专利名称：模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型有关于一种模拟煤层气田集输管道中存在的多相流动实验装置，尤其有关于一种模拟煤层气集输管道中存在的气液、气固、气液固流动过程的模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置。
背景技术：
煤层气开采过程中，由于煤层井壁失稳、基质破裂等原因产生煤粉，井底的水和煤粉在排水采气过程中到达地面，大部分煤粉悬浮于水中在井口排出，但仍然有部分水和煤粉随气体进入集输管道。这就使得气体集输管道中存在着液体和固体杂质，根据气井开发时期和管道位置的不同，在煤层气管道中存在着气液、气固、气液固多相流动状态。气体集输管道的多相流动给管道设计者和管道运行管理者都带来了难题。含有固体颗粒和液体水的多相流动使管道压力损失增大且变化范围大、准确预测困难，在运行过程中可能形成煤泥沉积堵塞管道等问题。多相流实验环道作为流体管流特性、流型、压降规律等方面的主要实验研究手段，其实验结果对实际管道的设计和运行操作具有很强的适用性和指导作用，在国内外有着较多的应用，比如蜡沉积实验环道，水合物实验环道和气液两相流环道等。但这些环道都不能模拟煤层气集输管道中存在的水和固体颗粒这种含多种介质，即，存在着气液、气固、气液固等多种工况的流动情况。因此，有必要提供一种能模拟煤层气集输管道这种存在着多种流动工况的实验装置，来克服上述缺陷。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置，能进行气液、气固、气液固多相流动实验，其能够描述和预测煤层气集输管道的多相流动状态、影响因素及压降规律。本实用新型的上述目的可采用下列技术方案来实现:本实用新型提供一种模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置，所述模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置包括:实验管道系统，其具有测试管，所述测试管的进口端连接有混合器，所述测试管上设有观察管；供水系统，其具有供水管，所述供水管的一端连接有储水罐，其另一端与所述混合器相连，所述供水管上连接有水泵；供气系统，其具有供气管，所述供气管的一端连接有空气压缩机，其另一端与所述混合器相连，所述供气管上连接有缓冲罐；加料系统，其具有加料器，所述加料器连接在与所述供气管并联相连的加料管上。在优选的实施方式中，所述模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置还包括过滤系统，所述过滤系统具有过滤罐和与所述过滤罐相连的污水池，所述过滤罐与所述测试管的出口端相连。在优选的实施方式中，在所述测试管的进口端与所述测试管的出口端之间连接有压差传感器。在优选的实施方式中，所述测试管上设有压力传感器、温度传感器和电导探针。在优选的实施方式中，所述观察管为有机玻璃透明管，所述观察管的外侧设有高速摄像机，所述高速摄像机与计算机相连。在优选的实施方式中，所述供水系统的储水罐与所述水泵之间连接有液体过滤器。
在优选的实施方式中，所述供水系统的水泵为多个，所述多个水泵并联设置在所述供水管上。在优选的实施方式中，所述水泵的出口端连接有相互并联设置的两条水管，一条所述水管与所述混合器相连，另一条所述水管通过截止阀与所述储水罐相连。在优选的实施方式中，与所述混合器相连的所述水管上设有两个液体流量计，所述两个液体流量计相互并联设置。在优选的实施方式中，所述供气系统的缓冲罐包括多个一级缓冲罐和多个二级缓冲罐，所述多个一级缓冲罐并联设置在所述供气管上，所述多个一级缓冲罐的一端与所述空气压缩机相连，其另一端分别与所述二级缓冲罐串联相连。在优选的实施方式中，在所述缓冲罐与所述混合器之间的所述供气管上设有气体过滤器、温度传感器和压力传感器。在优选的实施方式中，所述供气管上设有两个气体流量计，所述两个气体流量计相互并联设置在所述缓冲罐与所述混合器之间。在优选的实施方式中，所述加料器上连接有平衡管道，所述平衡管道连接在所述加料管上。本实用新型的模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置的特点及优点是:该实验装置可用于模拟煤层气集输管道中存在的气固、气液、气液固多相介质的流动，通过开闭不同管道上的阀门来切换实验流程，完成实验目标。本装置充分考虑了影响煤层气流动特性的因素，紧密结合现场实际工况且具有以下优点:I)结构合理:本实用新型的供水系统、供气系统和加料系统与实验管道系统之间衔接紧凑，充分利用实验室有限空间，供水系统、供气系统和加料系统之间切换方便且各测量设备满足仪表的安装要求。2)设计巧妙:本实用新型的供水系统巧妙的将水泵与其出口端的回流管道相结合以控制供水流量，扩大了流量调节的范围；加料系统充分利用重力和气体流动能量将固体颗粒加入实验管道系统形成模拟工况。3)测量设备先进:本实用新型在测试管上安装了高精度的压差传感器，有效降低了实验误差，在观察管上采用高速摄像机进行拍摄，使得数据采集量大大增加，为研究提供了更为充足的数据支持；另外，运用压力传感器、温度传感器和电导探针进行压力、温度和持液率等多参数的采集，避免人工操作误差，实现数据采集自动化。4)安全环保:本实用新型在保证实验过程安全高效，在供气系统的一级缓冲罐上设有安全阀，当一级缓冲罐内压力高于安全阀设定值时，安全阀会自动打开泄压，防止压力过闻。
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本实用新型的模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。如图1所示，本实用新型提供一种模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置，其包括实验管道系统1、供水系统2、供气系统3和加料系统4。其中:实验管道系统I具有测试管11，所述测试管11的进口端111连接有混合器12，所述测试管11上设有观察管13 ;供水系统2具有供水管21，所述供水管21的一端连接有储水罐22，其另一端与所述混合器12相连，所述供水管21上连接有水泵23 ;供气系统3具有供气管31，所述供气管31的一端连接有空气压缩机32，其另一端与所述混合器12相连，所述供气管31上连接有缓冲罐33 ;力口料系统4具有加料器41，所述加料器41连接在与所述供气管31并联相连的加料管42上。具体是，实验管道系统I的测试管11为环形管道，其由不锈钢材料制成，测试管11的总长度为44m，也即，从测试管11的进口端111至测试管11的出口端112的长度为44m ；观察管13的两端通过法兰连接在测试管11上，在本实用新型中，观察管13为有机玻璃透明管，其长度为0.6m，·观察管13的外侧放置有高速摄像机14或粒子图像测速仪，高速摄像机14与计算机16相连，观察管13用于从外界观察测试管11内介质的流动状态，高速摄像机14正对观察管13放置，其用于捕捉测试管11内介质的瞬时流动状态，高速摄像机14将其拍摄的图像传输给计算机16进行储存并显示。在本实施例中，在测试管11的进口端111与测试管11的出口端112之间连接有压差传感器17，该压差传感器17用于采集测试管11内的介质在流动过程中的压差值。进一步的，在测试管11的中间位置还设有压力传感器18、温度传感器19和电导探针20，其中，压力传感器18用于采集测试管11内的介质的瞬时压力，温度传感器19用于采集测试管11内的介质的瞬时温度，电导探针20用于测量测试管11内气液或气液固混合介质的持液率。供水系统2用于向实验管道系统I提供液相流体，其供水管21通过混合器12连接在实验管道系统I的测试管11的进口端111上，供水管21的一端连接有储水罐22，储水罐22内盛装有液体，该液体通过水泵23泵入测试管11内。在本实用新型中，供水管21上并联设置有多个水泵23，该水泵23为变频调速水泵，变频调速水泵可控制水泵23的出口流量；在本实施例中，供水管21上并联设置有两个水泵23，当然，在其他的实施方式中，供水管21上可仅连接有一个水泵23，也可在供水管21上并联设置例如3个、4个或更多个水泵23，并联设置的水泵23越多，说明向供水管21内泵入的液体越多。在本实施例中，在供水系统2的储水罐22与水泵23的进口端之间连接有液体过滤器24，该液体过滤器24用于过滤储水罐22内液体中的杂质。进一步的,水泵23的出口端连接有相互并联设置的水管211和水管212，一条水管211与混合器12相连，另一条水管212通过截止阀25与储水罐22相连，以构成回流管道，该回流管道用于将水泵23中泵出的一部分液体回流至储水罐22内，截止阀25用来调节回流至回流管道内的液体的流量，从而可相对调节控制水泵23泵入测试管11内的液体流量。与混合器12相连的水管211上设有两个液体流量计27，该两液体流量计27相互并联设置在水管211上，液体流量计27用于采集供水管21内流过的液体的流量。在本实用新型中，其中一个液体流量计27为大量程液体流量计，该大量程液体流量计用于在供水管21向测试管11供应大量液体时测量液体的流量，另一液体流量计27为小量程液体流量计，该小量程液体流量计用于在供水管21向测试管11供应少量液体时测试液体的流量，同时开启两个液体流量计27，可精确测量流经供水管21的液体流量。进一步的，在供水管21上还连接有闸阀28和单向阀29，闸阀28用于开启或关闭供水系统2的供水管21，单向阀29用于防止供水管21内的液体回流。供气系统3用于向实验管道系统I提供稳定流动的气体，其供气管31通过混合器12连接在实验管道系统I的测试管11进口端111上，供气管31的一端连接有空气压缩机32，空气压缩机32用于将外界气体压缩输入供气管31内，该外界气体通过连接在供气管31上的缓冲罐33缓冲后而注入测试管11内。在本实用新型中，缓冲罐33由多个一级缓冲罐331和多个二级缓冲罐332组成，多个一级缓冲罐331并联设置在供气管31上，多个一级缓冲罐331的一端共同与空气压缩机32相连，其另一端分别与二级缓冲罐332串联相连。在本实施例中，空气压缩机32连接有三个并联设置的一级缓冲罐331，其中两个并联设置的一级缓冲罐331共同与一个二级 缓冲罐332串联连接，另一个一级缓冲罐331串联连接另一个二级缓冲罐332。外界气体经空气压缩机32压缩后，流经三个一级缓冲罐331而流入两个二级缓冲罐332中。一级缓冲罐331用于控制气体的输入量，二级缓冲罐332用于缓冲调节自一级缓冲罐331输入的气体的压力，保证输入测试管11内的气体压力稳定。在其他的实施方式中，供气管31上可仅连接有一个一级缓冲罐331和一个二级缓冲罐332，也可在供气管31上并联设置例如4个、5个或更多个一级缓冲罐331，每个一级缓冲罐331连接一个二级缓冲罐332，并联设置的一级缓冲罐331越多，说明向供气管31内输入的气体越多。另外，本实用新型在多个一级缓冲罐331上分别连接有安全阀3311，以随时控制调节控制一级缓冲罐331内的压力。进一步的，在缓冲罐33与混合器12之间的供气管31上沿气体流动方向依次设有气体过滤器34、温度传感器35和压力传感器36。其中，气体过滤器34用于过滤供气管31内的气体中的杂质，温度传感器35用于采集供气管31内流经的气体的瞬时温度，压力传感器36用于采集供气管31内流经的气体的瞬时压力。进一步的，在缓冲罐33与混合器12之间的供气管31上还设有两个气体流量计37，所述两个气体流量计37相互并联设置在气体过滤器34与温度传感器35之间的供气管31上。气体流量计37用于采集供气管31内流过的气体的流量。在本实用新型中，其中一个气体流量计37为大量程气体流量计，该大量程气体流量计用于在供气管31向测试管11供应大量气体时测量气体的流量，另一气体流量计37为小量程气体流量计，该小量程气体流量计用于在供气管31向测试管11供应少量气体时测试气体的流量，同时开启两个气体流量计37，可精确测量流经供气管31的气体流量。另外，在供气管31上还连接有截止阀38，截止阀38用于调节控制供气管31内供气量；在气体过滤器34与气体流量计27之间的供气管31上还连接有放空阀39。加料系统4用于向实验管道系统I提供固体颗粒，其加料管42并联连接在供气系统3的压力传感器36与截止阀38之间的供气管31上方，加料管42上连接有加料器41，在本实用新型中，加料器41由变速电动机控制实现定量加料。加料管42由于位于供气管31的上方，加料器41内的固体颗粒在出料后将在重力的作用下掉入供气管31内，与供气系统3提供的气体相混合。利用该模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置进行模拟实验的过程如下:I)在进行气液两相实验时:首先，开启供气系统3的空气压缩机32，关闭加料系统4的加料管42上的阀门421、阀门422，打开供气管31上的阀门311，外界空气通过空气压缩机32被压入多个一级缓冲罐331和多个二级缓冲罐332内，气体经气体过滤器34过滤后流入实验管道系统I的测试管11内，调节供气管31上的截止阀38以控制达到实验预定值的供气量；接着，开启供水系统2的水泵23，储水罐22内的液体在液体过滤器24内过滤后，经水泵23泵入供水管21内，而后流入实验管道系统I的测试管11，调节与水泵23出口端连接的回流管道上的截止阀25，可控制液体回流至储水罐22内的流量，以相对控制水泵23泵入供水管21内的供水量，以达到实验预定值，另外，通过调节分别连接在两个液体流量计27两侧的阀门271和阀门272、以及阀门273和阀门274，也可实现控制供水管21内液体流量的目的；经供气系统3提供的气体以及经供水系统2提供的液体，在流入测试管11前，可在混合器12内混合后注入测试管11内，以使气液两相流充分混合均匀；此时，实验管道系统I的测试管11中的流体处于气液两相流动状态，打开高速摄像机14，拍摄观察管13内的介质流动状态，并将其拍摄的实验数据传输给计算机16进行监测和记录。
`[0045]2)在进行气固两相实验时:首先，关闭供水系统2的闸阀28，打开加料系统4加料管42上的阀门421、阀门422，关闭供气系统3供气管31上的阀门311 ;接着，开启供气系统3的空气压缩机32，外界空气通过空气压缩机32被压入多个一级缓冲罐331和多个二级缓冲罐332内，气体经气体过滤器34过滤后流入加料系统4的加料管42内，此时，开启加料系统4的加料器41并设定为预定出料量，加料器41内的固体颗粒将在重力的作用下掉入加料管42内，与流入加料管42内的气体混合后共同流入供气管31内，最后经混合器12进一步混合后流入实验管道系统I的测试管11内，通过调节分别连接在两个气体流量计37两端的阀门371与阀门372、以及阀门373与阀门374，使供气管31内的供气量达到实验预定值，另外，还可通过调节供气管31上的截止阀38达到控制供气量的目的；此时，实验管道系统I的测试管11中的流体处于气固两相流动状态，打开高速摄像机14，拍摄观察管13内的介质流动状态，并将其拍摄的实验数据传输给计算机16进行监测和记录。3)在进行气液固三相实验时:首先，开启供气系统3的空气压缩机32，打开加料系统3的加料管42上的阀门421、阀门422，关闭供气管31上的阀门311，外界空气通过空气压缩机32被压入多个一级缓冲罐331和多个二级缓冲罐332内，气体经气体过滤器34过滤后流入加料系统4的加料管42内，此时，开启加料系统4的加料器41并设定为预定出料量，加料器41内的固体颗粒将在重力的作用下掉入加料管42内，与流入加料管42内的气体混合后共同流入供气管31内，而后流入实验管道系统I的测试管11内，通过调节分别连接在两个气体流量计37两端的阀门371与阀门372、以及阀门373与阀门374，使供气管31内的供气量达到实验预定值，另外，还可通过调节供气管31上的截止阀38达到控制供气量的目的；接着，开启供水系统2的水泵23，储水罐22内的液体在液体过滤器24内过滤后，经水泵23泵入供水管21内，而后流入实验管道系统I的测试管11，调节与水泵23出口端连接的回流管道上的截止阀25，可控制液体回流至储水罐22内的流量，以相对控制水泵23泵入供水管21内的供水量，以达到实验预定值，另外，通过调节分别连接在两个液体流量计27两侧的阀门271和阀门272、以及阀门273和阀门274，也可实现控制供水管21内液体流量的目的；经供气系统3提供的气体、经供水系统2提供的液体、以及经加料系统4提供的固体在流入测试管11前，可在混合器12内混合后注入测试管11内，以使气液固三相流充分混合均匀；此时，实验管道系统I的测试管11中的流体处于气液固三相流动状态，打开高速摄像机14，拍摄观察管13内的介质流动状态，并将其拍摄的实验数据传输给计算机16进行监测和记录。本实用新型的模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置，用于模拟煤层气集输管道中存在的气固、气液、气液固多相介质的流动，通过开闭不同管道上的阀门来切换实验流程，完成实验目标。本装置充分考虑了影响煤层气流动特性的因素，紧密结合现场实际工况且具有以下优点:I)结构合理:本实用新型的供水系统2、供气系统3和加料系统4与实验管道系统I之间衔接紧凑，充分利用实验室有限空间，供水系统2、供气系统3和加料系统4之间切换方便且各测量设备满足仪表的安装要求。2)设计巧妙:本实用新型的供水系统2巧妙的将水泵23与其出口端的回流管道相结合以控制供水流量，扩大了流量调节的范围；加料系统4充分利用重力和气体流动能量将固体颗粒加入实验管道系统I形成模拟工况。3)测量设备先进:本实用新型在测试管11上安装了高精度的压差传感器17，有效降低了实验误差，在观察管13上采用高速摄像机14进行拍摄，使得数据采集量大大增加，为研究提供了更为充足的数据支持；另外，运用压力传感器18、温度传感器19和电导探针20进行压力、温度和持液率等多参数的采集，避免人工操作误差，实现数据采集自动化；再有，高速摄像机14将其采集的实验数据传输给计算机16，从而在短时间内采集变化非常快的高频物理量成为可能。4)安全环保:本实用新型在保证实验过程安全高效，在供气系统3的一级缓冲罐331上设有安全阀3311，当一级缓冲罐331内压力高于安全阀3311设定值时，安全阀3311会自动打开泄压，防止压力过高。根据本实用新型的一个实施方式，该模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置还包括过滤系统5，所述过滤系统5具有过滤罐51和与所述过滤罐51相连的污水池52，所述过滤罐51与所述测试管11的出口端112相连。具体是，过滤 系统5的过滤罐51内灌装有水，其一端连接在实验管道系统I的测试管11出口端112，其另一端与污水池52相连，测试管11内含颗粒的流体先进入过滤罐51的水中，该含有固体颗粒的流体被水洗后，固体颗粒流在过滤罐51的水中，除去固体颗粒的气体从水面溢出排到大气中。本实用新型过滤系统5将固体颗粒过滤后再将气体排放，避免了含颗粒气体排放到大气中而污染空气。根据本实用新型的一个实施方式，所述加料器41上连接有平衡管道43，所述平衡管道43连接在所述加料管42上。该平衡管道43用于将加料器41内的空间与加料管42的内腔相连通，使加料器41内的空间压力与加料管42内腔的压力相平衡，便于加料器41内的固体颗粒顺利加入到有一定压力的供气管31内。以上所述仅为本实用新型的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本实用新 型实施例进行各种改动或变型而不脱离本实用新型的精神和范围。
权利要求1.一种模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置，其特征在于，所述模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置包括: 实验管道系统，其具有测试管，所述测试管的进口端连接有混合器，所述测试管上设有观察管； 供水系统，其具有供水管，所述供水管的一端连接有储水罐，其另一端与所述混合器相连，所述供水管上连接有水泵； 供气系统，其具有供气管，所述供气管的 一端连接有空气压缩机，其另一端与所述混合器相连，所述供气管上连接有缓冲罐； 加料系统，其具有加料器，所述加料器连接在与所述供气管并联相连的加料管上。
2.如权利要求1所述的模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置，其特征在于，所述模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置还包括过滤系统，所述过滤系统具有过滤罐和与所述过滤罐相连的污水池，所述过滤罐与所述测试管的出口端相连。
3.如权利要求1所述的模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置，其特征在于，在所述测试管的进口端与所述测试管的出口端之间连接有压差传感器。
4.如权利要求1所述的模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置，其特征在于，所述测试管上设有压力传感器、温度传感器和电导探针。
5.如权利要求1所述的模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置，其特征在于，所述观察管为有机玻璃透明管，所述观察管的外侧设有高速摄像机，所述高速摄像机与计算机相连。
6.如权利要求1所述的模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置，其特征在于，所述供水系统的储水罐与所述水泵之间连接有液体过滤器。
7.如权利要求1所述的模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置，其特征在于，所述供水系统的水泵为多个，所述多个水泵并联设置在所述供水管上。
8.如权利要求1所述的模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置，其特征在于，所述水泵的出口端连接有相互并联设置的两条水管，一条所述水管与所述混合器相连，另一条所述水管通过截止阀与所述储水罐相连。
9.如权利要求8所述的模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置，其特征在于，与所述混合器相连的所述水管上设有两个液体流量计，所述两个液体流量计相互并联设置。
10.如权利要求1所述的模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置，其特征在于，所述供气系统的缓冲罐包括多个一级缓冲罐和多个二级缓冲罐，所述多个一级缓冲罐并联设置在所述供气管上，所述多个一级缓冲罐的一端与所述空气压缩机相连，其另一端分别与所述二级缓冲罐串联相连。
11.如权利要求1所述的模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置，其特征在于，在所述缓冲罐与所述混合器之间的所述供气管上设有气体过滤器、温度传感器和压力传感器。
12.如权利要求1所述的模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置，其特征在于，所述供气管上设有两个气体流量计，所述两个气体流量计相互并联设置在所述缓冲罐与所述混合器之间。
13.如权利要求1所述的模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置，其特征在于，所述加料器上连接有平衡管道，所述平衡管道连接在所述加料管上。
专利摘要本实用新型公开了一种模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置，其包括实验管道系统，其具有测试管，所述测试管的进口端连接有混合器，所述测试管上设有观察管；供水系统，其具有供水管，所述供水管的一端连接有储水罐，其另一端与所述混合器相连，所述供水管上连接有水泵；供气系统，其具有供气管，所述供气管的一端连接有空气压缩机，其另一端与所述混合器相连，所述供气管上连接有缓冲罐；加料系统，其具有加料器，所述加料器连接在与所述供气管并联相连的加料管上。本实用新型的模拟煤层气集输管道流动特性的实验装置，能进行气液、气固、气液固多相流动实验，其能够描述和预测煤层气集输管道的多相流动状态、影响因素及压降规律。
文档编号G01M10/00GK203116939SQ20132010731
公开日2013年8月7日 申请日期2013年3月8日 优先权日2013年3月8日
发明者周军, 吴海浩, 李 杰 申请人:中国石油大学(北京), 中联煤层气有限责任公司