CN209432776U - 气液两相管流实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种气液两相管流实验装置，气液两相管流实验装置包括进液***、进气***和测试***，所述进液***的进液管路与进气***的进气管路通过气液混合装置与测试***的测试管路连通，所述测试管路包括用于模拟水平输气管路的水平管、用于模拟起伏输气管路的起伏管，水平管和起伏管内均设有用于测试流体导电能力的导电探针，所述测试***还包括与各导电探针连接以接收并处理各导电探针信号以输出电压数据的处理器。上述气液两相管流实验装置同时具有流型观测和气体携液能力研究两种功能。无需安装繁杂线路，流程简单，便于操作。解决了现有技术中实验装置线路繁杂，安装较麻烦的问题。

Description

气液两相管流实验装置

技术领域

本实用新型涉及气液两相管流实验装置。

背景技术

在天然气凝析液集输工艺中，管道中一般存在气液两相流动，气相是指天然气，液相有两种形态，一种是游离水，另一种是由于温度、压力等条件发生变化，从天然气中凝析出来的重烃组分。在气井生产前期，返排液量大，输气管路中含有较多的游离水和返排液；在气井生产后期，产气量减少，游离水增多，因此在气井整个生产周期中，输气管路中液相作用不可忽略。此外，气田站场的输气管路多铺设于沙漠、山区、盆地等地形起伏地区，如杭锦旗气田、大牛地气田、普光气田等，由于液相和地形作用产生的输气管路积液是常见问题。积液的存在会导致集输压降增大、产生冰堵、腐蚀管材，对气田正常生产和输气管路的使用寿命产生不利影响。并且在起伏的输气管路中，气液两相流动具有流型复杂、气液作用复杂、压力波动大等特点，使得凝析气集输流动更加复杂。因此研究起伏输气管路中气液两相流流型特征，探究起伏管道中气体的携液特性具有十分重要的工程意义。

申请公布号为CN103924948A，申请公布日为2014.07.16的中国专利公开了一种涡流流型模拟可视化实验装置。涡流流型模拟可视化实验装置由涡流模拟测试台、气液分离***、进液***、进气***及数据采集计算机控制***组成。其中进液***、进气***分别通过进液管路、进气管路与涡流模拟实验台底部连接，气液分离***通过管路与涡流模拟实验台顶部出口相连，它具有用于准确测量井筒涡流流动时流型变化，携液效果，分析不同参数的影响程度等优点。涡流流型模拟可视化实验装置的涡流模拟实验台和数据采集计算机控制***共同组成对井内流型变化进行测试的测试***。而上述涡流流型模拟可视化实验装置仅可用于模拟采气井筒流动，无法模拟输气管路中的流动。

在气液两相管流实验中，经常需要判别流型，实验液塞速度。段瑞溪、于达、吴海浩等人发表了名称为“红外对管实验气夜两相流型与液塞实验研究”的论文，该论文发表在2012年第10期的“实验技术与管理”期刊上。根据红外线可以穿透透明介质,且服从衰减定律的原理,使用红外对管以及实验电路制作了实验装置。在透明实验管路外部安装了三套实验装置,并以空气、水为介质进行实验,实验了不同流动情况下的感应电压,分析了不同流型下感应电压的特点,提出了根据感应电压特性判别流型的方法。根据液塞经过红外对管时实验电压的波动特点,实验了液塞速度,并与文献中的理论公式计算结果相对比,数据吻合较好。虽然这种方法达到非介入的目的，但实验装置线路繁杂，安装较麻烦。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种气液两相管流实验装置，以解决现有技术的气液两相管流实验装置的线路繁杂，安装较麻烦的问题。

本实用新型的气液两相管流实验装置的技术方案是：

气液两相管流实验装置包括进液***、进气***和测试***，所述进液***的进液管路与进气***的进气管路通过气液混合装置与测试***的测试管路连通，所述测试管路包括用于模拟水平输气管路的水平管、用于模拟起伏输气管路的起伏管，水平管和起伏管内均设有用于测试流体导电能力的导电探针，所述测试***还包括与各导电探针连接以接收并处理各导电探针信号以输出电压数据的处理器。

本实用新型的有益效果是：通过水平管和起伏管可分别模拟水平输气管路和起伏输气管路。由于气体与液体的电导率不同，因此水平管和起伏管内的持液率与流体电导率具有相关性，基于上述原理可得到水平管、起伏管内液体质量与流体电导率的关系，经过数据处理得到管内持液率与电压数据的关系曲线。在进行气液两相流实验研究时，通过控制进液***或进气***等来控制测试***内的参数进行测试研究，测试过程可根据处理器得到的电压信号判断水平管和起伏管内的持液率，同时也可根据测得的电压信号判断水平管或起伏管内流体的流型，从而根据持液率和流型探究气液两相混输规律，确定输气管路内的临界携液流速，对现场生产进行指导。上述气液两相管流实验装置同时具有流型观测和气体携液能力研究两种功能。无需安装繁杂线路，流程简单，便于操作。解决了现有技术中实验装置线路繁杂，安装较麻烦的问题。

为方便观察起伏管内积液的分布形态和流体流型，本方案中所述起伏管为透明管，所述测试***还包括用于对起伏管内的流体进行拍摄的起伏管摄像装置。通过摄像装置对起伏管内流体进行拍摄，方便观测起伏管内积液的分布形态和流体流型。

为方便观察水平管内的流体流型，本方案中所述水平管为透明管，所述测试***还包括用于对水平管内的流体进行拍摄的水平管摄像装置。通过摄像装置对水平管内流体进行拍摄，方便观测水平管内的流体流型。

为精确测试起伏管内流体的流型和持液率，本方案中所述起伏管内的导电探针设有多个，至少两个导电探针处于起伏管的不同高度处。由于起伏管不同高度处气体持液率可能不同，因此设置多个导电探针可测试不同高度处的持液率，以增加测试精度。

为了对测试管路内流体的压力进行检测，为本方案中所述测试管路上设有用于检测两不同点处压力差的压差传感器，测试管路上还设有用于检测设定点处压力的压力传感器。由于压力的变化一定程度上能反映流体流型的变化，因此通过压差和压力的检测可对流体流型进行辅助测试。

为方便得到水平管、起伏管内流体的持液率与电压数据的关系，本方案中所述水平管沿其长度方向间隔设有两个用于开断水平管内流通通道的开关阀，水平管上处于两个开关阀之间的管壁上设有连通水平管内流通通道与外界的连通口，连通口上设有控制液体进出水平管的控制阀。实验时将设置在水平管上的两开关阀关闭，处于两开关阀之间的水平管与水平管的管壁形成圆柱形的封闭腔，然后打开控制阀通过连通口向封闭腔内灌注液体，之后通过操作控制阀从水平管内放出一部分液体控制封闭腔内液体的质量，经过计算处理得到水平管内的持液率，同时通过导电探针得到对应持液率下的电压数据，从而得到持液率与电压数据的关系曲线。

为平衡误差，同时方便操作开关阀，本方案中所述开关阀设有两个，两个开关阀在水平管上对称设置，且均靠近水平管的端部设置。

为方便更换或调整起伏管以模拟不同的输气环境，本方案中所述起伏管可拆连接在测试管路中。

为方便气体流量和液体流量的控制，本方案中所述进液***内控制液体进入测试***的进液阀门并联设有至少两个，所述进气***内控制气体进入测试***的进气阀门并联设有至少两个。当需要较小的进气量时，可仅开启一个进气阀门，需要较大进气量时根据需要开启两个以上的进气阀门，方便气体流量的控制；进液量的控制与进气量的控制原理相同。

附图说明

图1为本实用新型的气液两相管流实验装置的具体实施例1的示意图；

图2为图1中起伏管的放大图；

图3为本实用新型的气液两相管流实验装置的具体实施例2中起伏管的示意图；

图4为本实用新型的气液两相管流实验装置的具体实施例3中起伏管的示意图。

图中：1-气体压缩机，2-气体缓冲罐，3-过滤器，4-气体流量计，5-气相调节阀，6-储水罐，7-离心泵，8-质量流量计，9-液相调节阀，10-隔板式气液混合器，11-高速摄像机，12-下倾段，13-水平管，14-上倾段，15-压差传感器，16-压力传感器，17-导电探针，18-开关阀，19-热电偶变送器，20-连接管，21-水平段，22-控制阀。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式作进一步说明。

本实用新型的气液两相管流实验装置的具体实施例1，如图1和图2所示，气液两相管流实验装置包括进液***、进气***和测试***，进液***的进液管路和进气***的进气管路通过气液混合装置与测试***的测试管路连通，本实施例中的气液混合装置为隔板式气液混合器10。实验时进液***中的液体为水，进气***中的气体为空气。其中进液***包括通过进液管路连接的储水罐6、离心泵7、过滤器3、质量流量计8和四个液相调节阀9，液相调节阀9即为对液体流量进行控制的进液阀门，本实施例中的质量流量计8为孔板流量计。储水罐6内的水通过离心泵7加压、过滤器3过滤由液相调节阀9进入隔板式气液混合器10，通过控制液相调节阀9的开启数量可控制水的流量，同时质量流量计8可对水进行流量监测。进气***包括通过进气管路连接的气体压缩机1、气体缓冲罐2、过滤器3、三个气相调节阀5和三个气体流量计4，气相调节阀5即为对气体进行流量控制的进气阀门。气体压缩机1为气相提供气源与压力，空气通过气体压缩机1加压流至气体缓冲罐2中，通过气体缓冲罐2的缓冲作用保证空气流动的均匀性，之后经过过滤器3过滤，然后通过气相调节阀5、气体流量计4流出。在其他实施例中进液阀门或进气阀门可仅设置一个。

如图1所示，为模拟输气管路内的流动情况，测试***包括用于模拟水平输气管路的水平管13、用于模拟起伏输气管路的起伏管，本实施例中的测试管路包括水平管13、起伏管、连接水平管和起伏管及其他装置的连接管20。起伏管包括下倾段12、上倾段14。需要说明的是，为实现水的循环利用，测试管路的出口端与储水罐6连通。为方便观察，本实施例中的水平管13和起伏管均为有机玻璃管，即为透明管，可实现可视化测量。另外，实验时，储水罐6内的水为有色水，方便对流体进行观察，水平管13和起伏管旁侧还设有对流体的流型进行拍摄的高速摄像机11，本实施例中的高速摄像机11设有两个，分别为对水平管进行拍摄的水平管摄像装置和对起伏管进行拍摄的起伏管摄像装置，本实施例中的高速摄像机11为GoPro专业运动相机。在其他实施例中，水平管可为不透明管，起伏管也可为不透明管；此时则不必在水平管或起伏管的旁侧设置高速摄像机。

本实施例中的水平管13通过法兰可拆连接在连接管20之间，水平管13内沿其长度方向间隔设有两个开关阀18，设置在水平管13内的导电探针17处于两个开关阀18之间。水平管13上处于两个开关阀18之间的管壁上具有向外侧延伸的直管段，直管段的外侧开口构成连通水平管内流通通道与外界的连通口，连通口上设有控制阀22。需要说明的是，本实施中直管段的内径小于水平管13的内径，忽略其对水平管13内流体流动的影响。在其他实施例中，水平管的管壁也可不向外侧延伸，直接将连通口开设在水平管的管壁上，控制阀设置在连通口处。水平管13内设有一个导电探针17，且设置在水平管13的中点位置。图2中下倾段12、上倾段14均通过法兰依次连接在连接管20之间，以方便根据需要调节上倾段14、下倾段12的倾角，例如可根据测试需要将上倾段14、下倾段12的倾角调为45°、55°、65°等其他角度。本实施例中在下倾段12的端部均设置一个用于检测流体导电能力的导电探针17，在上倾段14的端部均设置一个用于检测流体导电能力导电探针17。测试***还包括用于接收并对导电探针17的信号进行处理以输出电压数据的处理器，测试***还包括设置在测试管路上的压力传感器16、压差传感器15和测量温度的热电偶变送器19，本实施例中的压力传感器16为keller压阻式压力传感器，热电偶变送器19为ROSEMOUNT热电偶变送器。本实施例中的压差传感器15设置在测试***的连接管的出口和进口之间，压力传感器16设置在水平管13的进口处。

在进行测试时，先关闭水平管13上的两个开关阀18，然后在直管段上连接进水管并打开控制阀22，通过连通口向水平管13内灌注水，并记录水平管13内水的重量。将导电探针17的管路连接好，打开采集程序，调节电路板使得处理器的电压处于设定的输出值。导电探针数据的处理为本领域内常用的处理方法，本实施例中通过计算机LABVIEW软件导出并对导电探针的数据进行处理，以电压数据输出。本实验采用的是差分的接线方式来采集测试***入口的气体流量、液体流量、温度和压力，并配备了一台24V的直流稳压电源对导电探针17提供电源。由于气相和液相的电导率不同，当两相流流经导电探针17时，截面上的持液率的变化导致导电探针17回路的电平不同，即计算机LABVIEW软件输出的电压数据不同。打开控制阀22从水平管13中放出一定质量的水，并对放出水的质量进行称量，便得到水平管13内剩余水的质量和与该质量下对应的电压数据，由此建立电压与持液率的关系。

需要说明的是，另外，本实施例中的持液率采用的是测重法，定义开关阀18之间的水平管内装满水的质量为m，倒出水的质量为n，水的密度为ρ，两开关阀18之间的距离为L，S为水平管的截面积，S_L为水平管内液面的截面积，则持液率为：

在进行持液率测试时倒出的水通过开关阀流进容器称重。之后通过origin作图软件对持液率-电压进行多项式数据拟合，得到持液率-电压曲线图。持液率-电压曲线图主要用于根据电压判断管路内的持液率。需要说明的是，开关阀18对称布置在水平管13的两端，不仅方便开关阀操作，且可平衡误差。在其他实施例中，上倾段、下倾段与连接管可为一体式结构，均为不透明管或均为透明管；水平管与连接管也可为一体式结构，均为不透明管或均为透明管；水平管上也可不设置开关阀、控制阀，采用一段与水平管的管径相同的测试管通过侧重法得到持液率与电压曲线；也可通过超声测量、射线测量等方法得到持液率与电压的关系曲线；起伏管内的导电探针也可仅设置一个，且设置在起伏管的底部；测试管路上也可不设置压力传感器、压差传感器或热电偶变送器；测试管路上也可仅设置压力传感器，不设置压差传感器；测试管路上也可仅设置压差传感器，不设置压力传感器；或者在测试管路上设置测温计来检测测试管路内的温度；两个开关阀其中一个设置在水平管长度方向的中间位置，另一个靠近水平管的一端设置。

本实用新型的气液两相管流实验装置的具体测试过程：首先关闭水平管13两端的开关阀18，打开控制阀22向设有导电探针17的水平管13内灌注水，计量水的质量为m，连接好电路，打开采集程序，调节电路板使得电压输出值为8V；打开控制阀22，依次从水平管13中放出质量为n1，n2，n3…n20的水，分别记录对应的电压输出值u1，u2，u3…u20。重复上述步骤标定水平管13内的导电探针；通过origin作图软件对持液率-电压进行多项式数据拟合，得到持液率-电压的曲线图，通过曲线可得任意电压下的持液率。

流型实验：通过储水罐6向测试管路内注水，直至水平管13的持液率为0.3；按照顺序依次打开配电箱、动力箱电源，最后打开气体压缩机1，通过气体流量计4向测试管路依次通入定量的空气；将高速摄像机11固定在最佳拍照位置进行拍摄，观察下倾段12和上倾段14的流型变化及积液变化情况，填写表格信息。不断改变空气流量、起伏管内上倾段14或下倾段12的倾斜角度重复步骤直至积液全部被携带出测试管路。实验中导电探针17与水接触时输出高电平，与空气接触时输出低电平，随着气液交替流过导电探针17，仪表将输出随时间连续变化的电压信号。根据导电探针17输出的电压信号判断流体流型，流型的划分采用行业公认的划分模式：比如若出现连续高电平，则导电探针17一直连续与液相接触，流体的流型为分层流。若出现间隔规律的高-低电平状态，流体的流型则为冲击流。

综上所述，本实用新型的气液两相管流实验装置具有流型观测和气体携液能力研究两种功能，无需安装繁杂线路，流程简单，便于操作。采用导电探针对气液混合流型和持液率进行实验。水平管和起伏管采用透明管，实现可视化测量，通过改变气液流量和起伏管倾斜角可实现不同变量的对比分析。同时装置具有一体化集成性、简易性、灵活性、广泛适用性，且测量精确。

本实用新型的气液两相管流实验装置的具体实施例2，与本实用新型的气液两相管流实验装置的具体实施例1相比，区别仅在于：如图3所示，起伏管用于模拟实际两个山峰不紧密相连的情况，由相互串联的下倾段12、水平段21、上倾段14组成；导电探针17位于下倾段12、上倾段14的端部以及水平段21的中点，共五个。在其他实施例中，也可根据需要增加下倾段、水平段、上倾段的数量，用于模拟实际三个以上山峰不紧密相连的情况。

本实用新型的气液两相管流实验装置的具体实施例3，与本实用新型的气液两相管流实验装置的具体实施例1相比，区别仅在于：如图4所示，起伏管用于模拟实际三个山峰紧密相连的情况，起伏管的连接方式由三对相互连接的下倾段12和上倾段14组成；导电探针17位于下倾段12、上倾段14的端部，共八个。在其他实施例中，也可通过增加上倾段和下倾段的数量模拟实际四个以上山峰紧密相连的情况；也可通过减少上倾段和下倾段的数量模拟实际两个山峰紧密相连的情况。

Claims (9)

1.气液两相管流实验装置，其特征是，包括进液***、进气***和测试***，所述进液***的进液管路与进气***的进气管路通过气液混合装置与测试***的测试管路连通，所述测试管路包括用于模拟水平输气管路的水平管、用于模拟起伏输气管路的起伏管，水平管和起伏管内均设有用于测试流体导电能力的导电探针，所述测试***还包括与各导电探针连接以接收并处理各导电探针信号以输出电压数据的处理器。

2.根据权利要求1所述的气液两相管流实验装置，其特征是，所述起伏管为透明管，所述测试***还包括用于对起伏管内的流体进行拍摄的起伏管摄像装置。

3.根据权利要求1或2所述的气液两相管流实验装置，其特征是，所述水平管为透明管，所述测试***还包括用于对水平管内的流体进行拍摄的水平管摄像装置。

4.根据权利要求1或2所述的气液两相管流实验装置，其特征是，所述起伏管内的导电探针设有多个，至少两个导电探针处于起伏管的不同高度处。

5.根据权利要求1或2所述的气液两相管流实验装置，其特征是，所述测试管路上设有用于检测两不同点处压力差的压差传感器，测试管路上还设有用于检测设定点处压力的压力传感器。

6.根据权利要求1或2所述的气液两相管流实验装置，其特征是，所述水平管沿其长度方向间隔设有两个用于开断水平管内流通通道的开关阀，水平管上处于两个开关阀之间的管壁上设有连通水平管内流通通道与外界的连通口，连通口上设有控制液体进出水平管的控制阀。

7.根据权利要求6所述的气液两相管流实验装置，其特征是，两个开关阀在水平管上对称设置，且均靠近水平管的端部设置。

8.根据权利要求1或2所述的气液两相管流实验装置，其特征是，所述起伏管可拆连接在测试管路中。

9.根据权利要求1或2所述的气液两相管流实验装置，其特征是，所述进液***内控制液体进入测试***的进液阀门并联设有至少两个，所述进气***内控制气体进入测试***的进气阀门并联设有至少两个。