CN113368725A - 管道流体流态发生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道流体流态发生装置及方法，混合器；空压机和水泵，空压机和水泵分别通过第一管道、第二管道与混合器的入口连通，第一管道上连接有第一电磁阀，第二管道上连接有第二电磁阀；混输泵，其与混合器的出口通过第三管道连通；第一段塞腔室，其入口通过第四管道与第一管道连接，其出口通过第五管道与第三管道连接，第五管道上设置有第三电磁阀；第二段塞腔室，设置于第三管道上，位于第二段塞腔室出口的第三管道上设置有第四电磁阀和气液两相流传感器；PLC，其与第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、气液两相流传感器和驱动机构连接。本发明使气相和液相按预定气液比输入井筒，对其混合状态进行调节控制。

Description

管道流体流态发生装置及方法

技术领域

本发明涉及管道流体技术领域。更具体地说，本发明涉及一种管道流体流态发生装置及方法。

背景技术

在混输泵进行测试过程中，需要对段塞流、均匀流等多种气液混合状态下的混输泵运转稳定性进行测试。这就需要一种不同流体流态的产生装置。基于“一种调节气液混合流态的混合器”装置可以在不同气液比状态下产生均匀的流体。但同时在试验过程由于手动操作阀门存在人为误差，以及无法动态调节等问题，导致无法达到均匀的气液混合比。这就需要一种不同流体混合的控制方法，实现不同流速、不同气液比流体状态的自动转换，完成混输泵不同流体状态下的运转稳定性测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种管道流体流态发生装置及方法，使气相和液相按预定气液比输入井筒，对其混合状态进行调节控制。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种管道流体流态发生装置，其包括：

混合器，所述混合器在其管道内设置两个可相对旋转的部件，两个部件均通过驱动机构驱动其转动，两个部件均设置有通流孔，两个部件相对旋转以改变两个部件的通流孔贯通的流通面积，以改变气液混合流的流体速度达到均匀混合；

空压机和水泵，空压机和水泵分别通过第一管道、第二管道与混合器的入口连通，所述第一管道上连接有第一电磁阀，所述第二管道上连接有第二电磁阀；

混输泵，其与混合器的出口通过第三管道连通；

第一段塞腔室，其入口通过第四管道与第一管道连接，其出口通过第五管道与第三管道连接，所述第五管道上设置有第三电磁阀；

第二段塞腔室，设置于第三管道上，位于第二段塞腔室出口的第三管道上设置有第四电磁阀和气液两相流传感器；

PLC，其与第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、气液两相流传感器和驱动机构连接。

优选的是，所述混合器包括：

壳体，其具有水平的贯通通道并分别连通第一管道和第三管道，所述壳体上具有下凹的环形槽；

内调节环，其下部为环状结构且从环形槽中竖直插入，所述内调节环的上部凸出于所述壳体外，所述内调节环相对的两侧均开设有多个第一孔洞，所述内调节环另外两个相对侧均开设有第一通孔；

外调节环，其下部和上部均为环状结构，所述外调节环下部从环形槽中竖直插入，所述外调节环恰好套设于所述内调节环外和环形槽内，所述外调节环相对的两侧开设有多个第二孔洞，多个第一孔洞和多个第二孔洞一一对应，所述外调节环在其另外两个相对侧均开设有第二通孔，所述第一通孔和第二通孔一一对应；所述内调节环和外调节环设置为可相对转动；

所述驱动机构包括驱动内调节环的第一电机和驱动外调节环的第二电机。

优选的是，所述壳体为水平的圆柱体结构，所述壳体中部向外扩展延伸使得整个壳体形成十字型圆柱相互交叉的结构，所述环形槽沿竖向的圆柱向下凹陷形成。

优选的是，所述内调节环和外调节环均为下大上小的阶梯型结构，所述内调节环和外调节环的下部均恰好配合于所述环形槽中，上部均形成为连接第一电机/第二电机的操纵杆。

优选的是，所述环形槽向下凹陷至所述壳体的贯通通道下方形成环形卡槽，所述内调节环和外调节环的下端恰好配合于环形卡槽中。

优选的是，靠近气液混合流入口一侧的第一孔洞与第二孔洞贯通形成朝向出口聚集的倾斜状态；靠近气液混合流出口一侧的第一孔洞与第二孔洞贯通形成直线型。

优选的是，所述内调节环和外调节环的阶梯处设置有盖板，其与所述壳体的环形槽密封配合。

本发明还提供了一种利用管道流体流态发生装置控制气液流态的方法，需要产生均匀流时，通过PLC控制驱动机构，分别带动内调节环和外调节环旋转，使内调节环第一孔洞和外调节环第二孔洞对准混合器的入口，再根据不同的气液比，调节第一孔洞和第二孔洞的贯通面积，使气液达到均匀混合；

需要产生段塞流时，通过PLC控制驱动机构，分别带动内调节环和外调节环旋转，使内外调节环第一通孔和外调节环第二通孔对准混合器的入口，使整个通道全通径贯通，通过PLC控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀连续间断开关，通过气液通道的通断产生段塞流。

本发明至少包括以下有益效果：本申请的管道流体流态发生装置即方法可以产生段塞流和均匀流的流态，从而实现不同工况下混输泵的运转测试。

混合器在含气率0-100％的气液介质混合时，都可实现动态调节其混合均匀度，保证混输泵在相对稳定工况下长期平稳运行；同时，本申请的混合器结构简单，便于安装和调节。

混合器应用在混输泵的工业应用领域，安装到混输泵入口位置，可提升混输泵运行稳定性，减小装置振动。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明管道流体流态发生装置示意图；

图2为本发明混合器的侧视图；

图3为本发明混合器的俯视图；

图4为本发明混合器的正视图。

附图标记说明：

1、壳体，11、混合器的入口，12、混合器的出口，2、内调节环，21、第一通孔，22、第一孔洞，3、外调节环，31、第二通孔，32、第二孔洞，4、盖板，5、混合器，6、驱动机构，7、水泵，8、第一管道，9、第一电磁阀，10、第二管道，11、第二电磁阀，12、第一段塞腔室，13、第三管道，14、第四管道，15、第五管道，16、第三电磁阀，17第二段塞腔室，18、第四电磁阀，19、气液两相流传感器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1～4所示，本发明提供一种管道流体流态发生装置，包括：

混合器5，所述混合器5在其管道内设置两个可相对旋转的部件，两个部件均通过驱动机构6驱动其转动，两个部件均设置有通流孔，两个部件相对旋转以改变两个部件的通流孔贯通的流通面积，以改变气液混合流的流体速度达到均匀混合；

空压机和水泵7，空压机和水泵7分别通过第一管道8、第二管道10与混合器5的入口11连通，所述第一管道8上连接有第一电磁阀9，所述第二管道10上连接有第二电磁阀11；

混输泵，其与混合器5的出口12通过第三管道13连通；

第一段塞腔室12，其入口通过第四管道14与第一管道8连接，其出口通过第五管道15与第三管道13连接，所述第五管道15上设置有第三电磁阀16；所述第五管道15与第三管道13的连接端位于第四电磁阀18和气液两相流传感器19之间，第四管道14在第一管道8的连接端位于空压机和第一电磁阀9之间。

第二段塞腔室17，设置于第三管道13上，位于第二段塞腔室17出口的第三管道13上设置有第四电磁阀18和气液两相流传感器19；

PLC，其与第一电磁阀9、第二电磁阀11、第三电磁阀16、第四电磁阀18、气液两相流传感器19和驱动机构6连接。

本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述混合器5包括：

壳体1，其具有水平的贯通通道并分别连通第一管道8和第三管道13，所述壳体1上具有下凹的环形槽；壳体1两端通过法兰结构连接第一管道8和第三管道13。

内调节环2，其下部为环状结构且从环形槽中竖直插入，所述内调节环2的上部凸出于所述壳体1外，所述内调节环2相对的两侧均开设有多个第一孔洞22，所述内调节环2另外两个相对侧均开设有第一通孔21；

外调节环3，其下部和上部均为环状结构，所述外调节环3下部从环形槽中竖直插入，所述外调节环3恰好套设于所述内调节环2外和环形槽内，所述外调节环3相对的两侧开设有多个第二孔洞32，多个第一孔洞22和多个第二孔洞32一一对应，所述外调节环3在其另外两个相对侧均开设有第二通孔31，所述第一通孔21和第二通孔31一一对应；所述内调节环2和外调节环3设置为可相对转动；所述通流孔包括第一孔洞22、第一通孔21、第二孔洞32、第二通孔31。

内调节环2上设置有一对第一通孔21，外调节环3上设置有一对第二通孔31，第一通孔21和第二通孔31一一对应设置，一对第一通孔21和相对设置的一对多个第一孔洞22构成的第一孔洞22组最优的设置为分别均匀间隔设置在内调节环2的四个方向，而外调节环3上的第二孔洞32和第二通孔31也是如此设置。当转动内调节环2和外调节环3使得一对第一通孔21和一对第二通孔31分别一一对应与所述壳体1的贯通通道贯通时，整个通道变为普通的流通通道。

所述驱动机构6包括驱动内调节环2的第一电机和驱动外调节环3的第二电机。所述第一电机和第二电机均为步进电机。

在上述技术方案中，内调节环2和外调节环3设置为可沿竖直轴自由相对旋转，所述外调节环3和内调节环2相互紧密套设后恰好套设于环形槽中，且可在环形槽中转动，通过转动内调节环2和外调节环3使得其上的多个第一孔洞22和多个第二孔洞32相互贯通的流通面积发生变化，同时，第一孔洞22和第二孔洞32具有一定的喷嘴作用，通过喷射可以实现气液的充分接触混合，从而调节气液混合流的混输状态，例如流速，并在内调节环2中间的空腔中发生充分均匀混合，再从混输泵入口侧的孔洞中流出。

在实际试验过程中，为了获得需要的气液混合效果，必须旋转内调节环2和外调节环3，使得第一孔洞22和第二孔洞32之间的通流孔开度较小，这导致在内调节环2和外调节环3之间的通流孔中产生更高的流体速度，同时气液流体也能更好的混合。

本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述壳体1为水平的圆柱体结构，所述壳体1中部向外扩展延伸使得整个壳体1形成十字型圆柱相互交叉的结构，所述环形槽沿竖向的圆柱向下凹陷形成。

本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述内调节环2和外调节环3均为下大上小的阶梯型结构，所述内调节环2和外调节环3的下部均恰好配合于所述环形槽中，上部均形成为连接第一电机/第二电机的操纵杆。

本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述环形槽向下凹陷至所述壳体1的贯通通道下方形成环形卡槽，所述内调节环2和外调节环3的下端恰好配合于环形卡槽中。

在上述技术方案中，在环形卡槽中还可设置密封轴承连接内调节环2和外调节环3的下端，增加内调节环2和外调节环3连接的强度和稳定性，同时保证内调节环2和外调节环3的转动。

本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：靠近气液混合流入口一侧的第一孔洞22与第二孔洞32贯通形成朝向出口聚集的倾斜状态；靠近气液混合流出口一侧的第一孔洞22与第二孔洞32贯通形成直线型。

在上述技术方案中，混合器5可以将层流、塞流、环形流、分散流、气泡流等类型的多相流进行均匀混合。尤其是液体位于入口的底部，而气体在入口流动横截面的其余部分。在这种情况下，入口的第一孔洞22与第二孔洞32向中部汇聚的倾斜结构将有助于将液体从入口的底部向上提升，而气体从入口的较高部分将被向下流向壳体1的中心区域，即内调节环2的中间腔体。气态和液态的两相将在壳体1的中央区域发生有效混合。气液混合物通过混合器5下游出口的第一孔洞22与第二孔洞32的直线型平行通道进一步压出，会使整个流动截面上的流体成分进一步均质化。

本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述内调节环2和外调节环3的阶梯处设置有盖板4，其与所述壳体1的环形槽密封配合。

一种利用管道流体流态发生装置控制气液流态的方法，其特征在于，

需要产生均匀流时，通过PLC控制驱动机构6，分别带动内调节环2和外调节环3旋转，使内调节环2第一孔洞22和外调节环3第二孔洞32对准混合器5的入口11，通过气液两相流传感器19检测气液均匀混合的程度(即气液比)检测信号传递给PLC，通过PID或模糊控制等控制算法将控制信号由PLC传递给步进电机，通过步进电机的旋转，调节第一孔洞22和第二孔洞32的贯通面积，使内调节环2和外调节环3之间的通流孔中产生合适的流体速度，使流体成分进一步均质化，保证气液流体达到最优的均匀混合度。

需要产生段塞流时，通过PLC控制驱动机构6，分别带动内调节环2和外调节环3旋转，使内外调节环3第一通孔21和外调节环3第二通孔31对准混合器5的入口11，使整个通道全通径贯通，通过PLC控制第一电磁阀9、第二电磁阀11、第三电磁阀16和第四电磁阀18连续间断开关，即第二电磁阀11和第四电磁阀18开启时，第三电磁阀16和第一电磁阀9关闭，保持设定时间；第二电磁阀11和第四电磁阀18关闭时，第三电磁阀16和第一电磁阀9开启，保持设定时间；如此循环往复。这样，通过气液通道的通断产生段塞流。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (8)

1.一种管道流体流态发生装置，其特征在于，包括：

混合器，所述混合器在其管道内设置两个可相对旋转的部件，两个部件均通过驱动机构驱动其转动，两个部件均设置有通流孔，两个部件相对旋转以改变两个部件的通流孔贯通的流通面积，以改变气液混合流的流体速度达到均匀混合；

空压机和水泵，空压机和水泵分别通过第一管道、第二管道与混合器的入口连通，所述第一管道上连接有第一电磁阀，所述第二管道上连接有第二电磁阀；

混输泵，其与混合器的出口通过第三管道连通；

第一段塞腔室，其入口通过第四管道与第一管道连接，其出口通过第五管道与第三管道连接，所述第五管道上设置有第三电磁阀；

第二段塞腔室，设置于第三管道上，位于第二段塞腔室出口的第三管道上设置有第四电磁阀和气液两相流传感器；

PLC，其与第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、气液两相流传感器和驱动机构连接。

2.如权利要求1所述的管道流体流态发生装置，其特征在于，所述混合器包括：

壳体，其具有水平的贯通通道并分别连通第一管道和第三管道，所述壳体上具有下凹的环形槽；

内调节环，其下部为环状结构且从环形槽中竖直插入，所述内调节环的上部凸出于所述壳体外，所述内调节环相对的两侧均开设有多个第一孔洞，所述内调节环另外两个相对侧均开设有第一通孔；

外调节环，其下部和上部均为环状结构，所述外调节环下部从环形槽中竖直插入，所述外调节环恰好套设于所述内调节环外和环形槽内，所述外调节环相对的两侧开设有多个第二孔洞，多个第一孔洞和多个第二孔洞一一对应，所述外调节环在其另外两个相对侧均开设有第二通孔，所述第一通孔和第二通孔一一对应；所述内调节环和外调节环设置为可相对转动；

所述驱动机构包括驱动内调节环的第一电机和驱动外调节环的第二电机。

3.如权利要求2所述的管道流体流态发生装置，其特征在于，所述壳体为水平的圆柱体结构，所述壳体中部向外扩展延伸使得整个壳体形成十字型圆柱相互交叉的结构，所述环形槽沿竖向的圆柱向下凹陷形成。

4.如权利要求3所述的管道流体流态发生装置，其特征在于，所述内调节环和外调节环均为下大上小的阶梯型结构，所述内调节环和外调节环的下部均恰好配合于所述环形槽中，上部均形成为连接第一电机/第二电机的操纵杆。

5.如权利要求3所述的管道流体流态发生装置，其特征在于，所述环形槽向下凹陷至所述壳体的贯通通道下方形成环形卡槽，所述内调节环和外调节环的下端恰好配合于环形卡槽中。

6.如权利要求1所述的管道流体流态发生装置，其特征在于，靠近气液混合流入口一侧的第一孔洞与第二孔洞贯通形成朝向出口聚集的倾斜状态；靠近气液混合流出口一侧的第一孔洞与第二孔洞贯通形成直线型。

7.如权利要求4所述的管道流体流态发生装置，其特征在于，所述内调节环和外调节环的阶梯处设置有盖板，其与所述壳体的环形槽密封配合。

8.一种利用权利要求1～7任一所述的管道流体流态发生装置控制气液流态的方法，其特征在于，

需要产生均匀流时，通过PLC控制驱动机构，分别带动内调节环和外调节环旋转，使内调节环第一孔洞和外调节环第二孔洞对准混合器的入口，再根据不同的气液比，调节第一孔洞和第二孔洞的贯通面积，使气液达到均匀混合；

需要产生段塞流时，通过PLC控制驱动机构，分别带动内调节环和外调节环旋转，使内外调节环第一通孔和外调节环第二通孔对准混合器的入口，使整个通道全通径贯通，通过PLC控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀连续间断开关，通过气液通道的通断产生段塞流。

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