CN110849420A - 一种用于研究起伏管线携液的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于研究起伏管线携液的实验装置，包括气相供给系统、实验管路系统和测量系统。气相供给系统包括依次管路连接的空气压缩机、气体缓冲罐和混合器。实验管路系统包括在混合器后依次通过法兰管路连接的进液管道、U型管和出液管道。测量系统包括气体流量计、压力传感器、若干压差传感器、温度传感器、光源和高速摄像机。本发明可实现实验室条件下对起伏管线携液的流动规律以及压降特性的研究，对数值模拟结果进行实验验证，完善气体携液的流动机理，同时结合流型和压降对气体携液能力展开研究，具有灵活性强，占用空间小和便于操作等优点。

Description

一种用于研究起伏管线携液的实验装置

技术领域

本发明涉及油气输送领域，尤其涉及一种用于研究起伏管线携液的实验装置。

背景技术

近年来，随着对清洁能源需求的不断扩大，越来越多的天然气得到使用。而对天然气的输送最常用的方法就是管道输送，管道输送具有连续高效和安全稳定的特点，在天然气资源开发和输送过程中发挥着重要作用。输送过程中因环境等因素会在管道中产生积液尤其是在起伏管线的位置。积液的产生会影响天然气的输送甚至会生成天然气水合物堵塞管道危害管道安全，因此需要对积液进行排除并提高输送效率。螺旋流同时存在轴向及切向速度分量，且切向速度的作用不能忽略，在燃烧技术、水力输送、旋风分离、射流技术、气力输送等方面应用广泛。综上螺旋流也可以应用于起伏管线的携液领域，以减少管道堵塞，确保油气的安全输送。

目前，对起伏管线携液的研究主要集中在流速和携液量方面，未将流型和压降考虑进去，缺乏完整和严谨性。因此，设计一种用于研究起伏管线携液并且兼顾流型、压降的实验装置，对于研究起伏管线携液的流动规律应用具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术之不足，本发明提供一种具有可视化的起伏管线，便于在实验中记录管线内部流型、压降，便于研究起伏管线携液的流动规律的一种用于研究起伏管线携液的实验装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于研究起伏管线携液的实验装置，包括气相供给系统、实验管路系统和测量系统。

所述的气相供给系统包括依次管路连接的空气压缩机、气体缓冲罐和混合器。

所述的实验管路系统包括在混合器后依次通过法兰管路连接的进液管道、U型管和出液管道，所述的进液管道、U型管和出液管道均为透明材质。透明材质可便于流型的观察和记录。所述的进液管道与出液管道为水平管路，U型管包括对称设计的下倾段和上倾段，U型管下倾段前开有注水孔，进液管道内固定有起旋器，所述的实验管路系统还包括供U型管浸入的开口透明水箱，开口透明水箱内灌注有水且水深没过U型管的下端。在记录流型时，开口透明水箱内注满水可用于拍摄时减少管路带来的误差。

所述的测量系统包括气体流量计、压力传感器、若干压差传感器、温度传感器、光源和高速摄像机；所述的气体流量计位于气体缓冲罐与混合器之间的管路上，用于计量从气体缓冲罐出来的气体流量；所述的压力传感器位于进液管道上，且位于进液管道安装起旋器管路之前，用于测量系统的压力值；所述的压差传感器则分别位于U型管的下倾段、上倾段和出液管道所对应位置处，用于测量一定距离的压差值；所述的温度传感器则设置在出液管路中段位置处，用于测量系统的温度；所述的光源对应设置在U型管后方，高速摄像机则与光源对应并置于开口透明水箱前方，用于捕捉实验管段动态的流动特性，以分析其流动规律。

在上述方案中，通过气相供给系统、实验管路系统和测量系统的配合，可通过高速摄像机拍摄起伏管线中的携液图像，同时由于实验管路采用多段式的连接，可根据需要跟换实验管段进行实验。

进一步的，为了便于支撑整个实验装置，所述的实验管路系统下设有用于支撑实验管路系统的平台系统；所述的平台系统包括分别对应进液管道和出液管道下方设置的支架，所述的支架上固定有实验平台，所述的实验平台上则固定有支撑进液管道和出液管道的管托；进液管道下方的支架与出液管道下方的支架之间则连接有与U型管开口方向相对的U型支架。

进一步的，为了便于模拟螺旋流的产生，便于在进液管道内安装起旋器，所述的进液管道包括法兰连接的第一段实验管道和第二段实验管道，所述的压力传感器位于第一段实验管道末端，所述的起旋器则固定在第一段实验管道与第二段实验管道之间的法兰中，所述的起旋器包括中心轴和环绕在中心轴上的四个螺旋叶片。

进一步的，所述的出液管道包括第三段实验管道，所述第三段实验管道前端与U型管法兰连接，该法兰后的第三实验管道外固定有透明方砖，所述的透明方砖上表面具有供第三实验管道配合嵌入的柱形中空。透明方砖可有效减少拍摄时圆形出液管道所带来的误差。所述的第三段实验管道尾端通过法兰连接有弯头，所述弯头尾端连接有软管，软管尾端出水口处设有承接出水的水桶，水桶为敞口圆柱形水桶，用于收集被实验中气体携带出来的液体。

所述的空气压缩机与气体缓冲罐之间的管路上设有止回阀。止回阀可以使压缩气体从空气压缩机流向气体缓冲罐而防止压缩气体从气体缓冲罐回流至空气压缩机。所述的气体缓冲罐与气体流量计之间的管路上还设有气体流量调节阀。所述的气体缓冲罐顶部设有弹簧式安全阀和压力表。当罐内压力将要超过气体缓冲罐的承压能力时，弹簧式安全阀可自动打开向外界释放气体，防止气体缓冲罐损坏。

进一步的，开口透明水箱与进液管道、U型管和出液管道均采用相同的有机玻璃材质制成。

进一步的，混合器内布满长条状波浪板，使空气在实验管道中均匀分布，确保实验系统稳定运行。

进一步的，光源与U型管之间设有宣纸，在光源前覆盖一层宣纸，可有效均匀光线，改善拍摄效果。

本发明的有益效果是，本发明提供的一种用于研究起伏管线携液的实验装置，结构设计合理，通过气相供给系统、实验管路系统和测量系统的配合，可通过高速摄像机拍摄起伏管线中的携液图像；灵活性高，可通过更换实验管段进行其他实验，如起伏管线段更换为弯管则可以进行弯管实验；准确性好，高速摄像机、压差传感器、压力传感器和流量传感器均为高精度、高灵敏性的仪器，测量的数据准确可靠；同时安全性能好，能有效控制气体缓冲罐内气体压力，避免发生损坏。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明最优实施例的结构示意图。

图2是本发明最优实施例中起旋器的结构示意图。

图3是本发明最优实施例中开口透明水箱的结构示意图。

图4是本发明最优实施例中有机玻璃方砖的结构示意图。

图5是本发明最优实施例中有机玻璃方砖组成透明方砖的结构示意图。

图中1、空气压缩机 2、止回阀 3、弹簧式安全阀 4、压力表 5、气体缓冲罐 6、气体流量调节阀 7、气体流量计 8、混合器 9、第一段实验管道 10、温度传感器 11、起旋器 12、第二段实验管道 13、宣纸 14、注水孔 15、U型管 16、开口透明水箱 17、U型支架 18、高速摄像机 19、管托 20、透明方砖 21、第三段实验管道 22、实验平台 23、弯头 24、软管 25、水桶 26、压力传感器 27、压差传感器 28、支架 29、光源。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示一种用于研究起伏管线携液的实验装置，是本发明最优实施例，包括气相供给系统、实验管路系统和测量系统。

所述的气相供给系统包括依次管路连接的空气压缩机1、气体缓冲罐5和混合器8。混合器8内布满长条状波浪板，使空气在实验管道中均匀分布，确保实验系统稳定运行。

空气压缩机1为螺杆式压缩机，排气压力0.7MPa，排气量为1.35m³/min；气体缓冲罐5容积为2m³。当气体缓冲罐5内气体的压力达到0.8MPa时，空气压缩机1自动停止工作，进入待机状态；当气体缓冲罐5内气体的压力小于0.6MPa时，空气压缩机1又自动开启，进入工作状态。

所述的空气压缩机1与气体缓冲罐5之间的管路上设有止回阀2。止回阀2可以使压缩气体从空气压缩机1流向气体缓冲罐5而防止压缩气体从气体缓冲罐5回流至空气压缩机1。

所述的气体缓冲罐5与气体流量计7之间的管路上还设有气体流量调节阀6。气体流量调节阀6为DN25的闸阀，通过旋转阀门控制流量大小。

所述的气体缓冲罐5顶部设有弹簧式安全阀3和压力表4。当罐内压力将要超过气体缓冲罐5的承压能力时，弹簧式安全阀3可自动打开向外界释放气体，防止气体缓冲罐5损坏。

所述的实验管路系统包括在混合器8后依次通过法兰管路连接的进液管道、U型管15和出液管道，所述的进液管道、U型管15和出液管道均为透明材质。透明材质可便于流型的观察和记录。所述的进液管道与出液管道为水平管路，U型管15包括对称设计的下倾段和上倾段。为了便于模拟携液，U型管15下倾段前开有注水孔14。注水孔14为U型管15前端的开孔，目的在于实验前向U型管15中注入达到实验所需液面，模拟起伏管线积液，注水完成后通过堵头密封注水孔，随后进行气体在起伏管线中的携液实验。进液管道内固定有起旋器11，实验时气体通过起旋器11产生螺旋气流携带注水孔14注入U型管15中的液体前进模拟起伏管线携液实验。

为了便于模拟螺旋流的产生，便于在进液管道内安装起旋器11，所述的进液管道包括法兰连接的第一段实验管道9和第二段实验管道12，所述的出液管道包括第三段实验管道21，所述第三段实验管道21前端与U型管15法兰连接，该法兰后的第三实验管道外固定有透明方砖20，所述的透明方砖20上表面具有供第三实验管道配合嵌入的半圆柱形镂空。

在实际设计中，开口透明水箱16与进液管道、U型管15和出液管道均采用相同的有机玻璃材质制成。其中进液管道、出液管道为有机玻璃材质的透明管，其中第一段实验管道9和第二段实验管道12长0.3m，第三段实验管道21长1m，内径均为25mm，外径均为35mm，管与管之间通过尺寸为DN25的法兰连接而成。U型管15为有机玻璃材质的弯管，用于模拟输气管线的起伏管段，在下倾段和上倾段接有测压孔，用于接入压差传感器27测量携液时的压差变化。U型管15长0.7m，内径25mm，外径35mm，高度0.3m，通过法兰与两端的实验管道连接。透明方砖20是由两片长20cm、宽8cm，高5cm的有机玻璃方砖组成，且有机玻璃方砖一侧表面具有直径35mm的半圆柱形镂空，两片有机玻璃方砖前后夹在一起，半圆柱形镂空面对贴形成柱形中空，供第三段实验管道21配合嵌入放置，为第三段实验管道21提供有效支撑，可有效减少拍摄时第三段实验管道21所带来的误差。

所述的实验管路系统还包括供U型管15浸入的开口透明水箱16，开口透明水箱16内灌注有水且水深没过U型管15的下端。开口透明水箱16为有机玻璃材质，长0.5m，宽0.3m，高0.4m，上方的两边开了直径35mm的半圆，供U型管15两端放置。在记录流型时，开口透明水箱16向内注满水可用于拍摄时减少管路带来的误差。

所述的第三段实验管道21尾端通过法兰连接有弯头23，弯头23尺寸为DN25。所述弯头23尾端连接有软管24，软管24尾端出水口处设有承接出水的水桶25，水桶25为半径为20cm的敞口圆柱形水桶25，用于收集被实验中气体携带出来的液体。

所述的起旋器11则固定在第一段实验管道9与第二段实验管道12之间的法兰中，所述的起旋器11包括中心轴和环绕在中心轴上的四个螺旋叶片。起旋器11由光敏树脂通过3D打印制成，螺旋叶片倾角60°、厚度2mm。四个螺旋叶片旋转180°均匀分布在中心轴上，中心轴直径为15mm，用于产生螺旋流。

所述的测量系统包括气体流量计7、压力传感器、若干压差传感器27、温度传感器10、光源29和高速摄像机18。

所述的气体流量计7位于气体缓冲罐5与混合器8之间的管路上，用于计量从气体缓冲罐5出来的气体流量，气体流量计7优选为涡轮流量计，量程范围为2.5-25m³/h。

所述的压力传感器位于第一段实验管道9末端，量程范围为0-0.5MPa，用于测量系统的压力值。

所述的压差传感器27则分别位于U型管15的下倾段、上倾段和出液管道所对应位置处，用于测量一定距离的压差值，量程范围为0-6.22kPa。

所述的温度传感器10则设置在第三段实验管道21的透明方砖20后方的位置处，用于测量系统的温度，量程范围为0-100℃。

所述的光源29对应设置在U型管15后方，为两组41cm、30W的LED灯，用于给高速摄像机18照明。光源29与U型管15之间设有宣纸13，在光源29前覆盖一层宣纸13，可有效均匀光线，改善拍摄效果。

高速摄像机18则与光源29对应并置于开口透明水箱16前方，最高帧率为10000帧/秒，满幅分辨率为2048×1088。用于捕捉实验管段动态的流动特性，以分析其流动规律。

为了便于支撑整个实验装置，所述的实验管路系统下设有用于支撑实验管路系统的平台系统；所述的平台系统包括分别对应进液管道和出液管道下方设置的支架28，所述的支架28上固定有实验平台22，所述的实验平台22上则固定有支撑进液管道和出液管道的管托19，管托19内径为35mm，用于将有机玻璃材质的管道与实验平台22固定。在实际设计中，可分别对应进液管道和出液管道设计两个长度分别为0.7m、1.2m，宽12cm的槽钢作为实验平台22，用于支撑实验设备。进液管道下方的支架28与出液管道下方的支架28之间则连接有与U型管15开口方向相对的U型支架17。

在实验过程中，通过气相供给系统、实验管路系统和测量系统的配合，模拟起伏管线携液，并通过高速摄像机18记录流型，便于对管段内动态流动进行特性规律分析，实现实验室条件下对起伏管线携液的流动规律以及压降特性的研究，对数值模拟结果进行实验验证，完善气体携液的流动机理，同时结合流型和压降对气体携液能力展开研究，具有灵活性强，占用空间小和便于操作等优点。

由于实验管路系统通过法兰进行多段式的分段安装，更可根据需要通过更换实验管段进行其他实验，例如将起伏管线段更换为上倾弯管，则可进行上倾弯管携液的实验分析。气相供给系统设计合理，通过气体缓冲罐5的设计，提高安全性能，在罐内压力过高时，可及时自动向外释放气体，防止气体缓冲罐5发生损坏。而配合采样设计的高速摄像机18和光源29的配合，使得采集流型数据稳定可靠，同时压差传感器27、压力传感器和流量传感器均为高精度、高灵敏性仪器，采集数据准确可靠，有效提高了实验的准确性和可靠性。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种用于研究起伏管线携液的实验装置，其特征在于：包括气相供给系统、实验管路系统和测量系统；

所述的气相供给系统包括依次管路连接的空气压缩机(1)、气体缓冲罐(5)和混合器(8)；

所述的实验管路系统包括在混合器(8)后依次通过法兰管路连接的进液管道、U型管(15)和出液管道，所述的进液管道、U型管(15)和出液管道均为透明材质，所述的进液管道与出液管道为水平管路，U型管(15)包括对称设计的下倾段和上倾段，U型管(15)下倾段前开有注水孔(14)，进液管道内固定有起旋器(11)，所述的实验管路系统还包括供U型管(15)浸入的开口透明水箱(16)，开口透明水箱(16)内灌注有水且水深没过U型管(15)的下端；

所述的测量系统包括气体流量计(7)、压力传感器、若干压差传感器(27)、温度传感器(10)、光源(29)和高速摄像机(18)；所述的气体流量计(7)位于气体缓冲罐(5)与混合器(8)之间的管路上；所述的压力传感器位于进液管道上，且位于进液管道安装起旋器(11)管路之前；所述的压差传感器(27)则分别位于U型管(15)的下倾段、上倾段和出液管道所对应位置处；所述的温度传感器(10)则设置在出液管路中段位置处；所述的光源(29)对应设置在U型管(15)后方，高速摄像机(18)则与光源(29)对应并置于开口透明水箱(16)前方。

2.如权利要求1所述的一种用于研究起伏管线携液的实验装置，其特征在于：所述的实验管路系统下设有用于支撑实验管路系统的平台系统；所述的平台系统包括分别对应进液管道和出液管道下方设置的支架(28)，所述的支架(28)上固定有实验平台(22)，所述的实验平台(22)上则固定有支撑进液管道和出液管道的管托(19)；进液管道下方的支架(28)与出液管道下方的支架(28)之间则连接有与U型管(15)开口方向相对的U型支架(17)。

3.如权利要求1所述的一种用于研究起伏管线携液的实验装置，其特征在于：所述的进液管道包括法兰连接的第一段实验管道(9)和第二段实验管道(12)，所述的压力传感器位于第一段实验管道(9)末端，所述的起旋器(11)则固定在第一段实验管道(9)与第二段实验管道(12)之间的法兰中，所述的起旋器(11)包括中心轴和环绕在中心轴上的四个螺旋叶片。

4.如权利要求1所述的一种用于研究起伏管线携液的实验装置，其特征在于：所述的出液管道包括第三段实验管道(21)，所述第三段实验管道(21)前端与U型管(15)法兰连接，该法兰后的第三实验管道外固定有透明方砖(20)，所述的透明方砖(20)上表面具有供第三实验管道配合嵌入的柱形中空，所述的第三段实验管道(21)尾端通过法兰连接有弯头(23)，所述弯头(23)尾端连接有软管(24)，软管(24)尾端出水口处设有承接出水的水桶(25)。

5.如权利要求1所述的一种用于研究起伏管线携液的实验装置，其特征在于：所述的空气压缩机(1)与气体缓冲罐(5)之间的管路上设有止回阀(2)，所述的气体缓冲罐(5)与气体流量计(7)之间的管路上还设有气体流量调节阀(6)；所述的气体缓冲罐(5)顶部设有弹簧式安全阀(3)和压力表(4)。

6.如权利要求1所述的一种用于研究起伏管线携液的实验装置，其特征在于：所述的开口透明水箱(16)与进液管道、U型管(15)和出液管道均采用相同的有机玻璃材质制成。

7.如权利要求1所述的一种用于研究起伏管线携液的实验装置，其特征在于：所述的混合器(8)内布满长条状波浪板。

8.如权利要求1所述的一种用于研究起伏管线携液的实验装置，其特征在于：所述的光源(29)与U型管(15)之间设有宣纸(13)。

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