CN103675213B - 一种模拟油气管道流体流动安全评价装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟油气管道流体流动安全评价装置，包括多相流循环系统、分离系统、流体注入系统、和废气回收系统。本发明装置是在充分考虑当前流体流动安全热点问题的基础之上应运而生的，可模拟低温高压环境，用来进行油气管道流体流动安全性评价，包括水合物、蜡沉积等问题引起的油气管道堵塞以及因管道腐蚀导致的油气输送安全问题。但本发明不仅限于以上评价，还可用于探讨多相流体流动规律、水合物抑制剂性能的评价等方面的研究。本发明装置具有结构合理、设计精巧、操作灵活、测量准确等特点。

Description

一种模拟油气管道流体流动安全评价装置

技术领域

本发明涉及一种模拟油气管道流体流动安全评价装置。属于油气管道流体流动安全保障技术领域。

背景技术

在油气输送管道中，会因为水合物、蜡沉积等问题引起的管道堵塞以及因管道腐蚀导致的安全问题，从而引发安全事故。此外，在深水海底深海的低温高压环境下，输气管道也非常容易因为水合物的生成产生堵塞而引发安全事故。随着深海天然气的开采越来越得到重视，进一步加大了对深海采气技术的要求，也进一步对深海采气的安全性提出了更高的要求。

2010年的美国墨西哥湾原油泄漏就是因为输油管道封口处由于一个甲烷气泡的存在而封口失败，最终导致位于墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台发生爆炸并引发大火，从而导致一系列的经济损失和环境污染。而2013年青岛黄岛输油管道爆炸其中一个原因就是因为管道腐蚀造成的。由此可见，油气管道的流体输送安全问题是不容小觑的，关于油气管道流体输送安全的评价也势在必行，特别是需要通过合理的评价装置才能取得科学的评价方法。各国学者已经建立了许多多相流体输送安全实验装置，如法国IFP-lyre环路、阿基米德（Archimede flow loop）环路、美孚（ExxonMobil）实验环路，这些环路都有诸如设计新颖、操作方便等优点，虽然利用这些环路能够获取一些科学的实验数据，但是用于评价流体流动安全方面还远远不够。基于此，设计一种油气管道流体流动安全评价装置，可以模拟低温高压环境、复杂地形地貌、凹凸地面状况等，用来进行油气管道流体流动安全性评价，包括研究水合物、蜡沉积等问题引起的管道堵塞以及因管道腐蚀导致的安全问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟油气管道流体流动安全评价装置。通过油、气、固中的一相或多相在环路中的循环流动，再加上冷媒的外循环作用，可在低温高压条件下进行水合物流体输送安全规律的研究。

本发明目的通过以下技术方案来实现:

一种模拟油气管道流体流动安全评价装置，包括多相流循环系统、分离系统、流体注入系统、废气回收系统，

所述多相流循环系统包括通过辅助管线依次连接形成循环回路的气液混合器、若干通过法兰相串接的可拆卸管段、第八闸阀、缓冲罐、多相混输泵、第二单向阀，所述可拆卸管段之间还通过法兰连接有曲线管，

单个可拆卸管段外表面包裹有循环夹套管，所述循环夹套管上设置有连接冷媒的冷媒循环接口，单个可拆卸管段靠近法兰的两端还设置有用于连接温度传感器及压力传感器的传感器接口，其中段连接设置有聚焦光束反射测量仪，所述可拆卸管段或曲线管上还连接设置有真空泵；

所述分离系统包括设置有气相色谱仪接口、第二安全阀、第二压力表的气液分离罐，所述气液分离罐的入口通过第七闸阀连接相串接的可拆卸管段出口处，所述气液分离罐顶部设置有排气管路，底部设置有具有第三闸阀的液相色谱仪及排料接口；

所述流体注入系统包括液体注入线路和气体注入线路，所述液体注入线路由储液槽、高压柱塞泵、气液混合器依次通过管线连接而成，

所述气体注入线路包括由管路依次连接而成的气瓶、气体流量计、气体增压泵、第二闸阀、第一单向阀，所述第一单向阀的输出口与气液混合器相连接，所述气体流量计的输出口与第二闸阀的输出口之间还并联设置有具第一闸阀的管路，所述气体增压泵的输出口设置有第一安全阀及第一压力表；

所述废气回收系统包括气体回收瓶，所述气体回收瓶通过管路及第五闸阀连接所述气液分离罐顶部的排气管路，所述排气管路还通过第四闸阀与气瓶1相连接，所述第五闸阀与所述气体回收瓶之间通过管路及第六闸阀与气体增压泵4的输出端相连接。

进一步地，所述可拆卸管段为直线形和/或弯折形。

进一步地，所述曲线管 为“U”形、“V”形、 “N”形、“M”形、“W”形、“S”形。

进一步地，所述可拆卸管段至少串接有一段以蓝宝石为材料制成的可视段测试管。

进一步地，所述气液分离罐和缓冲罐外表面包裹有循环夹套管，所述循环夹套管上设置有连接冷媒的冷媒循环接口。

进一步地，所述多相流循环系统工作压力范围为0.1MPa~30MPa，工作温度范围为-70℃~100℃，流速范围为0~2m/s。

进一步地，所述可拆卸管段或曲线管内设置有视频探头。

进一步地，所述法兰连接有同心异径管接头。

所述曲线管可为水平向外凸安装、水平向内凹安装、垂直安装、朝上或朝下安装。

上述装置中，所述气相色谱分析仪与气相色谱仪接口相连接，所述液相色谱分析仪与第三闸阀相连接。

本发明装置采取以上技术方案，具有以下优点：

（1）可拆卸方便，安装灵活：多相流循环管路中的可拆卸管段和曲线管，不仅可以实现可拆卸、变径、倾斜一定角度安装等功能，而且在“曲线管上，可以做到变形功能，即所述曲线管可为水平向外凸放置、水平向内凹放置、垂直放置、朝上或朝下放置，曲线管可更换为“V”形、“N”形、“M”形、“W”形、“S”形等曲线形状，这种灵活性，可以根据实际实验的研究目标，进行变径、倾斜安装或对曲线管进行任意方向的安置，大大提高了水合物流动规律的研究范围。

（2）测量科学：多相流循环系统中的可拆卸管段和曲线管分别在两端和管段的中间部分设置有压力传感器、温度传感器、视频探头、聚焦光束反射测量仪、可视段测试管等仪器，可实时在线测量和收集实验数据，使实验方法更科学，实验内容更丰富，实验采集数据更全面。

（3）温度控制精确：多相流循环系统中的若干段可拆卸管段和曲线管均采用夹套式温控方式。通过冷媒的外循环控制各管段的温度。各管段采取冷媒外循环，并联连接，同进同出。各管段的中间部位及接头部分分别设置有温度传感器，因可以通过温度传感器采集到管段实际温度，从而调整制冷机组的功率大小，进而调整到实际目标温度。工作温度范围为-70℃~100℃，本实验装置采用夹套方式进行控温，并采用超低温制冷机控温，功能强大，技术先进，精度达到0.01℃。

（4）功能强大：本发明装置采用了高压多相循环泵。可进行气、液、固三相同时输送。采用变频调速原理对泵进行变频调速。由于高压多相混输泵可进行多相混输功能，因此不必要像之前那样进行气液分离后再进行混输，这大大提高了实验与实际情况的相似性，使所得数据更符合实际情况。保证管道里压力的稳定性及安全性。并可在任意压力下进行实验研究。再结合温控功能，完全可以实现在低温高压条件下的水合物综合实验研究。

（5）适应性强：气体补入线路可以将气瓶中的气体通过气体增压泵补入到循环管路中，由此控制管道内压力，通过冷媒循环，可控制管道内温度，两个变量相互独立。

（6）节约成本：分离后的气体从气液分离罐出来后，分别与气瓶和气体增加泵连接。实验结束时，当管道内气压很大时，气体可直接回收到空的气瓶中，当达到平衡时，回收气体开启气体增压泵，经过回收可将管道里的气体全部泵入到回收气瓶中，大大节约了气体用量。

（7）安全性好：上述气液分离罐底部设有液体回收管线，并在气液分离罐上设有泄压阀，可在紧急状况下及时将液体或气体排出。

附图说明

图1为本发明实施例一的整体结构示意图。

图2为本发明实施例二的多相流循环系统局部结构示意图。

图3为本发明实施例三的多相流循环系统局部结构示意图。

1-气瓶，2-气体流量计，3-第一闸阀，4-气体增压泵，5-第一安全阀，6-第一压力表，7-第二闸阀，8-第一单向阀，9-高压柱塞泵，10-气液混合器， 11-可视段测试管，12- 曲线管，13-法兰，14-循环夹套管，15-冷媒循环接口，16-传感器接口，17-可拆卸管段，18-缓冲罐，19-多相混输泵，20-第二单向阀， 21-气相色谱仪接口，22-气液分离罐，23-第二安全阀，24-第二压力表，25-第三闸阀，26-第四闸阀，27-第五闸阀，28-气体回收瓶，29-第六闸阀 ，30-第七闸阀，31-第八闸阀(用于抽取管道内废料并排出时关闭缓冲罐8)，32-聚焦光束反射测量仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细的说明。

实施例1

如附图1所示，一种模拟油气管道流体流动安全评价装置，包括多相流循环系统、分离系统、流体注入系统、废气回收系统，

所述多相流循环系统包括通过辅助管线依次连接形成循环回路的气液混合器10、若干通过法兰13相串接的可拆卸管段17、第八闸阀31、缓冲罐18、多相混输泵19、第二单向阀20，所述可拆卸管段17之间还通过法兰13连接有曲线管12，

单个可拆卸管段17外表面包裹有循环夹套管14，所述循环夹套管14上设置有连接冷媒的冷媒循环接口15，单个可拆卸管段17靠近法兰13的两端还设置有用于连接温度传感器及压力传感器的传感器接口16，其中段连接设置有聚焦光束反射测量仪32，所述可拆卸管段17或曲线管12上还连接设置有真空泵；

所述分离系统包括设置有气相色谱仪接口21、第二安全阀23、第二压力表24的气液分离罐22，所述气液分离罐22的入口通过第七闸阀30连接相串接的可拆卸管段17出口处，所述气液分离罐22顶部设置有排气管路，底部设置有具有第三闸阀25的液相色谱仪及排料接口；

所述流体注入系统包括液体注入线路和气体注入线路，所述液体注入线路由储液槽、高压柱塞泵9、气液混合器10依次通过管线连接而成，

所述气体注入线路包括由管路依次连接而成的气瓶1、气体流量计2、气体增压泵4、第二闸阀7、第一单向阀8，所述第一单向阀8的输出口与气液混合器10相连接，所述气体流量计2的输出口与第二闸阀7的输出口之间还并联设置有具第一闸阀3的管路，所述气体增压泵4的输出口设置有第一安全阀5及第一压力表6；

气体为从气瓶1里出来的高压气体，开始时，气体从气瓶1中经过气体流量计2及第一闸阀3、第一单向阀8直接进入到多相流循环系统当中，第一单向阀8为了保证气体注入线路上的气体不回流，这样可以保证气体顺利注入到多相流循环系统中。

当气压达到平衡时，开启气体增压泵4，即可将气瓶1中的气体泵入到多相流循环系统中直到多相流循环系统中达到指定压力，同时可通过压力传感器上采集到的数据来调整进气量。

所述气体流量计2可即时计量泵入到多相流循环系统中的气体的量。

所述气体增压泵4上安装有第一安全阀5和第一压力表6，可即时监测管道内压力状况。一旦出现过压情况，则第一安全阀5自动开启进行泄压，确保进气管路的安全。

所述废气回收系统包括气体回收瓶28，所述气体回收瓶28通过管路及第五闸阀27连接所述气液分离罐22顶部的排气管路，所述排气管路还通过第四闸阀26与气瓶1相连接，所述第五闸阀27与所述气体回收瓶28之间通过管路及第六闸阀29与气体增压泵4的输出端相连接。

所述可拆卸管段17为直线形，所述曲线管12 为“U”形。

所述可拆卸管段17串接有一段以蓝宝石为材料制成的可视段测试管11。

所述气液分离罐22和缓冲罐18外表面包裹有循环夹套管14，所述循环夹套管14上设置有连接冷媒的冷媒循环接口15。

所述多相流循环系统工作压力范围为0.1MPa~30MPa，工作温度范围为-70℃~100℃，流速范围为0~2m/s。

所述可拆卸管段17或曲线管12内设置有视频探头，可用于观察管内情况。

所述法兰13连接有同心异径管接头。

可拆卸管段17通过法兰13串接成长的管路，在每两个相邻可拆卸管段17连接处均设置有温度和压力传感器，通过数据采集器，可实时监测接口处的温度和压力。

上述可拆卸管段17，在每一段水平直管中间部位也安装有压力和温度传感器，通过数据采集器，可实时监测接口处的温度和压力。

在可拆卸管段17接头处及中间部位设置温度和压力传感器的目的在于，可通过检测到的温差或压差来判断流体在管道内某个部位是否存在泄漏情况。上述可拆卸管段17和曲线管12均采用夹套方式进行冷媒循环，其目的有二，一是用于形成水合物生成的温度条件； 二是带走水合物形成时产生的热量，保持水合物形成的环境条件。为保证足够的冷却量，可拆卸管段17和曲线管12均采用冷媒循环的并联连接方式，即由制冷机出来的冷媒液，经过外循环泵的作用，同时进入到可拆卸管段17和曲线管12的夹套中，再同时回流到制冷机中进行再次制冷循环。此种设计大大保证了冷媒的充分制冷功能和提高了整套装置的温控水平。

为了在多相流实验中，能够在不同流体输送路径的情况下来观察多相流实验情况，可以将上述可拆卸管段17以一定倾斜角度进行安装，也可将曲线管12更换为其它曲线形状的管段安装，也可将曲线管12以水平、垂直或跟水平面倾斜一定角度安装。有利于从不同角度来寻找多相流的流动规律。

气液分离罐22和缓冲罐18也同样采用夹套式冷媒循环结构，在气液分离罐和缓冲罐外部均设计成夹套式结构，同样采用冷媒循环方式进行恒温控制。

可在某段可拆卸管段17上安装有以蓝宝石为材料制成的可视段测试管11及聚焦光束反射测量仪等装置，可实时观察管内流体的动态情况。

可拆卸管段17均可任意更换位置进行安装。

为达到实验时所需要的真空环境，可在多相流循环系统管道中任意仪器接口处设置真空泵，由于整个管道是互通，因此，完全可以通过抽真空的方式使管内达到所需要真空度要求。

为了进行同一流体条件下在经过不同管径时的流体形态的变化，可在需要的地方进行变径更换，采用同心异径管接头，再辅以法兰13即可连接。

为测定某种材质的腐蚀性能的评价，可将定做的不锈钢材料的可拆卸管段17替换为其他材料的可拆卸管段17，即可进行特定水合物浆条件下的腐蚀性能的测试试验。

多相循环系统的管道出口处，接一三通，三通一头通过第八闸阀31接缓冲罐18进行气液两相的循环实验，另一端通过第七闸阀30接气液分离罐22。在进行多相流实验过程当中，由于我们使用的是高压多相混输泵，因此可关闭气液分离罐22接入口，即开启第八闸阀31，关闭第七闸阀30，这样即可实现多相流循环实验。

为达到实验结束时的气相和液体组成的分析结果及气液两液的回收，在实验结束时，打开第七闸阀30并关闭第八闸阀31，即可使多相流进入到气液分离罐22中进行气液分离，再利用气液分离罐顶部的气相色谱仪就可以进行取样分析气相组份，利用气液分离罐底部的液相色谱仪就可以进行取样分析液相组份。

为了保证缓冲罐18缓冲功能及多相流循环过程中的安全性，在缓冲罐上安装有压力表和安全阀，一旦管路中压力过高，即可通过安全阀泄压。

为了保证实验结束时，气体回收完全，在气液分离罐22顶部气体出口处安装有一三通接口，三通一接口通过第五闸阀27直接接入到气体回收瓶28中，另一接口通过第四闸阀26接入到气体增压泵4，再从气体增压泵4通过第六闸阀29接入到回收瓶28中。具体操作是，当实验结束时，管道内气体压力较大，气体可直接回收到气体回收瓶28中，一旦达到平衡后，则可利用气体增压泵4的作用，将管道内气体泵入到气体回收瓶28中，大大增加了气体利用的效率。回收到气体回收瓶中28的气体，即可在下一次实验中，通过另一条线路，经过气体增压泵4进行循环利用。

多相流循环系统内介质可为气、液、固三相中的一相或多相，其中，气相百分比范围为0~100%，液相百分比范围为0~100%，固相百分比为0~30%，固相颗粒大小为0μm~500μm范围。其中液相可为水、油、或有轻微腐蚀性的液体，固相可为冰、水合物浆及蜡。

为了保证实验过程中数据采集的及时性和准确性，可以采用数据采集软件。数据采集软件是安装在计算机中的软件，可以显示计数，编辑界面，并对采集的数据进行记录。高速采集板是硬件，它与各个测量仪表上的信号线相连接，并将信号传输到计算机中，也就是一端连接仪表，另一端连接计算机。所有目标数据的采集均用一台计算机控制，保证了数据采集的统一性和稳定性。

装置的使用方法

整套装置的运行步骤是：①通过高压柱塞泵9将需要用的液体注入到多相循环系统中，再将多相循环系统上选取任意接口接上真空泵，进行反复抽真空，以便除去管道内的空气；②启动冷媒液循环回路，控制整个回路管道中的温度；③利用气体增压泵4将气瓶1中的气体增压进入到管路中，达到指定实验压力后，然后关闭气瓶1；④开启多相混输泵19，使气液两相在循环管路中循环流动；⑤打开连接传感器的数据采集仪，开始进行实验，并收集数据。实验开始时，关闭第七闸阀30，第三闸阀25，多相混输泵19，使气液两相在多相流循环系统中循环流动，通过数据采集仪采集数据。通过采集到的管路中任一部位的温度、压力等的变化即可判断多相流循环过程中水合物形成的时间长短，位置等信息。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

现有的水合物实验管路只能达到单一的高压或低温要求，也只能做单一对象的实验研究，大大限制了水合物研究的范围。本发明的一种实现水合物多相流多功能实验环路装置，首先能够模拟低温高压的环境，再次能够将各管段进行灵活更换，可随意更换安装段开关，并可按任意角度安装，具有良好的可拆卸性，整套装置该装置不仅仅可以用来进行水合物生成、聚集、堵塞机理、抑制剂、缓蚀剂评价等研究，还可以模拟深海低温高压环境进行多相流体安全性实验研究、段塞流特性、蜡沉积等研究。

实施例2

如附图2所示，本实施例与实施例一的区别在于：所述可拆卸管段17一部分为直线形，一部分为如图所示的弯折形，所述曲线管12 为 “S”形。

实施例3

如附图3所示，本实施例与实施例一的区别在于：所述可拆卸管段17一部分为直线形，一部分为“V”形，所述曲线管12 为 “M”形，所述32-聚焦光束反射测量仪安装在可拆卸管段17的拐角处，即可在线分析测量流体经过拐角处时的流动组分变化或颗粒变化。

应当理解，以上对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，对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，都应当视为属于本发明提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种模拟油气管道流体流动安全评价装置，其特征在于：包括多相流循环系统、分离系统、流体注入系统、废气回收系统， 

所述多相流循环系统包括通过辅助管线依次连接形成循环回路的气液混合器(10)、若干通过法兰(13)相串接的可拆卸管段(17)、第八闸阀(31)、缓冲罐(18)、多相混输泵(19)、第二单向阀(20)，所述可拆卸管段(17)之间还通过法兰(13)连接有曲线管(12)，

单个可拆卸管段(17)外表面包裹有循环夹套管(14)，所述循环夹套管(14)上设置有连接冷媒的冷媒循环接口(15)，单个可拆卸管段(17)靠近法兰(13)的两端还设置有用于连接温度传感器及压力传感器的传感器接口(16)，其中段连接设置有聚焦光束反射测量仪(32)，所述可拆卸管段(17)或曲线管(12)上还连接设置有真空泵；

所述分离系统包括设置有气相色谱仪接口(21)、第二安全阀(23)、第二压力表(24)的气液分离罐(22)，所述气液分离罐(22)的入口通过第七闸阀(30)连接相串接的可拆卸管段(17)出口处，所述气液分离罐(22)顶部设置有排气管路，底部设置有具有第三闸阀(25)的液相色谱仪及排料接口；

所述流体注入系统包括液体注入线路和气体注入线路，所述液体注入线路由储液槽、高压柱塞泵(9)、气液混合器(10)依次通过管线连接而成;

所述气体注入线路包括由管路依次连接而成的气瓶(1)、气体流量计(2)、气体增压泵(4)、第二闸阀(7)、第一单向阀(8)，所述第一单向阀(8)的输出口与气液混合器(10)相连接，所述气体流量计(2)的输出口与第二闸阀(7)的输出口之间还并联设置有具第一闸阀(3)的管路，所述气体增压泵(4)的输出口设置有第一安全阀(5)及第一压力表(6)；

所述废气回收系统包括气体回收瓶(28)，所述气体回收瓶(28)通过管路及第五闸阀(27)连接所述气液分离罐(22)顶部的排气管路，所述排气管路还通过第四闸阀(26)与气瓶(1)相连接，所述第五闸阀(27)与所述气体回收瓶(28)之间通过管路及第六闸阀(29)与气体增压泵(4)的输出端相连接。

2.根据权利要求1所述的模拟油气管道流体流动安全评价装置，其特征在于：所述可拆卸管段(17)为直线形和/或弯折形。

3.根据权利要求1所述的模拟油气管道流体流动安全评价装置，其特征在于：所述曲线管(12 )为“U”形、“V”形、 “N”形、“M”形、“W”形或“S”形。

4.根据权利要求1所述的模拟油气管道流体流动安全评价装置，其特征在于：所述可拆卸管段(17)至少串接有一段以蓝宝石为材料制成的可视段测试管(11)。

5.根据权利要求1所述的模拟油气管道流体流动安全评价装置，其特征在于：所述气液分离罐(22)和缓冲罐(18)外表面包裹有循环夹套管(14)，所述循环夹套管(14)上设置有连接冷媒的冷媒循环接口(15)。

6.根据权利要求1所述的模拟油气管道流体流动安全评价装置，其特征在于：所述多相流循环系统工作压力范围为0.1MPa~30MPa，工作温度范围为-70℃~100℃，流速范围为0~2m/s。

7.根据权利要求1所述的模拟油气管道流体流动安全评价装置，其特征在于：所述可拆卸管段(17)或曲线管(12)内设置有视频探头。

8.根据权利要求1所述的模拟油气管道流体流动安全评价装置，其特征在于：所述法兰(13)连接有同心异径管接头。