本发明涉及一种气液两相流管道中定长度定速度液塞发生装置，以准确控制产生特定长度和速度的液塞，并应用于液塞的水动力特性研究以及液塞对分离器分离性能的影响研究,属于油气集输系统多相分离技术领域。
背景技术：
在气液两相流混输管道中，段塞流是一种最常见的流型，它在许多操作条件(正常运行、清管、输量变化等)下都会出现。段塞流可描述为充满整个管道横截面的液塞与大气泡(其下方有液膜)的交替流动，具有间歇性强、压降高的特点。段塞流会对输送管道和下游分离设备带来极为不利的影响。因此，需要研究段塞流的水动力特性以及液塞对下游分离设备的影响，这对保证集输系统安全稳定运行具有重要意义。
段塞流通常可以分为两大类：第一类是水动力段塞流，此时管道内被气流吹起的液相桥接至管顶阻塞管道流通面积形成液塞，它又可以细分为普通水力段塞流和由气液流量变化诱发的段塞流，出现这种段塞流时一般气液流量较大。第二类是地形起伏诱发的段塞流，常在低气液流量下发生，此时管道存在下坡连接上坡结构，液相在管道低洼处积聚堵塞气体通道，从而在上坡段形成段塞流，这种段塞流的速度和长度可以达到很大(如：强烈段塞流)，且带有明显的周期性。
这两类段塞流虽然形成机理不同，但有一个共同特点，那就是液塞长度和液塞速度具有随机性；这种随机性导致目前针对段塞流特性的研究只能基于一段时间内液塞特征参数变化的平均值或统计值。此外，对于下游分离设备，尤其是对气液流量波动适应性较差的紧凑型分离设备，并不能在所有两相流工况下保持高效分离性能。因此，研究段塞流尤其是地形起伏诱发段塞流对下游分离设备性能的影响具有重要意义。
为了研究段塞流的水动力特性以及对分离器性能的影响，有必要发明一套液塞发生装置，该装置能准确控制产生特定长度和速度的液塞，为段塞流的水动力特性研究以及液塞对分离器性能的影响研究创造条件。
技术实现要素：
本发明提供了一种气液两相流管道中定长度定速度液塞发生装置，能准确控制产生特定长度和速度的液塞，可用于段塞流的水动力特性研究以及液塞对分离器性能的影响研究,以克服现有技术的不足。
本发明所采用的技术方案是：
一种管道中定长度定速度液塞发生装置，其特征在于包括水平设置的两相流干线管路和位于两相流干线管路上方的造塞筒体，所述两相流干线管路自入流端起依次与两相流引入管路的入口端、液塞注入管路的出口端和压力平衡管路的出口端连接，所述两相流引入管路的出口端连接于所述造塞筒体的顶部，所述液塞注入管路的入口端连接于所述造塞筒体的底部，所述压力平衡管路的入口端连接于所述造塞筒体的顶部；
在所述两相流引入管路和液塞注入管路之间的两相流干线管路上设有第一电磁阀；所述两相流引入管路和压力平衡管路上分别设有第二电磁阀与第四电磁阀；所述液塞注入管路竖直布置、且设有第三电磁阀；
所述造塞筒体是存储液相介质、产生液塞的准备单元，造塞筒体顶部设置五个开孔，其中两个分别与两相流引入管路的出口端以及压力平衡管路的入口端连接，第三个孔用于安装测量造塞筒体液位的液位计，第四个孔为注气孔，第五个孔为注液孔，当筒体内液位不足时，通过该注液孔及时补充液相介质；造塞筒体下部设置一个开孔，用于与液塞注入管路的入口端连接。
所述装置用于产生特定长度和速度的液塞，此时对液塞完整性不做限制；或者产生特定长度且具有完整性的液塞，此时对液塞速度不做限制。
本发明在工作状态下，通过液位计监测到的造塞筒体中的液位变化同步联动控制四个电磁阀以及压缩气源的工作状态，以产生特定长度和速度的液塞，此时对液塞完整性不做限制；或者通过液位计监测到的造塞筒体中的液位变化同步联动控制四个电磁阀以及压缩气源的工作状态，以产生特定长度和速度的液塞，此时对液塞完整性不做限制,产生特定长度且完整性好的液塞，此时对液塞速度不做限制，用于段塞流的水动力特性研究。
本发明的基本原理：根据液位计监测到的液位变化联合控制四个电磁阀，实现在气液两相流管路中注入液塞；液塞长度由液位计监测的液位高度变化确定，并通过数控系统切换电磁阀工作状态进行控制；液塞速度由压缩气源提供给造塞筒体内的压力控制；压力平衡管路关闭可控制液塞速度，压力平衡管路打开可保证液塞完整性。
利用上述管道中定长度定速度液塞发生装置进行造塞的方法，包括以下步骤：
1)将压缩气源与注气孔连接，将液位计与四个电磁阀以及压缩气源作为数控系统，从而可以根据液位计监测到的液位情况控制电磁阀以及压缩气源的工作状态；
2)造塞前，通过注液管路从注液孔向造塞筒体注入一定量液体，并通过液位计进行液量控制；
3)两相流干线管路上的第一电磁阀打开，两相流引入管路上的第二电磁阀、液塞注入管路上的第三电磁阀、压力平衡管路上的第四电磁阀都处于关闭状态，两相流从两相流干线管路通过；
4)当产生定长度定速度的液塞时，数控系统同步切换电磁阀工作状态，使两相流干线管路上的第一电磁阀和压力平衡管路上的第四电磁阀处于关闭状态，而两相流引入管路上的第二电磁阀和液塞注入管路上的第三电磁阀处于打开状态；此时，两相流沿着两相流引入管路进入造塞筒体，而造塞筒体内的液相在压缩气源提供的压力和自身重力作用下注入两相流干线管路形成液塞；
液塞长度由液位计监测到的造塞筒体液位高度变化确定，当液位计监测到造塞筒体液位高度下降到预设值时，通过数控系统切换电磁阀工作状态结束造塞过程；
液塞长度l＝(d/d)2·δh，其中d,d,δh分别为造塞筒体内径、两相流干线管路内径、造塞筒体预设液位下降值；液塞速度由压缩气源向造塞筒体内注气达到的压力决定，注气压力越高，液塞速度越快；
5)当产生定长度且高完整性的液塞时，数控系统同步切换电磁阀工作状态，使两相流干线管路上的第一电磁阀处于关闭状态，而两相流引入管路上的第二电磁阀、液塞注入管路上的第三电磁阀和压力平衡管路上的第四电磁阀处于打开状态；
此时，两相流沿着两相流引入管路进入造塞筒体，而造塞筒体内的液相仅在重力作用下注入两相流干线管路形成液塞，造塞筒体内未充入压缩气，因此造塞筒体和两相流干线管路末端压力相等，避免所造液塞在进入干线管路形成加速、影响液塞稳定性；液塞长度的控制与定长度定速度造塞工况下的控制方式相同，而液塞速度则受到造塞筒体液位高度以及两相流干线管路原气液两相流速度的影响。
本发明的有益效果是造塞过程简单，可准确控制产生特定长度和速度的液塞，且液塞稳定性有保证，可用于液塞的水动力特性研究以及液塞对分离器分离性能的影响研究，并可根据水动力特性指导分离器设计。通过液位计监测液位变化，并发出信号同步联动控制四个电磁阀的工作状态，以此准确控制液塞长度；通过压力平衡支路的关闭和压缩气源的背压改变来控制液塞速度，通过压力平衡支路的打开保证液塞的稳定性。
附图说明：
图1是本发明的结构图。
图中：1—两相流干线管路、2—两相流引入管路、3—液塞注入管路、4—压力平衡管路、5—第一电磁阀、6—第二电磁阀、7—第三电磁阀、8—第四电磁阀、9—造塞筒体、10—液位计、11—注气孔、12—注液孔。
具体实施方式
参见附图1，一种管道中定长度定速度液塞发生装置，该装置主要包括两相流干线管路1、两相流引入管路2、液塞注入管路3、压力平衡支路4、第一电磁阀5、第二电磁阀6、第三电磁阀7、第四电磁阀8、造塞筒体9、液位计10、注气孔11、注液孔12。
其中两相流干线管路1分别与两相流引入管路2的入口、液塞注入管路3的出口和压力平衡管路4的出口连接，造塞筒体5分别与两相流引入管路2的出口、液塞注入管路3的入口和压力平衡管路4的入口连接。两相流干线管路1水平布置，且设有第一电磁阀5；两相流引入管路2设有第二电磁阀6；液塞注入管路3竖直布置，且设有第三电磁阀7；压力平衡管路4设有第四电磁阀8；造塞筒体9是存储液相介质、产生液塞的准备单元，造塞筒体上部设置五个开孔，其中两个分别与两相流引入管路2出口以及压力平衡管路4入口连接，第三个孔安装液位计10，可测量造塞筒体液位，第四个孔为注气孔11，第五个孔为注液孔12，当筒体内液位不足时，通过该孔及时补充液相介质；造塞筒体下部设置一个开孔，与液塞注入管路3连接。
通过液位计10监测到的造塞筒体9中的液位变化同步联动控制四个电磁阀以及压缩气源的工作状态，可以产生特定长度和速度的液塞，此时对液塞完整性要求不高；或者产生特定长度且完整性好的液塞，此时对液塞速度不做限制。
本发明的造塞工作过程为：
1)液位计10与四个电磁阀以及压缩气源等组成数控系统，液位计10根据监测到的液位情况控制电磁阀以及压缩气源的工作状态；
2)造塞前，由液位计10监测到的液位控制注液管路从注液孔12向造塞筒体9注入一定液位的液量，为造塞过程做准备；
3)在实验的稳定阶段，液塞发生装置处于非工作状态，两相流干线管路1上的第一电磁阀5打开，两相流引入管路2上的第二电磁阀6、液塞注入管路3上的第三电磁阀7、压力平衡管路4上的第四电磁阀8都处于关闭状态，两相流从两相流干线管路1通过，液塞发生装置不对气液两相流系统产生任何影响；
4)当产生定长度定速度的液塞时，数控系统同步切换电磁阀工作状态，使两相流干线管路1上的第一电磁阀5和压力平衡管路4上的第四电磁阀8处于关闭状态，而两相流引入管路2上的第二电磁阀6和液塞注入管路3上的第三电磁阀7处于打开状态；此时，两相流沿着两相流引入管路2进入造塞筒体9，而造塞筒体9内的液相在压缩气源提供的压力和自身重力作用下注入两相流干线管路1形成液塞。液塞长度由液位计10监测到的造塞筒体液位高度变化确定，当液位计10监测到造塞筒体9液位高度下降到预设值时，通过数控系统切换电磁阀工作状态结束造塞过程；因此，液塞长度l＝(d/d)2·δh，其中d,d,δh分别为造塞筒体内径，两相流干线管路内径，造塞筒体预设液位下降值。液塞速度由压缩气源向造塞筒体9内注气达到的压力决定，注气压力越高，液塞速度越快。
5)当产生定长度且高完整性的液塞时，数控系统同步切换电磁阀工作状态，使两相流干线管路1上的第一电磁阀5处于关闭状态，而两相流引入管路2上的第二电磁阀6、液塞注入管路3上的第三电磁阀7和压力平衡管路4上的第四电磁阀8处于打开状态；此时，两相流沿着两相流引入管路2进入造塞筒体9，而造塞筒体9内的液相仅在重力作用下注入两相流干线管路1形成液塞，造塞筒体内未充入压缩气，因此造塞筒体9和两相流干线管路1末端压力相等，避免所造液塞在进入干线管路形成加速、影响液塞稳定性。液塞长度的控制与定长度定速度造塞工况下的控制方式相同，而液塞速度则受到造塞筒体9液位高度以及两相流干线管路1原气液两相流速度的影响。
本发明提供的一种管道中定长度定速度液塞发生装置不限于以上实施例，本领域技术人员依据本发明的技术理念对本发明实施例进行的任何修改、等同替换、改进等，都并未脱离本发明的精神原则和保护范围。