CN110243635B - 一种精准测量管内固液两相流浓度的取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精准测量管内固液两相流浓度的取样装置。所述取样装置包括储液罐和取样杆；储液罐设于主管道的管壁上且与主管道密封配合；储液罐的侧壁上近其底部处设有出流导管，出流导管的末端连接节流阀；储液罐内设有与其环壁密封配合且固定连接的推片；取样杆的上部与推片垂直固定连接，其下部延伸至主管道的管壁上设置的通孔，取样杆的末端能与通孔密封配合；取样杆的上部设有出液口，出液口设于推片的下部；取样杆的下部仅在其末端处设有进液口；取样杆的上部与升降控制装置连接，升降控制装置能控制取样杆上下移动。本发明装置可以通过蜗轮丝杆升降机的转轮转动带动取样杆在主管道内上下运动，实现主管道内不同高度的多点精准取样。

Description

一种精准测量管内固液两相流浓度的取样装置

技术领域

本发明涉及一种精准测量管内固液两相流浓度的取样装置，属于多相流管道输运领域。

背景技术

在现代工业如石油、化工、核电、海洋工程等领域，输运管道被广泛应用于各类流态物料的传输，我国正在投资建设一些重点项目，如西气东输工程、海底石油输送管线、核电站、新型舰艇均有应用，而这些输运管道内流体多为多相流，对多相流管道内部代表性样品进行取样和分析，测定其含水率、泥沙浓度、组分、浓度、pH、沉淀物含量等物性参数有时是必要的，尽管有些管道安装有在线测量仪器，可以实现对流体中物性参数的实时测量，但往往测量指标单一、配套的测量仪器价格昂贵且所采集的样品可能不具有代表性，因此有必要进行多相流管道内部样品的原位取样，用试验室分析的方法确定多相流液体特征参数，因此，及时、准确、均匀地取样，其重要性不亚于化验工作本身。

现有管道取样装置一般分为以下几个类型：一是在主管道上旁通一个支管，然后连接一个阀门，取样时打开阀门，主管道内流体就会在管道内压力作用下流出，达到取样的目的；二是对第一种取样装置进行了改进，紧贴主管道外壁添加了相对复杂的取样机构，取消了旁接管道，基本的原理不变；三是主管道上安装深入管道内的取样管，通过其他复杂机制实现管道内流体的取样。以上三类方法均存在明显弊端：1、第一类取样装置因为支管连接于主管道管壁，因此所取样品均为管壁处流体，而管道多相流在管道不同截面处流体的物理状态(浓度、流速、分布等)是不同的，因此，取样存在系统误差；另外，由于旁接支管具有一定长度，因此，支管内长期存在静止流体，影响下一次取样的纯度；第三，如果管道内流体粘性很大或者比较容易凝固，则极易导致支管堵塞，影响取样。2、第二类取样装置虽然解决了取样不纯和容易堵塞的问题，但是仍然存在只能取到主管管壁某处的样品，存在取样系统误差。3、第三类取样装置只是把取样点从管道壁面移到了管道中间位置，可以取到管道内主流流体样品，但是无法取样管壁处样品，仍然存在一定误差，同时，由于取样管长期处于主管道中央，取样管本身具有一定体积和形状，会严重阻碍主管道过流能力(特别是当主管道管径较小时)，甚至引起管路堵塞等。

发明内容

本发明的目的是提供一种管内固液两相流动精准取样装置，可通过移动取样管达到主管道不同深度实现精准取样，并且不影响主管道的过流能力，取样精准，在一定程度上提高了取样效率和样品真实性、代表性。

具体地，本发明所提供的精准测量管内固液两相流浓度的取样装置，包括储液罐和取样杆；

所述储液罐设于主管道的管壁上且与所述主管道密封配合；

所述储液罐的侧壁上近其底部处设有出流导管，所述出流导管的末端连接节流阀；

所述储液罐内设有与其环壁密封配合且固定连接的推片；

所述取样杆的上部与所述推片垂直固定连接，其下部延伸至所述主管道的管壁上设置的通孔，所述取样杆的末端能与所述通孔密封配合；

所述取样杆为中空杆件，所述取样杆的上部设有出液口，所述出液口设于所述推片的下部；所述取样杆的下部近其末端处设有进液口；

所述出液口和所述进液口平行于所述主管道的轴向方向，即所述进液口和所述出液口对准所述主管道的过流方向；

取样流体从所述出液口进入所述储液罐，所述主管道内的流体从所述进液口进入所述取样杆中；

所述取样杆的上部与升降控制装置连接，所述升降控制装置能控制所述取样杆上下移动。

上述的取样装置中，设于所述出流导管上的所述节流阀，具有控制取样流体流量的作用，由于所述主管道内流体压力可能较大，取样时容易出现喷溅或者流量过大的情况，所述节流阀将流体流量控制在一定范围内，防治漏液和其他危险事故。

上述的取样装置中，所述取样杆的末端与所述主管道的管壁形状一致，关闭取样装置时所述取样杆的末端可以与所述主管道完全吻合，降低对主管道内流体的影响；

所述主管道为圆柱体形时，所述取样杆的末端优选为圆弧形。

所述取样杆的底部管道光滑过渡，降低能量损失。

上述的取样装置中，所述推片与所述取样杆焊接固定。

上述的取样装置中，所述推片的侧面上设有若干条凹槽，如三条所述凹槽；

每条所述凹槽配合一开口为90°的密封圈；

三条所述密封圈的开口依次呈90°错开。

上述的取样装置中，所述升降控制装置为蜗轮丝杆升降机，在所述蜗轮丝杆升降机的带动下，所述取样杆上下运动，但不旋转。

上述的取样装置中，所述蜗轮丝杆升降机与所述取样杆通过法兰连接，其中所述蜗轮丝杆升降机的顶部设有法兰盘；

所述蜗轮丝杆升降机固定于设于所述储液罐顶部的固定装置上；

所述蜗轮丝杆升降机与所述固定装置通过螺栓连接。

上述的取样装置中，所述储液罐的底部固定一个密封底座，所述取样杆贯穿所述密封底座；

所述密封底座内设有U型密封圈，从而使所述密封底座与所述取样杆之间形成动密封柱塞结构；

所述密封底座的顶部螺栓连接密封底座盖。

上述的取样装置中，所述推片内设有一腔体，当所述取样杆向下移动时，所述腔体能与所述固定底座配合(吻合)，从而可将所述储液罐内的液体完全推出。

本发明中，所述储液罐是金属质地，用于暂时储存所取流体样品，起到过渡作用，同时是其他一些部件的支撑框架，如，所述固定装置焊接于所述储液罐的顶部，所述升降控制装置通过螺栓固定于所述固定装置上。

本发明取样装置能实现取样的基本原理是：开始阶段，所述取样杆的末端与所述主管道齐平，打开所述节流阀。之后，转动旋转手柄，所述蜗轮丝杆升降机的移动杆带动所述取样杆向下运动至所述主管道底部，所述推片将所述储液罐内气体推出，而后关闭所述节流阀，在所述储液罐内形成真空。然后转动旋转手柄，所述蜗轮丝杆升降机的移动带动所述取样杆向上运动到达所述主管道内的不同高度，流体在所述主管道内流速与管道压力作用下进入所述取样杆，而后顺流而上到达出流口，进入到所述储液罐中。达到一定的取液量后，转动旋转手柄，将所述取样杆提升至所述储液罐底部，停止进液，然后打开所述节流阀，让液体通过所述出流导管流出，完成取样。

本发明管内固液两相流动精准取样装置具有如下优点：

1、较于现有装置，优点在于可以通过蜗轮丝杆升降机的转轮转动带动取样杆在主管道内上下运动，实现主管道内不同高度的多点精准取样。

2、取样口正对流体，有助于低管道压力工况下顺利取样，且取样杆底部结构做成圆弧状，与主管道轮廓一致，关闭取样装置时底部可以与主管道完全吻合，降低对主管道内流体的影响。

3、该装置可以根据不同需求更换不同长度、口径的主管道、取样杆等，以满足不同的使用需求。同时结构简单、可靠性强、操作方便、易于掌握，具有很高的推广价值。

4、通过各位置的精准取样，结合所测数据，可以画出管道内固液两相流浓度的分布曲线，对于实验研究也有很大的帮助。

5、该装置适用范围很广，能够应对不同使用情况，而且可以通过改变流速来改变取样速度。

附图说明

图1为本发明精准测量管内固液两相流浓度的取样装置整体结构图。

图2为图1的横剖面图。

图3为图1的纵剖图。

图4为本发明精准测量管内固液两相流浓度的取样装置中的蜗轮丝杆升降机整体结构图。

图5为本发明精准测量管内固液两相流浓度的取样装置中的储液罐的整体结构图与剖视图。

图6为本发明精准测量管内固液两相流浓度的取样装置中的推片的整体结构图、正视图与剖视图。

图7为本发明精准测量管内固液两相流浓度的取样装置中的取样杆的整体结构图与剖视图。

图8为本发明精准测量管内固液两相流浓度的取样装置中的固定装置的整体结构图。

图中各标记如下：

1法兰、2主管道、3储液罐、4密封底座、5U型密封圈、6密封底座盖、7取样杆、8推片、9密封圈、10固定装置、11蜗轮丝杆升降机、12出流导管、13节流阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1所示，为本发明提供的精准测量管内固液两相流浓度的取样装置整体结构图，其横剖面图和纵剖面图分别如图2和图3所示，该取样装置包括蜗轮丝杆升降机11、储液罐3、推片8、取样杆7和固定装置10，其结构示意图分别如图4-图8所示，其中，图5中从左至右依次为储液罐3的整体图与剖视图，图6中从左至右依次为推片8的整体图、正视图和剖视图，图7中从左至右依次取样杆7的整体图与剖视图。

储液罐3用于暂时储存所取流体样品，同时是其他一些部件的支撑框架，焊接固定在主管道2上，在主管道2两端连接有法兰1。储液罐3的侧面仅底部处设有开口，连接出流导管12，在出流导管12末端与节流阀13通过法兰连接。储液罐3的顶部焊接固定装置10，蜗轮丝杆升降机11通过螺栓固定在固定装置10上。

如图2和图7所示，取样杆7为中空杆件，上部连接有推片8和法兰。取样杆7的上部设置出液口71(与主管道2的轴向方向一致)，其在推片8的下方，取样流体从出液口71进入储液罐3中。

如图6所示，推片8的侧面上设有3条凹槽，分别安装了开口90°的密封圈9，开口依次旋转90°。取杆杆7的正底端密封，在紧邻正底端侧边开进液口72(与主管道2的轴向方向一致)，液体从此进入取样杆7中，取样杆7的底部管道光滑过渡，降低能量损失；取样杆7的末端做成圆弧形，与主管道2的轮廓一致，关闭取样装置时底部可以与主管道2完全吻合，降低对主管道2内流体的影响。密封底座4固定于储液罐3的底面中央，中间开口，穿过取样杆7，二者之间由U型密封圈5软连接，然后由密封底座盖6通过螺栓与密封底座4固定，形成动密封柱塞结构。蜗轮丝杆升降机11通过螺栓固定在固定装置10上，通过法兰与取样杆7顶部固定连接，带动取样杆7上下运动。

如图3所示，节流阀13通过法兰与出流导管12的末端连接，出流导管12连接于储液罐3的底部处。

取样装置的储液罐、蜗轮丝杆升降机、取样杆、密封圈等均可进行批量生产，可通过改变取样杆长度满足不同管道管径需求。

采用本发明取样装置进行取样时，可按照下述步骤进行：

开始时，取样杆7的末端与主管道2齐平，打开节流阀13。之后，转动旋转手柄，蜗轮丝杆升降机11的移动杆带动取样杆7向下运动至主管道2底部，推片8将储液罐3内气体推出，而后关闭节流阀13，在储液罐3内形成真空。然后转动旋转手柄，蜗轮丝杆升降机11的移动带动取样杆7向上运动到达主管道2内的不同高度，流体在主管道2内流速与管道压力作用下进入取样杆7，而后顺流而上到达出流口，进入到储液罐3中。达到一定的取液量后，转动旋转手柄，将取样杆7提升至储液罐3底部，停止进液，然后打开节流阀13，让液体通过出流导管12流出，完成取样。

本发明取样装置可用于下述应用：

在管道中，随着浆体平均流速的下降，固体颗粒的分布会更加不均匀，当速度减小到一定程度时，甚至会在管到底部出现淤积层，此时的流速称为淤积流速。通常浆体的运载体都是水，正常情况下都是紊流状态，所以非均质悬液在淤积状态下的流速也都是紊流状态。淤积流速与浆体的紊动程度和颗粒沉降速度有关，所以它主要受颗粒性质的影响，如颗粒直径、颗粒含量和颗粒质量等。为了管道的安全运行，防止管道内形成淤积层，必须使流速超过某一给定的最小值，这个速度就是临界沉降流速。

固体物料的比重：

式中，P为清水密度；ρ_s为固体物料在密室状态下，单位体积所具有的质量。

浆体比重：

式中，P为清水密度；ρ_m：浆体密度。

浆体的浓度有几种表示方法。一种是单位时间流过的固体体积与浆体的体积之比，叫做体积浓度，一般取百分比；另一种是单位时间流过的固体重量与浆体重量之比，叫做重量浓度。具体表示为下述二种形式：

式中，C_v为浆体的体积浓度；C_w为浆体的质量浓度；Q_s、Q_m分别为固体物、浆体的体积流量。

当水与固体物混合时，浆体的体积浓度、重量浓度、浆体比重、固体物比重之间的关系。当知道其中任意两个参数时，可在图中查得另外两个参数的相应的值。

1.当管径在200mm以下通常用杜德拉公式计算临界沉降流速。公式如下：

式中，g为重力加速度；D为管径；F_L为与粒径、浓度等有关的速度系数；S₁为载体的比重；S为固体物料的比重。

以一管道输水为例，管径D＝200mm，固体物料比重S＝3.3，载体比重S₁＝1.13，F_L查表可知为1.02，粒径d₅₀＝170μm，浆体的体积浓度C_v＝17％，计算管路中的临界沉降速度。

2.当管径大于200mm时，使用凯夫公式比较合适，公式如下

式中，D为管径；d₅₀为中值粒径；C_v为体积浓度。

以一尾矿管道水力输送为例，管径D＝400mm，固体物比重S＝2.65，累积重量50％时的粒径d₅₀＝170μm，体积浓度C_v＝25％。

当在实际应用中，应首先确定管径，然后按临界沉降流速公式进行校核，判断管道内流速是否大于临界沉降流速，以防止管内流速过低而发生管道堵塞。

垂直管道中的阻力特性：在垂直向上的流动中，固体颗粒的速度将小于水质点的速度，速度差约等于颗粒的沉降速度。当颗粒沉降速度小于浆体平均速度很多时，可忽略固液两相在垂直方向的相对运动，这时浆体在单位距离的水头损失i_m以清水柱表示时，公式为：

i_m＝i_w+c_v(r_s-1)(1—8)

式中，i_m为浆体的水力梯度；i_w为清水的水力梯度；c_v为固体体积浓度；r_s为固体的比重。

Claims (4)

1.一种精准测量管内固液两相流浓度的取样装置，包括储液罐和取样杆；

所述储液罐设于主管道的管壁上且与所述主管道密封配合；

所述储液罐的侧壁上近其底部处设有出流导管，所述出流导管的末端连接节流阀；

所述储液罐内设有与其环壁密封配合的推片，所述推片能沿所述储液罐的环壁上下移动；

所述取样杆的上部与所述推片垂直固定连接，其下部延伸至所述主管道的管壁上设置的通孔，所述取样杆的末端能与所述通孔密封配合；

所述取样杆为中空杆件，所述取样杆的上部设有出液口，所述出液口设于所述推片的下部；所述取样杆的下部靠近其末端处设有进液口；

所述出液口和所述进液口平行于所述主管道的轴向方向；

所述取样杆的上部与升降控制装置连接，所述升降控制装置能控制所述取样杆上下移动，进而带动所述推片上下移动；

所述升降控制装置为蜗轮丝杆升降机；

所述蜗轮丝杆升降机与所述取样杆通过法兰连接；

所述蜗轮丝杆升降机固定于设于所述储液罐顶部的固定装置上；

所述蜗轮丝杆升降机与所述固定装置通过螺栓连接；

所述储液罐的底部固定一个密封底座，所述取样杆贯穿所述密封底座；

所述密封底座内设有U型密封圈，从而使所述密封底座与所述取样杆之间形成动密封柱塞结构；

所述密封底座的顶部螺栓连接密封底座盖；

所述推片内设有一腔体，当所述取样杆向下移动时，所述腔体能与所述密封底座配合，从而可将所述储液罐内的液体完全推出。

2.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于：所述取样杆的末端与所述主管道的管壁形状一致。

3.根据权利要求1或2所述的取样装置，其特征在于：所述推片与所述取样杆焊接固定。

4.根据权利要求3所述的取样装置，其特征在于：所述推片的侧面上设有若干条凹槽；

每条凹槽配合一开口为90°的密封圈。

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