一種兩相流減阻劑性能的測試裝置及測試方法
2023-07-07 13:30:16
專利名稱：一種兩相流減阻劑性能的測試裝置及測試方法
技術領域：
本發明涉及一種測試減阻劑對兩相流摩擦阻力減阻性能的裝置與方法，用以測試
各種減阻劑在兩相流中的減阻性能。
背景技術：
採用減阻劑降低管流摩擦阻力是常見的減阻技術之一。減阻劑是一類可溶於液體 的化學物質，通常分為水溶性減阻劑和油溶性減阻劑兩大類。最常用的減阻劑是高分子聚 合物。研究表明，微量聚合物減阻劑可使液體在管道中的流動摩擦阻力明顯減小，減阻率可 以達到50 % ， 一些情況下甚至可以高達70 % 80 % 。成功地將聚合物減阻劑應用於水或油 的輸送已經給一些工業部門帶來了可觀的經濟效益。對兩相流減阻的研究表明，減阻劑同 樣可以降低兩相流的摩擦阻力，提高兩相混輸管道的輸送效率。 減阻劑的減阻機理是由於減阻劑幹擾了流體內部靠近壁面處的湍流結構，特別是 抑制了邊界層內的湍流猝發，減小了湍流旋渦的形成及其向主流核心區的傳播，使雷諾應 力和能量耗散減小，從而具有減阻作用。到目前為止，已有專利技術涉及減阻劑在單相流中 減阻性能的測試。單相流可以是水溶液在管道中的流動，也可以是油在管道中的流動。對 於兩相流，如何測試減阻劑的性能還缺少相應的技術。兩相流可以是氣液兩相流，也可以是 液液兩相流。油水兩相流是最常見的液液兩相流。 聚合物減阻劑在兩相流中的減阻作用包括兩部分其一為與單相流體相同的阻力 變化效應；其二是減阻劑在發揮其減阻作用的同時，引起兩相流相態分布發生變化而派生 的阻力變化效應。兩相流減阻因相態分布可能發生變化而有別於單相流減阻，不能簡單地 依據減阻劑對單相流的減阻性能，來判斷其在兩相流中的減阻性能。對應於相同的液體雷 諾數，在不同的兩相流流型中，同一種減阻劑可能具有不同的減阻性能。 一些研究結果顯示 出減阻劑對兩相流的減阻效率高於單相流，這表明其中可能存在二次減阻效應，而大多數 研究結果則顯示減阻劑在兩相流中的減阻率低於其在單相流中的減阻率。某些條件下，減 阻劑對兩相流的減阻效果很大程度上取決於兩相流的最終流型。 兩相流具有不同的流型，這是兩相流與單相流的重要區別。減阻劑在單相流中的 性能測試可以不考慮流型，減阻劑在兩相流中的性能測試則必須考慮流型，因此，兩相流減 阻劑的性能測試系統必須能夠模擬兩相流的流型。對於水平管氣液兩相流，流型包括泡狀 流、彈狀流、分層流、環狀流。對於水平管油水兩相流，雖然其流型劃可細分為分層流、分散 流、環狀流、彈塊狀流等流型，其基本流型則是"水包油"和"油包水"兩類。減阻劑在兩相 流中的具體性能如何，必須針對不同的流型，通過兩相流的實驗測試才能得到準確的結論。
不同的氣液兩相流與油水兩相流，不僅其管線的設計參數不同，而且可選用的減 阻劑也不同。對於海洋油田、陸地油田的油氣混輸管線，以及其它工業領域中與氣液兩相流 和液液兩相流相關的流動系統，對減阻劑用於兩相流減阻的性能進行測試，依據測試數據， 可以優選、推薦兩相流減阻劑，淘汰不適用於兩相流的減阻劑，為工程應用提供基礎數據， 使減阻劑在兩相流減阻中發揮性能優勢，避免盲目使用減阻劑所帶來的損失。特別是對於長距離氣液或液液混輸管道，通過測試數據確定與之相適用的兩相流減阻劑，將會明顯提 高輸運效率，節省輸送過程對能源的消耗，實現節能降耗的目標，產生可觀的經濟效益。
發明內容
本發明的目的是提供一種兩相流減阻劑性能的測試裝置及測試方法，用於測試減 阻劑在不同的氣速、液速、減阻劑濃度等條件下對兩相流摩擦阻力的減阻性能，從而可優 選、推薦兩相流減阻劑，淘汰不適用兩相流的減阻劑，為工程應用提供基礎數據。
為達到以上目的，本發明是採取如下技術方案予以實現的 —種兩相流減阻劑性能的測試裝置，其特徵在於，包括由粗糙管與光滑管相互連 通組成的一個U形管，U形管水平設置，其中粗糙管的自由端通過氣液分離器與一個貯液容 器連接；光滑管的自由端連通一個管式混合器，貯液容器通過一個螺杆泵與管式混合器連 通，該管式混合器為三通型混合器，其另外一端通過氣體流量控制裝置連通氣源；所述螺杆 泵與管式混合器連通的管路上設有流量調節裝置、流量及密度檢測裝置，並鎧裝有液體測 溫探頭；所述氣體流量控制裝置連通氣源的管路上設有氣體測溫探頭和壓力變送器；所述 粗糙管與光滑管中分別設有水平測試段，該水平測試段中設有差壓變送器；所述光滑管水 平測試段前、粗糙管水平測試段後也設有壓力變送器。 上述方案中，所述光滑管水平測試段前預留兩相流穩定段，粗糙管水平測試段前 預留兩相流穩定段。所述光滑管水平測試段與其兩相流穩定段之間設有流型觀察窗。
所述氣體流量控制裝置包括一個流量由氣體調節閥控制的三組並聯的氣體孔板， 該三組並聯的氣體孔板分別為小氣量孔板、中氣量孔板和大氣量孔板。 所述流量調節裝置包括一個與螺杆泵串聯的主管道調節閥和一個與螺杆泵並聯
的旁通調節閥，液體流速大小由主管道調節閥和旁通調節閥聯動調節控制。 流量及密度檢測裝置採用一個MicroMotion振動管質量流量與密度測量儀，準確
度等級為0.25。所述差壓變送器的差壓量程在lkPa至100kPa範圍內連續可調，精度等級
為0. 25。所述壓力變送器量程在0. lMPa至2MPa的範圍內連續可調，精度等級為0. 25。 —種基於上述裝置的兩相流減阻劑性能的測試方法，為氣液兩相流減阻劑性能的
測試方法包括下述步驟 (1)將減阻劑溶劑相加入貯液容器中，不加入減阻劑； (2)順序開啟螺杆泵和氣源，通過液體流量調節裝置使液體流速保持為一平穩值， 通過氣體流量控制裝置，使氣體流速在0. 6-8m/s之間保持為一平穩值，氣體與液體在管式 混合器中混合，形成氣液兩相流進入光滑管水平測試段和粗糙管水平測試段，而後進入氣 液分離器，氣體排空，液體流回貯液器循環使用； (3)保持液體流速不變，逐步改變氣體流速的大小，分別測試光滑管水平測試段的 摩擦阻力和粗糙管水平測試段的摩擦阻力； (4)獲得無減阻劑條件下不同氣速條件下的測試數據； (5)將減阻劑加入貯液容器中使減阻劑溶解於溶劑相中，形成減阻劑溶液；
(6)重複步驟(2) 、 (3)，獲得有減阻劑條件下不同氣速的測試數據；
(7)數據處理，兩相流減阻率按添加減阻劑前後兩相流摩擦阻力的相對變化率計 算，其公式為DR氣液二 (AP氣液-AP氣液dr)/AP氣液X100X ;式中DR氣液為氣液兩相流減阻率，AP，為沒有加減阻劑時的氣液兩相流摩擦阻力，AP，^為添加減阻劑時的氣液兩相 流摩擦阻力。 —種基於上述裝置的兩相流減阻劑性能的測試方法，為油水兩相流減阻劑性能的 測試方法包括下述步驟 (1)將油與水按比例加入貯液容器中形成油水混合液，不加入減阻劑； (2)關閉氣源，開啟螺杆泵，通過液體流量調節裝置，逐步改變油水混合液的流速
大小，分別測試光滑管水平測試段的摩擦阻力和粗糙管水平測試段的摩擦阻力； (3)獲得無減阻劑條件下油水混合液不同流速時的測試數據； (4)將減阻劑加入貯液容器使減阻劑混合溶解於溶劑相中； (5)重複步驟(2)，獲得有減阻劑條件下不同流速時的測試數據； (6)測試數據處理，油水兩相流減阻率按添加減阻劑前後兩相流摩擦阻力的相對
變化率計算，其公式為DR油水二 (AP油水-AP油水dr)/AP油水X100X;式中DR油水為油水兩相
流減阻率，AP^^為沒有加減阻劑時的油水兩相流摩擦阻力，APg^為添加減阻劑時的油
水兩相流摩擦阻力。 本發明的優點是以減阻劑在光滑管中的減阻率作為減阻效果的下限，以減阻劑 在粗糙管中的減阻率作為減阻效果的上限，在相同的流體流速、兩相流流型、減阻劑濃度等 條件下，通過分別測試減阻劑在光滑管兩相流和粗糙管兩相流中的摩擦減阻率，得到減阻 劑在兩相流中減阻性能的下限數據和上限數據，依據減阻性能的上、下限數據，結合具體的 油氣管道摩擦減阻要求，可以優選、推薦適用於兩相流的減阻劑，淘汰不適用於兩相流的減 阻劑。
以下結合附圖及具體實施方式
對本發明作進一步的詳細說明。 圖1為本發明兩相流減阻劑性能測試裝置的結構圖。圖中l-光滑管水平測試段； 2-粗糙管水平測試段；3-氣源；4-貯液容器；5-攪拌器；6-氣液分離器；7_數據採集系統；
8-螺杆泵；9-管式混合器；10-MicroMotion質量流量與密度測量系統；ll-主管道調節閥；
12-旁通調節閥；13-計算機；4-氣體孔板；15-氣體調節閥；16_差壓變送器；17_流型觀測
窗；18-光滑管兩相流穩定段；19-壓力變送器；20-粗糙管兩相流穩定段；2卜環道出口壓
力調節閥；22-疏液閥；23-氣體孔板後球閥；24-氣體孔板前球閥；25_氣體溫度鎧裝熱電
偶；26-液體溫度鎧裝熱電偶。 圖2為實施例1的測試結果示例。 圖3為實施例2的測試結果示例。
具體實施例方式
本發明測試裝置的一個具體結構如圖1所示，包括光滑管水平測試段1、粗糙管 水平測試段2、氣源3、貯液容器4、攪拌器5、氣液分離器6、數據採集系統7等，將減阻劑加 入貯液容器4並採用攪拌器5使減阻劑混合溶解於液相中，形成一定體積分數的低濃度減 阻劑溶液後，以螺杆泵8將溶液送至管式混合器9後進入測試段測量後進入氣液分離器6。 粗糙管與水平管的內徑在20mm至60mm範圍內可變，如無特殊說明或要求，通常將管道內徑選定為40mm。測試環道的液速最高可達到10m/s，氣速最高可達到50m/s，可以覆蓋水平管 多相流的所有流型。測試環道的設計壓力為1. OMPa。粗糙管粗糙度的確定是在完全粗糙區 測定其達西摩擦係數，然後用馮 卡門公式計算粗糙度。 液相的質量流量與混合密度由MicroMotion振動管質量流量與密度測量系統10 測量。MicroMotion的準確度等級為0. 25，通過液相的總質量流量與混合密度可計算出油 與水各相的流量。流量大小由主管道調節閥11和旁通調節閥12聯動調節控制。氣體由氣 源3接入氣體管道，流量採用孔板14測量，準確度等級為l.O，其流量大小由氣體調節閥15 控制。設計三組氣體孔板，分別為小氣量孔板、中氣量孔板和大氣量孔板，針對氣體流量的 大小選擇使用。 測試過程將兩相流中的相態分為減阻劑溶劑相和非溶劑相。對於水溶性減阻劑， 水相為減阻劑溶劑相，氣相與油相為非溶劑相。對於油溶性減阻劑，油相為減阻劑溶劑相， 氣相與水相為非溶劑相。減阻劑溶劑相與非溶劑相經管式混合器9形成兩相流進入光滑管 水平測試段1和粗糙管水平測試段2，這兩個測試段的摩擦阻力由差壓變送器16測量，兩相 流的流型通過觀測窗17觀測並記錄。光滑管測試段前預留兩相流穩定段18，粗糙管測試 段前預留兩相流穩定段20，以消除閥門、彎頭對兩相流的影響。如果是液液兩相流，則液體 循環利用。如果是氣液兩相流，則氣體經氣液分離器6排空，液體循環利用。該裝置可模擬 的氣液兩相流是指水與空氣的兩相流、油與空氣的兩相流，可模擬的液液兩相流是指油水 兩相流。光滑管水平測試段1的摩擦阻力、粗糙管水平測試段2的摩擦阻力以及氣體孔板 14的差壓，都採用Rosemount高精度差壓變送器16測量，差壓量程在lkPa至100kPa範圍 內連續可調。氣體在孔板前的壓力以及測試段的壓力由Rosemo皿t高精度壓力變送器19 測量，量程在0. lMPa至2MPa的表壓範圍內連續可調。差壓與壓力變送器的精度等級都為 0. 25。通過測量液相的質量流量與密度可計算出油與水各相的流量。流體溫度由鎧裝熱電 偶25測量。 數據測點分布於光滑管水平測試段、粗糙管水平測試段、液相循環管道和氣體管 道，差壓、溫度和壓力的電壓信號送入PCI數據採集系統7，該系統採用16位模數轉換。以 VB語言編制專門的測試程序，通過計算機13對兩相流減阻劑性能的測試數據進行採集與 監控，該程序具有顯示、存儲等功能，採樣頻率可調節。兩相流本質上具有隨機過程的特徵， 採用保持實驗條件不變來獲得兩相流隨機過程平穩性的測試結果，按各態遍歷定理設定採 集數據的樣本長度。依據兩相流的流型特徵，確定信號採樣頻率和數據量。對于波動大的 流型，選較快的採樣頻率和較大的數據量；對波動小的流型，選較慢的採樣頻率和較小的數 據量。測試數據是代表了平穩隨機過程樣本記錄的離散時間序列，將其均值視為測試數據 的最終結果。 測試前的檢查。打開計算機13，運行數據採集程序，對環道的上測試儀器的信號進 行診斷檢測，確認差壓變送器、壓力變送器、熱電偶、MicroMotion質量流量計等處的信號無 故障後進入數據監測狀態。確認光滑管測試段1和粗糙管測試段2的管徑大小，設計測試 方案，確定氣速與液速的範圍，以及與之對應的氣體流量與液體流量大小。
實施例1氣液兩相流減阻劑性能測試 (1)先將減阻劑溶劑相加入貯液容器4，此時不加入減阻劑，等待測試無減阻劑時 的兩相流摩擦阻力特性。
(2)順序開啟螺杆泵8和氣源3。依次打開壓力調節閥21、液體主管道調節閥11 和旁通調節閥12，通過液體主管道調節閥11和旁通調節閥12的聯動調節作用使液體流速 在0. 6 3m/s範圍內保持為一平穩值，在本實施例中，這一平穩值為1. 8m/s。依據氣體流 速的大小選擇氣體孔板的大小，打開所選孔板前後的球閥。而後打開氣體調節閥15，通過氣 體調節閥15的調節作用，使氣體流速在1. 2-6m/s之間保持為一平穩值，在本實施例中，這 一平穩值最初為1.2m/s。氣體與液體在管式混合器9中混合，形成氣液兩相流進入光滑管 測試段1和粗糙管測試段2，而後進入氣液分離器6，氣體排空，液體流回貯液器循環使用。 待穩定10 15min後，對於光滑管測試段1和粗糙管測試段2，分別測試兩相流在氣體流速 為1. 2m/s、液體流速為1. 8m/s時的摩擦阻力。 (3)保持液體流速為1. 8m/s不變，逐步改變氣體流速的大小，使氣體流速從最初 的1. 2m/s增至2. 5m/s後穩定10 15min，按(2)中的方法，對於光滑管測試段1和粗糙管 測試分別測試其摩擦阻力。 (4)保持液體流速為1. 8m/s不變，將氣體流速繼續增大至3. 8m/s 、 5. 0m/s和 6. Om/s，獲得無減阻劑條件下不同氣速時的一組摩擦阻力為AP，S， (5)將減阻劑加入貯液容器4並採用攪拌器5使減阻劑混合溶解於溶劑相中，形成 一定體積濃度的減阻劑溶液。在本實施例中，減阻劑在溶液中的體積濃度為100ppm。
(6)重複步驟(2) (4)，獲得有減阻劑條件下不同氣速的一組摩擦阻力為
AP氣液dr。 (7)測試數據處理，氣液兩相流減阻率按添加減阻劑前後兩相流摩擦阻力的相對 ，4t帛i十胃，g麼、《力0尺氣液=(AP氣液—AP氣液dk)/AP氣液X100^。 在完成氣液兩相流減阻劑性能測試過程後，為了更直觀的表達測試結果，本發明 以減阻劑對光滑管的減阻率為下限、以減阻劑對粗糙管的減阻率為上上限，結合兩相流的 流型，繪製光滑管與粗糙管兩相流減阻效果圖，見圖2。
實施例2油水兩相流減阻劑性能測試 (1)將油與水按一定比例加入貯液容器4並採用攪拌器5使油水兩相充分混合，此 時不加減阻劑。在本實施例中，油與水的體積比例為4 : 1。 (2)關閉氣體調節閥15和氣體孔板前後的球閥24、 15。開啟螺杆泵8，依次打開壓 力調節閥21、液體主管道調節閥11和旁通調節閥12，通過液體主管道調節閥11和旁通調 節閥12的聯動調節作用逐步改變油水混合液的流速大小，分別測試油水兩相流在光滑管 測試段和粗糙管測試段中的摩擦阻力。 (3)獲得無減阻劑條件下油水混合液不同流速時的一組摩擦阻力數據DR油水；
(4)將減阻劑加入貯液容器4並採用攪拌器5使減阻劑混合溶解於溶劑相中，形成 體積濃度為200卯m的低濃度減阻劑溶液。重複步驟(2)，獲得添加減阻劑條件下油水混合 液不同流速時的另一組摩擦阻力數據AP^ok。 (6)測試數據處理。油水兩相流減阻率按添加減阻劑前後兩相流摩擦阻力的相對 變化率計算，DR油水二 ( A P油水-A P油水dr) / A P油水X 100 % 。 在完成油水兩相流減阻劑性能測試過程後，以減阻劑對光滑管的減阻率為下邊界 線、以減阻劑對粗糙管的減阻率為上邊界線，結合兩相流的流型，繪製光滑管與粗糙管兩相 流減阻效果圖，參見圖3。
權利要求
一種兩相流減阻劑性能的測試裝置，其特徵在於，包括由粗糙管與光滑管相互連通組成的一個U形管，U形管水平設置，其中粗糙管的自由端通過氣液分離器與一個貯液容器連接；光滑管的自由端連通一個管式混合器，貯液容器通過一個螺杆泵與管式混合器連通，該管式混合器為三通型混合器，其另外一端通過氣體流量控制裝置連通氣源；所述螺杆泵與管式混合器連通的管路上設有流量調節裝置、流量及密度檢測裝置，並鎧裝有液體測溫探頭；所述氣體流量控制裝置連通氣源的管路上設有氣體測溫探頭和壓力變送器；所述粗糙管與光滑管中分別設有水平測試段，該水平測試段中設有差壓變送器；所述光滑管水平測試段前、粗糙管水平測試段後也設有壓力變送器。
2. 如權利要求1所述的兩相流減阻劑性能的測試裝置，其特徵在於，所述光滑管水平 測試段前預留兩相流穩定段，粗糙管水平測試段前預留兩相流穩定段。
3. 如權利要求1所述的兩相流減阻劑性能的測試裝置，其特徵在於，所述光滑管水平 測試段與其兩相流穩定段之間設有流型觀察窗。
4. 如權利要求1所述的兩相流減阻劑性能的測試裝置，其特徵在於，所述氣體流量控 制裝置包括一個流量由氣體調節閥控制的三組並聯的氣體孔板，該三組並聯的氣體孔板分 別為小氣量孔板、中氣量孔板和大氣量孔板。
5. 如權利要求1所述的兩相流減阻劑性能的測試裝置，其特徵在於，所述流量調節裝 置包括一個與螺杆泵串聯的主管道調節閥和一個與螺杆泵並聯的旁通調節閥，液體流速大 小由主管道調節閥和旁通調節閥聯動調節控制。
6. 如權利要求1所述的兩相流減阻劑性能的測試裝置，其特徵在於，所述流量及密度 檢測裝置採用一個MicroMotion振動管質量流量與密度測量儀，準確度等級為0. 25。
7. 如權利要求1所述的兩相流減阻劑性能的測試裝置，其特徵在於，所述差壓變送器 的差壓量程在lkPa至100kPa範圍內連續可調，精度等級為0. 25。
8. 如權利要求1所述的兩相流減阻劑性能的測試裝置，其特徵在於，所述壓力變送器 量程在0. IMPa至2MPa的範圍內連續可調，精度等級為0. 25。
9. 一種基於權利要求1所述裝置的氣液兩相流減阻劑性能的測試方法包括下述步驟(1) 將減阻劑溶劑相加入貯液容器中，不加入減阻劑；(2) 順序開啟螺杆泵和氣源，通過液體流量調節裝置使液體流速保持為一平穩值，通過 氣體流量控制裝置，使氣體流速在0. 6-8m/s之間保持為一平穩值，氣體與液體在管式混合 器中混合，形成氣液兩相流進入光滑管水平測試段和粗糙管水平測試段，而後進入氣液分 離器，氣體排空，液體流回貯液器循環使用；(3) 保持液體流速不變，逐步改變氣體流速的大小，分別測試光滑管水平測試段的摩擦 阻力和粗糙管水平測試段的摩擦阻力；(4) 獲得無減阻劑條件下不同氣速條件下的測試數據；(5) 將減阻劑加入貯液容器中使減阻劑溶解於溶劑相中，形成減阻劑溶液；(6) 重複步驟(2)、 (3)，獲得有減阻劑條件下不同氣速的測試數據；(7) 數據處理，兩相流減阻率按添加減阻劑前後兩相流摩擦阻力的相對變化率計算， g麼、《力0尺氣液=(AP氣液—AP氣液dk)/AP氣液X100^ ;《中DR氣液力^^夜胃t百'^MP且帛， AP，s為沒有加減阻劑時的氣液兩相流摩擦阻力，AP，*DK為添加減阻劑時的氣液兩相流摩擦阻力。
10. —種基於權利要求1所述裝置的油水兩相流減阻劑性能的測試方法包括下述步驟(1) 將油與水按比例加入貯液容器中形成油水混合液，不加入減阻劑；(2) 關閉氣源，開啟螺杆泵，通過液體流量調節裝置，逐步改變油水混合液的流速大小， 分別測試光滑管水平測試段的摩擦阻力和粗糙管水平測試段的摩擦阻力；(3) 獲得無減阻劑條件下油水混合液不同流速時的測試數據；(4) 將減阻劑加入貯液容器使減阻劑混合溶解於溶劑相中；(5) 重複步驟(2)，獲得有減阻劑條件下不同流速時的測試數據；(6) 測試數據處理，油水兩相流減阻率按添加減阻劑前後兩相流摩擦阻力的相對變化 率計算，其公式為DR油水二 (AP油水-AP油水dr)/AP油水X100X ;式中AP油水為油水兩相流減阻率，APg為沒有加減阻劑時的油水兩相流摩擦阻力，APg^為添加減阻劑時的油水兩相流摩擦阻力。
全文摘要
本發明公開了一種兩相流減阻劑性能的測試裝置及測試方法，用於測試減阻劑在不同的氣速、液速、減阻劑濃度等條件下對水平管兩相流摩擦阻力的減阻性能。採用相同管徑的光滑管水平測試段和粗糙管水平測試段構成環道測試裝置，對兩相流減阻劑性能進行包括以下基本步驟的測試減阻劑溶劑相與非溶劑相在水平光滑管中兩相混合流動時，減阻劑的減阻性能測試；在與水平光滑管相同的流體流速、兩相流流型、減阻劑濃度等條件下，減阻劑溶劑相與非溶劑相在水平粗糙管中兩相混合流動時，減阻劑的減阻性能測試；以減阻劑在光滑管中對兩相流的減阻率為下邊界線、以減阻劑在粗糙管中對兩相流的減阻率為上邊界線，表徵兩相流減阻劑性能的測試結果。
文檔編號G01N11/04GK101696925SQ200910218500
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月23日 優先權日2009年10月23日
發明者劉磊, 周芳德, 李操, 鮑青波 申請人:西安交通大學;