CN102928193B - 热油管道低温环境模拟及径向温度监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够模拟热油管道低温环境与监测管道径向温度的方法及实验装置，克服了现有环道装置不能模拟极端低温环境及监测管道径向温度的局限性。本发明系统主要由测试管路、油管保温单元、低温介质供应及保温单元、径向温度及差压监测单元构成。本发明提供的系统与现有环道装置联合使用，可实现热油管道低温环境的模拟与径向温度监测，进而评价热油管道在低温环境下的原油管流特性等科学问题，其结果更加符合实际热油管道在低温环境下的流动特性。

Description

热油管道低温环境模拟及径向温度监测系统

技术领域

本发明涉及高寒地区热油管道低温环境的室内模拟及径向温度监测系统，属于石油与天然气工程技术领域。

背景技术

国内外原油多为高粘易凝原油，还有相当数量的特高含蜡、高凝点原油及特高粘稠油，其输送一般采用加热工艺，相应的管道常称为热油管道。热油管道往往运行能耗高、停输再启动困难且固相沉积严重，高寒地区或季节的热油管道更是如此。比如我国内蒙、新疆与黑龙江等北方地区，冬季极端气温可能低达－40℃以下，这些地区的热油管道相应的外部环境温度可能低于－5℃，管道操作管理人员必须掌握热油管道在如此极端低温环境下的流动行为、停输再启动行为及固相沉积规律，以便制定和采取相应的优化运行与安全管理方案。事实上，这些科学问题一直是国内外相关专家学者关注的热门课题，不仅需要研究热油管道沿线的温降规律，而且需要研究热油管道正常运行与停输时径向温度随时间的变化规律，其结果的准确性与科学性必须通过可靠的实测参数或实际操作参数来检验，进而为热油管道的合理设计、优化运行及安全管理提供理论依据。然而，环道模拟装置作为管输原油流动性研究的重要手段，尽管在国内外相关研究中的应用较广，但从现有环道装置的组成与结构特点看，这些装置并不具备热油管道低温环境的室内模拟条件，且径向温度的测试技术及手段更是鲜有报道，这极大地制约了特殊工况下热油管道径向温度场和固相沉积规律的深入研究。因此，热油管道低温环境模拟及径向温度监测系统是前述科学问题研究的必要手段，也是对常规环道模拟装置的重要补充与完善。

发明内容

本发明的目的是提供一种热油管道低温环境模拟及径向温度监测系统。

本发明针对现有环道装置不具备热油管道极端低温环境模拟与径向温度监测的局限性，提出可以科学模拟实际热油管道低温环境与监测径向温度的方法及配套系统，该系统主要由测试管路及保温单元、低温供应单元、低温介质保温单元、温度及差压监测单元构成。

上述的热油管道低温环境模拟及径向温度监测系统，所述的测试管路由两段用法兰连接的不锈钢管组成，装卸与搬迁方便。

上述的热油管道低温环境模拟及径向温度监测系统，所述的油管保温单元由50mm聚氨酯泡沫、1mm高密度聚乙烯防护层组成，这与热油管道的实际保温结构类似。聚乙烯防护层具有机械强度高、耐冲击、耐环境应力开裂、耐腐蚀、耐低温、易焊接、施工简便、严格密封无渗漏、使用寿命长等特点，而聚氨酯泡沫具有填充后无缝隙、固化后粘结牢固、不开裂、不腐化、不脱落的优点。通过设置聚氨酯整体发泡层，使保温层、外护层形成了一个整体，解决了保温管的钢材腐蚀问题，这也在很大程度上增加了管道的使用寿命。

上述的热油管道低温环境模拟及径向温度监测系统，所述的低温供应单元主要包括制冷机组、低温介质循环泵、低温介质循环管路及保冷结构等。在低温供应系统中，低温介质通过循环泵及其连接软管、缠绕在热油管保温层外的铜管实现循环流动。在模拟实验之前，将低温介质循环冷却、恒定在实验所需的温度，从而达到模拟低温环境温度的目的。

上述的热油管道低温环境模拟及径向温度监测系统，所述的低温介质保温单元由50mm复合硅酸镁毡和1mm玻璃纤维板包覆层组成，复合硅酸镁毡其导热系数低于传统保温材料，且具有粘结性好、不易脱落等优点，而玻璃纤维板具有较好的耐热性和耐潮性，两者结合使用能够起到很好的防止冷量损失的作用。

上述的热油管道低温环境模拟及径向温度监测系统，所述的温度监测单元由两套各7个温度监测点的探温元件（包括保温防护层、热油管外壁、距油管内壁0、D_i/8、D_i/4、3D_i/8、D_i/2处的温度监测，其中D_i表示测试管段的内径）、电信号传输线、A/D转换器及数据采集系统组成。该温度监测系统通过专门开发的软件可实时监测、采集、保存低温环境下热油管道不同径向位置的温度。

上述的热油管道低温环境模拟及径向温度监测系统，所述的差压监测单元主要由差压变送器、引压管、引压管保温及温控系统组成，可实时监测低温环境下热油管道单位长度上的压差。为防止含蜡原油在温度降低过程中因蜡的析出而堵塞引压管，专门在引压管上缠绕保温层并安装温控器，可实现对引压管的加热、控温，以确保测试结果的准确性。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

（1）较宽的低温范围及介质的适应性强：该系统适合模拟不同高寒地区热油管道的环境温度，与一般的环道实验装置联合使用，可以模拟研究热油管道在－5℃的极端环境温度下的流动行为、停输再启动及固相沉积规律等科学问题。除模拟单相管输介质外，还能够模拟油水两相流、油气水三相流的管流特性，对模拟的低温范围及管输介质的适应性强。

（2）低温环境监控自动化：该系统的温度监测单元通过电信号传输线、A/D转换器、数据采集模块和低温介质供给及控制单元，可实现环境低温的自动监测与低温介质供给单元的自动控制，其监控准确可靠、自动化程度高。

（3）径向温度监测点设计科学合理：采用科学合理的探头结构设计，确保了空间有限的测试管不同径向位置处温度监测的可靠性。此外，采用Visualbasic语言研发的温度监测软件，可直接显示管内流体径向温度的变化曲线及数据表，为热油管道安全停输时间的确定提供了方便。

（4）监测参数准确可靠：该系统的温度和差压监测均采用国内外先进的变送器、数显及控制仪表，其测试精度高、采集速度快、监测参数可靠。

（5）安全经济：该系统所用仪表设备及低温介质的安全隐患低、性能稳定、经久耐用，所用低温介质来源广泛、循环利用、成本低。

（6）安装使用方便：该系统与环道采用法兰连接，且在出口端设有橡胶伸缩器和探温元件，装卸与搬迁方便。此外，该系统所用工艺简单、结构合理、操作方便。

附图说明

图1为本发明的测试管段结构图。

图2为图1测试管段AA处的剖面图。

图3为本发明的探温元件结构图。

图4为图3探温元件结构AA处的剖面图。

图5为本发明的低温介质循环工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实例。

本发明的测试管段结构图及AA处的剖面图如图1和图2所示，本发明的探温元件结构图及A-A处的剖面图如图3和图4所示，本发明的低温介质循环的示意图如图5所示。图1中各标记如下：1入口端、2变径管（由联合使用的环道规格确定）、3引压管、4测试管段、5探温元件、6螺栓、7法兰、8出口端、9铜管、10法兰垫片、11复合硅酸镁毡、12玻璃纤维板、13聚氨酯泡沫、14防护层、15保冷层，其中测试管段的保温与保冷采用聚氨酯泡沫、防护层、保冷层等复合结构实现（见A-A剖面图）。图3中探温元件的温度探头分别距油管内壁0、D_i/8、D_i/4、3D_i/8、D_i/2。图5中各标记如下：1制冷机组、2循环泵、3控制阀、4低温介质软管、5铜盘管、6测试管段。

本发明的低温环境模拟系统在与其他环道实验装置联合使用时，考虑到不同环道的规格差异，设计有方便连接的变径管件，如图1中所示入口端1或出口端8与测试管段4之间变径管2，其两端用螺栓6和法兰7连接；更换不同管径的测试管段4可以模拟低温环境下管径对流体管流特性、固相沉积规律及停输再启动行为的影响；该系统的两个测试管段4也通过螺栓和法兰连接，它们出口端分别嵌入探温元件5，并用橡胶圈密封，其密封原理主要利用橡胶的高弹性与压缩变形性；该系统的探温元件5由带7个温度监测点（油管保温防护层、管外壁、距油管内壁0、D_i/8、D_i/4、3D_i/8、D_i/2处）的探头组成，并采用电信号传输线、A/D转换器及数据采集系统实时监测流体在管流过程中的径向温度变化趋势；该系统在测试管段4两端设置有引压管3，其间安装差压变送器；为防止含蜡原油在温降过程中因蜡析出而堵塞引压管，专门在引压管上缠绕电加热带，并通过温控器控制引压管3的加热与恒温，保证差压测试的准确性；该系统所用的油管保温单元由50mm聚氨酯泡沫、1mm高密度聚乙烯防护层组成，与实际热油管道所用保温结构一致；该系统在聚乙烯防护层外缠绕铜管，通过低温介质的不断循环（图5）达到模拟低温环境温度的目的；该系统的低温介质保温单元由50mm复合硅酸镁毡和1mm玻璃纤维板包覆层组成，复合硅酸镁毡的导热系数低于传统保温材料，且具有粘结性好、不易脱落等优点，有效防止了系统的冷量损失。

具体实施方式：首先设计、加工与制造热油管道低温环境模拟及径向温度监测系统各组成单元，包括测试管路及保温、探温元件、电信号传输线、A/D转换器及温度数据采集单元等；同时充分考虑联合使用环道的规格，加工制造该系统与环道连接的变径管件2，并按图1所示组装；在此过程中，将管外壁和油管外保温防护层的温度探头安装在不受其它热影响的适当位置，并将两套油管径向探温元件分别安装在下游测试管段4两端，它们的密封用橡胶圈实现；然后，根据模拟极端低温的温度，确定低温介质的流量，选用匹配的铜管及制冷机组，并将铜管缠绕在测试管保温防护层外面，铜管进口、出口用软管分别与制冷机组相连，低温介质循环回路均用50mm复合硅酸镁毡保冷；低温介质经制冷机组制冷、循环泵增压后，通过出口软管流经盘绕铜管，当其与测试管段外保护层的高温环境换热后，再通过回接软管流回制冷机组，从而实现低温介质的循环；在测试管段上安装引压管与差压监测系统，并在引压管上安装电加热带及温控器；至此，完成了本发明涉及的所有单元的设计与组装。最后，利用本发明的低温供应及循环系统，结合环道装置的配合使用，充分循环低温介质，使油管保温防护层温度达到模拟环境温度时，启动环道实验流体循环泵，即可实时监测测试管段在低温环境模拟条件的流量、压差、不同径向位置的温度等参数，进而系统研究热油管道在低温环境下的管流特性及相关热动力学行为。

Claims (5)

1.一种热油管道低温环境模拟及径向温度监测系统，其特征在于：所述系统主要包括低温模拟单元与径向温度监测单元两部分；所述低温模拟单元由两段测试管段、低温单元与保温结构组成；所述径向温度监测单元由两套探温元件、电信号传输线、A/D转换器及数据采集系统组成。

2.根据权利要求1所述的热油管道低温环境模拟及径向温度监测系统，其特征在于：所述测试管段按实验研究需要选用不同管径的直管段，通过变径管实现其与外接环道的法兰连接；所述直管段两端设有压力或差压监测的引压管；所述引压管上设有电加热带及温控器。

3.根据权利要求1所述的热油管道低温环境模拟及径向温度监测系统，其特征在于：所述低温单元主要由制冷机组、低温介质循环泵、低温介质管路组成；所述低温介质管路由进出泵软管、铜管及其保冷层组成；所述铜管盘绕在测试管段保温防护层外表面；所述保冷层包括铜管与软管的保冷层，采用复合硅酸盐毡和玻璃纤维板包覆层。

4.根据权利要求1所述的热油管道低温环境模拟及径向温度监测系统，其特征在于：所述保温结构由测试管段保温层与防护层组成；所述测试管段保温层采用类似于实际热油管道的聚氨酯泡沫保温层；所述防护层设在保温层外表面，用高密度聚乙烯薄板固定。

5.根据权利要求1所述的热油管道低温环境模拟及径向温度监测系统，其特征在于：所述探温元件设多个温度探头，并安装在两段测试管段中下游段前后的连接法兰之间；所述温度探头分别位于油管保温防护层、油管外壁、距油管内壁0、Di/8、Di/4、3Di/8、Di/2处，其中D_i为油管内径，油管上的径向温度探头沿其周向均匀分布且采用特殊结构设计。