模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置及方法
2023-06-23 03:02:26 2
專利名稱：模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置及方法
技術領域：
本發明有關於一種模擬煤層氣田集輸管道中存在的多相流動實驗裝置及方法，尤其有關於一種模擬煤層氣集輸管道中存在的氣液、氣固、氣液固流動過程的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置及方法。
背景技術：
煤層氣開採過程中，由於煤層井壁失穩、基質破裂等原因產生煤粉，井底的水和煤粉在排水採氣過程中到達地面，大部分煤粉懸浮於水中在井口排出，但仍然有部分水和煤粉隨氣體進入集輸管道。這就使得氣體集輸管道中存在著液體和固體雜質，根據氣井開發時期和管道位置的不同，在煤層氣管道中存在著氣液、氣固、氣液固多相流動狀態。氣體集輸管道的多相流動給管道設計者和管道運行管理者都帶來了難題。含有固體顆粒和液體水的多相流動使管道壓力損失增大且變化範圍大、準確預測困難，在運行過程中可能形成煤泥沉積堵塞管道等問題。多相流實驗環道作為流體管流特性、流型、壓降規律等方面的主要實驗研究手段，其實驗結果對實際管道的設計和運行操作具有很強的適用性和指導作用，在國內外有著較多的應用，比如蠟沉積實驗環道，水合物實驗環道和氣液兩相流環道等。但這些環道都不能模擬煤層氣集輸管道中存在的水和固體顆粒這種含多種介質，即，存在著氣液、氣固、氣液固等多種工況的流動情況。因此，有必要提供一種能模擬煤層氣集輸管道這種存在著多種流動工況的實驗裝置和方法，來克服上述缺陷。
發明內容
本發明的目的是提供一種模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，能進行氣液、氣固、氣液固多相流動實驗，其能夠描述和預測煤層氣集輸管道的多相流動狀態、影響因素及壓降規律。本發明的目的是提供一種模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗方法，通過該實驗方法可進行氣液、氣固、氣液固多相流動實驗，其能夠準確描述和預測煤層氣集輸管道的多相流動狀態、影響因素及壓降規律。本發明的上述目的可採用下列技術方案來實現:本發明提供一種模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，所述模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置包括:實驗管道系統，其具有測試管，所述測試管的進口端連接有混合器，所述測試管上設有觀察管；供水系統，其具有供水管，所述供水管的一端連接有儲水罐，其另一端與所述混合器相連，所述供水管上連接有水泵；供氣系統，其具有供氣管，所述供氣管的一端連接有空氣壓縮機，其另一端與所述混合器相連，所述供氣管上連接有緩衝罐；加料系統，其具有加料器，所述加料器連接在與所述供氣管並聯相連的加料管上。在優選的實施方式中，所述模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置還包括過濾系統，所述過濾系統具有過濾罐和與所述過濾罐相連的汙水池，所述過濾罐與所述測試管的出口端相連。在優選的實施方式中，在所述測試管的進口端與所述測試管的出口端之間連接有壓差傳感器。在優選的實施方式中，所述測試管上設有壓力傳感器、溫度傳感器和電導探針。在優選的實施方式中，所述觀察管為有機玻璃透明管，所述觀察管的外側設有高速攝像機，所述高速攝像機與計算機相連。在優選的實施方式中，所述供水系統的儲水罐與所述水泵之間連接有液體過濾器。在優選的實施方式中，所述供水系統的水泵為多個，所述多個水泵並聯設置在所述供水管上。在優選的實施方式中，所述水泵的出口端連接有相互並聯設置的兩條水管，一條所述水管與所述混合器相連，另一條所述水管通過截止閥與所述儲水罐相連。在優選的實施方式中，與所述混合器相連的所述水管上設有兩個液體流量計，所述兩個液體流量計相互並聯設置。在優選的實施方式中，所述供氣系統的緩衝罐包括多個一級緩衝罐和多個二級緩衝罐，所述多個一級緩衝罐並聯設置在所述供氣管上，所述多個一級緩衝罐的一端與所述空氣壓縮機相連，其另一端分別與所述二級緩衝罐串聯相連。在優選的實施方式中，在所述緩衝罐與所述混合器之間的所述供氣管上設有氣體過濾器、溫度傳感器和壓力傳感器。在優選的實施方式中，所述供氣管上設有兩個氣體流量計，所述兩個氣體流量計相互並聯設置在所述緩衝罐與所述混合器之間。在優選的實施方式中，所述加料器上連接有平衡管道，所述平衡管道連接在所述加料管上。本發明還提供一種模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗方法，所述模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗方法採用上述的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，所述模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗方法包括如下步驟:a)通過供氣系統輸出氣體，通過供水系統輸出液體，通過加料系統輸出固體；b)所述氣體和所述固體，或所述氣體和所述液體,或所述氣體、所述固體和所述液體注入連接在實驗管道系統的測試管進口端的混合器內；c)所述氣體和所述固體，或所述氣體和所述液體,或所述氣體、所述固體和所述液體在所述混合器內混合後生成的混合物流入所述測試管內，通過設置在所述測試管上的觀察管觀察所述混合物的流動狀態。在優選的實施方式中，所述測試管上設有壓力傳感器、溫度傳感器和電導探針，通過所述壓力傳感器、所述溫度傳感器和所述電導探針測量所述混合物的瞬時壓力、瞬時溫度和持液率。
在優選的實施方式中，在所述測試管的進口端與所述測試管的出口端之間連接有壓差傳感器，通過所述壓差傳感器測量所述混合物在所述測試管內流動過程中的壓差值。在優選的實施方式中，所述觀察管為有機玻璃透明管，所述觀察管的外側設有高速攝像機，所述高速攝像機與計算機相連。本發明的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置及方法的特點及優點是:該實驗裝置和方法可用於模擬煤層氣集輸管道中存在的氣固、氣液、氣液固多相介質的流動，通過開閉不同管道上的閥門來切換實驗流程，完成實驗目標。本裝置和方法充分考慮了影響煤層氣流動特性的因素，緊密結合現場實際工況且具有以下優點:I)結構合理:本發明的供水系統、供氣系統和加料系統與實驗管道系統之間銜接緊湊，充分利用實驗室有限空間，供水系統、供氣系統和加料系統之間切換方便且各測量設備滿足儀表的安裝要求。2)設計巧妙:本發明的供水系統巧妙的將水泵與其出口端的回流管道相結合以控制供水流量，擴大了流量調節的範圍；加料系統充分利用重力和氣體流動能量將固體顆粒加入實驗管道系統形成模擬工況。3)測量設備先進:本發明在測試管上安裝了高精度的壓差傳感器，有效降低了實驗誤差，在觀察管上採用高速攝像機進行拍攝，使得數據採集量大大增加，為研究提供了更為充足的數據支持；另外，運用壓力傳感器、溫度傳感器和電導探針進行壓力、溫度和持液率等多參數的採集，避免人工操作誤差，實現數據採集自動化。4)安全環保:本發明在保證實驗過程安全高效，在供氣系統的一級緩衝罐上設有安全閥，當一級緩衝罐內壓力高於安全閥設定值時，安全閥會自動打開洩壓，防止壓力過聞。
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發明的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置的結構示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。實施方式I如圖1所示，本發明提供一種模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，其包括實驗管道系統1、供水系統2、供氣系統3和加料系統4。其中:實驗管道系統I具有測試管11，所述測試管11的進口端111連接有混合器12，所述測試管11上設有觀察管13 ;供水系統2具有供水管21，所述供水管21的一端連接有儲水罐22，其另一端與所述混合器12相連，所述供水管21上連接有水泵23 ;供氣系統3具有供氣管31，所述供氣管31的一端連接有空氣壓縮機32，其另一端與所述混合器12相連，所述供氣管31上連接有緩衝罐33 ;加料系統4具有加料器41，所述加料器41連接在與所述供氣管31並聯相連的加料管42上。具體是，實驗管道系統I的測試管11為環形管道，其由不鏽鋼材料製成，測試管11的總長度為44m，也即，從測試管11的進口端111至測試管11的出口端112的長度為44m ；觀察管13的兩端通過法蘭連接在測試管11上，在本發明中，觀察管13為有機玻璃透明管，其長度為0.6m，觀察管13的外側放置有高速攝像機14或粒子圖像測速儀，高速攝像機14與計算機16相連，觀察管13用於從外界觀察測試管11內介質的流動狀態，高速攝像機14正對觀察管13放置，其用於捕捉測試管11內介質的瞬時流動狀態，高速攝像機14將其拍攝的圖像傳輸給計算機16進行儲存並顯示。在本實施例中，在測試管11的進口端111與測試管11的出口端112之間連接有壓差傳感器17，該壓差傳感器17用於採集測試管11內的介質在流動過程中的壓差值。進一步的，在測試管11的中間位置還設有壓力傳感器18、溫度傳感器19和電導探針20，其中，壓力傳感器18用於採集測試管11內的介質的瞬時壓力，溫度傳感器19用於採集測試管11內的介質的瞬時溫度，電導探針20用於測量測試管11內氣液或氣液固混合介質的持液率。供水系統2用於向實驗管道系統I提供液相流體，其供水管21通過混合器12連接在實驗管道系統I的測試管11的進口端111上，供水管21的一端連接有儲水罐22，儲水罐22內盛裝有液體，該液體通過水泵23泵入測試管11內。在本發明中，供水管21上並聯設置有多個水泵23，該水泵23為變頻調速水泵，變頻調速水泵可控制水泵23的出口流量；在本實施例中，供水管21上並聯設置有兩個水泵23，當然，在其他的實施方式中，供水管21上可僅連接有一個水泵23，也可在供水管21上並聯設置例如3個、4個或更多個水泵23，並聯設置的水泵23越多，說明向供水管21內泵入的液體越多。在本實施例中，在供水系統2的儲水罐22與水泵23的進口端之間連接有液體過濾器24，該液體過濾器24用於過濾儲水罐22內液體中的雜質。進一步的,水泵23的出口端連接有相互並聯設置的水管211和水管212，一條水管211與混合器12相連，另一條水管212通過截止閥25與儲水罐22相連，以構成回流管道，該回流管道用於將水泵23中泵出的一部分液體回流至儲水罐22內，截止閥25用來調節回流至回流管道內的液體的流量，從而可相對調節控制水泵23泵入測試管11內的液體流量。與混合器12相連的水管211上設有兩個液體流量計27，該兩液體流量計27相互並聯設置在水管211上，液體流量計27用於採集供水管21內流過的液體的流量。在本發明中，其中一個液體流量計27為大量程液體流量計，該大量程液體流量計用於在供水管21向測試管11供應大量液體時測量液體的流量，另一液體流量計27為小量程液體流量計，該小量程液體流量計用於在供水管21向測試管11供應少量液體時測試液體的流量，同時開啟兩個液體流量計27，可精確測量流經供水管21的液體流量。進一步的，在供水管21上還連接有閘閥28和單向閥29，閘閥28用於開啟或關閉供水系統2的供水管21，單向閥29用於防止供水管21內的液體回流。供氣系統3用於向實驗管道系統I提供穩定流動的氣體，其供氣管31通過混合器12連接在實驗管道系統I的測試管11進口端111上，供氣管31的一端連接有空氣壓縮機32，空氣壓縮機32用於將外界氣體壓縮輸入供氣管31內，該外界氣體通過連接在供氣管31上的緩衝罐33緩衝後而注入測試管11內。在本發明中，緩衝罐33由多個一級緩衝罐331和多個二級緩衝罐332組成，多個一級緩衝罐331並聯設置在供氣管31上，多個一級緩衝罐331的一端共同與空氣壓縮機32相連，其另一端分別與二級緩衝罐332串聯相連。在本實施例中，空氣壓縮機32連接有三個並聯設置的一級緩衝罐331，其中兩個並聯設置的一級緩衝罐331共同與一個二級緩衝罐332串聯連接，另一個一級緩衝罐331串聯連接另一個二級緩衝罐332。外界氣體經空氣壓縮機32壓縮後，流經三個一級緩衝罐331而流入兩個二級緩衝罐332中。一級緩衝罐331用於控制氣體的輸入量，二級緩衝罐332用於緩衝調節自一級緩衝罐331輸入的氣體的壓力，保證輸入測試管11內的氣體壓力穩定。在其他的實施方式中，供氣管31上可僅連接有一個一級緩衝罐331和一個二級緩衝罐332，也可在供氣管31上並聯設置例如4個、5個或更多個一級緩衝罐331，每個一級緩衝罐331連接一個二級緩衝罐332，並聯設置的一級緩衝罐331越多，說明向供氣管31內輸入的氣體越多。另外，本發明在多個一級緩衝罐331上分別連接有安全閥3311，以隨時控制調節一級緩衝罐331內的壓力。進一步的，在緩衝罐33與混合器12之間的供氣管31上沿氣體流動方向依次設有氣體過濾器34、溫度傳感器35和壓力傳感器36。其中，氣體過濾器34用於過濾供氣管31內的氣體中的雜質，溫度傳感器35用於採集供氣管31內流經的氣體的瞬時溫度，壓力傳感器36用於採集供氣管31內流經的氣體的瞬時壓力。進一步的，在緩衝罐33與混合器12之間的供氣管31上還設有兩個氣體流量計37，所述兩個氣體流量計37相互並聯設置在氣體過濾器34與溫度傳感器35之間的供氣管31上。氣體流量計37用於採集供氣管31內流過的氣體的流量。在本發明中，其中一個氣體流量計37為大量程氣體流量計，該大量程氣體流量計用於在供氣管31向測試管11供應大量氣體時測量氣體的流量，另一氣體流量計37為小量程氣體流量計，該小量程氣體流量計用於在供氣管31向測試管11供應少量氣體時測試氣體的流量，同時開啟兩個氣體流量計37，可精確測量流經供氣管31的氣體流量。另外，在供氣管31上還連接有截止閥38，截止閥38用於調節控制供氣管31內供氣量；在氣體過濾器34與氣體流量計27之間的供氣管31上還連接有放空閥39。加料系統4用於向實驗管道系統I提供固體顆粒，其加料管42並聯連接在供氣系統3的壓力傳感器36與截止閥38之間的供氣管31上方，加料管42上連接有加料器41，在本發明中，加料器41由變速電動機控制實現定量加料。加料管42由於位於供氣管31的上方，加料器41內的固體顆粒在出料後將在重力的作用下掉入供氣管31內，與供氣系統3提供的氣體相混合。利用該模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置進行模擬實驗的過程如下:I)在進行氣液兩相實驗時:首先，開啟供氣系統3的空氣壓縮機32，關閉加料系統4的加料管42上的閥門421、閥門422，打開供氣管31上的閥門311，外界空氣通過空氣壓縮機32被壓入多個一級緩衝罐331和多個二級緩衝罐332內，氣體經氣體過濾器34過濾後流入實驗管道系統I的測試管11內，調節供氣管31上的截止閥38以控制達到實驗預定值的供氣量；接著，開啟供水系統2的水泵23，儲水罐22內的液體在液體過濾器24內過濾後，經水泵23泵入供水管21內，而後流入實驗管道系統I的測試管11，調節與水泵23出口端連接的回流管道上的截止閥25，可控制液體回流至儲水罐22內的流量，以相對控制水泵23泵入供水管21內的供水量，以達到實驗預定值，另外，通過調節分別連接在兩個液體流量計27兩側的閥門271和閥門272、以及閥門273和閥門274，也可實現控制供水管21內液體流量的目的；經供氣系統3提供的氣體以及經供水系統2提供的液體，在流入測試管11前，可在混合器12內混合後注入測試管11內，以使氣液兩相流充分混合均勻；此時，實驗管道系統I的測試管11中的流體處於氣液兩相流動狀態，打開高速攝像機14，拍攝觀察管13內的介質流動狀態，並將其拍攝的實驗數據傳輸給計算機16進行監測和記錄。2)在進行氣固兩相實驗時:首先，關閉供水系統2的閘閥28，打開加料系統4加料管42上的閥門421、閥門422，關閉供氣系統3供氣管31上的閥門311 ;接著，開啟供氣系統3的空氣壓縮機32，外界空氣通過空氣壓縮機32被壓入多個一級緩衝罐331和多個二級緩衝罐332內，氣體經氣體過濾器34過濾後流入加料系統4的加料管42內，此時，開啟加料系統4的加料器41並設定為預定出料量，加料器41內的固體顆粒將在重力的作用下掉入加料管42內，與流入加料管42內的氣體混合後共同流入供氣管31內，最後經混合器12進一步混合後流入實驗管道系統I的測試管11內，通過調節分別連接在兩個氣體流量計37兩端的閥門371與閥門372、以及閥門373與閥門374，使供氣管31內的供氣量達到實驗預定值，另外，還可通過調節供氣管31上的截止閥38達到控制供氣量的目的；此時，實驗管道系統I的測試管11中的流體處於氣固兩相流動狀態，打開高速攝像機14，拍攝觀察管13內的介質流動狀態，並將其拍攝的實驗數據傳輸給計算機16進行監測和記錄。3)在進行氣液固三相實驗時:首先，開啟供氣系統3的空氣壓縮機32，打開加料系統3的加料管42上的閥門421、閥門422，關閉供氣管31上的閥門311，外界空氣通過空氣壓縮機32被壓入多個一級緩衝罐331和多個二級緩衝罐332內，氣體經氣體過濾器34過濾後流入加料系統4的加料管42內，此時，開啟加料系統4的加料器41並設定為預定出料量，加料器41內的固體顆粒將在重力的作用下掉入加料管42內，與流入加料管42內的氣體混合後共同流入供氣管31內，而後流入實驗管道系統I的測試管11內，通過調節分別連接在兩個氣體流量計37兩端的閥門371與閥門372、以及閥門373與閥門374，使供氣管31內的供氣量達到實驗預定值，另外，還可通過調節供氣管31上的截止閥38達到控制供氣量的目的；接著，開啟供水系統2的水泵23，儲水罐22內的液體在液體過濾器24內過濾後，經水泵23泵入供水管21內，而後流入實驗管道系統I的測試管11，調節與水泵23出口端連接的回流管道上的截止閥25，可控制液體回流至儲水罐22內的流量，以相對控制水泵23泵入供水管21內的供水量，以達到實驗預定值，另外，通過調節分別連接在兩個液體流量計27兩側的閥門271和閥門272、以及閥門273和閥門274，也可實現控制供水管21內液體流量的目的；經供氣系統3提供的氣體、經供水系統2提供的液體、以及經加料系統4提供的固體在流入測試管11前，可在混合器12內混合後注入測試管11內，以使氣液固三相流充分混合均勻；此時，實驗管道系統I的測試管11中的流體處於氣液固三相流動狀態，打開高速攝像機14，拍攝觀察管13內的介質流動狀態，並將其拍攝的實驗數據傳輸給計算機16進行監測和記錄。本發明的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，用於模擬煤層氣集輸管道中存在的氣固、氣液、氣液固多相介質的流動，通過開閉不同管道上的閥門來切換實驗流程，完成實驗目標。本裝置充分考慮了影響煤層氣流動特性的因素，緊密結合現場實際工況且具有以下優點:I)結構合理:本發明的供水系統2、供氣系統3和加料系統4與實驗管道系統I之間銜接緊湊，充分利用實驗室有限空間，供水系統2、供氣系統3和加料系統4之間切換方便且各測量設備滿足儀表的安裝要求。2)設計巧妙:本發明的供水系統2巧妙的將水泵23與其出口端的回流管道相結合以控制供水流量，擴大了流量調節的範圍；加料系統4充分利用重力和氣體流動能量將固體顆粒加入實驗管道系統I形成模擬工況。3)測量設備先進:本發明在測試管11上安裝了高精度的壓差傳感器17，有效降低了實驗誤差，在觀察管13上採用高速攝像機14進行拍攝，使得數據採集量大大增加，為研究提供了更為充足的數據支持；另外，運用壓力傳感器18、溫度傳感器19和電導探針20進行壓力、溫度和持液率等多參數的採集，避免人工操作誤差，實現數據採集自動化；再有，高速攝像機14將其採集的實驗數據傳輸給計算機16，從而在短時間內採集變化非常快的高頻物理量成為可能。4)安全環保:本發明在保證實驗過程安全高效，在供氣系統3的一級緩衝罐331上設有安全閥3311，當一級緩衝罐331內壓力高於安全閥3311設定值時，安全閥3311會自動打開洩壓，防止壓力過高。根據本發明的一個實施方式，該模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置還包括過濾系統5，所述過濾系統5具有過濾罐51和與所述過濾罐51相連的汙水池52，所述過濾罐51與所述測試管11的出口端112相連。具體是，過濾系統5的過濾罐51內灌裝有水，其一端連接在實驗管道系統I的測試管11出口端112，其另一端與汙水池52相連，測試管11內含顆粒的流體先進入過濾罐51的水中，該含有固體顆粒的流體被水洗後，固體顆粒流在過濾罐51的水中，除去固體顆粒的氣體從水面溢出排到大氣中。本發明過濾系統5將固體顆粒過濾後再將氣體排放，避免了含顆粒氣體排放到大氣中而汙染空氣。根據本發明的一個實施方式，所述加料器41上連接有平衡管道43，所述平衡管道43連接在所述加料管42上。該平衡管道43用於將加料器41內的空間與加料管42的內腔相連通，使加料器41內的空間壓力與加料管42內腔的壓力相平衡，便於加料器41內的固體顆粒順利加入到有一定壓力的供氣管31內。實施方式2本發明還提供一種模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗方法，所述模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗方法採用實施方式I的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，所述的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置的結構、工作原理和有益效果與實施方式I相同，在此不再贅述。所述模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗方法包括如下步驟:a)通過供氣系統3輸出氣體，通過供水系統2輸出液體，通過加料系統4輸出固體；b)所述氣體和所述固體，或所述氣體和所述液體,或所述氣體、所述固體和所述液體注入連接在實驗管道系統I的測試管11進口端111的混合器12內；c)所述氣體和所述固體，或所述氣體和所述液體,或所述氣體、所述固體和所述液體在所述混合器12內混合後生成的混合物流入所述測試管11內，通過設置在所述測試管11上的觀察管13觀察所述混合物的流動狀態。具體是，利用實施方式I的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置進行實驗的過程如下:I)在進行氣液兩相實驗時:首先，開啟供氣系統3的空氣壓縮機32，關閉加料系統4的加料管42上的閥門421、閥門422，打開供氣管31上的閥門311，外界空氣通過空氣壓縮機32被壓入多個一級緩衝罐331和多個二級緩衝罐332內，氣體經氣體過濾器34過濾後流入實驗管道系統I的測試管11內，調節供氣管31上的截止閥38以控制達到實驗預定值的供氣量；接著，開啟供水系統2的水泵23，儲水罐22內的液體在液體過濾器24內過濾後，經水泵23泵入供水管21內，而後流入實驗管道系統I的測試管11，調節與水泵23出口端連接的回流管道上的截止閥25，可控制液體回流至儲水罐22內的流量，以相對控制水泵23泵入供水管21內的供水量，以達到實驗預定值，另外，通過調節分別連接在兩個液體流量計27兩側的閥門271和閥門272、以及閥門273和閥門274，也可實現控制供水管21內液體流量的目的；經供氣系統3提供的氣體以及經供水系統2提供的液體，在流入測試管11前，可在混合器12內混合後注入測試管11內，以使氣液兩相流充分混合均勻；此時，實驗管道系統I的測試管11中的流體處於氣液兩相流動狀態，打開高速攝像機14，拍攝觀察管13內的介質流動狀態，並將其拍攝的實驗數據傳輸給計算機16進行監測和記錄。2)在進行氣固兩相實驗時:首先，關閉供水系統2的閘閥28，打開加料系統4加料管42上的閥門421、閥門422，關閉供氣系統3供氣管31上的閥門311 ;接著，開啟供氣系統3的空氣壓縮機32，外界空氣通過空氣壓縮機32被壓入多個一級緩衝罐331和多個二級緩衝罐332內，氣體經氣體過濾器34過濾後流入加料系統4的加料管42內，此時，開啟加料系統4的加料器41並設定為預定出料量，加料器41內的固體顆粒將在重力的作用下掉入加料管42內，與流入加料管42內的氣體混合後共同流入供氣管31內，最後經混合器12進一步混合後流入實驗管道系統I的測試管11內，通過調節分別連接在兩個氣體流量計37兩端的閥門371與閥門372、以及閥門373與閥門374，使供氣管31內的供氣量達到實驗預定值，另外，還可通過調節供氣管31上的截止閥38達到控制供氣量的目的；此時，實驗管道系統I的測試管11中的流體處於氣固兩相流動狀態，打開高速攝像機14，拍攝觀察管13內的介質流動狀態，並將其拍攝的實驗數據傳輸給計算機16進行監測和記錄。3)在進行氣液固三相實驗時:首先，開啟供氣系統3的空氣壓縮機32，打開加料系統3的加料管42上的閥門421、閥門422，關閉供氣管31上的閥門311，外界空氣通過空氣壓縮機32被壓入多個一級緩衝罐331和多個二級緩衝罐332內，氣體經氣體過濾器34過濾後流入加料系統4的加料管42內，此時，開啟加料系統4的加料器41並設定為預定出料量，加料器41內的固體顆粒將在重力的作用下掉入加料管42內，與流入加料管42內的氣體混合後共同流入供氣管31內，而後流入實驗管道系統I的測試管11內，通過調節分別連接在兩個氣體流量計37兩端的閥門371與閥門372、以及閥門373與閥門374，使供氣管31內的供氣量達到實驗預定值，另外，還可通過調節供氣管31上的截止閥38達到控制供氣量的目的；接著，開啟供水系統2的水泵23，儲水罐22內的液體在液體過濾器24內過濾後，經水泵23泵入供水管21內，而後流入實驗管道系統I的測試管11，調節與水泵23出口端連接的回流管道上的截止閥25，可控制液體回流至儲水罐22內的流量，以相對控制水泵23泵入供水管21內的供水量，以達到實驗預定值，另外，通過調節分別連接在兩個液體流量計27兩側的閥門271和閥門272、以及閥門273和閥門274，也可實現控制供水管21內液體流量的目的；經供氣系統3提供的氣體、經供水系統2提供的液體、以及經加料系統4提供的固體在流入測試管11前，可在混合器12內混合後注入測試管11內，以使氣液固三相流充分混合均勻；此時，實驗管道系統I的測試管11中的流體處於氣液固三相流動狀態，打開高速攝像機14，拍攝觀察管13內的介質流動狀態，並將其拍攝的實驗數據傳輸給計算機16進行監測和記錄。本發明的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗方法，可模擬煤層氣集輸管道中存在的氣固、氣液、氣液固多相介質的流動，通過開閉模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置上不同管道上的閥門來切換實驗流程，完成實驗目標。本方法充分考慮了影響煤層氣流動特性的因素，緊密結合現場實際工況且具有以下優點:I)結構合理:該方法使用的實驗裝置的供水系統2、供氣系統3和加料系統4與實驗管道系統I之間銜接緊湊，充分利用實驗室有限空間，供水系統2、供氣系統3和加料系統4之間切換方便且各測量設備滿足儀表的安裝要求。2)設計巧妙:該方法使用的實驗裝置的供水系統2巧妙的將水泵23與其出口端的回流管道相結合以控制供水流量，擴大了流量調節的範圍；加料系統4充分利用重力和氣體流動能量將固體顆粒加入實驗管道系統I形成模擬工況。3)測量設備先進:該方法使用的實驗裝置在測試管11上安裝了高精度的壓差傳感器17，有效降低了實驗誤差，在觀察管13上採用高速攝像機14進行拍攝，使得數據採集量大大增加，為研究提供了更為充足的數據支持；另外，運用壓力傳感器18、溫度傳感器19和電導探針20進行壓力、溫度和持液率等多參數的採集，避免人工操作誤差，實現數據採集自動化。4)安全環保:該方法使用的實驗裝置在保證實驗過程安全高效，在供氣系統3的一級緩衝罐331上設有安全閥3311，當一級緩衝罐331內壓力高於安全閥3311設定值時，安全閥3311會自動打開洩壓，防止壓力過高。以上所述僅為本發明的幾個實施例，本領域的技術人員依據申請文件公開的內容可以對本發明實施例進行各種改動或變型而不脫離本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，其特徵在於，所述模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置包括: 實驗管道系統，其具有測試管，所述測試管的進口端連接有混合器，所述測試管上設有觀察管； 供水系統，其具有供水管，所述供水管的一端連接有儲水罐，其另一端與所述混合器相連，所述供水管上連接有水泵； 供氣系統，其具有供氣管，所述供氣管的一端連接有空氣壓縮機，其另一端與所述混合器相連，所述供氣管上連接有緩衝罐； 加料系統，其具有加料器，所述加料器連接在與所述供氣管並聯相連的加料管上。
2.如權利要求1所述的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，其特徵在於，所述模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置還包括過濾系統，所述過濾系統具有過濾罐和與所述過濾罐相連的汙水池，所述過濾罐與所述測試管的出口端相連。
3.如權利要求1所述的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，其特徵在於，在所述測試管的進口端與所述測試管的出口端之間連接有壓差傳感器。
4.如權利要求1所述的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，其特徵在於，所述測試管上設有壓力傳感器、溫度傳感器和電導探針。
5.如權利要求1所述的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，其特徵在於，所述觀察管為有機玻璃透明管，所述觀察管的外側設有高速攝像機，所述高速攝像機與計算機相連。
6.如權利要求1所述的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，其特徵在於，所述供水系統的儲水罐與所述水泵之間連接有液體過濾器。
7.如權利要求1所述的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，其特徵在於，所述供水系統的水泵為多個，所述多個水泵並聯設置在所述供水管上。
8.如權利要求1所述的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，其特徵在於，所述水泵的出口端連接有相互並聯設置的兩條水管，一條所述水管與所述混合器相連，另一條所述水管通過截止閥與所述儲水罐相連。
9.如權利要求8所述的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，其特徵在於，與所述混合器相連的所述水管上設有兩個液體流量計，所述兩個液體流量計相互並聯設置。
10.如權利要求1所述的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，其特徵在於，所述供氣系統的緩衝罐包括多個一級緩衝罐和多個二級緩衝罐，所述多個一級緩衝罐並聯設置在所述供氣管上，所述多個一級緩衝罐的一端與所述空氣壓縮機相連，其另一端分別與所述二級緩衝罐串聯相連。
11.如權利要求1所述的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，其特徵在於，在所述緩衝罐與所述混合器之間的所述供氣管上設有氣體過濾器、溫度傳感器和壓力傳感器。
12.如權利要求1所述的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，其特徵在於，所述供氣管上設有兩個氣體流量計，所述兩個氣體流量計相互並聯設置在所述緩衝罐與所述混合器之間。
13.如權利要求1所述的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，其特徵在於，所述加料器上連接有平衡管道，所述平衡管道連接在所述加料管上。
14.一種模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗方法，其特徵在於，所述模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗方法採用如權利要求1 13中任一項所述的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置，所述模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗方法包括如下步驟: a)通過供氣系統輸出氣體，通過供水系統輸出液體，通過加料系統輸出固體； b)所述氣體和所述固體,或所述氣體和所述液體，或所述氣體、所述固體和所述液體注入連接在實驗管道系統的測試管進口端的混合器內； c)所述氣體和所述固體,或所述氣體和所述液體，或所述氣體、所述固體和所述液體在所述混合器內混合後生成的混合物流入所述測試管內，通過設置在所述測試管上的觀察管觀察所述混合物的流動狀態。
15.如權利要求14所述的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗方法，其特徵在於，所述測試管上設有壓力傳感器、溫度傳感器和電導探針，通過所述壓力傳感器、所述溫度傳感器和所述電導探針測量所述混合物的瞬時壓力、瞬時溫度和持液率。
16.如權利要求14所述的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗方法，其特徵在於，在所述測試管的進口端與所述測試管的出口端之間連接有壓差傳感器，通過所述壓差傳感器測量所述混合物在所述測試管內流動過程中的壓差值。
17.如權利要求14所述的模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗方法，其特徵在於，所述觀察管為有機玻璃透明管，所述觀察管的外側設有高速攝像機，所述高速攝像機與計算機 相連。
全文摘要
本發明公開了一種模擬煤層氣集輸管道流動特性的實驗裝置及方法，該實驗裝置包括實驗管道系統，其具有測試管，所述測試管的進口端連接有混合器，所述測試管上設有觀察管；供水系統，其具有供水管，所述供水管的一端連接有儲水罐，其另一端與所述混合器相連，所述供水管上連接有水泵；供氣系統，其具有供氣管，所述供氣管的一端連接有空氣壓縮機，其另一端與所述混合器相連，所述供氣管上連接有緩衝罐；加料系統，其具有加料器，所述加料器連接在與所述供氣管並聯相連的加料管上。本發明能進行氣液、氣固、氣液固多相流動實驗，其能夠描述和預測煤層氣集輸管道的多相流動狀態、影響因素及壓降規律。
文檔編號G01M10/00GK103149012SQ201310075200
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月8日 優先權日2013年3月8日
發明者宮敬, 傅小康, 李曉平, 陳仕林, 周軍, 吳海浩, 李 傑 申請人:中國石油大學(北京), 中聯煤層氣有限責任公司