CN110345378A - 一种测试液化天然气非平衡气液两相管道流动的实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测试液化天然气非平衡气液两相管道流动的实验装置；该装置由高压氮气瓶、液化天然气储罐、流量计、液氮容器、阀门、温度计、压力表、实验测试管道、调压反应容器、恒压泵、液化天然气汽化器、冷凝器、低温泵、电加热装置、真空杜瓦、真空泵组成。通过改变减压阀开度以及恒压泵转速控制测试管道和调压反应容器内的压力；通过改变电加热装置的功率和液氮注入量控制实验测试管道和调压反应容器的温度；从而测试液化天然气输送管道与外界环境在大温差条件下气液相变和两相流动。本发明克服了现有装置不能测定低温LNG在管道流动过程中气液相变速率和两相流动的缺点，具有循环利用液化天然气的功能，减少了实验成本。

Description

一种测试液化天然气非平衡气液两相管道流动的实验装置
技术领域
本发明涉及一种测试液化天然气非平衡气液两相管道流动的实验装置，涉及到液化天然气储存、运输和管道输送领域。
背景技术
液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)是在常压下将天然气冷却至-162℃后形成的液体混合物，主要成分包括甲烷，以及少量的乙烷、丙烷等轻烃组分。管道在LNG的处理和输送过程中发挥着十分重要的作用。为了保证LNG在管道内处于液体状态，管道内的温度维持在-162℃以下，而管道周围的环境温度一般为大气温度，因此LNG输送温度与环境温度与之间的差值可高达170℃以上。在如此特殊的大温差条件下，环境与管道之间会发生剧烈的传热，导致LNG输送管道内的温度升高和LNG汽化、改变管道内的压力、温度、气液两相流速和体积比例，使得管道内出现气阻、压力骤增等影响管道安全运行的重大问题。因此，准确的分析LNG输送管道内的气液相变速率及两相流动规律是保证管道安全、高效运行的前提。
LNG的气液相变过程是在压力、温度变化条件下，气相与液相间之间的特殊质量和热量传递过程。这一气液相间的质量和热量传递过程从开始到完成需要经历一定的时间，也就是说LNG在管道内的气液相变过程不能在瞬间达到平衡状态，即属于非平衡气液相变过程。由于LNG输送管道与外界环境之间的温度差远远大于天然气、原油、凝析液等传统常温液体输送管道(管道内的温度一般与环境温度保持一致)，LNG输送管道与外界环境之间的传热速率、LNG的非平衡气液相变速率和两相流动规律也必然与传统常温液体输送管道不同。
为了对LNG的气化速率、气液两相流速和体积比例进行准确的实验测试，就需要准确模拟LNG输送管道的低温流动条件和外界环境的高温条件，并对温度、压力进行准确的控制。然而，目前对于油气介质的非平衡气液相变的实验测试主要都是在反应釜内进行的，所针对的实验介质主要是原油、天然气等常温液体；这类实验装置不能模拟低温LNG在输送管道内流动状态，也不能模拟和控制LNG管道与环境之间的大温差，因此难以获得研究LNG非平衡气液相变参数和气液两相管流所需要的实验参数。
发明内容
本发明的目的是：提供一种测试液化天然气非平衡气液两相管道流动的实验装置，可以有效测试LNG在管道流动过程中管道内压力、温度、气液两相流速、比例和气液相变持续时间。一种测试液化天然气非平衡气液两相管道流动的实验装置，由高压氮气瓶1、第一阀2、液化天然气储罐3、第二阀4、第一流量计5、第三阀6、液氮容器7、第四阀8、真空泵9、第五阀10、第六阀11、第一温度计12、第一压力表13、第二温度计14、第二压力表15、实验测试管道16、第七阀17、第八阀18、第九阀19、冷凝器20、低温泵21、第十阀22、第十一阀23、液化天然气汽化器24、第二流量计25、安全阀26、电加热装置27、真空杜瓦28以及连接上述设备的管道组成；
其特征在于所述高压氮气瓶1、第一阀2、液化天然气储罐3、第二阀4、第一流量计5、第六阀11、实验测试管道16、第七阀17、第八阀18、第九阀19、冷凝器20、低温泵21、第十阀22、液化天然气储罐3顶部依次连接构成实验装置主循环回路；所述液氮容器7、第三阀6连接到第二阀4和第一流量计5之间的管道上；所述真空泵9、第四阀8依次连接到第一流量计5的出口管道上；所述第五阀10将第一流量计5和真空杜瓦28内部相连通；所述第一温度计12安装到实验测试管道16靠近入口的弯头外壁面和内部；所述第一压力表13安装到实验测试管道16靠近入口的弯头内部；所述第二温度计14安装到实验测试管道16靠近出口的弯头外壁面和内部；所述第二压力表15安装到实验测试管道16靠近出口的弯头内部；所述安全阀26、第二流量计25、液化天然气汽化器24、第十一阀23依次相连并连接到第八阀18与第九阀19之间的管道上。所述电加热装置27安装在真空杜瓦28内部；所述真空杜瓦28容纳第一流量计5出口管道到第七阀17出口管道之间的所有设备和管道，维持实验必需的低温条件；所述真空泵9可以对实验测试管道16和真空杜瓦28抽真空；所述液氮容器7中的液氮既可以注入到实验测试管道16中，预冷实验测试管道16内部，也可以注入到真空杜瓦28，预冷实验测试管道16外部；所述实验测试管道16出口排出的LNG既可以通过冷凝器20、低温泵21，进入液化天然气储罐3的顶部，实现LNG的循环利用，也可以通过液化天然气汽化器24安全放空；所述高压氮气瓶1中的氮气可以注入到液化天然气储罐3，改变LNG的压力，从而驱动液化天然气在实验测试管道16内流动，并使LNG发生气液相变；改变电加热装置27的功率，可以调节实验测试管道16的温度，并使LNG发生气液相变；改变第七阀17和第八阀18的开度，可以调节LNG在实验测试管道16内的流速；
通过所述实验测试管道16观察LNG在管道流动过程中的气液相变现象；
通过所述第一温度计12、第一压力表13、第二温度计14、第二压力表15记录实验测试管道16内的温度、压力数据以及实验测试管道16外壁面的温度数据；通过所述实验测试管道16观察LNG的气液相的体积比例；通过所述第一流量计5测量LNG的体积流量，结合气液相体积比例数据得到LNG在管道流动过程中的气液相流速数据。
本发明由于采取以上技术方案，可以达到以下有益效果：
(1)通过真空泵9对实验测试管道16和真空杜瓦28抽真空；将第一流量计5出口管道到第七阀17出口之间的所有设备和管道容纳到真空杜瓦28内部，以降低外界环境辐射换热、对流换热对实验装置温度的影响，可以较长时间内维持实验所需的外部温度条件；
(2)通过将液氮容器7中的液氮注入到实验测试管道16和真空杜瓦28中，能降低实验测试管道16和外部环境温度；通过改变电加热装置27的功率，可以升高真空杜瓦28内的温度，从而改变实验测试管道16的外壁面和外部环境温度；利用这两套温控装置，可以自由的降低或升高实验测试管道16的外部环境温度，理论温控范围可达-196℃～80℃，模拟不同条件下管道所处的外部温度环境；
(3)通过将高压氮气瓶1中的氮气注入到液化天然气储罐3，改变LNG的压力，从而驱动LNG在实验测试管道16内流动；通过改变第一阀2的开度可以调节实验测试管道16内的LNG压力；通过调节第七阀17和第八阀18的开度，可以控制LNG在实验测试管道16内的流速；从而实现可控压力、温度、流速条件下LNG非平衡气液两相流动的实验测试；
(4)实验结束后从测试管道16出口排出的残余LNG既可以通过冷凝器20液化和低温泵21增压后重新进入液化天然气储罐3的顶部，实现LNG的循环利用，也可以通过液化天然气汽化器24汽化后安全放空；具有安全、经济的特点。
附图说明
图1是本发明提供的测试液化天然气非平衡气液两相管道流动的实验装置的结构示意图。
图中：1-高压氮气瓶、2-第一阀、3-液化天然气储罐、4-第二阀、5-第一流量计、6-第三阀、7-液氮容器、8-第四阀、9-真空泵、10-第五阀、11-第六阀、12-第一温度计、13-第一压力表、14-第二温度计、15-第二压力表、16-实验测试管道、17-第七阀、18-第八阀、19-第九阀、20-冷凝器、21-低温泵、22-第十阀、23-第十一阀、24-液化天然气汽化器、25-第二流量计、26-安全阀、27-电加热装置、28-真空杜瓦。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明作进一步说明，但本发明具体实施形式多种多样，并不局限于以下实施例。
本发明一种测试液化天然气非平衡气液两相管道流动的实验装置，包括：1-高压氮气瓶、2-第一阀、3-液化天然气储罐、4-第二阀、5-第一流量计、6-第三阀、7-液氮容器、8-第四阀、9-真空泵、10-第五阀、11-第六阀、12-第一温度计、13-第一压力表、14-第二温度计、15-第二压力表、16-实验测试管道、17-第七阀、18-第八阀、19-第九阀、20-冷凝器、21-低温泵、22-第十阀、23-第十一阀、24-液化天然气汽化器、25-第二流量计、26-安全阀、27-电加热装置、28-真空杜瓦。
具体实施方式为：
第一步：关闭第一阀2、第二阀4、第三阀6、第八阀18、第九阀19、第十阀22、第十一阀23，安全阀26，打开第四阀8、第五阀10、第六阀11、第七阀17；
第二步：开启真空泵9，对实验测试管道16和真空杜瓦28抽真空，并用第一压力表13、第二压力表15测定真空压力；
第三步：当真空压力达到0.03MPa后，抽真空结束，关闭真空泵9、第四阀8；
第四步：打开第三阀6、第八阀18、第十一阀23，安全阀26，对实验测试管道16和真空杜瓦28预冷，并通过第一温度计12、第二温度计14测定实验测试管道16内部和外壁温度；第五步：当温度达到-162℃，完成预冷工作，关闭第三阀6、第五阀10；
第六步：关闭第十一阀23，打开第一阀2、第二阀4、第九阀19、第十阀22，开启冷凝器20、低温泵21、电加热装置27，使液化天然气储罐3中的LNG在实验测试管道16内部流动，从实验测试管道16排出的LNG通过冷凝器20液化、低温泵21增压后返回液化天然气储罐3实现回收利用；
第七步：通过调节第一阀2的开度控制实验测试管道16内的压力，通过调节电加热装置27的功率控制实验测试管道16外壁面和外部环境温度，通过调节第七阀17和第八阀18的开度，控制LNG在实验测试管道16内的流速。利用温度、压力以及气液相流速的变化，控制LNG在实验测试管道16内发生气液相变。
第八步：利用安装在实验测试管道16上的第一温度计12、第二温度计14、第一压力表13、第二压力表15记录实验测试管道16内部的温度、压力以及实验测试管道16外壁面的温度，利用第一流量计5记录实验测试管道16内的LNG流量；
第九步：通过实验测试管道16的可视化窗口观察管道内的气液两相体积比例；
第十步：记录气液两相发生相变的时间；
第十一步：关闭第一阀2、第二阀4、第九阀19、第十阀22，关闭冷凝器20、低温泵21、电加热装置27；
第十二步：打开第十一阀23，开启液化天然气汽化器24，设备和管道内残余的LNG经过液化天然气汽化器24汽化后安全放空；
第十三步：关闭液化天然气汽化器24，实验测试结束。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种测试液化天然气非平衡气液两相管道流动的实验装置，由高压氮气瓶(1)、第一阀(2)、液化天然气储罐(3)、第二阀(4)、第一流量计(5)、第三阀(6)、液氮容器(7)、第四阀(8)、真空泵(9)、第五阀(10)、第六阀(11)、第一温度计(12)、第一压力表(13)、第二温度计(14)、第二压力表(15)、实验测试管道(16)、第七阀(17)、第八阀(18)、第九阀(19)、冷凝器(20)、低温泵(21)、第十阀(22)、第十一阀(23)、液化天然气汽化器(24)、第二流量计(25)、安全阀(26)、电加热装置(27)、真空杜瓦(28)以及连接上述设备的管道组成；其特征在于所述高压氮气瓶(1)、第一阀(2)、液化天然气储罐(3)、第二阀(4)、第一流量计(5)、第六阀(11)、实验测试管道(16)、第七阀(17)、第八阀(18)、第九阀(19)、冷凝器(20)、低温泵(21)、第十阀(22)、液化天然气储罐(3)顶部依次连接构成实验装置主循环回路；所述液氮容器(7)、第三阀(6)连接到第二阀(4)和第一流量计(5)之间的管道上；所述真空泵(9)、第四阀(8)依次连接到第一流量计(5)的出口管道上；所述第五阀(10)将第一流量计(5)和真空杜瓦(28)内部相连通；所述第一温度计(12)安装到实验测试管道(16)靠近入口的弯头外壁面和内部；所述第一压力表(13)安装到实验测试管道(16)靠近入口的弯头内部；所述第二温度计(14)安装到实验测试管道(16)靠近出口的弯头外壁面和内部；所述第二压力表(15)安装到实验测试管道(16)靠近出口的弯头内部；所述安全阀(26)、第二流量计(25)、液化天然气汽化器(24)、第十一阀(23)依次相连并连接到第八阀(18)与第九阀(19)之间的管道上。所述电加热装置(27)安装在真空杜瓦(28)内部；所述真空杜瓦(28)容纳第一流量计(5)出口管道到第七阀(17)出口管道之间的所有设备和管道，维持液化天然气在管道内流动所需的温度条件。
2.如权利要求1所述的一种测试液化天然气非平衡气液两相管道流动的实验装置，其特征在于：所述真空泵(9)可以对实验测试管道(16)和真空杜瓦(28)抽真空；所述液氮容器(7)中的液氮既可以注入到实验测试管道(16)中，预冷实验测试管道(16)内部，也可以注入到真空杜瓦(28)，预冷实验测试管道(16)外部，实现管道外部温度的控制；所述高压氮气瓶(1)中的氮气可以注入到液化天然气储罐(3)，改变LNG的压力，从而驱动液化天然气在实验测试管道(16)内流动，并使LNG发生气液相变；改变电加热装置(27)的功率，可以调节实验测试管道(16)的温度，并使LNG发生气液相变；改变第七阀(17)和第八阀(18)的开度，可以调节LNG在实验测试管道(16)内的流速；通过所述实验测试管道(16)观察一定温度、压力、流速条件下液化天然气在管道流动过程中的气液相变现象。
3.如权利要求1所述的一种测试液化天然气非平衡气液两相管道流动的实验装置，其特征在于：所述实验测试管道(16)出口排出的LNG既可以通过冷凝器(20)、低温泵(21)，进入液化天然气储罐(3)的顶部，实现LNG的循环利用，也可以通过液化天然气汽化器(24)安全放空。
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