的移动速度，滑移速度分析的缺失导致模型的准确性与普适性不高。

总结来说，目前颗粒极限沉降速度研究的问题在于：(1)如何判断运动***中的颗粒发生沉降；(2)如何测量运动液体中固体颗粒的运动速度。建模时需重点探究的物理变量包括：颗粒的大小、形状、密度，液体流速及物性参数，管道直径以及表面性质。因此，开发一套能够识别并追踪颗粒运动的实验装置来为模型建立提供基础参数是有必要。

发明内容

本发明为解决现有颗粒极限沉降速度研究中，不能准确的判断运动***中的颗粒何时发生沉降且不能精准的测量运动液体中固体颗粒的运动速度的问题，提出了一种流动液体中颗粒极限沉降速度测量装置及方法。

本发明提供了一种流动液体中颗粒极限沉降速度测量装置及方法，包括注液模块、稳压注气模块、多相循环模块、数据测量与采集模块和温度控制模块；所述注液模块与所述多相循环模块连接，用于向所述多相循环模块进行常压实验液体注入或高压实验液体注入；所述稳压注气模块与所述多相循环模块连接，用于向所述多相循环模块中注入恒定压力的实验气体；所述多相循环模块用于对注入的多相流体进行流动循环；所述数据测量与采集模块与所述多相循环模块连接，用于测量和采集所述多相循环模块中多相流体中固体颗粒的运动信息，并将测量和采集到的信息进行收集储存；所述温度控制模块与所述多相循环模块连接，用于对所述多相循环模块进行控温；所述多相循环模块包括可视管段和电阻层析成像测试管段，所述数据测量与采集模块和温度控制模块包括采集相机和电阻层析成像变送器，所述采集相机设置于所述可视管段处，用于观测所述颗粒的生成及通过，所述电阻层析成像变送器设置于所述电阻层析成像测试管段处，用于测量颗粒速度。

更进一步的，所述注液模块包括注入漏斗、液体容器和手动注入泵；所述注入漏斗设于所述多相循环模块的入口，用于人工注入实验液体，所述液体容器用于承装实验液体，所述液体容器与所述手动注入泵连接，所述手动注入泵与所述多相循环模块的入口连接，用于将所述液体容器中的实验液体在带压状态下泵入所述多相循环模块内，所述手动注入泵与所述多相循环模块的入口之间设有压力表，用于测量并显示泵入实验液体的压力，压力表与所述多相循环模块的入口之间及所述注入漏斗与所述多相循环模块的入口均设有球阀。

更进一步的，所述稳压注气模块包括高压气瓶组、高压缓冲罐、气体增压器、截止阀、减压阀、气动阀、气体流量计和止回阀；所述高压气瓶组包括多个气源气瓶，多个所述气源气瓶并联后与所述高压缓冲罐通过送气管路连接，多个所述气源气瓶出口管路均设有阀门，所述气体增压器与所述送气管路并联，且所述气体增压器两端均设有阀门，所述高压气瓶组与所述高压缓冲罐之间依次设有截止阀和减压阀，所述高压缓冲罐与所述多相循环模块的入口连接，所述高压缓冲罐与所述多相循环模块的入口之间依次设有气动阀、气体流量计和止回阀。

更进一步的，所述多相循环模块还包括循环管道组、高压滑片泵和真空泵；所述循环管道组与所述可视管段和电阻层析成像测试管段连接组成回路，所述循环管道组包括多个直管段、两个弯管段和一个流量计管段，所述高压滑片泵分别与所述循环管道组的入口处的所述直管段和出口处的所述直管段连接，用于为多相流体的流动循环提供动力，所述真空泵与所述循环管道组的排气口处的所述直管段连接，用于排出循环管道组内的空气。

更进一步的，所述电阻层析成像测试管段为四段，四段所述电阻层析成像测试管段为分布式排列或集中式排列；当四段所述电阻层析成像测试管段分布式排列时，四段所述电阻层析成像测试管段间隔分布，第一段所述电阻层析成像测试管段安装于所述流量计管段后部，另外三段所述电阻层析成像测试管段分布安装于两个弯管段之间；当四段所述电阻层析成像测试管段为集中式排列时，四段所述电阻层析成像测试管段连接在一起且安装于两个弯管段之间。

更进一步的，所述直管段、弯管段、电阻层析成像测试管段、流量计管段和可视管段的管道承压极限均为10Mpa，所述直管段、弯管段、电阻层析成像测试管段和流量计管段均为不锈钢夹层套管，所述不锈钢夹层套管包括内层和外层，所述内层用于工作介质流动，所述外层用于控温介质流动，所述外层上下各均设有开口，控温介质下进上出，所述开口通过软管连接温度控制模块，两根不锈钢夹层套管之间通过法兰进行连接，法兰顶部设有钻孔用于安装温度传感器探头和压力传感器探头，不锈钢夹层套管与法兰之间设有伸缩节，所述伸缩节用于消除管段法兰连接时内部应力所导致的形变，所述电阻层析成像测试管段、流量计管段和可视管段均通过支座与底座连接，所述高压滑片泵的耐压极限为10Mpa，输运压差为1Mpa。

更进一步的，所述数据测量与采集模块还包括质量流量计、温度传感器、压力传感器和差压传感器；所述质量流量计设置于所述流量计管段处，所述温度传感器与压力传感器均设置于电阻层析成像测试管段的入口处，所述差压传感器一端与所述多相循环模块入口处的直管段连接，另一端与所述多相循环模块出口处的直管段连接。

更进一步的，所述电阻层析成像变送器为四个，所述电阻层析成像变送器设有两个监测截面，所述监测截面周边设有八对电极，通过对所述电极施加周期性电流激励在被测截面形成电场，八对所述电极将被测界面划分为316个像素点，所述电阻层析成像变送器的空间分辨率为被测截面直径的3％，所述电阻层析成像变送器的图像采集频率为20fps。

更进一步的，所述温度控制模块包括制冷机组、水浴连通管道和循环管路保温层，所述制冷机组通过水浴连通管道与所述直管段、弯管段、电阻层析成像测试管段和流量计管段连接，所述循环管路保温层设于所述水浴连通管道的径向外侧，用于对所述水浴连通管道内的控温介质进行保温。

本发明还提供了一种流动液体中颗粒极限沉降速度测量方法，包括如下步骤：

S1.将四段所述电阻层析成像测试管段设置为分布式排列；

S2使用去离子水对装置内部管路进行清洗，清洗后使用氮气对装置内部管路进行吹扫排出装置内部管路中残留的水分；

S3.吹扫出装置内部管路中水分后，使用所述真空泵抽取所述直管段、弯管段、电阻层析成像测试管段、流量计管段和可视管段内的空气，然后将配置好的NaCl溶液完全充满所述直管段、弯管段、电阻层析成像测试管段、流量计管段和可视管段，使用所述电阻层析成像变送器采集此时NaCl溶液的电导率信号作为测试背景；

S4.通过所述注入漏斗添加一粒直径大于所述电阻层析成像测试管段截面直径3％的非导电固体颗粒；

S5.将温度、液体压力和泵速设定为目标值，开启所述数据测量与采集模块的电阻层析成像变送器、质量流量计、采集相机、温度传感器、压力传感器和差压传感器，通过四段所述电阻层析成像测试管段判断所述非导电固体颗粒当前运行状态，若检测到所述非导电固体颗粒连续通过一段所述电阻层析成像测试管段的两个平面时，则所述非导电固体颗粒此时未发生沉降；若所述非导电固体颗粒通过一段所述电阻层析成像测试管段的第一个截面后未通过第二个截面，则所述非导电固体颗粒在该所述电阻层析成像测试管段内部发生沉降；若非导电固体颗粒通过了前一所述电阻层析成像测试管段的后一截面后未通过后一所述电阻层析成像测试管段的前一截面，则所述非导电固体颗粒沉降在两段所述电阻层析成像测试管段之间；

S6.确定当前工况下所述非导电固体颗粒能够发生沉降后，将装置停车，并将装置内的物质排空，排空装置后将四段所述电阻层析成像测试管段变换为集中式排列，保持其他所有参数设置不变，重复S2-S4过程，此时四段所述电阻层析成像测试管段连接到一起组成长测试管段，当所述非导电固体颗粒穿过其中的所述监测截面时将会被监测到，通过观测所述非导电固体颗粒通过不同所述监测截面的时间以及所述非导电固体颗粒在该所述监测截面上的位置部分，可以得到所述非导电固体颗粒开始沉降之前的极限沉降速度、沉降轨迹、最终沉降位置以及所述非导电固体颗粒与液体间的相对滑移速度；若所述非导电固体颗粒沉降在所述长测试管段之外或只有部分沉降过程被观察到，则所述长测试管段的位置。

本发明提出的一种流动液体中颗粒极限沉降速度测量装置及方法，应用于测量“固-液”两相流中固体颗粒极限沉降速度的实验***，能够对动态***中固体颗粒的运动参数进行精细刻画和捕捉，能够测量颗粒在液体的移动速度，通过铺捉到滑移速度，使颗粒极限沉降速度测量及计算的准确性，能够实现高压、低温、变流速等多种工况条件，同时更加适用于水、油、天然气、玻璃砂、水合物颗粒等多种工作介质，通过电阻层析成像测试管段的分布式排列和集中式排列的转换，可以更加准确的捕捉到颗粒沉降的瞬间，同时装置管道与实际工况更为相似，进一步的增加了固体颗粒极限沉降速度测量及计算的准确性。

附图说明

图1本发明四点分布式管道整体示意图；

图2本发明集中分布式管道整体示意图；

图3本发明本专利所设计电阻层析成像变送器结构示意图。

图中：1、电阻层析成像测试管段，2、直管段，3、流量计管段，4、水浴连通管道，5、高压滑片泵，6、液体容器，7、循环管路保温层，8、电阻层析成像变送器，9、注入漏斗，10、差压传感器，11、球阀，12、压力传感器，13、温度传感器，14、弯管段，15、背压调节阀，16、采集相机，17、可视管段，18、减压阀，19、截止阀，20、气源气瓶，21、气体增压器，22、伸缩节，23、质量流量计，24、真空泵，25、制冷机组，26、高压缓冲罐，27、气动阀，28、气体流量计，29、电子磅秤，30、计量容器，31、止回阀，32、手动注入泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

实施例1

在本实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

一种流动液体中颗粒极限沉降速度测量装置，包括注液模块、稳压注气模块、多相循环模块、数据测量与采集模块和温度控制模块；注液模块与多相循环模块连接，用于向多相循环模块进行常压实验液体注入或高压实验液体注入；稳压注气模块与多相循环模块连接，用于向多相循环模块中注入恒定压力的实验气体；多相循环模块用于对注入的多相流体进行流动循环；数据测量与采集模块与多相循环模块连接，用于测量和采集多相循环模块中多相流体中固体颗粒的运动信息，并将测量和采集到的信息进行收集储存；温度控制模块与多相循环模块连接，用于对多相循环模块进行控温；其中，多相循环模块包括可视管段17和电阻层析成像测试管段1，数据测量与采集模块和温度控制模块包括采集相机16和电阻层析成像变送器8，采集相机16设置于可视管段17处，用于观测颗粒的生成及通过，电阻层析成像变送器8设置于电阻层析成像测试管段1处，用于测量颗粒速度。

注液模块包括注入漏斗9、液体容器6和手动注入泵32；注入漏斗9设于多相循环模块的入口，用于人工注入实验液体，液体容器6用于承装实验液体，液体容器6与手动注入泵32连接，手动注入泵32与多相循环模块的入口连接，用于将液体容器6中的实验液体在带压状态下泵入多相循环模块内，手动注入泵32与多相循环模块的入口之间设有压力表，用于测量并显示泵入实验液体的压力，压力表与多相循环模块的入口之间及注入漏斗9与多相循环模块的入口均设有球阀11，注液模块还包括计量容器30、电子磅秤29，计量容器30和电子磅秤29用于计量注入的实验液体，计量容器30和电子磅秤29可以为装置提供定量的组分水、配制液、化学剂等。

稳压注气模块包括高压气瓶组、高压缓冲罐26、气体增压器21、截止阀19、减压阀18、气动阀27、气体流量计28和止回阀31；高压气瓶组包括多个气源气瓶20，多个气源气瓶20并联后与高压缓冲罐26通过送气管路连接，多个气源气瓶20出口管路均设有阀门，气体增压器21与送气管路并联，且气体增压器21两端均设有阀门，高压气瓶组与高压缓冲罐26之间依次设有截止阀19和减压阀18，高压缓冲罐26与多相循环模块的入口连接，高压缓冲罐26与多相循环模块的入口之间依次设有气动阀27、气体流量计28和止回阀31，通过设置气动阀27、气体流量计28和止回阀31，可以在装置运行过程中温降或其他耗气状态下进行气体自动恒压补气。

多相循环模块还包括循环管道组、高压滑片泵5和真空泵24；循环管道组与可视管段17和电阻层析成像测试管段1连接组成回路，循环管道组包括多个直管段2、两个弯管段14和一个流量计管段3，高压滑片泵5分别与循环管道组的入口处的直管段2和出口处的直管段2连接，用于为多相流体的流动循环提供动力，真空泵24与循环管道组的排气口处的直管段2连接，用于排出循环管道组内的空气。如图1和图2所示，电阻层析成像测试管段1为四段，四段电阻层析成像测试管段1为分布式排列或集中式排列；如图1所示，当四段电阻层析成像测试管段1分布式排列时，四段电阻层析成像测试管段1间隔分布，第一段电阻层析成像测试管段1安装于流量计管段3后部，另外三段电阻层析成像测试管段1分布安装于两个弯管段14之间；如图2所示，当四段电阻层析成像测试管段1为集中式排列时，四段电阻层析成像测试管段1连接在一起且安装于两个弯管段14之间。无论四段电阻层析成像测试管段1为分布式排列或集中式排列，高压滑片泵5都是作为动力起点为流动液体提供动力，高压滑片泵5还连接有背压调节阀15。在测量特定工况下的单颗粒极限沉降速度时，首先四段电阻层析成像测试管段1首先需要为分布式排列来判断该工况下颗粒能否沉降，对于一段电阻层析成像测试管段1来说，如果颗粒能够连续通过两个截面则颗粒没有在此区间内发生沉降。反之，如果颗粒通过该管段的第一个截面后未能通过第二个截面，则认为此时颗粒沉降在了这段电阻层析成像测试管段1之间；如果颗粒通过了前一个电阻层析成像测试管段1的后一个截面，却未能通过后一个电阻层析成像测试管段1的前一个截面，则认为此时颗粒沉降在了这两个电阻层析成像测试管段1之间，因此，通过分布式排列中四段电阻层析成像测试管段1相互配合能够确定在当前工况下颗粒能否发生沉降。当确定当前实验工况颗粒能够发生沉降之后，将四段电阻层析成像测试管段1调整为集中式排列，集中式排列中四段电阻层析成像测试管段1必须连接在一起，组成八截面长距离测试段。当颗粒进入长距离测试段，通过八测试平面能够确定颗粒穿过截面的时间间隔、颗粒的截面位置分布进而能够计算出：颗粒发生沉降前的速度即颗粒沉降速度、颗粒沉降轨迹、颗粒最终沉降位置以及颗粒与液体之间的相对滑移速度，实现对颗粒沉降前运动轨迹的精细刻画。如果颗粒连续穿过了八个截面，但未在测试段内沉降，则可以适当调整测试管段的位置并进行多次重复实验，找到长距离测试段安装位置。需要强调：基于电阻层析成像电阻层析成像技术原理，综合考虑信号采集、传输、以及重建时间，当颗粒运动速度范围为0-2m/s且成像截面为1英寸时，为保证最佳的观测效果，两个截面之间的距离应为60mm。若颗粒运动速度超过该范围，应适当增加两截面之间的距离。为了实现电阻层析成像测试管段分布式排列或集中式排列的切换，底座整体为工字钢焊接而成，带有6个重载万向脚轮可以调节底座位置与高度。工字钢表面开有多个长横槽，用于固定以及改变支架位置。通过计算和设计各管段长度，配合支架和底座横槽的设计实现了两种分布方式的转换。

直管段2、弯管段14、电阻层析成像测试管段1、流量计管段3和可视管段17的管道承压极限均为10Mpa，直管段2、弯管段14、电阻层析成像测试管段1和流量计管段3均为不锈钢夹层套管，不锈钢夹层套管包括内层和外层，内层用于工作介质流动，外层用于控温介质流动，外层上下各均设有开口，控温介质下进上出，开口通过软管连接温度控制模块，两根不锈钢夹层套管之间通过法兰进行连接，法兰顶部设有钻孔用于安装温度传感器探头和压力传感器探头，不锈钢夹层套管与法兰之间设有伸缩节22，伸缩节22用于消除管段法兰连接时内部应力所导致的形变，可视管段17可以为透明PMMA管，电阻层析成像测试管段1、流量计管段3和可视管段17均通过支座与底座连接，高压滑片泵5的耐压极限为10Mpa，输运压差为1Mpa。

数据测量与采集模块还包括质量流量计23、温度传感器13、压力传感器12和差压传感器10；质量流量计23设置于流量计管段3处，温度传感器13与压力传感器12均设置于电阻层析成像测试管段1的入口处，差压传感器10一端与多相循环模块入口处的直管段2连接，另一端与多相循环模块出口处的直管段2连接，考虑高压滑片泵5出口与管道连接段的入口效应影响，也为保证质量流量计23测量准确，须在高压滑片泵5与流量计管段3之间设置直管段2；在分布式排列或集中式排列中，流量计管段3后必须安装伸缩节22，除了调节管道形变外伸缩节22还用于消除质量流量计23震动给流动液体带来的影响。其中，质量流量计23可以为科氏质量流量计，采集相机16可以为工业CCD相机。以上测量采集设备的信号均通过数据采集控制柜及控制箱、A/D采集卡、I/O控制板、计算机等设备进行采集，并最终在数据采集软件中进行汇总显示。

对应的，电阻层析成像变送器8可以为四个，如图3所示，每个电阻层析成像变送器8设有两个监测截面，每个监测截面周边设有八对电极，通过对电极施加周期性电流激励在被测截面形成电场，由于不同物质导电性不同因而电流信号会接收到不同反馈，通过对电场信号解析进而绘制出管内物质分布图。八对电极将被测界面划分为316个像素点，且像素点数量不受截面大小的影响。电阻层析成像变送器8的空间分辨率为被测截面直径的3％，电阻层析成像变送器8的图像采集频率为20fps。此外，电阻层析成像变送器内部的电极传感器与管道内部需要保持平滑以防止电极突起对流动产生影响，电阻层析成像技术具有远超CT、核磁的时间分辨率和随管径变化的高时间分辨率，高时间分辨率可以实现对颗粒瞬态运动信息的及时捕捉，截面直径设计为1英寸则空间分辨率为0.7mm能够有效识别到流体中的非导电固体颗粒。

温度控制模块包括制冷机组25、水浴连通管道4和循环管路保温层7，制冷机组25通过水浴连通管道4与直管段2、弯管段14、电阻层析成像测试管段1和流量计管段3连接，水浴连通管道4与直管段2、弯管段14、电阻层析成像测试管段1和流量计管段3连接时，按流向下进上出的方式连接，避免循环偏流或死角，循环管路保温层7设于水浴连通管道4的径向外侧，用于对水浴连通管道4内的控温介质进行保温。

实施例2

一种流动液体中颗粒极限沉降速度测量方法，包括如下步骤：

S1.将四段电阻层析成像测试管段1设置为分布式排列；

S2使用去离子水对装置内部管路进行清洗，清洗后使用氮气对装置内部管路进行吹扫排出装置内部管路中残留的水分；

S3.吹扫出装置内部管路中水分后，使用真空泵24抽取直管段2、弯管段14、电阻层析成像测试管段1、流量计管段3和可视管段17内的空气，然后将配置好的NaCl溶液完全充满直管段2、弯管段14、电阻层析成像测试管段1、流量计管段3和可视管段17，使用电阻层析成像变送器采集此时NaCl溶液的电导率信号作为测试背景；

其中，NaCl溶液的导电性配置成200μS；

S4.通过注入漏斗9添加一粒直径大于电阻层析成像测试管段1截面直径3％的非导电固体颗粒；

S5.将温度、液体压力和泵速设定为目标值，开启数据测量与采集模块的电阻层析成像变送器8、质量流量计23、采集相机16、温度传感器13、压力传感器12和差压传感器10，通过四段电阻层析成像测试管段1判断非导电固体颗粒当前运行状态，若检测到非导电固体颗粒连续通过一段电阻层析成像测试管段1的两个平面时，则非导电固体颗粒此时未发生沉降；若非导电固体颗粒通过一段电阻层析成像测试管段1的第一个截面后未通过第二个截面，则非导电固体颗粒在该电阻层析成像测试管段1内部发生沉降；若非导电固体颗粒通过了前一电阻层析成像测试管段1的后一截面后未通过后一电阻层析成像测试管段1的前一截面，则非导电固体颗粒沉降在两段电阻层析成像测试管段1之间；

S6.确定当前工况下非导电固体颗粒能够发生沉降后，将装置停车，并将装置内的物质排空，排空装置后将四段电阻层析成像测试管段1变换为集中式排列，保持其他所有参数设置不变，重复S2-S4过程，此时四段电阻层析成像测试管段1连接到一起组成长测试管段，当非导电固体颗粒穿过其中的监测截面时将会被监测到，通过观测非导电固体颗粒通过不同监测截面的时间以及非导电固体颗粒在该监测截面上的位置部分，可以得到非导电固体颗粒开始沉降之前的极限沉降速度、沉降轨迹、最终沉降位置以及非导电固体颗粒与液体间的相对滑移速度；若非导电固体颗粒沉降在长测试管段之外或只有部分沉降过程被观察到，则长测试管段的位置。

实施例3

本实施例中描述了通过本发明测量高压、低温、动态环境中水合物颗粒极限沉降速度的具体步骤，油气输运管道中的水合物生成之后，通常会以固体小颗粒的形式存在且颗粒自身会不断生长，相互之间会发生碰撞、融合。当颗粒直径增加到一定值而流体无法继续携带时，颗粒会在管道底部沉积。水合物颗粒不断沉积最终形成块状水合物堵塞管道，造成产量降低甚至引发设备损坏和人员伤亡，探究水合物颗粒极限沉降速度有助于堵塞预测模型的开发以及指导其他堵塞防控技术的研发例如水合物抑制剂、反水合物界面等。

通过本发明装置检测水合物颗粒极限沉降速度的步骤包括：

S1.使用去离子水对装置内部管路进行清洗，清洗后使用氮气对装置内部管路进行吹扫排出装置内部管路中残留的水分；

S2.吹扫出装置内部管路中水分后，使用真空泵24抽取多相循环模块中的空气，在矿物油中添加一定量的油基碳纳米管将矿物油的导电性调整为200μS，同时配置一定量的导电性为200μS的NaCl溶液，将矿物油与NaCl溶液注入实验***中，使用电阻层析成像变送器采集此时溶液的电导率信号作为测试背景；

S3.打开多相循环模块的注气阀门与排液阀门，以0.3MPa缓慢注入甲烷气体同时驱替出***中的溶液，当***含液率为95％时，关闭***的排液阀门；

S4.调整减压阀18出口端压力为6Mpa并开始注入甲烷，同时开启温度控制模块，设定温度温度为20℃，开启高压滑片泵34保证甲烷气体在矿物油以及水中的充分溶解，最终使多相循环模块管道内温度稳定为20℃，进气量为0；

S5.调整温度控制模块的温度为4℃后开始降温，开启数据测量与采集模块；

S6.当甲烷气体水合物满足生成相平衡条件时，液体中开始出现水合物颗粒，尽管油水混合物在流动过程中会发生一定的乳化现象，但是水合物的生成会破除乳化，由于本实验***属于恒压实验***，因此理论上***内的水溶液将会完全转化为水合物，油相作为不反应相实验过程中其基础物性参数不会发生变化，是稳定的背景溶液，油主相体系中的水合物颗粒生成之后，由于颗粒表面的水分导致颗粒之间会首先发生团聚，逐渐成长为大颗粒，温度传感器13可以捕捉到水合物生成时的放热反应，同时采集相机16可以作为辅助手段判断水合物的生成；

S7.当多相混合物中水合物颗粒团聚生长到一定尺寸超出液体的携带能力时，水合物颗粒便会开始向管道底部沉降，不同于单颗粒测量，此时油主相***中的水合物颗粒相对较多，电阻层析成像测试管段1应直接使用集中式排列，油相中的运动电阻层析成像测试管段1穿过四个电阻层析成像变送器时电导率信号将会被捕捉，尽管数量较多但各个水合物颗粒之间的特征信号并不相同，通过互相关算法对水合物颗粒的电信号进行识别和相关，可以测量出水合物颗粒通过八个截面时的时间以及位置，进而计算出水合物颗粒沉降前的运动速度即极限沉降速度、沉降轨迹以及最终沉降位置。另外使用质量流量计23测量此时液体的运动速度，水合物颗粒运动速度与液体运动速度之差便是水合物颗粒的相对滑移速度。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (7)

1.一种流动液体中颗粒极限沉降速度测量装置，其特征在于，包括注液模块、稳压注气模块、多相循环模块、数据测量与采集模块和温度控制模块；所述注液模块与所述多相循环模块连接，用于向所述多相循环模块进行常压实验液体注入或高压实验液体注入；所述稳压注气模块与所述多相循环模块连接，用于向所述多相循环模块中注入恒定压力的实验气体；所述稳压注气模块包括高压气瓶组、高压缓冲罐（26）、气体增压器（21）和减压阀（18），所述高压气瓶组包括多个气源气瓶（20），多个所述气源气瓶（20）并联后与所述高压缓冲罐（26）通过送气管路连接，所述高压气瓶组与所述高压缓冲罐（26）之间设有截止阀（19），多个所述气源气瓶（20）出口管路均设有阀门，所述气体增压器（21）与所述送气管路并联，且所述气体增压器（21）两端均设有阀门，所述高压缓冲罐（26）与所述多相循环模块的入口连接；所述多相循环模块用于对注入的多相流体进行流动循环；所述数据测量与采集模块与所述多相循环模块连接，用于测量和采集所述多相循环模块中多相流体中固体颗粒的运动信息，并将测量和采集到的信息进行收集储存；所述温度控制模块与所述多相循环模块连接，用于对所述多相循环模块进行控温；所述多相循环模块包括可视管段（17）和电阻层析成像测试管段（1），所述数据测量与采集模块和温度控制模块包括采集相机（16）和电阻层析成像变送器（8），所述采集相机（16）设置于所述可视管段（17）处，用于观测所述颗粒的生成及通过，所述电阻层析成像变送器（8）设置于所述电阻层析成像测试管段（1）处，用于测量颗粒速度，所述电阻层析成像变送器（8）为四个，所述电阻层析成像变送器（8）设有两个监测截面；

所述多相循环模块还包括循环管道组、高压滑片泵（5）和真空泵（24）；所述循环管道组与所述可视管段（17）和电阻层析成像测试管段（1）连接组成回路，所述循环管道组包括多个直管段（2）、两个弯管段（14）和一个流量计管段（3），所述高压滑片泵（5）分别与所述循环管道组的入口处的所述直管段（2）和出口处的所述直管段（2）连接，用于为多相流体的流动循环提供动力，所述真空泵（24）与所述循环管道组的排气口处的所述直管段（2）连接，用于排出循环管道组内的空气；

所述电阻层析成像测试管段（1）为四段，四段所述电阻层析成像测试管段（1）为分布式排列或集中式排列；当四段所述电阻层析成像测试管段（1）分布式排列时，四段所述电阻层析成像测试管段（1）间隔分布，第一段所述电阻层析成像测试管段（1）安装于所述流量计管段（3）后部，另外三段所述电阻层析成像测试管段（1）分布安装于两个弯管段（14）之间；当四段所述电阻层析成像测试管段（1）为集中式排列时，四段所述电阻层析成像测试管段（1）连接在一起且安装于两个弯管段（14）之间；

所述数据测量与采集模块还包括质量流量计（23）、温度传感器（13）、压力传感器（12）和差压传感器（10）；所述质量流量计（23）设置于所述流量计管段（3）处，所述温度传感器（13）与压力传感器（12）均设置于电阻层析成像测试管段（1）的入口处，所述差压传感器（10）一端与所述多相循环模块入口处的直管段（2）连接，另一端与所述多相循环模块出口处的直管段（2）连接。

2.根据权利要求1所述的一种流动液体中颗粒极限沉降速度测量装置，其特征在于，所述注液模块包括注入漏斗（9）、液体容器（6）和手动注入泵（32）；所述注入漏斗（9）设于所述多相循环模块的入口，用于人工注入实验液体，所述液体容器（6）用于承装实验液体，所述液体容器（6）与所述手动注入泵（32）连接，所述手动注入泵（32）与所述多相循环模块的入口连接，用于将所述液体容器（6）中的实验液体在带压状态下泵入所述多相循环模块内，所述手动注入泵（32）与所述多相循环模块的入口之间设有压力表，用于测量并显示泵入实验液体的压力，压力表与所述多相循环模块的入口之间及所述注入漏斗（9）与所述多相循环模块的入口均设有球阀（11）。

3.根据权利要求1所述的一种流动液体中颗粒极限沉降速度测量装置，其特征在于，所述稳压注气模块还包括截止阀（19）、气动阀（27）、气体流量计（28）和止回阀（31）；所述高压气瓶组与所述高压缓冲罐（26）之间设有截止阀（19），所述高压缓冲罐（26）与所述多相循环模块的入口之间依次设有气动阀（27）、气体流量计（28）和止回阀（31）。

4.根据权利要求1所述的一种流动液体中颗粒极限沉降速度测量装置，其特征在于，所述直管段（2）、弯管段（14）、电阻层析成像测试管段（1）、流量计管段（3）和可视管段（17）的管道承压极限均为10Mpa，所述直管段（2）、弯管段（14）、电阻层析成像测试管段（1）和流量计管段（3）均为不锈钢夹层套管，所述不锈钢夹层套管包括内层和外层，所述内层用于工作介质流动，所述外层用于控温介质流动，所述外层上下各均设有开口，控温介质下进上出，所述开口通过软管连接温度控制模块，两根不锈钢夹层套管之间通过法兰进行连接，法兰顶部设有钻孔用于安装温度传感器探头和压力传感器探头，不锈钢夹层套管与法兰之间设有伸缩节（22），所述伸缩节（22）用于消除管段法兰连接时内部应力所导致的形变，所述电阻层析成像测试管段（1）、流量计管段（3）和可视管段（17）均通过支座与底座连接，所述高压滑片泵（5）的耐压极限为10Mpa，输运压差为1Mpa。

5.根据权利要求1所述的一种流动液体中颗粒极限沉降速度测量装置，其特征在于，所述监测截面周边设有八对电极，通过对所述电极施加周期性电流激励在被测截面形成电场，八对所述电极将被测界面划分为316个像素点，所述电阻层析成像变送器（8）的空间分辨率为被测截面直径的3%，所述电阻层析成像变送器（8）的图像采集频率为20fps。

6.根据权利要求1所述的一种流动液体中颗粒极限沉降速度测量装置，其特征在于，所述温度控制模块包括制冷机组（25）、水浴连通管道（4）和循环管路保温层（7），所述制冷机组（25）通过水浴连通管道（4）与所述直管段（2）、弯管段（14）、电阻层析成像测试管段（1）和流量计管段（3）连接，所述循环管路保温层（7）设于所述水浴连通管道（4）的径向外侧，用于对所述水浴连通管道（4）内的控温介质进行保温。

7.一种流动液体中颗粒极限沉降速度测量方法，其特征在于，使用权利要求1-6任一项所述的流动液体中颗粒极限沉降速度测量装置进行测量，包括如下步骤：

S1. 将四段所述电阻层析成像测试管段（1）设置为分布式排列；

S2 使用去离子水对装置内部管路进行清洗，清洗后使用氮气对装置内部管路进行吹扫排出装置内部管路中残留的水分；

S3. 吹扫出装置内部管路中水分后，使用所述真空泵（24）抽取所述直管段（2）、弯管段（14）、电阻层析成像测试管段（1）、流量计管段（3）和可视管段（17）内的空气，然后将配置好的NaCl溶液完全充满所述直管段（2）、弯管段（14）、电阻层析成像测试管段（1）、流量计管段（3）和可视管段（17），使用所述电阻层析成像变送器采集此时NaCl溶液的电导率信号作为测试背景；

S4. 通过注入漏斗（9）添加一粒直径大于所述电阻层析成像测试管段（1）截面直径3%的非导电固体颗粒；

S5. 将温度、液体压力和泵速设定为目标值，开启所述数据测量与采集模块的电阻层析成像变送器（8）、质量流量计（23）、采集相机（16）、温度传感器（13）、压力传感器（12）和差压传感器（10），通过四段所述电阻层析成像测试管段（1）判断所述非导电固体颗粒当前运行状态，若检测到所述非导电固体颗粒连续通过一段所述电阻层析成像测试管段（1）的两个平面时，则所述非导电固体颗粒此时未发生沉降；若所述非导电固体颗粒通过一段所述电阻层析成像测试管段（1）的第一个截面后未通过第二个截面，则所述非导电固体颗粒在该所述电阻层析成像测试管段（1）内部发生沉降；若非导电固体颗粒通过了前一所述电阻层析成像测试管段（1）的后一截面后未通过后一所述电阻层析成像测试管段（1）的前一截面，则所述非导电固体颗粒沉降在两段所述电阻层析成像测试管段（1）之间；

S6. 确定当前工况下所述非导电固体颗粒能够发生沉降后，将装置停车，并将装置内的物质排空，排空装置后将四段所述电阻层析成像测试管段（1）变换为集中式排列，保持其他所有参数设置不变，重复S2-S4过程，此时四段所述电阻层析成像测试管段（1）连接到一起组成长测试管段，当所述非导电固体颗粒穿过其中的所述监测截面时将会被监测到，通过观测所述非导电固体颗粒通过不同所述监测截面的时间以及所述非导电固体颗粒在该所述监测截面上的位置部分，可以得到所述非导电固体颗粒开始沉降之前的极限沉降速度、沉降轨迹、最终沉降位置以及所述非导电固体颗粒与液体间的相对滑移速度；若所述非导电固体颗粒沉降在所述长测试管段之外或只有部分沉降过程被观察到，则所述长测试管段的位置。