一种热油长输管道仿真实验装置的制作方法

本实用新型属于油气储运领域，具体涉及一种热油长输管道仿真实验装置。

背景技术：

截至2017年初，我国原油长输管道总里程为2.6万公里，冷热油交替输送、多品种原油加剂改性长距离顺序输送等新术，已成功应用于我国原油管道的建设与运行。然而，由于国产原油存在高粘易凝的特点，使得加热输送依然是更为稳妥的输送方式。热油管道具有热力和水力参数耦合的特点，管道运行调度中明确各个参数间的相互影响和流动关系，掌握管道系统的运行规律，分析和处理管道系统的事故工况，提出合理的运行方案，保障管道安全、经济运行就显得至关重要。仿真环道实验是一种安全高效、针对性强的培训平台。

中国专利，CN200969181，公开日期为2007年10月31日，公开了《一种管道输油模拟装置》，该装置没有清管操作的设备和流程，也没有涉及翻越点的流程，与工程实际差异较大；中国专利CN106932215A，公开日期为2017年7月7日，公开了《一种模拟液体长输管道密闭输送的实验装置》，存在实验管道长度短，侧重教学和演示、限于等温输送工艺的模拟、对大落差管段下坡段压能超限无法解决、不能实现工程实际中沿线分输、接收等诸多问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种热油长输管道仿真实验装置，通过流程切换，能够实现热油管道多工况运行，并且能对大落差下坡管段超限压实现能量回收，该装置能对长输管道进行仿真实验，与生产现场贴合密切，实用性强。

为了实现上述目的，本实用新型在结构上包括并列设置的若干组干线仿真泵站，干线仿真泵站之间通过输油干管串联为闭合环道，第一干线仿真泵站连接第一储油罐，第一储油罐的内部设置有电加热棒及稳流栅，其他干线仿真泵站上设置有带越站阀的压力越站管线，干线仿真泵站之间连接用于输送高压油流的站间串接管路；在任意两组干线仿真泵站之间的输油干管上设有用于收发清管球的收球装置和发球装置，收球装置和发球装置之间连接用于观察流动状态的有机玻璃管；在任意两组干线仿真泵站之间的输油干管上通过支干线连接用于调节输油连续或间歇状态的支干线仿真泵站，输油干管的末端安装倒V型的有机玻璃管；

各组干线仿真泵站的进出站处均设置有用于测量压力及温度的变送器，输油干管与第一干线仿真泵站相连的首端及末端分别设有用于采集流量的双转子流量计，所有的变送器以及双转子流量计均连接PLC控制器；每个干线仿真泵站包括两台离心油泵，分别为额定转速泵和变频调速泵；两台离心油泵通过阀门控制能够串、并联运行或互为备用独立运行；每个干线仿真泵站出站口的输油干管上通过出站调节阀实现流量及压力的调节；

干线仿真泵站之间的输油干管通过管架分层布置。

所述的支干线仿真泵站包括第二储油罐和第三储油罐，第三储油罐连接液力透平，液力透平并联有旁通管路，旁通管路上设有全流量调节阀；液力透平通过超速离合器连接离心油泵，离心油泵与超速离合器之间设置有转速扭矩仪，离心油泵连接电机，经离心油泵加压之后的油液分为两路，一路回流至第三储油罐，另一路输送至输油干管。

第一储油罐与第三储油罐为常压储罐，第二储油罐为预先充入氮气的高压稳压储油罐。

离心油泵连接输油干管的管路上设有过滤消气器及双转子流量计，第二储油罐连接干线仿真泵站出油并经设有过滤消气器及双转子流量计的管路连接离心油泵。

收球装置和发球装置分别通过带控制球阀的管路并接在输油干管上，所述的收球装置和发球装置自身通过清管三通阀被带有控制球阀的管路短接。

输油干管的外部包覆有岩棉保温层与聚乙烯防护层，并通过法兰与各个组件分别连接。

所述输油干管末端安装的倒V型有机玻璃管的落差为5m。

每个干线仿真泵站的两台离心油泵吸入管路上均设有过滤器。

所述的干线仿真泵站并列设置有4组，干线仿真泵站之间的输油干管通过管架由低至高分为4层设置，在一层管架上铺设第一干线仿真泵站与第二干线仿真泵站之间的输油干管，二层管架上铺设第二干线仿真泵站与第三干线仿真泵站之间的输油干管，三层管架上铺设第三干线仿真泵站与第四干线仿真泵站之间的输油干管，四层管架上铺设第四干线仿真泵站与第一储油罐之间的输油干管。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：通过将若干组干线仿真泵站串联为闭合环道，设置支干线仿真泵站实现两组干线仿真泵站之间连续或者间歇输油的状态调整，每个干线仿真泵站包括两台离心油泵，通过阀门控制能够串、并联运行或互为备用独立运行，该实验装置通过切换流程，能够实现热油管道的多工况运行，输油干管末端安装的倒V型有机玻璃管能够模拟大落差管段下坡段超限压能并实现能量回收，在任意两组干线仿真泵站之间的输油干管上设有用于收发清管球的收球装置和发球装置，实现清管过程，在收球装置和发球装置之间连接有机玻璃管，能够观察清管球的流动状态。本实用新型实验过程中数据获取方便，能对实验装置的运行情况进行实时监控，与生产现场贴合紧密，实用性较强。

附图说明

图1本实用新型的整体结构示意图；

图2本实用新型的第四干线仿真泵站结构示意图；

图3本实用新型收发清管球的结构示意图；

图4本实用新型支干线仿真泵站的结构示意图；

图5本实用新型管架的分布示意图；

图6本实用新型监控系统的原理框图；

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。

参见图1，6，本实用新型主要由热力、水力系统和实时监控系统构成，水力系统含有至少一座具有加热和保温功能的储油罐和一座仿真泵站，储油罐和仿真泵站通过实验管路串联, 一座仿真泵站内包括两台离心油泵，两台离心油泵能够串并联运行或互为备用独立运行；实时监控系统由变送器、冗余PLC、高速数据采集卡、主机、控制柜组成。

参见图2，干线仿真泵站内的实验管路包括进站管路23和出站管路24，出站管路24上设有调节阀35。两台离心油泵分别为1#泵401和2#泵402，1#泵401和2#泵402的入口通过进口汇管26与进站管路23连接，1#泵401和2#泵402的出口通过出口汇管25与出站管路24连接；1#泵401的出口和2#泵402的入口通过串联管路27连接；干线仿真泵站内的1# 离心油泵在额定转速下运转，2#离心油泵为变频调速泵；出口汇管25上设有第一阀门28，进口汇管26上设有第二阀门29，串联管路27上设有第三阀门30。

1#泵401的吸入管路38依次设有第四阀门31和过滤器37，1#泵401的排出管路39依次设有第五阀门32和单向阀36；2#泵402的吸入管路38依次设有第六阀门33和过滤器37， 2#泵402的排出管路39依次设有第七阀门34和单向阀36。

本实用新型在整体结构上包括沿钢结构管架纵向等间距设置的四座结构相同的干线仿真泵站，分别为第一干线仿真泵站，第二干线仿真泵站、第三干线仿真泵站和第四干线仿真泵站，该四座干线仿真泵站和第一储油罐5通过输油干管7串联呈闭合环道；第一储油罐5内置用于控制第一干线仿真泵站出站油温的电加热棒20和稳流栅21；第一储油罐5通过金属软管9与第一干线仿真泵站连接；第二干线仿真泵站、第三干线仿真泵站以及第四干线仿真泵站设有压力越站管线6，压力越站管线上设有越站阀；四座干线仿真泵站通过串联短管8无阻连接，提供高压油流；第二干线仿真泵站与第三干线仿真泵站间的输油干管7上设有通过有机玻璃管17连接的收球装置19和发球装置18。第三干线仿真泵站与第四干线仿真泵站之间的输油干管7上连接有支干线16；输油干管7的末端呈倒V型并行设置有一段落差为5m 的有机玻璃管17，输油干管7上包覆有岩棉保温防护层22。

具体的，四座干线仿真泵站进出站均设置1台用于测量各站进出站压力与温度的变送器；第一干线仿真泵站的出站处和输油干线7末端分别设有1有一台第一双转子流量计15，用于首站发油量和末站收油量的在线计量；这些仪表均为工业级仪表，数据通过冗余PLC采集,由控制计算机集中显示；每座站内的1#和2#离心油泵通过第一阀门28，第二阀门29和第三阀门30的启闭实现串并联或独立运转；干线仿真泵站通过出站调节阀35进行流量与压力的调节。

一种热油长输管道仿真实验装置的输油干管7外敷20mm岩棉保温层和1.5mm聚乙烯防护层，采用Ф45X3的20#无缝钢管焊接与法兰连接，总长1600米，分四层环状布置于钢结构管架之上，每层长度400米，如图5所示。一层管架74上敷设第一干线仿真泵站与第二干线仿真泵站间的输油干管7，二层管架75上敷设第二干线仿真泵站与第三干线仿真泵站间的输油干管7，三层管架76上敷设第三干线仿真泵站与第四干线仿真泵站间的输油干管7，四层管架77上敷设第四干线仿真泵站与第一储油罐5间的输油干管7和清管系统。

钢结构管架长20米，宽4米，高2米，层间净距0.54米；四座干线仿真泵站设有站内仪表，站内的连接管路主要实现增压、压力越站、2台离心油泵连接形式切换等功能；辅助管路是与主管路相连的一些管路，具有泄压和污油回收功等功能。

参见图3，与二层管架75上敷设的输油干管7并联有清管系统，置于四层管架77上，包括收球筒49，发球筒48，清管器观察管53，通过第八球47与第七球阀46连接；第一球阀40、第二球阀41、第三球阀42、第四球阀43、第五球阀44、第六球阀45及其连接管路，用于清管操作时的流程切换，具体的，清管器52采用DN100制成，清管器观察管53为DN100 制成的有机玻璃管，长14米，分7段法兰密封连接，可观察到清管器52在管道内的运动状况；收球筒49和发球筒48直径均为150mm，上设压力表，放空阀和泄放阀，并通过第三球阀42和第六球阀45与输油干管7并接；第七球阀46和第八球47为直通球阀，由DN100制成，采用浮动式球阀Q41法兰硬密封。输油干线7的末端呈倒V型跨接落差为5m，跨距10m， DN40制成的有机玻璃管17，法兰密封连接，用于翻越点后流态的演示及高点压力控制。

大落差管段下坡段超限压能在实际工程中通常采用设置减压站予以控制来保证管道安全运行，本实用新型能够回收压能，如图4所示。包括液力透平57、离心油泵58、电机59、第二储油罐55，第三储油罐56；其中，第二储油罐55通过高压出油管64后分两路，一路通过透平进油管65与液力透平57的入口相连接，另一路通过旁通管路66与液力透平57的出口相连接，旁通管路66的末端与低压油管67连接，透平进油管65上串接有流量调节阀62、第二双转子流量计71和压力、温度变送器，液力透平57的低压出油管67设有一台压力、温度变送器，旁通管路66上设有流量调节阀62；液力透平57通过超速离合器60与离心油泵 58相连接，液力透平57的轴头上设有扭矩转速仪61；超速离合器60可以在超速情况下将液力透平57与离心油泵58脱离，此时，离心油泵58由电机59单独驱动；离心油泵58的出口管路69分为两路，并在出口管路69上设有压力、温度变送器以及第二双转子流量计71，其中一路与分输支干线连接，另一路与第三储油罐56相连，形成循环回路。离心油泵58的入口通过吸油管68与3#储油罐56的出口连接，第三储油罐56的入口通过低压油管67与液力透平57的出口端相连接，第三储油罐56的另一个入口通过管线69与离心油泵58的出口相连接。具体的，第二储油罐55预先充入一定量的压缩氮气，所述四座干线仿真泵站由站间串接短管8无阻连接后为第二储油罐55提供高压静压能，高压油流沿高压出油管64进入液力透平57，驱动液力透平57内的叶轮旋转做功，同时油流压能降低，沿低压油管67回流至第三储油罐56；液力透平57通过超速离合器60与被驱动离心输油泵58相连，因此，液力透平57内叶轮的旋转可以驱动离心油泵58内的叶轮旋转；第三储油罐56内的油流沿吸油管 68进入被驱动离心输油泵58加压后分两路，一路沿管路69回流入第三储油罐56，另一路沿分输支干线管路69向输油干线7分输注油；液力透平57轴头上的扭矩转速仪61测得液力透平57的转速达到稳定工况规定的高值时，通过调节液力透平57透平进油管65上的流量调节阀62的开度，减少流量，降低转速；当出现特殊情况，液力透平57转速持续上升到超速离合器60的脱口转速时，将流量调节阀62全关；当第二储油罐55的内液位过高，而液力透平 57所需流量较少时，通过旁通管路66上的流量调节阀62，使第二储油罐55内的部分油品通过透平旁通管66和低压油管67流入第三储油罐56。

本实验装置根据工艺流程，配合油气储运工程专业的教学与科研，可开展下列实验：

1、从“泵”到“泵”输送工艺仿真；

2、管道动态调节及其工作特性测定；

3、管道堵塞工况仿真；

4、管道泄漏工况仿真；

5、连续、间歇收油仿真；

6、连续、间歇分输仿真；

7、清管作业演示；

8、翻越点演示；

9、中间泵站停运及水击仿真；

10、架空热油管道温降规律研究；

11、液力透平水力性能测试；

12、离心泵水力性能测试；

13、比例定律验证。

下面进行具体介绍:

热油长输管道仿真实验装置以清水、白油作输送介质，实验开始前给操作控制台送电，开启总电源，打开计算机数据采集系统。

1、管道正常启动、正常启停泵站

启动第一干线仿真泵站的1#泵，缓慢打开第一干线仿真泵站的出站阀，待压力、流量稳定后，启动第三干线仿真泵站1#泵，缓慢打开第三干线仿真泵站的出站阀，待压力、流量稳定后，启动第二干线仿真泵站的1#泵，缓慢打开第二干线仿真泵站的出站阀，待压力、流量稳定后，启动第四干线仿真泵站的1#泵，缓慢打开第四干线仿真泵站的出站阀，以四个泵站的1#泵全部投入运行作为正常运行工况，停运时的操作顺序与启动时相反。

2、事故工况

(1)泵站突然停电

实验装置正常运行工况下，停运第二干线仿真泵站，模拟突然断电。

(2)堵塞工况

待实验装置恢复正常工作状态，逐渐关小干线堵塞阀，模拟管道堵塞。

(3)漏油工况

实验装置正常运行工况下，打开泄漏阀12，观察漏油后各站进出站的压力和漏点前后流量的变化趋势。

3、正常工况

(1)分输工况

实验装置正常运行工况下，打开分输阀，启动支干线离心油泵，待支干线离心油泵出口压力稳定后，缓慢打开支干线离心油泵的出口调节阀，向输油干线分输注油。

(2)接油工况

实验装置正常运行工况下，使收油阀打开，第三储油罐56接收输油干线来油。

4、压力越站

以第二干线仿真泵站的压力越站为例，当首站压力满足输送要求时，停运中间第二干线仿真泵站，第一储油罐5内的油品经第一干线仿真泵站加压后进入一层管架74上的输油干线 7，经越站旁通6直接进入二层管架上的的输油干线。

5、清管演示

实验装置正常运行工况下，关闭第五球阀44、第七球阀46和第八球阀47，开启第二球阀41、第三球阀42、第四球阀43和第六球阀45，将正输流程切换到清管球收发实验流程；测量清管器52的直径、质量、对其外观进行描述；打开发球筒48的快开盲板，将清管器52 放入到发球筒48中后，关闭快开盲板，依次打开第五球阀44、第八球阀47、第七球阀46和第一球阀40，关闭第四球阀43和第二球阀41，开始发球，待清管器52从发球筒48发出后，记录发球时间，关闭第五球阀44、第八球阀47，打开第四球阀43，打放空阀50，排污阀51，发球筒48泄压放空；观察清管器52在清管观察管53的运行情况，当清管器52进入收球筒 49后，记录收球时间；打开第二球阀41，关闭第七球阀46和第一球阀40，打放空阀50，排污阀51，收球筒49泄压放空，待收球筒49内压力降为常压时，打开收球筒49的快开盲板，将清管球52从收球筒49中取出，测量清管器52的直径、质量、对其外观进行描述，并对收球筒49清理，关好收球筒49的快速盲板，关闭第三球阀42和第六球阀45，恢复正输流程。

6、翻越点演示实验

实验装置正常运行工况下，打开翻越段控制阀10，导通翻越流程，观察有机玻璃管17内的流动状态，分析消除不满流的措施并以加以验证，实验结束后，关闭翻越段控制阀10，将流程恢复到正常工况。

7、水击实验

启动第一干线仿真泵站的1#离心油泵，待稳装置运转稳定后，关闭第四干线仿真泵站的出站调节阀35，全线憋压，迅速开启第四干线仿真泵站的出站调节阀35，根据全线压力变化情况，研究压力波的传播规律。

8、温降规律实验

启动第四干线仿真泵站的1#离心油泵，待装置运转稳定后，调节第四干线仿真泵站的出站调节阀35的开度以改变输量，研究输量变化对温降规律的影响；装置运转稳定时，关闭第四干线仿真泵站的1#离心油泵，全线停输，研究温降规律。

9、液力透平水力性能测定

导通离心油泵58与第三储油罐56的回路，启动离心油泵58；切断各干线仿真泵站进出站阀，导通站间串接短管8，四组干线仿真泵站内的两台离心油泵均切换至串联运行工况，依次开启四组干线仿真泵站，第二储油罐55注入一定量的压缩氮气，向第二储油罐55注油，待第二储油罐55压力达到设定值时，缓慢开启液力透平57进口调节阀62，使液力透平57充满液体，当透平转子被冲动后，进口阀62继续缓慢开大，在液力透平57转速稳定后，记录液力透平57进出口的压力、流量、转速和扭矩，得到液力透平57的输出功率、水头、效率及液力透平在流量下的外特性曲线。

停机时，关闭第二储油罐55进口阀门，依次停运四组干线仿真泵站，缓慢关闭液力透平 57进口阀62，使透平停止运转，关闭第二储油罐55出口阀门。

10、离心泵外特性测试及比例定律验证

启动第一干线仿真泵站的2#泵，缓慢打开第一干线仿真泵站出站阀，待压力、流量稳定后，记录第一干线仿真泵站进出站压力和管道流量，调节第一干线仿真泵站出站阀的开度，记录对应不同开度下第一干线仿真泵站的进出站压力和流量，得到2#离心泵的“流量-扬程”、“流量-轴功率”和“流量-效率”曲线。通过调节2#泵转速，当流量稳定后，记录对应转速下第一干线仿真泵站的进出站压力和流量，并计算出对应的轴功率。