CN109211603B - 一种用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置。其包括环路整体支撑架、管路升降自动控制系统、环路供水系统、测试管路系统、排水系统、摄像系统35和数据测量与采集系统；本发明效果：组成环路整体支撑架的三套安装框架可以自由拼接和拆装。可实现倾角“无级调节”的同时，亦可进行更多种类型的连续高低起伏管路地形结构的模拟试验，大大弥补了现有试验环道的不足。可通过改变试验过程中的管径、管长、倾角、地形结构类型和液相流速，获得各因素对试验结果的影响规律，从而使气塞形成和发展过程得到充分模拟和深入研究。

Description

一种用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置
技术领域
本发明属于油气管道进气和排气设备技术领域，具体涉及一种用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置。
背景技术
新建管道的充水排气是保证其后期能够安全投入运营的重要措施之一。对随地形起伏的管道，在充水试运投产的过程中，水头翻越高点后极易发生气塞现象，从而导致管内产生大量积气。利用排气阀可排除管道积气，以消减管道系统水击、保证管内通水流畅，在工程中应用非常广泛。但由于对气体在管道中的运动规律认识不足，实际工程中因气塞导致的爆管、停输事故仍常有发生。
由于气体在随地形起伏的管道中的运动特性非常复杂，国内外学者对含气塞管道气液两相流动的研究进展缓慢，主要集中在石油天然气管道、水泵及输配水管路中气塞的防治，绝大多数研究是工程实践经验的总结，缺乏对气塞形成及演变机理的系统研究，也没有专门的、可用来模拟实际长距离复杂多变起伏地形的多相流试验环道用于研究气塞发生、积气形成及气体排出过程中的气液两相流动规律。
因此，有必要提供一种可模拟实际复杂起伏多变地形的试验环道系统，来克服上述不足。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置。
为了达到上述目的，本发明提供的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置包括：环路整体支撑架、管路升降自动控制系统、环路供水系统、测试管路系统、排水系统、摄像系统和数据测量与采集系统；其中：
环路整体支撑架是由三套完全相同的安装框架依次相互连接而构成；每套安装框架由位于上部的背板框和位于下部的机台架构成；背板框的正面上下部分别安装有一根水平双轴心轨道；机台架的底部设有下层底板，下端四角处分别设有一个万向轮；
管路升降自动控制系统包括电机控制组件、升降支架调节组件、水平支柱调节组件和变高杠；每套安装框架上背板框的正面均安装一个垂直设置的电机控制组件，所述的电机控制组件包括竖直双轴心轨道、滚珠丝杠、滚珠丝杠支座、轨道与支座连接块、第一水平双轴心滑块、高位滑块垫块、L型变高电机座和减速电机；其中两个滚珠丝杠支座分别通过一个轨道与支座连接块与竖直双轴心轨道的正面上下端连接；L型变高电机座设置在位于下部的滚珠丝杠支座下方；滚珠丝杠的顶端和下部分别安装在两个滚珠丝杠支座中，下端穿过L型变高电机座的水平板后与减速电机的输出轴连接；竖直双轴心轨道的背面中上部通过一块高位滑块垫块安装一个第一水平双轴心滑块；竖直双轴心轨道的背面下部通过L型变高电机座的竖直板背面和另一个第一水平双轴心滑块相连；两个第一水平双轴心滑块的背面分别安装在两根水平双轴心轨道上；
每个升降支架调节组件分别安装在一个位于下部的滚珠丝杠支座的正上方，包括竖直双轴心滑块、L型升降支架和滚珠丝母；其中，竖直双轴心滑块的背面安装在竖直双轴心轨道的正面，前端面固定在L型升降支架的竖直板背面；滚珠丝母从L型升降支架的水平板中穿过并固定；滚珠丝杠从滚珠丝母中穿过；
每套安装框架上背板框的正面底部均安装有两根变高杠，每根变高杠的外端以可移动的方式套在位于下部的水平双轴心轨道上，内端同时铰接在L型升降支架的水平板前端；
每个水平支柱调节组件包括下排支柱、第二水平双轴心滑块和半量角器；其中第二水平双轴心滑块安装在位于两个相邻背板框之间的下部水平双轴心轨道上，前端面和下排支柱的后端连接；下排支柱的前端同时与相邻安装框架上两根相邻变高杠的外端相铰接；下排支柱的侧面设有一倾斜铁块，用于安装半量角器；
所述的环路供水系统包括储水罐和变频水泵；其中储水罐和变频水泵均设置在下层底板上，储水罐的出水口通过管路与变频水泵相连；变频水泵的出口管路通过一根软管与测试管路系统相连，测试管路系统的末端通过另一根软管与储水罐的进水口相接；
所述的测试管路系统包括多根透明有机玻璃管；每根透明有机玻璃管通过两端的2个定位抱箍分别固定在一根变高杠的正面；相邻两根透明有机玻璃管分别通过短蛇皮软管和人字三通接头进行连接，人字三通接头的两个端口分别通过一根蛇皮软管与一根透明有机玻璃管相连接；
所述的排水系统包括低点排水阀和排水管；其中排水管的一端连接在相邻两根透明有机玻璃管间位于低点的人字三通接头上，另一端连接在储水罐上；低点排水阀安装在排水管上；
所述的摄像系统设置在测试管路系统上方；
所述的数据测量与采集系统包括调节阀、电磁流量计、压力传感器、数据采集卡和计算机；其中调节阀和电磁流量计设置在变频水泵的出口管路上；每个位于高点的人字三通接头的一个端口上均安装一个压力传感器；计算机同时与摄像系统和数据采集卡电连接，而数据采集卡则同时与调节阀、电磁流量计和压力传感器电连接。
所述的摄像系统采用高帧率的高清摄像机。
所述的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置还包括安装在变频水泵的出口管路上的下部排水阀以及安装在储水罐底部的储水罐底排水阀。
所述的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置还包括安装在储水罐和变频水泵之间管路上的过滤器和入口注水阀。
所述的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置还包括安装在变频水泵出口管路上的单向阀。
本发明提供的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置具有如下有益效果：
首先，组成环路整体支撑架的三套安装框架，可以自由拼接和拆装，且整体置于万向轮上，方便试验装置的任意移动和随时固定。当实验室空间需要重新布置或规划时，便于自由移动，具有很强的便携、灵活和可移动性。
其次，目前的多相流试验环道，测试管路的结构形式基本都是固定的：水平、垂直、倾斜或起伏等，一般只有有限的几种形式可供替换。另一方面，研究管路倾角对流动的影响时，一般都是提前根据需要的角度计算好管道的高度，然后提前在管路支撑架上打好孔，试验时再人为地将环道搁置在相应档位的孔上，倾角的选择属于“有级调节”、自动化程度低、试验工作量大、获得的试验数据量有限。本发明通过由减速电机、滚珠丝杠、导轨、滑块以及变高杠、L型变高电机座、L型升降支架、水平支柱、半量角器等组成的管路升降自动控制系统，在实现倾角“无级调节”的同时，亦可进行更多种类型的连续高低起伏管路地形结构的模拟试验，大大弥补了现有试验环道的不足。
最后，可通过改变试验过程中的管径、管长、倾角、地形结构类型和液相流速，获得各因素对试验结果的影响规律，从而使气塞形成和发展过程得到充分模拟和深入研究。
附图说明
图1为本发明提供的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置整体结构示意图。
图2为本发明提供的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置中电机控制组件结构示意图。
图3为本发明提供的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置中升降支架调节组件结构示意图。
图4为本发明提供的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置中水平支柱调节组件结构示意图。
图5为本发明提供的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置中模拟试验环路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置进行详细说明。
如图1—图5所示，本发明提供的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置包括：环路整体支撑架、管路升降自动控制系统、环路供水系统、测试管路系统、排水系统、摄像系统35和数据测量与采集系统；其中：
环路整体支撑架是由三套完全相同的安装框架依次相互连接而构成；每套安装框架由位于上部的背板框1和位于下部的机台架2构成；背板框1的正面上下部分别安装有一根水平双轴心轨道3；机台架2的底部设有下层底板5，下端四角处分别设有一个万向轮4；
管路升降自动控制系统包括电机控制组件6、升降支架调节组件7、水平支柱调节组件和变高杠19；每套安装框架上背板框1的正面均安装一个垂直设置的电机控制组件6，所述的电机控制组件6包括竖直双轴心轨道8、滚珠丝杠9、滚珠丝杠支座10、轨道与支座连接块11、第一水平双轴心滑块12、高位滑块垫块13、L型变高电机座14和减速电机15；其中两个滚珠丝杠支座10分别通过一个轨道与支座连接块11与竖直双轴心轨道8的正面上下端连接；L型变高电机座14设置在位于下部的滚珠丝杠支座10下方；滚珠丝杠9的顶端和下部分别安装在两个滚珠丝杠支座10中，下端穿过L型变高电机座14的水平板后与减速电机15的输出轴连接；竖直双轴心轨道8的背面中上部通过一块高位滑块垫块13安装一个第一水平双轴心滑块12；竖直双轴心轨道8的背面下部通过L型变高电机座14的竖直板背面和另一个第一水平双轴心滑块12相连；两个第一水平双轴心滑块12的背面分别安装在两根水平双轴心轨道3上；
每个升降支架调节组件7分别安装在一个位于下部的滚珠丝杠支座10的正上方，包括竖直双轴心滑块16、L型升降支架17和滚珠丝母18；其中，竖直双轴心滑块16的背面安装在竖直双轴心轨道8的正面，前端面固定在L型升降支架17的竖直板背面；滚珠丝母18从L型升降支架17的水平板中穿过并固定；滚珠丝杠9从滚珠丝母18中穿过；
每套安装框架上背板框1的正面底部均安装有两根变高杠19，每根变高杠19的外端以可移动的方式套在位于下部的水平双轴心轨道3上，内端同时铰接在L型升降支架17的水平板前端；
每个水平支柱调节组件包括下排支柱20、第二水平双轴心滑块21和半量角器22；其中第二水平双轴心滑块21安装在位于两个相邻背板框1之间的下部水平双轴心轨道3上，前端面和下排支柱20的后端连接；下排支柱20的前端同时与相邻安装框架上两根相邻变高杠19的外端相铰接；下排支柱20的侧面设有一倾斜铁块，用于安装半量角器22；
所述的环路供水系统包括储水罐23和变频水泵27；其中储水罐23和变频水泵27均设置在下层底板5上，储水罐23的出水口通过管路与变频水泵27相连；变频水泵27的出口管路通过一根软管32与测试管路系统相连，测试管路系统的末端通过另一根软管32与储水罐23的进水口相接；
所述的测试管路系统包括多根透明有机玻璃管33；每根透明有机玻璃管33通过两端的2个定位抱箍分别固定在一根变高杠19的正面；相邻两根透明有机玻璃管33分别通过短蛇皮软管和人字三通接头进行连接，人字三通接头的两个端口分别通过一根蛇皮软管与一根透明有机玻璃管33相连接；
所述的排水系统包括低点排水阀38和排水管39；其中排水管39的一端连接在相邻两根透明有机玻璃管33间位于低点的人字三通接头上，另一端连接在储水罐23上；低点排水阀38安装在排水管39上；
所述的摄像系统35设置在测试管路系统上方；
所述的数据测量与采集系统包括调节阀29、电磁流量计30、压力传感器34、数据采集卡36和计算机37；其中调节阀29和电磁流量计30设置在变频水泵27的出口管路上；每个位于高点的人字三通接头的一个端口上均安装一个压力传感器34；计算机37同时与摄像系统35和数据采集卡36电连接，而数据采集卡36则同时与调节阀29、电磁流量计30和压力传感器34电连接。
所述的摄像系统35采用高帧率的高清摄像机。
所述的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置还包括安装在变频水泵27的出口管路上的下部排水阀31以及安装在储水罐23底部的储水罐底排水阀24。
所述的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置还包括安装在储水罐23和变频水泵27之间管路上的过滤器25和入口注水阀26。
所述的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置还包括安装在变频水泵27出口管路上的单向阀28。
现将本发明提供的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置工作原理阐述如下：
试验开始前，试验人员首先根据需要研究的地形结构类型选择合适长度的透明有机玻璃管33，然后根据上述连接关系组装好本试验装置。之后启动减速电机15，通过减速电机15的驱动，可实现滚珠丝杠9的螺旋上升和下降，这时滚珠丝母18、L型升降支架17以及竖直双轴心滑块16将带动相邻变高杠19连接处(即两根透明有机玻璃管33连接处形成的高点)一起，沿竖直双轴心轨道8向上或向下运动，由此可使相邻的两根透明有机玻璃管33形成以滚珠丝杠9为轴线的对称Λ字形，且随着竖直双轴心滑块16的上下运动和第一水平双轴心滑块12的左右移动，可对Λ字形透明有机玻璃管33在任意倾角和任意高点位置进行无级调节。可通过选择不同长度的透明有机玻璃管33和不同数量的电机控制组件6来组成包含1个起伏段(Λ形，含有1个高点)、包含2个起伏段(ΛΛ形，含有2个高点)和包含3个起伏段(ΛΛΛ形，含有3个高点)的测试管路结构类型。当组成2/3个起伏段时，通过管路升降自动控制系统可控制各高点处于同一高度也可以不处于同一高度、各Λ字形的倾角可以相等或不相等，这样，通过调节和组合，可形成类似处于连续高低起伏地形处的实际管道状态，进而深入研究不同地形结构类型和不同管段长度对试验结果的影响规律。在试验过程中，可根据半量角器22上实时显示的角度来控制透明有机玻璃管33的倾角。
之后关闭下部排水阀31和低点排水阀38，打开入口注水阀26，设定变频水泵27的频率，打开摄像系统35，同时启动变频水泵27和计算机37，这时变频水泵27将储水罐23中的水经过滤器25过滤后通过软管提供给测试管路系统，然后再通过另一根软管流回储水罐23；利用电磁流量计30和压力传感器34采集变频水泵27出口管路中的流量和压力数据，由数据采集卡36收集上述采集的数据并传送给计算机37，再由计算机37利用调节阀29调节变频水泵27出口管路中水的流量。摄像系统35则对测试管路系统进行集中拍摄，以记录进气和排气过程中透明有机玻璃管33内气液两相的流动形式，然后传送给计算机37进行存储。
在试验过程中，试验人员可直接观察到透明有机玻璃管33中尤其是下倾状态时气液两相流动变化，如气塞的形成、液塞的运动、气泡形状大小的变化等实验现象，并记录下流型变化，当下坡段的液相流速以及对应流型、压力变化趋于稳定时，准备停止实验。
利用计算机37关闭摄像系统35，然后关闭变频水泵27。打开低点排水阀38和下部排水阀31，关闭入口注水阀26，开始排水。
所有试验结束后，关闭计算机37。启动减速电机15，将起伏管段降至水平位置。

Claims (3)

1.一种用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置，其特征在于：所述的试验装置包括：环路整体支撑架、管路升降自动控制系统、环路供水系统、测试管路系统、排水系统、摄像系统(35)和数据测量与采集系统；其中：
环路整体支撑架是由三套完全相同的安装框架依次相互连接而构成；每套安装框架由位于上部的背板框(1)和位于下部的机台架(2)构成；背板框(1)的正面上下部分别安装有一根水平双轴心轨道(3)；机台架(2)的底部设有下层底板(5)，下端四角处分别设有一个万向轮(4)；
管路升降自动控制系统包括电机控制组件(6)、升降支架调节组件(7)、水平支柱调节组件和变高杠(19)；每套安装框架上背板框(1)的正面均安装一个垂直设置的电机控制组件(6)，所述的电机控制组件(6)包括竖直双轴心轨道(8)、滚珠丝杠(9)、滚珠丝杠支座(10)、轨道与支座连接块(11)、第一水平双轴心滑块(12)、高位滑块垫块(13)、L型变高电机座(14)和减速电机(15)；其中两个滚珠丝杠支座(10)分别通过一个轨道与支座连接块(11)与竖直双轴心轨道(8)的正面上下端连接；L型变高电机座(14)设置在位于下部的滚珠丝杠支座(10)下方；滚珠丝杠(9)的顶端和下部分别安装在两个滚珠丝杠支座(10)中，下端穿过L型变高电机座(14)的水平板后与减速电机(15)的输出轴连接；竖直双轴心轨道(8)的背面中上部通过一块高位滑块垫块(13)安装一个第一水平双轴心滑块(12)；竖直双轴心轨道(8)的背面下部通过L型变高电机座(14)的竖直板背面和另一个第一水平双轴心滑块(12)相连；两个第一水平双轴心滑块(12)的背面分别安装在两根水平双轴心轨道(3)上；
每个升降支架调节组件(7)分别安装在一个位于下部的滚珠丝杠支座(10)的正上方，包括竖直双轴心滑块(16)、L型升降支架(17)和滚珠丝母(18)；其中，竖直双轴心滑块(16)的背面安装在竖直双轴心轨道(8)的正面，前端面固定在L型升降支架(17)的竖直板背面；滚珠丝母(18)从L型升降支架(17)的水平板中穿过并固定；滚珠丝杠(9)从滚珠丝母(18)中穿过；
每套安装框架上背板框(1)的正面底部均安装有两根变高杠(19)，每根变高杠(19)的外端以可移动的方式套在位于下部的水平双轴心轨道(3)上，内端同时铰接在L型升降支架(17)的水平板前端；
每个水平支柱调节组件包括下排支柱(20)、第二水平双轴心滑块(21)和半量角器(22)；其中第二水平双轴心滑块(21)安装在位于两个相邻背板框(1)之间的下部水平双轴心轨道(3)上，前端面和下排支柱(20)的后端连接；下排支柱(20)的前端同时与相邻安装框架上两根相邻变高杠(19)的外端相铰接；下排支柱(20)的侧面设有一倾斜铁块，用于安装半量角器(22)；
所述的环路供水系统包括储水罐(23)和变频水泵(27)；其中储水罐(23)和变频水泵(27)均设置在下层底板(5)上，储水罐(23)的出水口通过管路与变频水泵(27)相连；变频水泵(27)的出口管路通过一根软管(32)与测试管路系统相连，测试管路系统的末端通过另一根软管(32)与储水罐(23)的进水口相接；
所述的测试管路系统包括多根透明有机玻璃管(33)；每根透明有机玻璃管(33)通过两端的2个定位抱箍分别固定在一根变高杠(19)的正面；相邻两根透明有机玻璃管(33)分别通过短蛇皮软管和人字三通接头进行连接，人字三通接头的两个端口分别通过一根蛇皮软管与一根透明有机玻璃管(33)相连接；
所述的排水系统包括低点排水阀(38)和排水管(39)；其中排水管(39)的一端连接在相邻两根透明有机玻璃管(33)间位于低点的人字三通接头上，另一端连接在储水罐(23)上；低点排水阀(38)安装在排水管(39)上；
所述的摄像系统(35)设置在测试管路系统上方；
所述的数据测量与采集系统包括调节阀(29)、电磁流量计(30)、压力传感器(34)、数据采集卡(36)和计算机(37)；其中调节阀(29)和电磁流量计(30)设置在变频水泵(27)的出口管路上；每个位于高点的人字三通接头的一个端口上均安装一个压力传感器(34)；计算机(37)同时与摄像系统(35)和数据采集卡(36)电连接，而数据采集卡(36)则同时与调节阀(29)、电磁流量计(30)和压力传感器(34)电连接；
所述的摄像系统(35)采用高帧率的高清摄像机；
所述的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置还包括安装在变频水泵(27)的出口管路上的下部排水阀(31)以及安装在储水罐(23)底部的储水罐底排水阀(24)。
2.根据权利要求1所述的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置，其特征在于：所述的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置还包括安装在储水罐(23)和变频水泵(27)之间管路上的过滤器(25)和入口注水阀(26)。
3.根据权利要求1所述的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置，其特征在于：所述的用于模拟气塞形成和积气排出特性的试验装置还包括安装在变频水泵(27)出口管路上的单向阀(28)。
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