CN110044783B - 一种高压油气水管流蜡沉积模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉一种高压油气水管流蜡沉积实验装置，该实验装置包括：环道系统，所述环道系统包含测试段和参比段，用于进行蜡沉积实验；油品供给系统，所述油品供给系统用于为所述环道系统提供测试用油品；气体供给系统，用于为所述油品供给系统提供高压气体；测量系统，用于对各管路的状态数据进行测试；温控系统，用于对所述环道系统和油品供给系统进行温度控制；数据采集系统，用于对状态数据进行采集和处理，计算出所述测试段管内结蜡后的管内径，得到蜡沉积层平均厚度和蜡沉积速率。

Description

一种高压油气水管流蜡沉积模拟实验装置

技术领域

本发明是关于一种高压油气水管流蜡沉积模拟实验装置，涉及多相混输管道蜡沉积模拟实验技术领域。

背景技术

目前多相混输管道蜡沉积给多相混输技术的发展带来极大挑战，亟需探究多相流蜡沉积规律，建立多相蜡沉积模型，预测管道内蜡沉积厚度，为制定合理的清管方案提供理论依据。

现有技术已建设一批实验装置，主要代表有：法国石油研究院Lyre蜡沉积实验环道，总长152.4m，内径为50.8mm，蜡沉积段长7.01m，工作压力可达10MPa，实验温度可至0℃；美国Tulsa大学实验环道增设水平、倾斜和垂直管；中国石油大学(北京)黄启玉参照国外设计安装了蜡沉积环道，采用蠕动泵提供管输能量减少过泵剪切的影响；中国石油大学(华东)张国忠对控温系统进行改进，将测试段管路浸没于大控温水浴内，以保证实验温度的均匀性和稳定性；中国石油大学(北京)油气储运工程实验室建设了一套高压水合物实验环道，该实验装置耐压程度高(15MPa)，温控范围广，可达-10～100℃，测试段管径可更换(2.54cm与5.08cm)，还可搭配在线颗粒分析仪(FBRM)等实验设备。

但是现有技术建设的蜡沉积实验装置多为低压装置，不可模拟混输管道高压流动状况。因此，需要开发高压油气水三相管流结蜡模拟实验装置以研究海底管道高压多相混输蜡沉积规律，可为多相管流蜡沉积研究提供实验基础，从而为海底含蜡原油混输管道的流动安全保障及海洋环境保护提供指导。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够模拟工程实际多相混输管道蜡沉积状况的高压油气水管流蜡沉积模拟实验装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种高压油气水管流蜡沉积实验装置，该实验装置包括：

环道系统，所述环道系统包含测试段和参比段，用于进行蜡沉积实验；

油品供给系统，所述油品供给系统用于为所述环道系统提供测试用油品；

气体供给系统，用于为所述油品供给系统提供高压气体；

测量系统，用于对各管路的状态数据进行测试；

温控系统，用于对所述环道系统和油品供给系统进行温度控制；

数据采集系统，用于对状态数据进行采集和处理，计算出所述测试段管内结蜡后的管内径，得到蜡沉积层平均厚度和蜡沉积速率。

进一步地，所述油品供给系统包括低压釜、高压釜、柱塞泵和磁力泵，所述低压釜的进液口连接所述参比段出口，所述低压釜的出液口并联连接所述柱塞泵和磁力泵的一端，所述柱塞泵的另一端连接所述高压釜的进液口，所述测试段出口并联连接所述高压釜的出液口和磁力泵的另一端。

进一步地，所述高压釜和低压釜结构相同，所述高/低压釜均包括通过法兰密封连接的釜盖和釜体，所述釜盖上设有装料口，所述釜体一侧上下设置有与所述环道系统相应连接的进液口与出液口，所述釜体另一侧纵向依次设置有进气口、采光孔、高液位观察孔和低液位观察孔所述釜体底部设置排液口，所述釜体上方设置有磁力搅拌系统，所述釜体外壁设置所述温控系统，其中，所述釜盖上设有温度传感器，所述进气口管路处压力传感器，且所述进气口管路处设有安全阀和泄放阀，以防釜体超压。

进一步地，所述气体供给系统包括高压气瓶，所述高压气瓶依次经压缩机和减压阀并通过进气管路连接所述低压釜和高压釜的进气口，通过所述高压气瓶向釜内注气来控制釜内压力；其中，所述进气管路上设置有流量计。

进一步地，所述测量系统包括液相质量流量计、压差计、压力传感器和温度传感器，所述液相质量流量计设于所述测试段出口管路上，用于采集流量数据；所述压差计至少为两个，分别位于所述测试段和参比段，用于采集所述测试段和参比段两段压降；所述压力传感器数量为至少两个，分别位于所述测试段入口和参比段出口处；所述温度传感器数量至少为6个分别用于采集测试段入口、出口温度，所述测试段外部水套管温度，所述参比段外部水套管温度以及采集所述参比段入口和出口温度。

进一步地，所述温控系统包括若干恒温水浴、保温层及外层，每一所述恒温水浴依次通过所述保温层和外层进行包裹形成夹套式水浴，分别用于对所述测试段、参比段、高压釜、低压釜的油温进行加热或冷却。

进一步地，所述恒温水浴采用DC-0530低温恒温水浴，所述保温层采用聚氨酯泡沫塑料，所述外层采用铝箔胶带包裹。

进一步地，该实验装置采用两个流程进行实验：

(1)双釜流程：

所述高压釜—所述液相质量流量计—所述测试段—所述参比段—所述低压釜—所述柱塞泵—所述高压釜；

(2)单釜流程：

所述低压釜—所述磁力泵—所述液相质量流量计—所述测试段—所述参比段—所述低压釜。

进一步地，所述数据采集系统包括数据采集卡和数据采集模块，所述数据采样卡用于采集液相质量流量计、压差计、压力传感器和温度传感器的数据，所述数据采集模块采用DasyLab 13.0软件，用于对所述数据采集卡的采集过程进行控制，并对采集的数据进行分析处理，计算出所述测试段管内结蜡后的管内径，得到蜡沉积层平均厚度和蜡沉积速率。

进一步地，所述磁力泵的驱动采用调频电机+磁力泵的方式，所述磁力泵采用高压胶管与所述环道系统相连，以便隔离机械振动；所述柱塞泵出口处设置有安全溢流阀，且所述柱塞泵的驱动采用调频电机+泵的方式。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明的高压油气水管流蜡沉积模拟实验装置结构简单、设计合理，装置各组件均满足设计压力(15MPa)要求，使其更接近于现场工程管道流动压力，可模拟工程实际多相混输管道蜡沉积状况；

2、本发明的高压油气水管流蜡沉积模拟实验装置提出高低压双釜流程，通过两釜压力差为油品在环道中循环流动提供能量从而最大限度地减小油品过泵剪切的干扰；

3、本发明采用夹套式水浴进行控温，保证对实验环道系统控温的准确性和稳定性；

4、本发明的数据采集模块采用DasyLab 13.0软件，通过数据采集软件进行实验记录，减小人工操作误差，实现数据采集自动化；

综上所述，本发明设计合理、功能完善且使用操作简便、模拟效果好，不仅能实现油单相、油水两相管流蜡沉积实验，且能实现高压油气水管流蜡沉积实验。

附图说明

图1为本发明的实验装置结构示意图；

图2为本发明的釜体结构图；

图中附图标记为：11、测试段，可视窗、111，12、参比段，21、低压釜，22、高压釜，221、进液口，222、出液口，223、进气口，224、采光孔，225、高液位观察孔，226、低液位观察孔，227、装料口，228、排液口，23、柱塞泵，24、磁力泵，31、减压阀，41、恒温水浴。

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的一部分实施例，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的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。

对国内外实验装置中的蜡沉积厚度测量方式进行比选分析，因沉积物导热系数及对流换热系数等参数难以确定，因实验条件为高压，减压拆卸管段可破坏管内流体的相平衡状态，并结合本实验室场地条件，最终确定选用压差法，即通过监测测试段两端差压，基于达西公式计算出蜡沉积层的厚度。

基于上述思路，如图1所示，本发明提供的高压油气水管流蜡沉积实验装置，包括环道系统、油品供给系统、气体供给系统、测量系统、温控系统和数据采集系统。

环道系统包含测试段11和参比段12，环道系统内径20mm，壁厚2.5mm，全长约16m，设计压力为15MPa，可进行油单相、油水乳状液、油气水三相高压蜡沉积实验，实验原理为：当管内油流温度低于油品析蜡点时，测试段11管壁出现蜡沉积使管道内径减小而流动压降增大，分别测量测试段11和参比段12的压差值，通过测量管段压差值的变化便可计算出测试段11管内结蜡后的管内径，从而确定蜡沉积层平均厚度和蜡沉积速率；另外，测试段11前可设置可视窗口111，便于进行流型判别。

油品供给系统用于为环道系统提供测试用油品，包括低压釜21、高压釜22、柱塞泵23和磁力泵24，低压釜21的进液口通过阀门连接环道系统的参比段12出口，低压釜21的出液口并联连接柱塞泵23和磁力泵24的一端，柱塞泵23的另一端连接高压釜22的进液口，环道系统的测试段11出口经止回阀并联连接高压釜22的出液口和磁力泵24的另一端。

气体供给系统用于为低压釜21和高压釜22提供高压气体，包括高压气瓶、压缩机、减压阀31和进气管路，高压气瓶依次经压缩机和减压阀31并通过进气管路连接低压釜21和高压釜22的进气口，通过高压气瓶向釜内注气来控制釜内压力；其中，进气管路上设置有流量计，通过观察流量计读数来控制进气量从而控制实验过程的气液比；另外，为了缓冲气体，气路与主管路连接方式为45°倾斜加气。

测量系统用于对装置各管路的状态数据进行测试，包括液相质量流量计MF、两压差计PDR、两压力传感器PR和若干温度传感器TR，各流量计以及传感器可根据不同实验测试值调节相应量程。其中，液相质量流量计MF位于环道系统的测试段11出口管路上，用于采集流量数据；两压差计PDR分别位于测试段11和参比段12处，用于采集测试段和参比段两段压降；两压力传感器PR分别位于管段测试段入口和参比段出口处(管内液体流动方向为顺时针)，各温度传感器TR用于采集测试段入口和出口温度、测试管段外部水套管温度、参比管段外部水套管温度以及参比段入口和出口温度。

温控系统用于对环道系统和油品供给系统进行温度控制，包括若干恒温水浴41、保温层和外层，每一恒温水浴41依次通过保温层和外层进行包裹形成夹套式水浴，用于实现对油温的加热和冷却，按照指定速率进行降温，本实施例共采用5个恒温水浴41，用于对测试段11、参比段12、高压釜22、低压釜21等的油温进行加热或冷却。

数据采集系统用于对实验过程数据进行采集和处理，包括数据采集卡和数据采集模块，数据采样卡用于采集液相质量流量计、压差计、压力和温度传感器的数据。数据采集模块集用于对数据采集卡的采集过程进行控制，并对采集的数据进行分析处理，计算出测试段管内结蜡后的管内径，进而得到蜡沉积层平均厚度和蜡沉积速率。

上述高压油气水管流蜡沉积实验装置，优选地，如图2所示，高压釜22和低压釜21的结构相同，容积为25L，规格为Φ238×565，材质为316不锈钢，操作压力控制在0～15MPa。以高压釜22的结构进行示例说明，高压釜22的进液口221与出液口222分别设置在釜体同侧上下部与环道系统相连进行实验，出液口222距离釜底150mm，出液口222与进液口221垂直距离为400mm。釜体上方设置有磁力搅拌系统，可在高压条件下进行调速搅拌，转速范围0-200rpm，磁力搅拌系统设置有一组搅拌桨，距釜底100mm。釜体外壁设有水套和保温层，外接恒温水浴进行控温，控温范围0～80℃。在进液口221与出液口222异侧釜体上纵向依次设置有进气口223、采光孔224、高液位观察孔225和低液位观察孔226，可以通过利用外部照明设备来观察釜体内液位高度。釜盖上设置有装料口227，釜体底部有排液口228，用于清洗釜体内壁和排污。釜盖处上部设置有温度传感器，釜体进气口的管路处压力传感器，且进气口管路处配有安全阀和泄放阀，以防釜体超压，引发事故。另外，釜体和釜盖采用法兰连接密封，无特殊原因不拆卸釜盖。

上述高压油气水管流蜡沉积实验装置，优选地，本实验装置有两个流程可供选择：

(1)双釜流程：

高压釜22—液相质量流量计MF—测试段11—参比段12—低压釜21—柱塞泵23—高压釜22；此流程需先将实验介质注入高低压釜内，开启高压气瓶向釜内注气，通过釜上的压力表控制两个釜维持一定的压力差，此压力差可推动实验介质从高压釜22向低压釜21流动，而低压釜21内介质通过柱塞泵23泵送至高压釜22，如此循环，此流程可进一步减小柱塞泵23对实验介质的剪切破坏，优势为：柱塞泵23对介质剪切作用小，有利于提高实验的准确性。

(2)单釜流程：

低压釜21—磁力泵24—液相质量流量计MF—测试段11—参比段12—低压釜21；该流程操作相对简单，但磁力泵24对油品会有一定的剪切作用，会对实验结果的准确性有一定的影响。在高压釜22出口处后的一段管道为加气混合管段，加气方式为45°斜接对焊连接。气体为天然气，预留接口与实验室已有的循环压缩机相连，通过调节压缩机流量控制实验过程中的气液比。

上述高压油气水管流蜡沉积实验装置，优选地，磁力泵24的驱动可以采用调频电机+磁力泵的方式，通过设定电机的频率控制电机转速，进而控制磁力泵24的转速，达到控制流量的目的。磁力泵24可以采用高压胶管与环道系统相连，以便隔离机械振动。

上述高压油气水管流蜡沉积实验装置，优选地，柱塞泵23具有结构紧凑、体积小、重量轻、效率高、流量调节方便等特点，对油品介质剪切作用较小。柱塞泵23出口处设置有安全溢流阀，当系统超过额定压力时，控制活塞带动阀杆向上移动，打开旁路，将高压介质经旁路泄流释放，保证实验人员的安全；其中，柱塞泵23的驱动也采用调频电机+泵的方式。

上述高压油气水管流蜡沉积实验装置，优选地，恒温水浴可以采用DC-0530低温恒温水浴，性能稳定可靠，具有体积小、省水、便于操作与维护等优点。保温层可以采用聚氨酯泡沫塑料，主要原料为聚醚树脂或聚酯树脂，具有密闭孔结构且表面细腻，密度小，导热系数小且保持稳定，吸水率低，弹性高，因而能最大限度地减少环道系统在实验过程中的振动和共振，抗压性大。外层采用铝箔胶带包裹，铝箔胶带以铝箔和油性亚克力胶为材料，粘性好，附着力强，具有一定的保温和隔热功能。

上述高压油气水管流蜡沉积实验装置，优选地，数据采集卡可以采用一块MCC生产的USB-1608GX-2AO和两块USB-TEMP and TC Series采集卡集成。USB-1608GX-2AO是一块基于USB的16位高速器件，采集速率为500kS/s，集成2路模拟输出、8条DIO线路、2路32位计数器输入和1路定时器输出通道。USB-TEMP内置环境温度传感器，8路模拟输入通道，24位分辨率，可测量热电偶、RTD、热敏电阻、半导体温度传感器或电压。

上述高压油气水管流蜡沉积实验装置，优选地，数据采集模块可以采用DasyLab13.0(Data Acquisition System Laboratory)软件，该软件由NI公司推出，是一套基于Windows操作系统下的集高速数据采集、分析和过程控制于一体的功能强大的组态化软件包，它采用图形化编程环境，通过连接函数图标来完成数据采集、显示、存储、分析、统计、运算、控制、触发等各种功能控制程序，比起其它利用汇编语言或高级语言来编写源代码实现分析控制系统的软件，编程更方便、效率更高。

上述高压油气水管流蜡沉积实验装置，优选地，各条管路上都可以根据实际需要安装各种阀门，在此不做限制。

基于本发明的高压油气水管流蜡沉积实验装置，进行单相油、油水两相、油气水三相蜡沉积实验方法的具体过程为：

A)单相油蜡沉积实验方法：

①将环道系统上所有阀门保持在闭合状态。为了保证实验的重复性和结果的稳定性，每组实验开始前，将油品进行预热处理，以保证蜡晶充分溶解，将油品倒入高压釜22和低压釜21中。将与釜的水套相连的水浴设置到指定温度，观看釜上的温度显示，当油品加热到预设温度后，恒温2小时，保证釜内油品温度均匀，如有需要可以开启搅拌装置。

②打开双釜流程的阀门，即低压釜21入口阀、低压釜21出口阀、柱塞泵23入口阀、柱塞泵23出口阀、高压釜22出口阀，并启动柱塞泵23，采用罐到罐流程运行约15分钟，将环道系统内的气体排尽。

③缓慢打开高压气瓶开口阀，分别向两个釜内注气增压，达到指定压力后关闭气瓶阀门，保持两个釜有一定的压力差。为了避免正式实验开始之前管壁上结蜡，需要控制测试段的壁温略高于油温。

④通过调节柱塞泵23变频器控制泵的转速，使其达到实验所需流量。在实验流量下运行至稳定后将测试段壁温迅速调到所需的实验壁温，参比段水浴温度要和油温保持一致或高0.5℃，同时启动数据采集系统，采集时间、流量、压差、温度等参数。

⑤每隔30s采集一次数据，以此来判断不同时间的结蜡情况。

⑥蜡沉积实验结束后，调高测试段水浴温度后运行1小时，使测试段管壁上的蜡沉积物重新溶解，柱塞泵23停止工作。

⑦改变测试段水浴温度，重复以上步骤，进行不同温度的蜡沉积实验。

B)油水两相蜡沉积实验方法：

①实验开始前对油品进行配制，取一定量油品并向其中加入定量的水，使其含水率为5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％或40％。将溶液进行预热处理，保证蜡晶得到充分溶解。

②调节釜水浴的温度，当釜内油水混合液温度达到实验温度后，开启搅拌桨，将油水搅拌成油包水型乳状液。

③搅拌一定时间后，用烧杯从釜底部采集一定量溶液，观察烧杯中的乳状液从顶部到底部是否存在色差，如果没有明显差异，即认为乳状液达到相对稳定状态，满足实验条件，便可按照单相蜡沉积环道实验步骤进行实验。

C)油气水三相蜡沉积实验方法：

①实验准备过程与油水乳状液实验步骤相同，启泵(离心泵或柱塞泵，依照实验需求而定)运行30分钟后，启动压缩机，待气体压力及温度达到设定值时，开启气液混合器的阀门，将天然气导入实验环道并与液体混合流动。

②通过观测测试段的温度、压力、流量数值及其波动范围，确定管内各流动参数稳定后，启动数据采集模块，采集气相折算速度、液相折算速度、测试段进口压力、差压和温度等数值，其后步骤与单相实验相同。

③改变实验参数，重复以上实验步骤，以对不同工况下的蜡沉积特性进行实验研究。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (8)

1.一种高压油气水管流蜡沉积实验装置，其特征在于，该实验装置包括：

环道系统，所述环道系统包含测试段和参比段，用于进行蜡沉积实验；

油品供给系统，所述油品供给系统用于为所述环道系统提供测试用油品；

气体供给系统，用于为所述油品供给系统提供高压气体；

测量系统，用于对各管路的状态数据进行测试；

温控系统，用于对所述环道系统和油品供给系统进行温度控制；

数据采集系统，用于对状态数据进行采集和处理，计算出所述测试段管内结蜡后的管内径，得到蜡沉积层平均厚度和蜡沉积速率；

其中，所述油品供给系统包括低压釜、高压釜、柱塞泵和磁力泵，所述低压釜的进液口连接所述参比段出口，所述低压釜的出液口并联连接所述柱塞泵和磁力泵的一端，所述柱塞泵的另一端连接所述高压釜的进液口，所述测试段出口并联连接所述高压釜的出液口和磁力泵的另一端；所述高压釜和低压釜结构相同，所述高/低压釜均包括通过法兰密封连接的釜盖和釜体，所述釜盖上设有装料口，所述釜体一侧上下设置有与所述环道系统相应连接的进液口与出液口，所述釜体另一侧纵向依次设置有进气口、采光孔、高液位观察孔和低液位观察孔所述釜体底部设置排液口，所述釜体上方设置有磁力搅拌系统，所述釜体外壁设置所述温控系统，其中，所述釜盖上设有温度传感器，所述进气口管路处压力传感器，且所述进气口管路处设有安全阀和泄放阀，以防釜体超压。

2.根据权利要求1所述的高压油气水管流蜡沉积实验装置，其特征在于，所述气体供给系统包括高压气瓶，所述高压气瓶依次经压缩机和减压阀并通过进气管路连接所述低压釜和高压釜的进气口，通过所述高压气瓶向釜内注气来控制釜内压力；其中，所述进气管路上设置有流量计。

3.根据权利要求1或2所述的高压油气水管流蜡沉积实验装置，其特征在于，所述测量系统包括液相质量流量计、压差计、压力传感器和温度传感器，所述液相质量流量计设于所述测试段出口管路上，用于采集流量数据；所述压差计至少为两个，分别位于所述测试段和参比段，用于采集所述测试段和参比段两段压降；所述压力传感器数量为至少两个，分别位于所述测试段入口和参比段出口处；所述温度传感器数量至少为6个分别用于采集测试段入口、出口温度，所述测试段外部水套管温度，所述参比段外部水套管温度以及采集所述参比段入口和出口温度。

4.根据权利要求1或2所述的高压油气水管流蜡沉积实验装置，其特征在于，所述温控系统包括若干恒温水浴、保温层及外层，每一所述恒温水浴依次通过所述保温层和外层进行包裹形成夹套式水浴，分别用于对所述测试段、参比段、高压釜、低压釜的油温进行加热或冷却。

5.根据权利要求4所述的高压油气水管流蜡沉积实验装置，其特征在于，所述恒温水浴采用DC-0530低温恒温水浴，所述保温层采用聚氨酯泡沫塑料，所述外层采用铝箔胶带包裹。

6.根据权利要求3所述的高压油气水管流蜡沉积实验装置，其特征在于，该实验装置采用两个流程进行实验：

（1）双釜流程：

所述高压釜—所述液相质量流量计—所述测试段—所述参比段—所述低压釜—所述柱塞泵—所述高压釜；

（2）单釜流程：

所述低压釜—所述磁力泵—所述液相质量流量计—所述测试段—所述参比段—所述低压釜。

7.根据权利要求1或2所述的高压油气水管流蜡沉积实验装置，其特征在于，所述数据采集系统包括数据采集卡和数据采集模块，所述数据采样卡用于采集液相质量流量计、压差计、压力传感器和温度传感器的数据，所述数据采集模块采用DasyLab 13.0软件，用于对所述数据采集卡的采集过程进行控制，并对采集的数据进行分析处理，计算出所述测试段管内结蜡后的管内径，得到蜡沉积层平均厚度和蜡沉积速率。

8.根据权利要求1或2所述的高压油气水管流蜡沉积实验装置，其特征在于，所述磁力泵的驱动采用调频电机和磁力泵的方式，所述磁力泵采用高压胶管与所述环道系统相连，以便隔离机械振动；所述柱塞泵出口处设置有安全溢流阀，且所述柱塞泵的驱动采用调频电机和泵的方式。

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