一種管道中定長度定速度液塞發生裝置的製作方法

2023-09-22 19:05:45 1

本發明涉及一種氣液兩相流管道中定長度定速度液塞發生裝置，以準確控制產生特定長度和速度的液塞，並應用於液塞的水動力特性研究以及液塞對分離器分離性能的影響研究,屬於油氣集輸系統多相分離技術領域。

背景技術：

在氣液兩相流混輸管道中，段塞流是一種最常見的流型，它在許多操作條件(正常運行、清管、輸量變化等)下都會出現。段塞流可描述為充滿整個管道橫截面的液塞與大氣泡(其下方有液膜)的交替流動，具有間歇性強、壓降高的特點。段塞流會對輸送管道和下遊分離設備帶來極為不利的影響。因此，需要研究段塞流的水動力特性以及液塞對下遊分離設備的影響，這對保證集輸系統安全穩定運行具有重要意義。

段塞流通常可以分為兩大類：第一類是水動力段塞流，此時管道內被氣流吹起的液相橋接至管頂阻塞管道流通面積形成液塞，它又可以細分為普通水力段塞流和由氣液流量變化誘發的段塞流，出現這種段塞流時一般氣液流量較大。第二類是地形起伏誘發的段塞流，常在低氣液流量下發生，此時管道存在下坡連接上坡結構，液相在管道低洼處積聚堵塞氣體通道，從而在上坡段形成段塞流，這種段塞流的速度和長度可以達到很大(如：強烈段塞流)，且帶有明顯的周期性。

這兩類段塞流雖然形成機理不同，但有一個共同特點，那就是液塞長度和液塞速度具有隨機性；這種隨機性導致目前針對段塞流特性的研究只能基於一段時間內液塞特徵參數變化的平均值或統計值。此外，對於下遊分離設備，尤其是對氣液流量波動適應性較差的緊湊型分離設備，並不能在所有兩相流工況下保持高效分離性能。因此，研究段塞流尤其是地形起伏誘發段塞流對下遊分離設備性能的影響具有重要意義。

為了研究段塞流的水動力特性以及對分離器性能的影響，有必要發明一套液塞發生裝置，該裝置能準確控制產生特定長度和速度的液塞，為段塞流的水動力特性研究以及液塞對分離器性能的影響研究創造條件。

技術實現要素：

本發明提供了一種氣液兩相流管道中定長度定速度液塞發生裝置，能準確控制產生特定長度和速度的液塞，可用於段塞流的水動力特性研究以及液塞對分離器性能的影響研究,以克服現有技術的不足。

本發明所採用的技術方案是：

一種管道中定長度定速度液塞發生裝置，其特徵在於包括水平設置的兩相流幹線管路和位於兩相流幹線管路上方的造塞筒體，所述兩相流幹線管路自入流端起依次與兩相流引入管路的入口端、液塞注入管路的出口端和壓力平衡管路的出口端連接，所述兩相流引入管路的出口端連接於所述造塞筒體的頂部，所述液塞注入管路的入口端連接於所述造塞筒體的底部，所述壓力平衡管路的入口端連接於所述造塞筒體的頂部；

在所述兩相流引入管路和液塞注入管路之間的兩相流幹線管路上設有第一電磁閥；所述兩相流引入管路和壓力平衡管路上分別設有第二電磁閥與第四電磁閥；所述液塞注入管路豎直布置、且設有第三電磁閥；

所述造塞筒體是存儲液相介質、產生液塞的準備單元，造塞筒體頂部設置五個開孔，其中兩個分別與兩相流引入管路的出口端以及壓力平衡管路的入口端連接，第三個孔用於安裝測量造塞筒體液位的液位計，第四個孔為注氣孔，第五個孔為注液孔，當筒體內液位不足時，通過該注液孔及時補充液相介質；造塞筒體下部設置一個開孔，用於與液塞注入管路的入口端連接。

所述裝置用於產生特定長度和速度的液塞，此時對液塞完整性不做限制；或者產生特定長度且具有完整性的液塞，此時對液塞速度不做限制。

本發明在工作狀態下，通過液位計監測到的造塞筒體中的液位變化同步聯動控制四個電磁閥以及壓縮氣源的工作狀態，以產生特定長度和速度的液塞，此時對液塞完整性不做限制；或者通過液位計監測到的造塞筒體中的液位變化同步聯動控制四個電磁閥以及壓縮氣源的工作狀態，以產生特定長度和速度的液塞，此時對液塞完整性不做限制,產生特定長度且完整性好的液塞，此時對液塞速度不做限制，用於段塞流的水動力特性研究。

本發明的基本原理：根據液位計監測到的液位變化聯合控制四個電磁閥，實現在氣液兩相流管路中注入液塞；液塞長度由液位計監測的液位高度變化確定，並通過數控系統切換電磁閥工作狀態進行控制；液塞速度由壓縮氣源提供給造塞筒體內的壓力控制；壓力平衡管路關閉可控制液塞速度，壓力平衡管路打開可保證液塞完整性。

利用上述管道中定長度定速度液塞發生裝置進行造塞的方法，包括以下步驟：

1)將壓縮氣源與注氣孔連接，將液位計與四個電磁閥以及壓縮氣源作為數控系統，從而可以根據液位計監測到的液位情況控制電磁閥以及壓縮氣源的工作狀態；

2)造塞前，通過注液管路從注液孔向造塞筒體注入一定量液體，並通過液位計進行液量控制；

3)兩相流幹線管路上的第一電磁閥打開，兩相流引入管路上的第二電磁閥、液塞注入管路上的第三電磁閥、壓力平衡管路上的第四電磁閥都處於關閉狀態，兩相流從兩相流幹線管路通過；

4)當產生定長度定速度的液塞時，數控系統同步切換電磁閥工作狀態，使兩相流幹線管路上的第一電磁閥和壓力平衡管路上的第四電磁閥處於關閉狀態，而兩相流引入管路上的第二電磁閥和液塞注入管路上的第三電磁閥處於打開狀態；此時，兩相流沿著兩相流引入管路進入造塞筒體，而造塞筒體內的液相在壓縮氣源提供的壓力和自身重力作用下注入兩相流幹線管路形成液塞；

液塞長度由液位計監測到的造塞筒體液位高度變化確定，當液位計監測到造塞筒體液位高度下降到預設值時，通過數控系統切換電磁閥工作狀態結束造塞過程；

液塞長度l＝(d/d)2·δh，其中d,d,δh分別為造塞筒體內徑、兩相流幹線管路內徑、造塞筒體預設液位下降值；液塞速度由壓縮氣源向造塞筒體內注氣達到的壓力決定，注氣壓力越高，液塞速度越快；

5)當產生定長度且高完整性的液塞時，數控系統同步切換電磁閥工作狀態，使兩相流幹線管路上的第一電磁閥處於關閉狀態，而兩相流引入管路上的第二電磁閥、液塞注入管路上的第三電磁閥和壓力平衡管路上的第四電磁閥處於打開狀態；

此時，兩相流沿著兩相流引入管路進入造塞筒體，而造塞筒體內的液相僅在重力作用下注入兩相流幹線管路形成液塞，造塞筒體內未充入壓縮氣，因此造塞筒體和兩相流幹線管路末端壓力相等，避免所造液塞在進入幹線管路形成加速、影響液塞穩定性；液塞長度的控制與定長度定速度造塞工況下的控制方式相同，而液塞速度則受到造塞筒體液位高度以及兩相流幹線管路原氣液兩相流速度的影響。

本發明的有益效果是造塞過程簡單，可準確控制產生特定長度和速度的液塞，且液塞穩定性有保證，可用於液塞的水動力特性研究以及液塞對分離器分離性能的影響研究，並可根據水動力特性指導分離器設計。通過液位計監測液位變化，並發出信號同步聯動控制四個電磁閥的工作狀態，以此準確控制液塞長度；通過壓力平衡支路的關閉和壓縮氣源的背壓改變來控制液塞速度，通過壓力平衡支路的打開保證液塞的穩定性。

附圖說明：

圖1是本發明的結構圖。

圖中：1—兩相流幹線管路、2—兩相流引入管路、3—液塞注入管路、4—壓力平衡管路、5—第一電磁閥、6—第二電磁閥、7—第三電磁閥、8—第四電磁閥、9—造塞筒體、10—液位計、11—注氣孔、12—注液孔。

具體實施方式

參見附圖1，一種管道中定長度定速度液塞發生裝置，該裝置主要包括兩相流幹線管路1、兩相流引入管路2、液塞注入管路3、壓力平衡支路4、第一電磁閥5、第二電磁閥6、第三電磁閥7、第四電磁閥8、造塞筒體9、液位計10、注氣孔11、注液孔12。

其中兩相流幹線管路1分別與兩相流引入管路2的入口、液塞注入管路3的出口和壓力平衡管路4的出口連接，造塞筒體5分別與兩相流引入管路2的出口、液塞注入管路3的入口和壓力平衡管路4的入口連接。兩相流幹線管路1水平布置，且設有第一電磁閥5；兩相流引入管路2設有第二電磁閥6；液塞注入管路3豎直布置，且設有第三電磁閥7；壓力平衡管路4設有第四電磁閥8；造塞筒體9是存儲液相介質、產生液塞的準備單元，造塞筒體上部設置五個開孔，其中兩個分別與兩相流引入管路2出口以及壓力平衡管路4入口連接，第三個孔安裝液位計10，可測量造塞筒體液位，第四個孔為注氣孔11，第五個孔為注液孔12，當筒體內液位不足時，通過該孔及時補充液相介質；造塞筒體下部設置一個開孔，與液塞注入管路3連接。

通過液位計10監測到的造塞筒體9中的液位變化同步聯動控制四個電磁閥以及壓縮氣源的工作狀態，可以產生特定長度和速度的液塞，此時對液塞完整性要求不高；或者產生特定長度且完整性好的液塞，此時對液塞速度不做限制。

本發明的造塞工作過程為：

1)液位計10與四個電磁閥以及壓縮氣源等組成數控系統，液位計10根據監測到的液位情況控制電磁閥以及壓縮氣源的工作狀態；

2)造塞前，由液位計10監測到的液位控制注液管路從注液孔12向造塞筒體9注入一定液位的液量，為造塞過程做準備；

3)在實驗的穩定階段，液塞發生裝置處於非工作狀態，兩相流幹線管路1上的第一電磁閥5打開，兩相流引入管路2上的第二電磁閥6、液塞注入管路3上的第三電磁閥7、壓力平衡管路4上的第四電磁閥8都處於關閉狀態，兩相流從兩相流幹線管路1通過，液塞發生裝置不對氣液兩相流系統產生任何影響；

4)當產生定長度定速度的液塞時，數控系統同步切換電磁閥工作狀態，使兩相流幹線管路1上的第一電磁閥5和壓力平衡管路4上的第四電磁閥8處於關閉狀態，而兩相流引入管路2上的第二電磁閥6和液塞注入管路3上的第三電磁閥7處於打開狀態；此時，兩相流沿著兩相流引入管路2進入造塞筒體9，而造塞筒體9內的液相在壓縮氣源提供的壓力和自身重力作用下注入兩相流幹線管路1形成液塞。液塞長度由液位計10監測到的造塞筒體液位高度變化確定，當液位計10監測到造塞筒體9液位高度下降到預設值時，通過數控系統切換電磁閥工作狀態結束造塞過程；因此，液塞長度l＝(d/d)2·δh，其中d,d,δh分別為造塞筒體內徑，兩相流幹線管路內徑，造塞筒體預設液位下降值。液塞速度由壓縮氣源向造塞筒體9內注氣達到的壓力決定，注氣壓力越高，液塞速度越快。

5)當產生定長度且高完整性的液塞時，數控系統同步切換電磁閥工作狀態，使兩相流幹線管路1上的第一電磁閥5處於關閉狀態，而兩相流引入管路2上的第二電磁閥6、液塞注入管路3上的第三電磁閥7和壓力平衡管路4上的第四電磁閥8處於打開狀態；此時，兩相流沿著兩相流引入管路2進入造塞筒體9，而造塞筒體9內的液相僅在重力作用下注入兩相流幹線管路1形成液塞，造塞筒體內未充入壓縮氣，因此造塞筒體9和兩相流幹線管路1末端壓力相等，避免所造液塞在進入幹線管路形成加速、影響液塞穩定性。液塞長度的控制與定長度定速度造塞工況下的控制方式相同，而液塞速度則受到造塞筒體9液位高度以及兩相流幹線管路1原氣液兩相流速度的影響。

本發明提供的一種管道中定長度定速度液塞發生裝置不限於以上實施例，本領域技術人員依據本發明的技術理念對本發明實施例進行的任何修改、等同替換、改進等，都並未脫離本發明的精神原則和保護範圍。