本发明涉及一种可控型段塞流发生装置。
背景技术：
湿天然气是气相为连续相，液相为离散相的气液两相流。气相携带液相在管道中流动。在天然气采集、输送等工业过程中，管道内常伴有凝析油及地层水等液态介质。对于常规高压气田，井口产出物中在气井开采的生命周期内，井下压力逐渐降低，气体携液能力变差，井口产气过程中很容易形成段塞流。海上平台在开采过程中由于海下立管的存在也会形成严重的段塞流。在天然气的输送过程中由于地势的起伏亦会造成段塞流。
段塞流的发生会对井口的生产以及输送设备造成严重危害甚至造成不可预期的安全事故，其主要表现在：(1)对采气工艺流程影响。段塞流的出现极易造成现场分离器高压或者高液位报警，使分离效率降低；严重的段塞流甚至会使得分离器溢流从而导致液相直接流入气路；(2)对输送系统混输泵的影响。很多场合中采用的是气液混输，由于频繁产生的段塞流会使的混输泵长期工作在交变荷载状态，干转时间过长将导致啮合螺杆过热，降低混输泵的使用寿命和工作效率；(3)对密封部件的影响。气液两相混输流动有别于单纯的气相输送或者液相输送，会对密封件提出一些特殊要求，段塞流所造成的冲击载荷进一步恶化了这些部件的工作条件，不仅影响密封件的寿命，而且会导致密封永久失效，密封液泄漏量增大，如不能及时处理甚至会引发安全事故；(4)段塞流的出现还会引起混输泵及附属管线、仪器仪表的振动，从而影响设备的正常运行；(5)对计量准确性的影响。由于段塞流的存在会使得管道内的流动极其不稳，对于多相流量计而言在这种情况下无法保证测量精度；对于分离器而言无法保证分离干净从而导致安装在下游的单相流量计计量出现偏差，进而影响贸易结算。
目前国内外已有一些公司机构研究段塞流测量、捕捉及段塞流发生。利用装置产生段塞流的机理是基于自然流动形成或者模拟地形液塞发生，需要的管道长度动辄几十到上千米。如挪威的sintef试验环道室外管道总长达1000米，其中一条管道水平管长400米，竖直管高52米[1]；美国tulsa大学的tuffp试验环道长420米[1]；英国帝国理工学院的wasp试验环道长36米[1]；中科院力学所的试验环道长40米[1]；中国石油大学的试验管道长340米[1]；法国石油研究院的试验管道长50米[2]；专利号cn2311758y中提到了一种利用多个小型气液分离器分时选通的原理来模拟段塞流的形成[3]，专利中亦提到这种设计方式适用于竖直管的流动并不适用于水平管；中国石油大学同样利用单一分离器的原理进行了人造段塞流的设计[4]，分离器前有一段竖直爬升的过程就要求气相有一定的携液能力即气相流速不能过小，同时液塞的形成是依靠液相的重力作用自行流下导致液塞并不是可控的。依靠自然流动形成的段塞流装置气相流速一般在4m/s以下，当气相流速过高时就无法形成段塞流；依靠地形因素形成段塞流的装置可以达到较大的气相流速，但此类装置不仅需要较长的直管段而且需要一定高度的立管，且在气相流速较小时容易发生液相堵塞现象。综上，基于一般设计的实验装置用于模拟现场复杂的工况，从而导致实验室设计的消除或者计量段塞流的设备安装到现场管路中无法达到预期的要求。
参考文献：
[1]陈振瑜,何利民.段塞流试验研究进展[j].油气储运,2000,19(12):32-38.
[2]vilaginesr,hallarw.comparativebehaviourofmultiphaseflowmetertestfacilities[j].oil&gasscience&technology,2006,58(58):647-657.
[3].窦剑文.段塞发生装置及使用该装置的油汽水三相流量测量装置:中国,cn2311758y[p].1999-03-24.
[4]耿耿,何利民.下倾管段塞流液塞速度特性研究[j].化学工程,2016,44(9):44-48.
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的是在提供一种占地面积小、施工简单的段塞流发生装置的基础上提供其控制方法，模拟实际现场工况的段塞流。本发明的技术方案如下：
一种可控型段塞流控制方法，所采用的装置包括段塞发生器和控制台，所述的段塞发生器包括接在气相入口和段塞出口之间的气相通道和气液混合通道，气相通道依次包括第一段塞腔室和第一带有到位信号反馈的快速响应阀门；气液混合通道依次包括第二带有到位信号反馈的快速响应阀门、气液混合器、第二段塞腔室、相互并联的第三带有到位信号反馈的快速响应阀门和第四带有到位信号反馈的快速响应阀门，从第二带有到位信号反馈的快速响应阀门流出的气体和从液相入口流入的液体在气液混合器5混合；在控制台对各个快速响应阀门及流量调节阀的控制下，形成段塞流；
定义四个动作，动作a定义为：四个快速响应阀门全部打开；动作b定义为：第二和第四快速响应阀门打开，第一和第三快速响应阀门关闭；动作c定义为：第二和第四快速响应阀门关闭，第一和第三快速响应阀门打开；动作d定义为：四个快速响应阀门全部关闭，生成段塞流的控制方法如下：
步骤1：通过控制台循环执行动作a和动作d数次，确认快速响应阀门到位信号是否正常；
步骤2：通入气体和液体；
步骤3：首先执行动作c，定时到预先设定的段塞时间，再执行动作b，定时到预先设定的段塞时间，再次执行动作c，如此循环往复直到实验设定时间，此时执行动作a；
步骤4：设定完成后，控制台执行定时、切换和数据采集任务。
执行步骤3的过程中，控制台在改变快速响应阀门的状态时会先查询各快速响应阀门的到位信号情况，假如已查询到当前第一和第三快速响应阀门处于打开状态，第二和第四快速响应阀门处于关闭状态，此时要进行下一步打开第二和第四快速响应阀门并关闭第一和第三快速响应阀门的动作，但是在执行第二和第四快速响应阀门打开命令后未接收到相应的到位信号那么此时控制台会维持第一和第三快速响应阀门当前的状态同时跳转到开启报警装置提示操作人员快速响应阀门故障。
本发明结合油气井场和输送的实际工况特点而设计，不仅适用于新建的两相流装置亦适用于现有的两相流装置进行局部改造。
附图说明
图1可控型段塞流发生装置及其应用场景示意图。
图2段塞发生器结构示意图。
图3段塞形成的效果图，图中，t1、t3表示的是阀门动作的时间，即由全开到全关或者全关到全开。
附图标记说明如下：
1、6：长度和口径可以切换的段塞腔室
2、3、4、8：带有到位信号反馈的快速响应阀门
5：气液混合器
7、9：透明视窗
10、11：流量调节阀
段塞腔室1和段塞腔室6处可以选装相应管径的伸缩节，方便安装亦可以对段塞的长度进行微调。透明视窗7和透明视窗9可以选装。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容进行详细的描述。
如图1所示，本发明主要包括段塞流发生器和控制台两部分，其余部分包括为了配合完成系统整体功能所需要的标准表、风机、水泵、气液分离器等。通过风机送入气体，通过水泵送入液体。其中段塞流发生器包括了四个带有到位信号反馈的快速响应阀门和各种长度及口径不同的直管段，用于实现不同容积的段塞腔室。生成的段塞流通过管道被送入气液分离器。以带有到位信号反馈的快速响应阀门为例进行说明。
实际操作中步骤如下：
首先为了下文描述方便定义四个动作，动作a定义为：快速响应阀门2、3、4、8全部打开；动作b定义为：快速响应阀门4、8打开，快速响应阀门2、3关闭；动作c定义为：快速响应阀门4、8关闭，快速响应阀门2、3打开；动作d定义为：快速响应阀门2、3、4、8全部关闭。
实际工况算例：假设当前工况管径d为0.05m，气相入口流量为50m3/h，快速响应阀门阀体的内部存液空间及气液混合器等效长度为4d即0.2m，要得到液塞长度20d即1m，段塞频率0.05hz，实验时间5min，则需要设置的参数分为两部分，机械部分将图示中的段塞腔室1和段塞腔室6的管节处调整为16d即0.8m，快速响应阀门的通断时间间隔设定为20s，液相入口流量设定为0.353m3/h，实验时间设定为5min。
步骤1：通过控制台循环执行动作a和动作d共计3次，确认快速响应阀门到位信号是否正常；
步骤2：设定液相入口的流量为0.353m3/h，气相入口的流量为50m3/h；
步骤3：首先执行动作c，待控制台定时到20s后，自动执行动作b；待控制台定时到40s后，再次执行动作c，如此循环往复直到定时时间到达5min，此时执行动作a；
步骤4：设定完成后，控制台自动执行定时、切换、数据采集任务，操作人员可在透明视窗7、9处观察段塞形成的效果；
步骤5：实验过程中若发生超压、超限或者堵塞等安全事故，控制台会自动报警并立即停机。如快速响应阀门2、3与快速响应阀门4、8不能同时关闭，控制方式采用互锁。控制台在改变快速响应阀门的状态时会先查询各快速响应阀门的到位信号情况，假如已查询到当前快速响应阀门4、8处于打开状态，快速响应阀门2、3处于关闭状态，此时控制台要进行下一步打开快速响应阀门2、3并关闭快速响应阀门4、8的动作，但是在打开快速响应阀门2、3的命令执行后未接收到相应的到位信号那么此时控制台会维持快速响应阀门4、8当前的状态同时跳转到开启报警装置提示操作人员快速响应阀门故障。
在上述步骤3中，执行完动作c后，段塞腔室6开始充液，此时气相通过段塞腔室1和快速响应阀门2进入透明视窗9，此时透明视窗9中是纯气状态，而液相通过气液混合器5进入段塞腔室6，待定时到后执行动作b，此时快速响应阀门2、3关闭，快速响应阀门4、8打开，气相只能通过快速响应阀门4和气液混合器5流向下游，同时推动段塞腔室6中的满管液向下游流动，此时在透明视窗9中就看到满管液的状态，如此往复从而形成段塞流。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
(1)在装置体积方面，本发明中对于直管段的长度或者立管的高度都没有硬性要求，设计紧凑，从而使装置占用的空间尽量小；
(2)装置产生的段塞长度及容积可控、可调，且可自动切换；
(3)装置产生的段塞频率和长度可控，根据设定的频率计算出段塞体形成需要的时间，根据段塞体的长度、管径以及时间计算出所需的流量，可以通过控制台进行流量调节；
(4)装置施工简单，既可以在现有的两相流装置上直接改造，节省成本，又可以在新设计的装置上添加；
(5)装置配套有专用的上位机操作系统，操作人员在安装好管道后可在控制台完成所有功能，包括开机测试、参数设置、实流标定、数据保存等功能。
按照以上实施例，最终获得的段塞流效果图如图3所示。