CN102095074B - 管道结蜡实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种管道结蜡实验装置及方法，该装置包括：储油设备；第一控温设备，与储油设备连接，将油品的温度控制在预定温度；供液设备，当油品的温度达到预定温度时，以预定流量输出油品；流量测量设备；测试段，具有第一入口和第一出口，第一入口通过管线与流量测量设备连接；参比段，具有第二入口和第二出口，第二入口与第一出口通过管线连接，第二出口通过管线与储油设备连接；第二控温设备，将测试段的温度控制在低于油品的析蜡点温度及测试段内油品的温度；第三控温设备，将参比段的温度控制在高于油品的析蜡点温度及参比段内油品的温度；多个压力及温度测量设备。该装置可以准确地测量管道中结蜡量及蜡沉积速率。

Description

管道结蜡实验装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及到一种管道结蜡实验装置及方法，适用于进行多相流、单相流蜡沉积实验研究和多相流流型测量。

背景技术

含蜡原油是一种复杂的混合体系，它主要由蜡、胶质、芳香烃、沥青和轻烃组分组成。当温度较高时，原油中的蜡组分处于溶解状态，原油呈现牛顿流体流变性质，随着温度的降低，蜡组分逐渐结晶并析出，原油粘度随之增大，并且具有非牛顿流体的特性。当蜡晶析出的量达到2％～3％时，便可形成三维网状结构，阻碍原油流动，导致原油整体失去流动性并凝固。

以上的蜡沉积过程给管道输送含蜡原油带来了一系列问题：管路的有效内径减少，输送压力增大，管道输送能力降低，清管频率增加，甚至造成蜡堵事故。而且管输含蜡原油在较低出站油温和低输量运行情况下，容易出现流型和流态的变化，这会影响管道的压降，增加管道的运行成本。所以说蜡沉积问题是影响管道安全、经济、高效运行的一个重要问题。因此，开展蜡沉积的研究对节约管道运行费用，确保管道安全输送有着显著的现实意义。本发明在实现本发明的过程中发现，现有技术的实验装置及实验方法，无法对管道中蜡沉积厚度及蜡沉积速率进行准确测量，也无法用于研究蜡沉积规律。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种管道结蜡实验装置及方法，以准确测量不同条件下管道中结蜡量及蜡沉积速率，对蜡沉积规律进行研究。

一方面，本发明实施例提供了一种管道结蜡实验装置，包括：储油设备，用于容纳实验所需的油品；第一控温设备，与所述储油设备连接，用于将所述油品的温度控制在预定温度；供液设备，通过管线与所述储油设备连接，于当所述油品的温度达到所述预定温度时，以预定流量输出所述油品；流量测量设备，通过管线与所述供液设备连接，用于测量所述供液设备输出的油品的流量；测试段，具有第一入口和第一出口，所述第一入口通过管线与所述流量测量设备连接；参比段，具有第二入口和第二出口，所述第二入口与所述第一出口通过管线连接，所述第二出口通过管线与所述储油设备连接；第二控温设备，与所述测试段连接，用于将所述测试段的温度控制在低于所述油品的析蜡点温度及测试段内油品的温度；第三控温设备，与所述参比段连接，用于将所述参比段的温度控制在高于所述油品的析蜡点温度及参比段内油品的温度；多个压力测量设备，分别设置于第一入口、第一出口、第二入口及第二出口，用于测量第一入口压力、第一出口压力、第二入口压力及第二出口压力；多个温度测量设备，分别设置于第一入口、第一出口、第二入口及第二出口，用于测量第一入口油温、第一出口油温、第二入口油温及第二出口油温。

另一方面，本发明实施例提供了一种管道结蜡实验方法，所述方法包括：利用第一控温设备将储油设备内的油品加热到预定温度；利用第二控温设备将测试段的温度控制在低于所述油品的析蜡点温度及测试段内油品的温度；利用第三控温设备将参比段的温度控制在高于所述油品的析蜡点温度及参比段内油品的温度；通过供液设备以预定流量输出所述达到预定温度的油品，使所述油品流经流量测量设备、测试段、参比段后返回至所述储油设备；利用流量测量设备测量所述供液设备输出的油品的流量；利用多个压力测量设备测量所述测试段的第一入口压力和第一出口压力，以及所述参比段的第二入口压力和第二出口压力；根据所述第一入口压力、第一出口压力、第二入口压力及第二出口压力，获得所述测试段内的蜡沉积厚度。

又一方面，本发明实施例提供了另一种管道结蜡实验方法，所述方法包括：利用第一控温设备将储油设备内的油品加热到预定温度；利用第二控温设备将测试段的温度控制在低于所述油品的析蜡点温度及测试段内油品的温度；利用第三控温设备将参比段的温度控制在高于所述油品的析蜡点温度及参比段内油品的温度；当所述油品温度达到所述预定温度时，通过供液设备以预定流量输出所述达到预定温度的油品；启动供气设备将气体导入管线后与所述油品混合流动；利用流量测量设备测量所述供液设备输出的油品的折算液速和供气设备注入的气体的折算气速；利用多个压力测量设备测量所述测试段的第一入口压力和第一出口压力，以及所述参比段的第二入口压力和第二出口压力；根据所述第一入口压力、第一出口压力、第二入口压力及第二出口压力，获得所述测试段内的蜡沉积厚度；利用取样设备获取测试段的第一出口内部不同高度的样品；根据测试段的第一出口内部不同高度的样品获得多相流的流型。

本发明实施例提供的上述技术方案，实现了进行单相流、多相流蜡沉积实验研究和多相流流型的准确测量。可对不同工况下蜡沉积规律及流动特性进行实验研究，实现了在不可视条件下对气-液两相流型的辨识和气-液两相流动中的蜡沉积问题的研究，不仅填补了国内在该领域的空白，而且对海底含蜡原油管道的安全运行具有重要的指导作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1实验装置的结构示意图；

图2A为本发明实施例1油罐的结构示意图；

图2B为本发明实施例1油罐顶面结构示意图

图3为本发明实施例1供液设备的平面布置图；

图4A为本发明实施例1测试段及第一套管结合后的示意图；

图4B为本发明实施例1图4A中沿A-A线的剖示图；

图5A为本发明实施例1测试段与压力测量设备及第一控温水浴仪连接后的示意图；

图5B为本发明实施例1参比段与压力测量设备及第二控温水浴仪连接后的示意图；

图6为本发明实施例1数据采集软件的界面示意图；

图7为本发明实施例1单相蜡沉积实验的方法流程图；

图8为本发明实施例2另一种管道结蜡实验装置的结构示意图；

图9为本发明实施例2加气管段立面示意图；

图10A为本发明实施例2取样设备的示意图；

图10B为本发明实施例2取样设备的壁面取样段侧视图；

图11为本发明实施例2管道结蜡实验装置的实验方法的流程图；

图12A为本发明实施例2在分层流流型中，实验段进口压力随时间变化的波动曲线；

图12B为本发明实施例2在分层流流型中，实验段压差随时间变化的波动曲线；

图13A为本发明实施例2间歇流流型中，当液相折算速度为2000kg/h且折算气速为5m/s时的压力波动曲线；

图13B为本发明实施例2间歇流流型中，当液相折算速度为2000kg/h且折算气速为5m/s时的压差波动曲线；

图13C为本发明实施例2间歇流流型中，当液相折算速度为2000kg/h且折算气速为6.5m/s时的压力波动曲线；

图13D为本发明实施例2间歇流流型中，当液相折算速度为2000kg/h且折算气速为6.5m/s时的压差波动曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明实施例1提供了一种管道结蜡实验装置及方法。该实验装置及方法适用于进行单相蜡沉积实验。

图1为本发明实施例1的实验装置的结构示意图。如图1所示，该实验装置包括：

储油设备10，用于容纳实验所需的油品。储油设备10可为油罐或其它容器等，油罐顶部可进一步加装密封盖，以减少实验过程中原油轻组分的挥发。

第一控温设备，与储油设备10连接，用于将油品的温度控制在预定温度。具体地，上述预定温度是指使实验油品充分溶解的温度，不同性质油品对应的溶解温度各不相同。控温设备可采用常用的温控器、加热器、电加热带、恒温水浴仪或保温层等。优选地，储油设备10为一油罐，请结合参阅图2A和图2B，其中，图2A为本发明实施例1中油罐的结构示意图；图2B为本发明实施例1中油罐顶面结构示意图。该油罐外侧设置有水套夹层，且水套夹层上还进一步覆盖有一层保温层，以防止热量散失。请再参阅图1，第一控温设备优选地包括：水罐12，通过管线与上述水套夹层相通，水罐12内部设置有加热设备14，用于加热水罐中容纳的水，加热设备14例如为电加热器、加热盘或加热丝，其数量可以是一个或多个，其中，电加热器可以由温控器(图中未示出)控制；温度传感器16，设置于油罐10内部，用于测量油品的温度；以及离心泵18，设置于水罐12与油罐10之间，用于驱动水罐12内加热后的水通过管线流经油罐10的水套夹层并返回水罐12，以将油品加热至预定温度。通过离心泵18把水罐12内热水循环注入油罐10的水套夹层内，实现了对油罐10内原油的控温。

供液设备，通过管线与储油设备10连接，用于当油品的温度达到预定温度时，以预定流量输出油品，使储油设备内的油品流经流量测量设备、测试段及参比段后返回到储油设备中。图3为本发明实施例1中供液设备的平面布置图。结合参阅图3和图1，优选地，供液设备采用螺杆泵20和调频电机(图中未绘示)，调频电机用于控制螺杆泵的转速，使螺杆泵以指定的流量工作，即按照实验所需的流量工作。螺杆泵是一种内啮合偏心回转的容积泵，螺杆泵的主要构件包括：一根单头螺旋的转子和一个具有双头螺旋的定子，当转子在定于型腔内绕定子的轴线作行星回转时，转定子之间形成的密闭腕就沿转子螺线产生位移，因此就能将介质连续地、匀速地、而且容积恒定地从吸入口送到压出端。使用螺杆泵的有益技术效果在于：首先，螺杆泵对油流的剪切影响较小，泵内温升较小，避免了摩擦生热的影响；其次，螺杆泵产生的流量连续均匀、工作平稳，运转比齿轮泵平稳，无振动和噪音；再次，螺杆泵的吸入性能较好，允许输送粘度变化范围大的介质。此外，为了控制实验过程中的流量，需要控制螺杆泵的转速，通过调频电机来驱动螺杆泵，可控制螺杆泵的转速。由于电机的转速与频率成正比，根据设定的频率即可控制电机转速，从而达到控制螺杆泵转速，进而控制流量的目的。此外，图3中还包括备用螺杆泵21，当由于异常因素导致一台泵不能运行时，则启动预备泵继续进行试验。

流量测量设备22，通过管线与供液设备连接，用于测量供液设备输出的油品的流量。流量测量设备例如为质量流量计。

测试段24，具有第一入口26和第一出口28，第一入口26通过管线与流量测量设备22连接；参比段30，具有第二入口32和第二出口34，第二入口32与第一出口28通过管线连接，第二出口34通过管线与储油设备10连接。其中，测试段24和参比段30长度相等。优选地，测试段24和参比段30可对称设置。进一步地，为了证明实验的准确性，测试段设计为可拆卸式，以便观察测试段管内蜡沉积的实际厚度，也便于拆卸、清洗和检修。

本发明实施例1的实验装置还包括：第二控温设备，与测试段连接，用于将测试段的温度控制在低于油品的析蜡点温度及测试段内油品的温度。第三控温设备，与参比段连接，用于将参比段的温度控制在高于油品的析蜡点温度及参比段内油品的温度。通过相应的控温设备分别控制测试段和参比段的温度，可使测试段中发生蜡沉积现象，而参比段中不发生蜡沉积现象。请再参阅图1，优选地，第二控温设备包括第一控温水浴仪36，其具有直径大于测试段的第一套管，第一套管套设于测试段上，第一套管与测试段之间设置有温度传感器，用于测量第一套管内水浴的温度；第三控温设备包括第二控温水浴仪38，其具有直径大于参比段的第二套管，第二套管套设于参比段上，第二套管与参比段之间设置有温度传感器，用于测量第二套管内水浴的温度。根据测量到的水浴温度来获得管壁的温度，从而调整水浴温度可使介质析蜡或不析蜡。

图4A为本发明实施例1中测试段及第一套管结合后的示意图。图4B为图4A中沿A-A线的剖示图。控温水浴仪具有体积小、省水、便于操作与易于维护等优点。作为一个举例，测试段的直径例如为DN25mm，而测试段外面套设的第一套管的直径例如为DN70mm。作为另一个举例，第一或第二控温水浴仪的规格参数例如可以为：温度范围：-5～100℃；温度波动：±0.05℃；工作槽容积：400×325×230(mm³)；循环泵流量：13(L/min)。本领域技术人员可以理解，上述举例仅用于说明，而非对本发明实施例的限制，其它规格参数的控温水浴仪也是可以采用的。

以下对差压计的安装方式进行说明，图5A为本发明实施例1测试段与压力测量设备及第一控温水浴仪36连接后的示意图。图5B为本发明实施例1参比段与压力测量设备及第二控温水浴仪38连接后的示意图。请结合参阅图5A和图5B。为了使测量准确，差压计安装在法兰的外侧。差压计的安装方式为：在管壁处打一个孔，将一个孔接头一端用平焊的方式连接在内管上，另一端用软管连接引压线至差压计上，以测出测试段与参比段进出口的压力变化。以下对水浴控温仪的安装方式进行说明：在外管即水套上，以同样的方式打孔，分别接控温水浴仪的入口与出口及水浴温度计。

请再参阅图1，图1所示的实验装置还包括：多个压力测量设备40，分别设置于第一入口26、第一出口28、第二入口32及第二出口34，用于测量第一入口压力、第一出口压力、第二入口压力及第二出口压力；多个温度测量设备42，分别设置于第一入口26、第一出口28、第二入口32及第二出口34，用于测量第一入口油温、第一出口油温、第二入口油温及第二出油温。其中，压力测量设备40例如可为普通的压力表、压差表、差压计、压力传感器等。温度测量设备42例如可采用温度计或温度传感器等。

优选地，上述实验装置还可以包括一个或多个电加热带(图中未绘示)，设置于管线上，用于补偿管路沿线的热损失。在本发明实施例中，管道全程加装电加热带，并使用变压器控制或调节上述一个或多个电加热带的加热功率。例如上述一个或多个电加热带可以安装在油罐进出管路、辅助管路、旁通管路。作为一个举例，可采用六根加热带，规格为30×500mm，在220V电压下加热功率为780W。

优选地，上述实验装置还可以包括：保温层(图中未绘示)，覆盖于管线上，用以防止单相流或者多相流发生严重的热损失，在未到达管道测试段之前有蜡沉积产生，影响实验效果。当然，当管线上设置有电加热带时，保温层是覆盖于电加热带上，以防止电加热带产生的热量散失。本发明实施例中保温层优选地采用聚氨酯泡沫塑料保温层，它以聚醚树脂或聚酯树脂为主要原料，与甲苯二异氰酸酯、水、催化剂、泡沫稳定剂等混合发泡而成。它具有密度小、导热系数小、吸水率低、抗压性大等优点，所以选用它作为本环道的保温材料。又作为一个举例，在上述实验装置的长为25m的DN25不锈钢管线的外面覆盖12mm厚的聚氨酯泡沫塑料保温层。

优选地，本发明实施例1的实验装置还可以包括：数据采集控制设备(图中未绘示)，分别与多个压力测量设备40、多个温度测量设备42及流量测量设备22连接，用于按照预定采样率获取压力信号、温度信号及流量信号。

优选地，本发明实施例的实验装置还可以包括：数据处理设备(图中未绘示)，与数据采集设备连接，用于根据获取的多个第一入口压力及多个第一出口压力，获得测试段的多个第一压差；根据获到的多个第二入口压力及多个第二出口压力获得参比段的多个第二压差；根据多个第一压差和多个第二压差获得测试段内的蜡沉积厚度；根据蜡沉积厚度和实验时长获得蜡沉积速率。具体地，可依据苏霍夫压降公式来计算测试段管内蜡沉积层厚度。此外，根据蜡沉积层厚度和实验时长的比值可获得蜡沉积速率，相应关系式为：V＝d/t，其中d为蜡沉积厚度，t为实验时长。

以下对本发明的一优选实施例中使用的数据采集系统进行详细描述。

在本发明的一优选实施例，实验装置具备数据采集系统，该数据采集系统包括：压力测量设备、温度测量设备、流量测量设备、数据采集控制设备、数据处理设备。通过该数据采集系统采集本实验需要的包含压力、流量及温度在内的各种参数。该数据采集系统的工作原理是：将被测压力、流量及温度等参数，通过传感器转换成标准电流信号。然后，多路信号转换器把各路传感器输出的不同性质的电信号转换成电压信号，并分别送到多路A/D转换器。然后，多路A/D转换器将输入的模拟电压转换成二进制的数字信号，并通过计算机的数据总线传送给工控机以进行显示和相应数据处理。

关于压力数据的采集，本实验环道测试段和参比段两端的底部都具有取压口，引压管中介质为水，引压管分别连接差压表和压力表。压力表和差压表既可以显示压力和差压，也可以将其转化为电信号后在数据处理设备的界面上显示。例如，差压表可采用恩德斯豪斯公司生产的Deltabar S型差压表。

关于温度的采集，可使用温度传感器，其被布置在管路测试段入口、出口和参比段的入口、出口，分别用于测试管路中测试段、参比段内原油的温度，其测试信号通过电缆线连接到数据采集箱。这里由于有恒温水浴，所以进出口都有温度传感器是为了进行对比，防止其中一个出现误差。作为一个举例，可采用恩德斯豪斯公司生产的TMR31型Pt100电阻型温度传感器，其输出0～20mA的标准电流信号；该温度传感器的精度等级例如可设置为1/3B精度等级。

关于流量的采集，可使用质量流量计。作为一个举例，质量流量计可采用恩德斯豪斯公司生产的型号为PROMASS 83F质量流量计，其有独立的电源，输出0～20mA的标准电流信号，其它技术参数包括：温度范围：介质温度可达350℃；测量精度：液体Promass83：±0.10％；气体±0.35％。

关于数据采集箱，其作为数据采集控制设备的一个举例，分别与多个压力表或压差表、多个温度传感器及质量流量计连接，用于按照预定的相同采样率获取压力信号、温度信号及流量信号，并进行模数转换后传送至PC或工控机以进行数据显示和数据处理。该数据采集箱可采用研华PCI-1710HG，这是一款PCI总线的多功能数据采集卡。该卡为12bit，100KHz，16ch A/D，高增益采集卡；其采样速率为100kS/s。该采集卡具备12位A/D转换，D/A转换，数字量输入，数字量输出及计数器/定时器功能。该采集卡可以满足本实验对采集数据频率、通道数量上的要求。

关于数据采集软件，数据采集软件例如采用DasyLab 8.0软件，其运行于数据处理设备上，该软件是一个数据采集、过程控制和分析系统。图6为本发明实施例1的数据采集软件的界面示意图。如图6所示，在该软件中，可以实现数据的实时显示、数据的读取及保存。

以下详细说明基于本发明实施例图1所示的实验装置进行单相蜡沉积实验的工艺流程。图7为本发明实施例1的单相蜡沉积实验的方法流程图。请结合参阅图1和图7。图7所示实验方法包括如下步骤：

S100、利用第一控温设备将储油设备内的油品加热到预定温度。

上述预定温度是指使实验油品充分溶解的温度，不同性质油品对应的溶解温度各不相同。储油设备例如为油罐，其外侧设置有水套夹层，在执行步骤S100之前还包括如下步骤：将实验所用油品注入油罐，油品体积示例性地为油罐容积的2/3。第一控温设备包括水罐、温度传感器及离心泵，水罐内设置有温控器，用于控制水罐中水的温度。步骤S100的具体过程为：将循环水罐的温控器设定在适当数值，启动循环离心泵，使加热后的水流经油罐的水套夹层，再返回到水罐，从而循环地对油罐进行加热。在执行步骤S100的同时，可执行步骤S102和S104。

S102、利用第二控温设备将测试段的温度控制在低于油品的析蜡点温度及测试段内油品的温度。S104、利用第三控温设备将参比段的温度控制在高于油品的析蜡点温度及参比段内油品的温度。具体地，步骤S102和S104可同时执行，其中，第二及第三控温设备均采用控温水浴仪，通过控温水浴仪设定测试段和参比段套管水浴的温度。

S106、当油品达到预定温度时，通过供液设备以预定流量输出达到预定温度的油品，使油品流经流量测量设备、测试段、参比段后返回至储油设备。具体地，待油罐内油品温度接近(例如精确到0.1摄氏度)或达到实验温度后，根据实验所需流量，利用变频器调节螺杆泵的转速，使其达到实验所需流量，并输出油罐内的油品。

S108、利用流量测量设备测量供液设备输出的油品的流量；

S110、利用多个压力测量设备测量测试段的第一入口压力和第一出口压力，以及所述参比段的第二入口压力和第二出口压力；

S112、根据所述第一入口压力、第一出口压力、第二入口压力及第二出口压力，获得测试段内的蜡沉积厚度。

步骤S108-S112的具体过程可以包括：通过观察测试段的温度、压力、流量数值及其变化大小，确定管内各流动参数稳定后，启动数据采集程序，采集液速以及测试段和参比段进口压力、差压和温度等数值。实验过程中，采集频率示例性地设置为100kS/s。

可选地，图7所示的方法还可进一步包括：根据蜡沉积厚度和实验时长的比值获得蜡沉积速率。可选地，图7所示方法还可以进一步包括：当达到预设的实验时长时，关闭供液设备，停止向螺杆泵送油品，并利用空气对管线进行吹扫，以排出管线内的残油。可选地，图7所示方法还可以进一步包括：拆卸测试段，向所述测试段内注水；测量所述测试段内被注入的水的体积，以获得产生蜡沉积的测试段的第一容积；获取未产生蜡沉积时的测试段的第二容积；根据所述第一容积和所述第二容积，获得蜡沉积厚度，相应关系式为：d＝(d2-d1)/2，其中d1为第一容积的直径，d2为第二容积的直径。可选地，参比段和测试段的容积优选地为相同，在实验过程中，参比段并没有发生蜡沉积现象，通过在实验结束后拆卸参比段，并测量参比段容积即能获得未产生蜡沉积时的测试段的容积。

此外，重复以上实验步骤，对不同工况下的蜡沉积规律及流动特性进行实验研究。

本发明实施例1的管道结蜡实验装置具有结构紧凑、设计精巧、适用范围广、测量准确的特点。本发明实施例1的方法，对开展蜡沉积的研究，以节约管道运行费用，确保管道安全输送有着显著的现实意义。

实施例2：

本发明实施例2提供了另一种管道结蜡实验装置及方法。在混输管道中，不同气-液流型下的蜡沉积规律有着明显的差异，因此要研究不同流型下的蜡沉积规律，就必须首先对气液混合物的流型进行辨识。然而，由于气-液两相流体是在不可视条件下流动，所以很难仅仅从某个流动参数来判断气-液流动的流型。目前，对于不可视条件下的含蜡油-气流动流型的辨识，国内外尚无这方面的系统研究。有鉴于此，本发明实施例2提供了一种可以测量多相流的流型以及研究蜡沉积规律的实验装置及实验方法。

图8为本发明实施例2的另一种管道结蜡实验装置的结构示意图。本发明实施例2与本发明实施例1提供的结蜡实验装置类似，相同之处不再赘述，以下仅描述不同之处。为方便说明，图8和图1中相同的部件采用了相同的编号。图8所示的实验装置适用于进行多相、单相蜡沉积实验和多相流流型测量，它可以准确地确定不同条件下管道中结蜡量及蜡沉积速率、确定不同条件下多相流管道中含蜡原油的流型和流态。

如图8所示，该实验装置还包括：供气设备43与所述供液设备和所述流量测量设备之间的管线连接，用于将气体导入管线并与油品混合流动。

可选地，本发明实施例2的供气系统主要包括以下部分：两台SA-230A II型双螺杆空压机，供气压力为0.8MPa，每台空压机的供气量为3.4Sm³/min；五台缓冲罐，耐压能力为1MPa；两个减压阀，分别将0.8MPa压缩空气降为0.6MPa和0.4MPa，也可通过一个截止阀直接供气；一台空气过滤器；以及两台电动调节阀和一个截止阀，用于调节空气流量。本领域技术人员可以理解，以上示例性提供的相应参数，不应理解为对本发明实施例的限制，其它参数也是可以采用的。

图9为本发明实施例2的加气管段立面示意图。如图9所示，多个环道的支架46用于支持管线，多个泵基础48用于固定螺杆泵和备用螺杆泵。进一步地，供气设备还可以包括一加气管段44，加气管段44以法兰连接方式与供液设备和流量测量设备之间的管线连接，且加气管段44与供液设备和流量测量设备之间的管线形成一锐角。具体地，上述锐角例如为45度，加气之前气体经过流量计，可控制气体流量达到实验所需的气液比。采用斜加气的方式是为了气体缓冲，必要时也可在管内加挡板。

可选地，图8所示的实验装置还可以进一步包括：气液混合设备(图中未绘示)，与流量测量设备和测试段的第一入口之间的管线连接，用于使管线内的油品和气体混合均匀。

可选地，图8所示的实验装置还可以进一步包括：取样设备(图中未绘示)，设置于测试段的第一出口，用于获取测试段内部不同高度的样品。图10A为本发明实施例2取样设备的示意图；图10B为本发明实施例2的取样设备的壁面取样段侧视图。请结合参阅图10A和图10B，该取样设备50包括：一取样管52，可沿垂直于管线58的方向调节高度，取样位置范围例如为距管内壁底部2～23mm之间；多个取样口521-526，均匀分布于取样管52的未端，用于采集管线内壁同一截面的不同高度及不同位置的样品。该局部取样装置设置于测试段的末端，该取样设备还包括螺纹54，其螺距例如是1mm用于确定管中心处的取样位置，利用它可分析管流内部不同高度的介质组成，此外，该取样设备50还包括安装座56及阀门51，其中阀门51用于调节取样量。利用该取样设备，并结合测试段进口压力和差压的数据，能够在不可视条件下更加准确地对气液两相流流型进行了辨识。

可选地，图8所示的实验装置还可以进一步包括：快关管段60，其两端通过两个气动阀62与参比段30和储油设备10之间的管线连接，用于当两个气动阀被关闭时，截取一段多相流体，以便根据多相流体中气体体积和液体体积的比值确定多相流体的持液率，相应的关系式为：HL＝VL/(VL+VG)，其中VL为液相体积，VG为气体体积，HL为截面持液率。

可选地，图8所示的实验装置还可以进一步包括：液气分离设备64，与快关管段60和储油设备10之间的管线连接，用于分离管线中的油品和气体，以仅将油品输入到储油设备10。

可选地，图8所示的实验装置还可以进一步包括：数据采集控制设备(图中未绘示)，与多个压力测量设备、多个温度测量设备及流量测量设备连接，用于以预定采样率获取折算气速、折算液速、第一入口压力、第一出口压力、测试段的压差、第一入口油温及第一出口油温。

以下描述基于本发明实施例2的实验装置进行多相流体实验的流程。图11为本发明实施例2的管道结蜡实验装置的实验方法的流程图。如图11及图8所示，该方法包括如下步骤：

S200、利用第一控温设备将储油设备内的油品加热到预定温度。

在执行步骤S200之前，还包括如下步骤：将实验所用油样注入环道油罐，其体积为环道油罐容积的2/3。步骤S201的具体过程包括：根据要进行的实验温度，将循环水罐的温控器设定在适当数值，打开循环水泵，驱动加热后的水流经油罐夹层，再返回到水罐，从而循环对油罐进行加热，并将油罐中的油品加热到使其充分溶解的温度。在执行步骤S201的同时，也执行步骤S202-S203。

S202、利用第二控温设备将测试段的温度控制在低于油品的析蜡点温度及测试段内油品的温度。

S203、利用第三控温设备将参比段的温度控制在高于油品的析蜡点温度及参比段内油品的温度；

步骤S202-S203中，第二及第三控温设备例如均采用控温水浴仪，通过该控温水浴仪将测试段和参比段套管水浴的温度设定到相应的数值。

S204、当油品温度达到预定温度时，通过供液设备以预定流量输出油品。具体地，待罐内油品温度接近或达到实验温度后，根据实验所需流量，利用变频器调节螺杆泵的转速，使其达到实验流量。

S205、启动供气设备将气体导入管线后与油品混合流动。具体地，启动空气压缩机，待气体压力达到设定值时，开启气液混合器的阀门，将气体(例如空气)导入实验环道并与液体混合流动。其中，气液混合器为可选设备，气液混合器优选地用于将气体和液体混合均匀，以进一步提升实验效果。

S206、利用流量测量设备测量供液设备输出的油品的折算液速和供气设备注入的气体的折算气速；

S207、利用多个压力测量设备测量测试段的第一入口压力和第一出口压力，以及参比段的第二入口压力和第二出口压力；

S208、利用多个温度测量设备测量测试段的第一入口温度和第一出口温度，以及参比段的第二入口温度和第二出口温度；

其中，步骤S206、S207及S208之间的顺序可调换或同时发生，本发明实施例对此并不做限制。具体地，S206-S208的具体过程包括：通过观察测试段的温度、压力、流量数值及其变化大小，确定管内各流动参数稳定后，启动数据采集程序，采集折算气速、折算液速、测试段进口压力、差压和温度等数值。实验过程中，采样速率示例性地设置为100kS/s。

S209、根据第一入口压力、第一出口压力、第二入口压力及第二出口压力，获得测试段内的蜡沉积厚度。

S210、利用取样设备获取测试段的第一出口内部不同高度的样品。具体地，利用局部取样器对其管壁及管内不同高度位置进行局部取样分析。

S211、根据测试段的第一入口压力、第一出口压力及第一出口内部不同高度的样品，获得多相流的流型。观察各取样口流出的介质情况，结合压力、差压数据，在不可视条件下对气液两相流流型进行辨识。关于流型辨识的方法将在以下探讨。

可选地，图11所示方法还可以包括如下步骤：当到达设定的实验时间时，停止向螺杆泵送油品，用空气进行管线吹扫。可选地，图11所示方法还可以包括如下步骤：拆卸测试段，用向内注水的体积方法对蜡沉积厚度进行测量。可选地，图11所示方法还可以包括如下步骤：当进行多相流蜡沉积实验时，可以瞬间关闭气动阀，截留部分实验介质，通过测量截留的原油体积和气相体积来确定此时的持液率，然后可以确定流型。

重复以上实验步骤，可以对不同工况下的蜡沉积规律及流动特性进行实验研究。例如，对于分层流的蜡沉积规律如下：在实验结束后，拆卸测试段，通过向测试段管内观察发现，在分层流流型中，管壁上部没有蜡沉积发生，蜡沉积仅发生在与油品接触的管壁下部。此外，对管壁截面观察发现沉积物的形状为半月型。由于该流型下蜡沉积仅发生在管壁下部，因此，采用体积法(向拆卸后的测试段注水)测得的蜡沉积厚度为平均蜡沉积厚度。

以下详细描述流型辨识的方法。结合参阅图10B，取样器流型辨识方法或原理如下：如果管壁上部的一个或多个取样口排出的均为空气，上部的取样口例如为取样口521、522、526，且下部的一个或多个取样口排出的为连续的液体，下部的取样口例如为取样口523、524、525，则判断多相流型型为分层流(Stratified flow)流型；如果管壁上部的一个或多个取样口交替排出液体和空气，例如取样口521、522、526，且下部的一个或多个取样品排出的为连续的液体，例如取样口523、524、525，则判断多相流流型为间歇流(Intermittentflow)流型；如果管壁各处的取样口排出的均为液体，例如取样口521-526，且管流中间区域排出的为气体，则判断多相流流型为环状流(Annular flow)流型。

以下举例说明利用取样器法和/或差压法进行流型辨识。

一方面，可以采用差压法和/或取样器法来判别分层流流型。采用差压法时：图12A显示了在分层流流型中，实验段进口压力随时间变化的波动曲线；图12B显示了在分层流流型中，实验段压差随时间变化的波动曲线。其中，这个压差是进口与出口的压力的差值。实验结果表明，在分层流流型中，进口压力和压差的波动幅度很小，流动比较平稳。采用取样器法时：如果管壁上部的取样口排出的均为空气，而下部排出的为连续的液体，则判断流型为分层流流型。

另一方面，可以采用差压法和/或取样器法来判别间歇流流型。采用差压法：图13A为间歇流流型中当液相折算速度为2000kg/h且折算气速为5m/s时压力波动曲线；图13B为间歇流流型中当液相折算速度为2000kg/h且折算气速为5m/s时的压差波动曲线；图13C为间歇流流型中当液相折算速度为2000kg/h且折算气速为6.5m/s时的压力波动曲线；图13D为间歇流流型中当液相折算速度为2000kg/h且折算气速为6.5m/s时的压差波动曲线。实验结果表明，在间歇流流型中，如图13A或图13C所示，即测试段进口压力波动并不明显，没有明显的周期性；然而，如图13B或13D所示，测试段压差波动剧烈，具有明显的由液塞引起的周期波动特性。采用取样器法时：如果管壁上部的取样口交替排出液体和空气，而下部排出的为连续的液体，则判断流型为间歇流流型。

通过本发明实施例2提供的实验装置及方法，可准确测量蜡沉积厚及蜡沉积速率，并对多相流流型进行准确的判别。因此，本发明实施例2的实验装置及方法，通过在不可视条件下对气-液两相流型进行准确辨识，以及对气-液两相流中的蜡沉积问题进行研究，不仅能够填补国内在该研究领域的空白，产生良好的经济效益，而且对海底含蜡原油混输管道的安全运行具有重要的指导作用。

以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (20)

1.一种管道结蜡实验装置，其特征在于，所述实验装置包括：

储油设备，用于容纳实验所需的油品；所述储油设备包括油罐，所述油罐外侧设置有水套夹层；

第一控温设备，与所述储油设备连接，用于将所述油品的温度控制在预定温度；所述第一控温设备包括：水罐，所述水罐通过管线与所述水套夹层相通，所述水罐内部设置有加热设备；温度传感器，设置于所述油罐内部，用于测量所述油品的温度；离心泵，设置于所述水罐与油罐之间，用于驱动水罐内加热后的水通过管线流经油罐的水套夹层并返回水罐，以将所述油品加热至预定温度；

供液设备，通过管线与所述储油设备连接，用于当所述油品的温度达到所述预定温度时，以预定流量输出所述油品；

流量测量设备，通过管线与所述供液设备连接，用于测量所述供液设备输出的油品的流量；

测试段，具有第一入口和第一出口，所述第一入口通过管线与所述流量测量设备连接；

参比段，具有第二入口和第二出口，所述第二入口与所述第一出口通过管线连接，所述第二出口通过管线与所述储油设备连接；

第二控温设备，与所述测试段连接，用于将所述测试段的温度控制在低于所述油品的析蜡点温度及测试段内油品的温度；

第三控温设备，与所述参比段连接，用于将所述参比段的温度控制在高于所述油品的析蜡点温度及参比段内油品的温度；

多个压力测量设备，分别设置于第一入口、第一出口、第二入口及第二出口，用于测量第一入口压力、第一出口压力、第二入口压力及第二出口压力；

多个温度测量设备，分别设置于第一入口、第一出口、第二入口及第二出口，用于测量第一入口油温、第一出口油温、第二入口油温及第二出口油温；以及

一个或多个电加热带，设置于所述管线上。

2.根据权利要求1所述的管道结蜡实验装置，其特征在于，所述供液设备包括：螺杆泵和调频电机，所述调频电机用于控制所述螺杆泵的转速，使所述螺杆泵以指定的流量工作。

3.根据权利要求1所述的管道结蜡实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：保温层，覆盖于所述管线上。

4.根据权利要求1所述的管道结蜡实验装置，其特征在于，

所述第二控温设备包括第一控温水浴仪，具有直径大于所述测试段的第一套管，所述第一套管套设于所述测试段上，所述第一套管与所述测试段之间设置有温度传感器；

所述第三控温设备包括第二控温水浴仪，具有直径大于所述参比段的第二套管，所述第二套管套设于所述参比段上，所述第二套管与所述参比段之间设置有温度传感器。

5.根据权利要求1所述的管道结蜡实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：

数据采集控制设备，分别与所述多个压力测量设备、所述多个温度测量设备及所述流量测量设备连接，用于按照预定采样率获取压力信号、温度信号及流量信号。

6.根据权利要求5所述的管道结蜡实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：

数据处理设备，与所述数据采集控制设备连接，用于根据获取的多个第一入口压力及多个第一出口压力，获得所述测试段的多个第一压差；根据获到的多个第二入口压力及多个第二出口压力获得所述参比段的多个第二压差；根据所述多个第一压差和所述多个第二压差获得所述测试段内的蜡沉积厚度；根据所述蜡沉积厚度和实验时长获得蜡沉积速率。

7.根据权利要求1所述的管道结蜡实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：

供气设备，与所述供液设备和所述流量测量设备之间的管线连接，用于将气体导入管线并与油品混合流动。

8.根据权利要求7所述的管道结蜡实验装置，其特征在于，所述供气设备包括一加气管段，所述加气管段以法兰连接方式与所述供液设备和所述流量测量设备之间的管线连接，且所述加气管段与所述供液设备和所述流量测量设备之间的管线形成一锐角。

9.根据权利要求7所述的管道结蜡实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：气液混合设备，与所述流量测量设备和所述测试段的第一入口之间的管线连接，用于使管线内的油品和气体混合均匀。

10.根据权利要求7所述的管道结蜡实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：取样设备，设置于所述测试段的第一出口，用于获取所述测试段内部不同高度的样品。

11.根据权利要求10所述的管道结蜡实验装置，其特征在于，所述取样设备包括：

一取样管，可沿垂直于管线的方向调节高度；

多个取样口，分布于所述取样管的未端，用于采集管线内壁同一截面的不同高度及不同位置的样品。

12.根据权利要求7所述的管道结蜡实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：快关管段，其两端通过两个气动阀与所述参比段和所述储油设备之间的管线连接，用于当所述两个气动阀被关闭时，截取一段多相流体，以便根据所述多相流体中气体体积和液体体积的比值确定所述多相流体的持液率。

13.根据权利要求12所述的管道结蜡实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：液气分离设备，与所述快关管段和所述储油设备之间的管线连接，用于分离管线中的油品和气体，以仅将油品输入到所述储油设备。

14.根据权利要求7所述的管道结蜡实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：数据采集控制设备，与所述多个压力测量设备、所述多个温度测量设备及所述流量测量设备连接，用于以预定采样率获取折算气速、折算液速、第一入口压力、第一出口压力、测试段的压差、第一入口油温及第一出口油温。

15.一种管道结蜡实验方法，其特征在于，所述方法包括：

利用第一控温设备将储油设备内的油品加热到预定温度；

利用第二控温设备将测试段的温度控制在低于所述油品的析蜡点温度及测试段内油品的温度；

利用第三控温设备将参比段的温度控制在高于所述油品的析蜡点温度及参比段内油品的温度；

通过供液设备以预定流量输出所述达到预定温度的油品，使所述油品流经流量测量设备、测试段、参比段后返回至所述储油设备；

利用流量测量设备测量所述供液设备输出的油品的流量；

利用多个压力测量设备测量所述测试段的第一入口压力和第一出口压力，以及所述参比段的第二入口压力和第二出口压力；

根据所述第一入口压力、第一出口压力、第二入口压力及第二出口压力，获得所述测试段内的蜡沉积厚度。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述蜡沉积厚度和实验时长的比值获得蜡沉积速率。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：当达到预设的实验时长时，关闭所述供液设备，并利用空气对管线进行吹扫。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

拆卸测试段，向所述测试段内注水；

测量所述测试段内被注入的水的体积，以获得产生蜡沉积的测试段的第一容积；

获取未产生蜡沉积时的测试段的第二容积；

根据所述第一容积和所述第二容积，获得所述测试段内的蜡沉积厚度。

19.一种管道结蜡实验方法，其特征在于，所述方法包括：

利用第一控温设备将储油设备内的油品加热到预定温度；

利用第二控温设备将测试段的温度控制在低于所述油品的析蜡点温度及测试段内油品的温度；

利用第三控温设备将参比段的温度控制在高于所述油品的析蜡点温度及参比段内油品的温度；

当所述油品温度达到所述预定温度时，通过供液设备以预定流量输出所述达到预定温度的油品；

启动供气设备将气体导入管线后与所述油品混合流动；

利用流量测量设备测量所述供液设备输出的油品的折算液速和供气设备注入的气体的折算气速；

利用多个压力测量设备测量所述测试段的第一入口压力和第一出口压力，以及所述参比段的第二入口压力和第二出口压力；

根据所述第一入口压力、第一出口压力、第二入口压力及第二出口压力，获得所述测试段内的蜡沉积厚度；

利用取样设备获取测试段的第一出口内部不同高度的样品；

根据测试段的第一出口内部不同高度的样品获得多相流的流型。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述根据测试段的第一出口内部不同高度的样品获得多相流的流型包括：

如果管壁上部的取样口排出的均为空气，且下部排出的为连续的液体，则判断多相流流型为分层流流型；

如果管壁上部的取样口交替排出液体和空气，且下部排出的为连续的液体，则判断多相流流型为间歇流流型；

如果管壁各处的取样口排出的均为液体，且管流中间区域排出的为气体，则判断多相流流型为环状流流型。

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