（检测技术与自动化装置专业论文）用于工程训练的多相流实验系统研究与设计.pdf

摘要 工程教育是以技术科学为主要学科基础，以培养能将科学技术转化为生产力 的工程师为目标的专门教育。高等工程教育是我国高等教育的重要组成部分，担 负着为社会培养高等工程技术人才的任务，对我国国民经济建设和社会发展起着 重要的基础和推动作用。能源工业是我国经济建设的重点，而许多能源工业诸如 石油、化工等工程中往往涉及多相流问题。对多相流的参数进行检测和控制对促 进这些工程设备的发展和创新起到重要作用。小型化的多相流实验系统由于其机 理模型和产生方法的多样性和综合性，适合于本科生利用所学知识开展创新实 践；因此，设计一种用于工程训练的小型多相流实验系统，对于学生综合掌握所 学知识，建立对多相流及各种复杂工业生产过程的认识，自主实现模拟工业过程 的检测和控制技术，对于提高学生创新实践能力和工程实践能力具有重要的意 义。 论文在对多相流实验系统各部分设计及控制系统深入研究的基础上，重点介 绍小型油气水多相流实验系统的设计工作。根据油气水多相流实验系统特点和实 验要求，对实验系统各部分结构和空间布局进行了设计；通过对比和筛选，确定 系统的压力源与过程参数测量手段，选择了检测、控制装置；控制系统的上位机 用m c g s 开发控制软件的监控界面，下位机用p l c 来实现信号的采集和控制。实 验系统可对流量、压力、温度等进行实时监控；对油气水多相流实验系统进行安 装调试，并利用该系统做了一些验证性实验，给出对系统的客观评价。油气水多 相流实验系统具有管径d n 2 0 ，长5 m 的水平环管实验段和长2 m 的垂直实验管段， 可实现水气、油气、油水、油气水多种混合类型；实验系统的计量管路采用不同 种类的流量计进行测量并采用不同管径以提高测量精度；通过改变油气水各路流 量在实验管道形成泡状流、分层流、波状流、弹状流等多种流型。 油气水多相流实验系统能够使本科生对多相流有深刻、直观的认识，是一套 适合于本科生工程实践的小型多相流实验系统。 关键词：工程训练；多相流；实验系统；测量；控制 a b s t r a c t e n g i n e e r i n ge d u c a t i o ni sb a s e do nt e c h n i c a la n ds c i e n t i f i cd i s c i p l i n e sa st h em a i n f o u n d a t i o nt of o s t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc a nb et r a n s f o r m e di n t op r o d u c t i v i t ya st h e g o a lo fe n g i n e e r ss p e c i a l i z e de d u c a t i o n h i g h e re n g i n e e r i n ge d u c a t i o ni nc h i n a s h i g h e re d u c a t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r to fc u l t u r ef o rt h ec o m m u n i t yb e a r sah i g h e r e n g i n e e r i n ga n dt e c h n i c a lp e r s o n n e lo ft h em i s s i o n ，o nc h i n a sn a t i o n a le c o n o m i c c o n s t r u c t i o na n ds o c i a ld e v e l o p m e n tp l a y sa ni m p o r t a n tb a s i sa n dd r i v i n gf o r c e t h e p r o b l e mo fm u l t i p h a s ef l o wh a sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o d u c t i o np r o c e s so f o i l s c i e n t i f i cp r o d u c t i o nr e q u e s t su st os t u d ym u l t i p h a s ef l o wd e e p l ya n dt of i n da u n i v e r s a lm u l t i p h a s ef l o wm o d e lf o rf o r e c a s t i n ga n dc a l c u l a t i n gp r e c i s e l y , s ot h a tw e c a nu n d e r s t a n dt h i sf l o wp h e n o m e n o nw e l l i ti sn e c e s s a r ya n d i m p o r t a n tt os i m u l a t i o n i nt h el a b o r a t o r y ；m u l t i p h a s ef a c i l i t yi sav e r yi m p o r t a n tm e t h o df o rt h es t u d yo f m u l t i p h a s ef l o wp r o b l e m ，e i t h e rf o rt h e o r e t i c a ls t u d yo rf o rp r a c t i c a ls t u d y t h i sp a p e ri sf o c u s i n go nm u l t i p h a s ef l o we x p e r i m e n t a ls y s t e md e s i g n i n g e v e r y p a r ts t r u c t u r ea n dt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o nh a v ec a r r i e do u td e s i g no ne x p e r i m e n ts y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ee x p e r i m e n td e m a n d ；b yt h ef a c tt h a tc o n t r a s t a n dt h es o u r c es i f t i n g ，a s c e r t a i nt h es y s t e m a t i cp r e s s u r es o u r c ea n dp r o c e s sp a r a m e t e r m e a s u r e m e n tm e a n s ，h a v ec h o s e n d e t e c t i n ga n dc o n t r o ld e v i c e ；t h em a c h i n e c o n t r o l l i n gs y s t e m a t i cs u p e ro r d i n a t i o nu s e sm c g st od e v e l o pm o n i t o r i n ga ni n t e r f a c e l o w e r p l a c em a c h i n eu s e sp l c t oc o m et or e a l i z et h es i g n a la c q u i s i t i o na n dc o n t r 0 1 m a yt ot h ec u r r e n tc a p a c i t y , t h ep r e s s u r e ，t h et e m p e r a t u r ea n ds oo nc a r r yo nt h e r e a l - t i m em o n i t o r i n g ；i nt h ep r o j e c t ，ac o m b i n a t i o nm e t e ri sc o n t r i v e dt om e a s u r et h e s i n g l e p h a s ef l u x ，b yt h i sm e a n ，e v e r yf l o wm e t e ri nt h ef a c i l i t y sp i p el i n ew o r k e di n i t sn o r m a lf l u xr a n g e t h i sf a c i l i t yi so p e nt ot h eu n d e r g r a d u a t e sa n dt h e yc a nm a k e e x p e r i m e n t st ou n d e r s t a n dm u l t i p h a s ef l o wi nd e p t h a tt h i sf a c i l i t y ，w a t e r - g a s ，o i l - g a s ， o i l w a t e r , o i l g a s w a t e rm u l t i p h a s ef l o wc a nb eo b t a i n e d ，a n db u b b l e ，s l u g ，a n n u l a r , c h u ma n dm i s tf l o wp a t t e r n sc a nb ec r e a t e d t h eo i l w a t e r g a sm u l t i p h a s ee x p e r i m e n ts y s t e mc a ne n a b l et h eu n d e r g r a d u a t e s t u d e n tt ou n d e r s t a n dt h em u l t i p h a s ef l o ww e l l ；i ti sas e to fm i n ie x p e r i m e n ts y s t e m s u i t si nt h eu n d e r g r a d u a t es t u d e n tp r o j e c tp r a c t i c e k e yw o r d s ：e n g i n e e r i n gt r a i n i n g ；m u l t i - p h a s ef l o w ；e x p e r i m e n t a ls y s t e m ； m e a s u r e m e n t ；c o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盈红鹾k 签字日期：勿田9 年2 月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：弘红髟乙 答字只期：砷年y 月歹多同 一名：铆 导师签名：邵 群醐y r 肋弓日 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 工程是人们综合应用科学理论和技术手段去改造客观世界的实践活动。工程 教育是以技术科学为主要学科基础，以培养能将科学技术转化为生产力的工程师 为目标的专门教育【l 】。它是工程和教育两个系统的“交合”，即具有一般的教育 共性，又具有显著的工程特性。高等工程教育是我国高等教育的重要组成部分， 担负着为社会培养高等工程技术人才的任务，对我国国民经济建设和社会发展起 着重要的基础和推动作用。当前，我国的高等教育正面临着深刻的社会变革带来 的挑战，科学技术的迅猛发展，大众化教育时代的来临，制造大国的国家定位， 都对工程教育提出了新的要求。在这种背景下，高等工程教育就比以往任何时候 更多地引起人们的关心和重视。因此，必须根据国民经济的需要和工程技术发展 趋势，根据工程人才的成长规律，来组织工程教育，促进工程技术人才迅速成长， 广泛运用现代化教学手段培养学生创新实践能力和工程实践能力1 2 】。 实施高等工程教育必须理论联系实际，坚持课堂培养与类型层次繁多的实践 培养紧密结合。实践环节对工程人才的培养具有特殊的重要性，工科学生实际经 验的获得，离不开真实的生产环境。应完善校内外实验、实习基地建设，鼓励实 践环节和实践项目的建设，以科研项目及其成果带动实践项目的改造。通过加强 设计型、综合设计型为主的实验，加强自主研究性的实验，实施开放实验室，引 导学生参与科研和实验室建设等，来实现实验教学过程的创新，为培养学生实践 动手能力和创新意识创造良好条件【3 】。 能源工业是我国经济建设的重点，而许多能源工业诸如石油、化工等工程中 往往涉及多相流问题。近年来各国对多相流的兴趣有增无减，纷纷开始研究多相 流问题，并取得了一定的成果。研究多相流问题对能源计量、节约等都有很重要 的意义，尤其是在石油化工生产中，如油藏工程、采油工程、油气集输工程、石 油炼制工程等1 4 j 。由于石油工业的发展，尤其是海洋油田、沙漠油田、极地油田 等的开发，使得多相流体流动机理的研究和应用、多相流流型的识别与控制、多 相流流量计的研制与开发己经成为近代石油工业技术及其交叉学科的重要研究 方向，并取得了大量的研究成剽5 | 。这些成果已经应用在实际的工程中并显现出 明显的经济效益。例如，在海洋石油开发工程中，多相流技术的应用可减少井口 第一章绪论 物流的回压，增加采收率，也可减少海洋平台的建造、操作费用，降低海底管道 的铺设费用和海上油气处理设备的安装、经营费用【6 j 。 多相流实验装置是研究油气水多相流问题的重要手段，尤其是在理论问题的 研究中占有重要地位【7 1 。多相流实验装置就其功能而言大致可以分为三类【8 】【9 1 。 第一类是中、大规模模拟实验装置，这类实验装置规模庞大、管路复杂，可模拟 管路启动、停输、泄露、堵塞等工况，并且可模拟管道长距离输送过程中的实际 工况。第二类是实验室小型实验装置，这类实验装置规模较小，一般可进行油、 气、水三相或任意组合相的水平段或者垂直段的多相流实验。在这些实验装置中 流型及其对应的流动参数能够方便地采集和处理。小型实验装置主要用来完成多 相流的模拟实验。第三类是多相流标定装置，它具有功能齐全、测量范围宽、准 确度高、仪器设备先进等优点，是油气水多相流量计标定和多相流测试研究的综 合性实验装置。在这三类实验装置中以实验室中、大型实验装置最为普遍，它广 泛存在于各个多相流研究机构中。这些多相流实验装置与工业原型管线工况相 比，其管径较小，管内运行压力较低，多采用空气、水、柴油作为实验介质【l 0 | 。 尽管如此，中、大型实验装置的实验结果将会得出一些重要参数的变化趋势，并 在以后的工业原型管线实验中得以验证。 小型多相流实验系统由于其机理模型和产生方法的多样性和综合性，适合于 本科生在实验室环境下对多相流知识和过程控制过程有所了解，利用所学知识开 展创新实践活动，有助于缩短大学生就业后的岗位适应时间，为用人单位用人节 约成本。因此，设计用于工程训练的小型多相流实验系统对工科大学生的教学具 有重要意义。但目前，国内还没有专门用于工科大学生学习和训练的小型多相流 实验室系统。为填补此项空白，培养学生实践动手能力和创新意识，天津大学电 气与自动化工程学院实验中心研制了一系列用于工程训练的实验系统，油气水多 相流实验系统就是其中之一。该系统可完成水平环管、垂直管内水气、油气、 油水、油气水等多相流实验，是一套对多相流流型观察、进行多相流研究实验 的功能比较完备的小型实验系统。 1 2 多相流实验装置的国内外发展现状 为了研究多相流问题，世晃上已经建立了多套多相流实验装置，这些实验装 置为多相流的研究做出了巨大的贡献。 2 第一章绪论 1 2 1 国外的实验装置介绍 1 9 7 4 年法国两家石油公司和法国石油研究所为观察两相流流动和取得精确 数据联合建立了布桑实验环道；19 7 5 年a g a 投资，t u l s a 大学在大规模实验环 道上评价了天然气、凝析液环状流中压降减少的效果；19 8 0 年在e s s 公司倡议 下，几大石油公司联合投资兴建了现场规模的实验环道，即挪威的s i n t e f 两相 流实验环道，这是目前世界上最大的两相流实验装置：1 9 9 2 年日本国家石油公 司建立了一个大规模多种目的的实验环道】【1 2 】。 j k o l n e s 详细介绍了他设计、安装、调试的一套研究气液两相流在管道分支 处流动特性的实验环道，并详细介绍了调试环道的过程和试验注意事项。该环道 水平段总长度约5 0 m ，内径为4 2 6 m m ，均为透明p v c 管。为确保在进入测试管 段之前水气两相流流型己经充分发展，加长了测试段前端的水平直管段的长度为 2 5 m ( l d = 5 8 0 ) 。为确保管夹位置的管子内表面光滑以防止对正在形成的流型的 扰动作用，j k o l n e s 专门设计了三种类型的管夹，经仔细安装后可使得多相流体 平稳穿过管夹，保证实验效剽1 3 】。 s i r i s a kj u p r a s e r t 在研究“倾斜管线一垂直管线系统中的气液两相流动时， 设计建造了一套倾斜垂直管线系统，其中倾斜管线长3 0 m ，垂直管线长1 5 m ， 均为5 0 m m 内径的有机玻璃透明管。倾斜管和垂直管上均有两个相距7 6 m 的取 压孔，引压管中充满空气。为使两相流流型得以充分发展后进入测试段，作者留 出了足够长的稳定段。其中，倾斜管线稳定段长径比l d = 3 3 0 ，垂直管l d = 9 5 。 当倾斜管线的倾角为5 。时，出现入口效应：即由于从混合点到倾斜管线入口的 入口管与水平倾斜2 5 0 ，导致在入口管产生了段塞并进入倾斜管线。为了消除入 v i 效应，空气和水先经过各自的管线，然后在倾斜管线入口前0 9 m 处混合【l 4 1 。 m i k a le s p e d a l 在进行“小倾角倾斜管线中的两相分层流试验研究”时，设计 建造了一套实验装置。e s p e d a l 仔细设计了气液两相混合段：混合段长4 0 c m ，内 径6 0 m m ，为透明有机玻璃管，管中间平行于流动方向上安装了一块4 0 c m 长的 钢板，该钢板是在空气、水混合之前起对空气和水的整流作用。通过调节钢板的 倾角使两相分别通过一定的管横截面流动，该横截面面积接近气相和水相在测试 段中流动时各自所占的横截面积，以尽可能的缩短分层流发展段【l 5 | 。 由英国n e l 国家工程试验室建造的油气水三相流量测试和标定装置是具有 国家标准的多相流量计标定装置，在世界上具有很高的知名度和权威性i l6 - 。它是 油气水多相流量计标定和多相流测试研究的综合性试验装置。该装置和油流量标 准装置建在同一个试验室内，该试验室于1 9 9 1 年开始建设，1 9 9 4 年建成。实验 3 第一章绪论 室长8 0 m ，宽2 0 m ，高ll m 。油气水单相计量、测试标定及分离设备在室内，氮 气设备在室外。另外在实验室地面以下建有一个4 5 m 深的地下室，用于放置储 罐和油水泵。该装置的管路、分离器、泵、阀等部件都为不锈钢材料，还配备了 伽马射线密度计、x 射线分析仪、高速摄录仪等流态测试仪器，以及长3 0 m 、耐 压1 m p a 的水平透明管路和5 m 长的垂直透明管路，用于观察流态，可对多相流 量计进行水平、垂直测试标定，并由计算机完成数据的采集、计算和对系统的控 制。 挪威h y d r o 石油公司研究中心的高压多相流实液测试标定装置是目前世 界上唯一的高压多相标定装置，具有压力高、规模较大、量程较宽等特点旧。所 用油介质为采油田的原油，水为产出水，天然气为某油田的产出气。油泵、水泵、 天然气压缩机、分离器和油气水各单相仪表放在同一试验室内，分上下两层，使 用面积约7 2 m 2 ( 6 m 1 2 m ) ，试验管段放在室外长度1 2 0 m ( 6 0 m 2 ) 。所有管道、 容器、阀门等都为复合钢材料，可耐c 0 2 ，h 2 s 的腐蚀，并且有保温层，加不锈 钢护罩可对试验介质进行温控。多相流量计可水平或垂直安装，也可5 0 调节。 由于是实液，无透明管段观察流型，所以使用伽马射线仪测气液组分( 流型) ， 用电导仪测量油水流型。安装了粘度计、差压计、防腐测量仪( 挂片式) 和1 3 个探头温度变送器，用于测量介质的粘度、管道压差、介质腐蚀性和整个截面积 上( 管壁、管内) 的温度。 国外具有代表性的多相流检定装置还有挪威k o s 公司多相流标定装置，法 国石油研究院的i f p 油气水多相流测试装置、英国s c h l u m b e r g e r 油气水三 相流测试装置、挪威f r a m o 公司的油气水多相流量测试装置、美国c o n o c o 多相流校验装置【1 7 j 。 1 2 2 国内的实验装置介绍 石油大学( 华东) 的多相流环道是国内著名的大型实验装置。它的实验环道 长度为3 ”3 5 0 m ，工作压力0 8 m p a ，可倾斜管段17 m ，倾角可变化范围为3 0 0 + 3 0 0 。环道起点有气、液供给设备和计量调节系统，终点有分离和段塞捕集系统， 测试管段有收发清管球装置和液体分离计量罐。环道占地3 0 0 0 m 2 ：其气液供给 系统的供液量为2 1 0 0 m 3 h ，供气量 1 3 8 0m 3 h ，供给压力1 2 m p a 。可进行水 平管、倾斜管多相流流型、截面含液率、压降等研究，清管及管路内集液量研究， 管路启动、停输、泄露、堵塞等工况的瞬变多相流的研究，立管诱发强烈段塞流 研究和段塞捕集器动态模拟研究。石油大学( 华东) 多相流小型实验装置包括空 气水环道系统和油气水三相流环道系统，在该装置上可进行气液两相流实验( 包 4 第一章绪论 括油气、水气、非牛顿液气) 、液液两相流实验( 包括油水、油非牛顿水 溶液) 及油水气三相流实验。多相流实验装置由桁架、环道系统、供气系统、供 水系统、供油系统、和数据采集监控系统组成【博j 。 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室建有油气水三相流实验台，该 实验系统主要包括油路、气路、水路三部分，油和水分别被放置在油箱和水箱中， 空气由空气压缩机提供。油路和水路分别用齿轮油泵和离心水泵将工质泵入实验 系统。为了使系统压力稳定，在水泵后安装了稳压罐，利用稳压罐上部的可压缩 空气使系统的压力保持稳定。实验装置中的油气水分相计量。另外水路还用来标 定流量孔板，在标定流量孔板时，可以从各路的预留出口处将水导入水桶，并计 时称重，计算出实际的平均流量。通过在水泵出口处的阀组切换，可以用水来标 定各路流量孔板。在进行实验时，工质经过标准流量孔板分别被测量之后，经过 混合器混合后进入实验段装置。从实验段出来的油气水混合物先经过气液旋风分 离器，分离出的气体排入大气，液体工质进入油水分离箱进行分离引入油箱和水 箱循环使用1 1 引。 大庆油田石油设计院建设的一套油气水多相流流量计现场实液校验装置。该 装置由介质分离处理系统、介质调配输送稳压系统、单相流量计量混合系统、流 动稳定部分、多相流量计试验单元和用后介质外输系统构成，可用于在原油、产 出水、伴生气现场实际介质条件下，对多相流量计进行全量程的性能测试校验。 其技术原理为：将油井产出的油气水混合液经分离、净化后，制成油、水、气单 相介质，给这些单相介质增压，进行标准流量调节和计量，经过混合、发展后进 入多相流量计，通过将装置的油、气、水单相标准流量值与被测多相流量计测得 的油、气、水单相流量值的比对，来确定多相流量计的计量准确度、复现性及有 关性能参数1 2 。 1 3 课题的主要研究问题 本研究课题来源于天津市应用基础及前沿技术研究计划重点项目“多传感器 融合的油气水多相流测量系统研究( 批准号：0 8 j c z d j c l 7 7 0 0 ) 和国家大学生 创新性实验计划项目“复杂运动过程检测与控制实验系统设计( 天津大学一6 0 ) 。 在天津大学多相流实验室多年研究的基础上，针对大学生工程教育中工程能力的 培养，为满足创新实验的要求设计并开发用于本科生工程训练和研究生基本实验 的小型油气水三相流实验装置。 本课题的主要研究内容如下g 5 第一章绪论 1 根据多相流各种流型、流态产生的条件，完成油气水多相流实验系统方 案设计； 2 根据实验室条件及工程训练的要求，实现系统各部分结构和空间布局设 计： 3 根据油气水多相流实验系统的实验要求，通过对比和筛选，确定系统的 压力源与过程参数测量手段； 4 分析油气水多相流实验系统特点，根据控制方案选择检测、控制装置； 5 运用m c g s 软件设计监控界面，实现流量、压力、温度等实时监控，实 现油气水多相流实验系统的计算机控制； 6 油气水多相流实验系统的安装调试，利用该系统做一些验证性实验，给 出对系统的客观评价。 1 4 论文的章节安排 论文各章节安排如下： 第一章绪论。说明了多相流实验系统是研究多相流的重要手段，大多数多 相流的成果都是在实验室内的小型实验装置上完成的。简要介绍了当前世界上多 相流实验装置的类型和基本情况。最后概括介绍了本论文完成的主要内容和组织 结构。 第二章系统的构成与功能。阐述装置的设计原则，设计依据，介绍系统各 个组成部分以及其作用。 第三章系统各部件的选型和设计。根据装置占地，指标要求等选取合适管 径，储罐容积以及泵的体积流量等参数。设计压力源及油，气、水单相调节管排。 流量计、调节器等的选用。选取合适的流量计以及温度、压力等过程参数仪表进 行计量。选择合适的调节器，阀门等。 第四章控制系统设计与运行。按照系统需要，根据系统特点，完成了控制 系统安装、调试。包括控制方案选择，控制系统软、硬件的开发。通过实验来对 系统进行评定。 第五章结论与建议。本章对全文工作做了总结，对未来研究方向做了展望。 6 第二章系统的构成与功能 第二章系统的构成与功能 本章简要介绍多相流实验系统设计原则、设计要求、各组成部分及完成的功 能。油气水多相流实验系统设计方案的确定是一个反复研究、不断修改的过程， 其设计思路为整体一局部一整体。通过分析装置的功能、工艺要求，结合实验室的 具体情况，完成系统运行的主要流程设计。 2 1 设计要求 要设计油气水多相流实验系统，首先要根据已有的多相流流型知识确定所需 的大概流量。针对多相管流中压力波动大、流量范围广的特点，采用高精度的压 力和压差变送器测量实验中的压力和压差，选用合适的流量计自动检测流体流 量。多相混输管路的管径变化、倾角变化对多相流动规律影响的研究是多相流实 验装置设计中需要考虑的重要因素。根据多相流动的特点，为保证实验中能得到 所有的流动型态，必须配备大功率、大流量和较大工作压力的气液供给设备。 1 实验流体 多相流实验系统中选择空气，水和油为气相和液相的流动介质。要求实验系 统能够实现油水、油气、水气、水油气多种混合类型。 2 流动型态【2 l 】 2 2 1 要求实验系统能够产生多相流动中大部分流动型态，即层状流、波状流、段 塞流、气泡流、团状流和雾状流等。 3 基本要求： 工作介质：油、水、空气： 计量范围和精度： 油：0 - - 2 1m 3 h士1 0 ； 水：0 - - 2 5m 3 h士1 0 ； 空气：0 - 1 0m 3 h士1 5 ； 实验水平管：d n 2 0 ，不少于5 m ； 7 第二章系统的构成与功能 实验垂直管：有效高度2 m ，实验管道口径为d n 2 0 。 2 2 设计依据 利用前人研究多相流动型态预测的方法，得出确定各种流动型态所需的最小 流速，根据此流速再确定所需的管径和与之相应的气体和液体流量，最终选择气 体和液体供给设备。由于实验装置多用于气液两相流实验，设计时首先依据曼德 汉流型刚2 3 j 确定气液两相流动型态规律，判断不同气液流动参数下的流型，得到 确定流型转换的模型。然后，进一步得到油气水三相流的流型表征。要得到所需 要的流型，表观流速必须达到一定数值。图2 1 为曼德汉流型图。 衷税气体流速n j s 图2 1 曼德汉流型图 曼德汉流型图坐标中的参数按下式计算： u t , = 3 5 3 7 争d吣3 5 3 - 争d ， 式中，( 乃广液相表观流速，m s ； ( 名厂气相表观流速，r n s ； 西l 管内径，m m ； 吼厂两相流中液相的体积流量，m 3 h ； g ，广两相流中气相的体积流量，m 3 h 。 管径、储罐容积、泵的体积流量，这三个参数是相互关联的。要想得到大部 分流型，实验管道内流体表观流速应达到某一最大值，这与管径和泵的体积流量 有关；泵的体积流量和储罐容积限定了实验进行时间，实验介质过少则无法进行 8 第二章系统的构成与功能 实验：而管径和储罐容积叉要受到实验台占地的限制，不能过大。因此，方案的 确定需要反复研究、不断修改。 2 3 设计原则 1 实验系统应满足工程训练需要，便于学生进行创新实验； 2 实验系统在教学实验室中应用，要尽量做到小型化； 3 尽可能使用不同种类检测仪表，让学生对不同仪表的性能有所了解： 4 通过调节流量和压力，能产生大部分流型，使学生对多相流有直观认识； 5 通过对多相流实验系统的使用，使学生了解一般工业过程的检测和控制技术 2 4 系统组成及功能 图2 - 2 多相流实验系统组成 多相流实验系统组成如图2 2 所示，各组成部分分别为：油、水源；油气水 计量调节系统；空压机及稳压系统：水平环道和垂直实验管道：油气水分离系统。 由油、水源向实验管道( 水平或竖直) 提供一定比例的油、气、水，并由油、气、 水计量调节系统对流体进行计量和调节。实验管道是透明的，由有机玻璃材料制 作，便于观察各相流体在管道里的流型、流态等。整个过程可以手动谓节，也可 以自动操作。当进行油、水两相实验时，油泵和水泵分别将油和水泵入计量管道。 当油、水进入各自计量管道，分别经涡轮流量计，然后再进入实验管道形成混合 液，油、水混合液的流量和含水率可由阀门控制调节。由于压力稳定，流量也不 会变t 含水率也能保持不变。油、水混台液通过实验管道后流回油水分离罐。 静置等到油、水完全分离后油水分别流回储油罐和储承罐，重复使用。 9 i 第二章系统的构成与功能 当进行三相流实验时，空气压缩机输出的空气，首先进入稳压罐，经稳压阀 调节气体的流出压力，经过计量管道后进入实验管道，同经过计量的油水混合， 供以油气水三相流动状态进行实验。实验后，油水分离分别流回储油罐和储水罐， 气体则直接被排放到空气中去。对于油气，水气等实验与上述实验流程类似，不 再叙述。 2 5 各环节功能描述 1 管线和罐体 实验管道采用透明实验管线，以观察流动型态变化规律；实验管线要足够长， 使进、出口端留有适当的稳定段；在设计罐体时，既要考虑占地面积不能太大， 又要保证油气水三相分离效率和实验连续运行时间，因此油、水罐及油水分离罐 要选择合适的容积。 2 油、水泵和空压机 油、水泵分别负责将油和水从罐中泵入管道，液相稳压方式有多种：如空气 缸稳压，高位水箱稳压，稳压罐稳压，变频泵稳压等。考虑成本、占地、维护等 多方面因素，决定采用旁路手阀实现压力调节。空压机输出的空气进入稳压罐， 气相通过稳压罐稳压后，稳压阀输出稳定压力的气体，达到缓冲稳压的效果。 3 流量调节与计量技术 由于油、水、气路流量调节范围设计很宽，采用单一的计量设备和调节设备 来达到所设计规定的各相流量的技术指标有困难，精度也不会高。经研究决定采 取分段计量和分段调节以及精选流量计来提高测量精度。油路、水路、气路均采 用两路，每条管路的闸阀、流量计、调节阀都因流量的不同而不同。同时为了避 免流量调节死区，选择流量计时，使每路流量计具有一定的覆盖范围，尽量避免 测量范围的上下限段。同时注意流量计前后直管段的长度要大于相应的直管段要 求。 另外，在油、气、水管路的相应处安装温度、压力变送器，用于测量管路介 质的温度和压力。 1 0 第三章系统各部件的设计及选型 第三章系统各部件的设计及选型 本章重点介绍管道、检测仪表、储水罐、储油罐、泵及空气压缩机的选择。 3 1 管道的选取以及管压降计算 3 1 1 管道的基本参数2 4 】【2 5 】 管道的设计压力，设计温度，公称压力、公称直径等都是管道工程设计的基 本参数。 1 设计压力 中国石化总公司石油化工企业管道设计器材选用通则( s h 3 0 5 9 9 4 ) 规定 管道组成件的设计压力，应不低于正常操作过程中，由内压或外压与温度构成的 最苛刻条件下的压力。最苛刻条件是导致管道组成件最大壁厚或最高压力等级的 条件。与设备或容器连接的管道，其设计压力应不低于所连接设备或容器的设计 压力，并应符合以下要求：管道系统无安全泄压装置时，设计压力不应低于压力 源可能引起的最高压力与静液柱压力之和；装有安全泄压装置时，则不应低于安 全泄压装置的设计压力与静液柱压力之和；离心泵排出管道的设计压力取以下两 项中的较大值，取离心泵的正常吸入压力加泵进出口额定压差的1 2 倍或离心泵 最大吸入压力加泵进出口的稳定压差；真空系统管道的设计压力为0 1 m p a 外压。 总之，设计压力是导致管道组成件最大厚度和最高压力等级的压力，根据各 根管道的具体条件确定。 2 公称压力 公称压力为管道、管件、阀门等在规定温度下允许承受的以压力等级表示的 工作压力。公称压力的符号为p n ，其单位公制为m p a 或b a r ，英制为p s i 。公称 压力一般表示管道法兰或法兰连接的其他管道组成件在某一基准温度下的最大 许用工作压力。 3 设计温度 管道的设计温度是指正常操作过程中，由压力和温度构成的最苛刻条件下的 材料温度。设计温度取法各管道规范并不完全一致。 1 1 第三章系统各部件的设计及选型 设计温度与设计压力一样是管道工程设计的重要参数，是管道选材的依据之 一，正确确定设计温度，才能保证管道安全运行，又不致造成浪费。 4 公称直径 为简化管道组成件的连接尺寸，便于生产和选用，工程上对管道直径进行了 标准化分级，以“公称直径”表示，公称直径的符号为d n ，公制单位为m m 。 公称直径为表征管道、管件、阀门等口径的内直径，其实际数值与内径并不完全 相同。 考虑实验室温度变化不会很大，实验系统中的实验管道是敞开的，压力较小， 因此在管道设计时对压力和温度没有特殊要求。最终实验管段选用公称直径 d n 2 0 ，壁厚2 m m 的有机玻璃管，其他管道均采用不锈钢管。 3 1 2 管道压力降计算 1 不可压缩流体管道的压力降闭 2 7 1 在一般的压力下，压力对液体密度的影响很小，即使在高达3 5 m p a 的压力 下，密度的减小值仍然很小。因此，液体可视为不可压缩流体。气体密度随压力 的变化而变化，属于可压缩流体范畴。但当气体管道进出口端的压差小于进口端 压力的2 0 时，仍可近似地按不可压缩流体计算管径，其误差在工程允许范围之 内，此时，气体密度可按以下不同情况取值：当管道进出口端的压差小于进口压 力1 0 时，可取进口或出口端的密度；当管道进出口端的压差为1 0 - 2 0 时， 应取进出口平均压力下的密度。 当气体管道进出口端的压差大于进口端压力2 0 ，应按可压缩流体计算管 径。 2 确定流体的流动状态 ( 1 ) 流动状态可用流体的雷诺数r e 表示，雷诺数可用式3 1 计算： 式中，r r 雷诺数； 西l 管内径，m m ； 广流体密度，k g m 3 ； z 广_ 流速，m s ； r e = 皇丝( 3 1 ) p o 1 2 第三章系统各部件的设计及选型 厂流体动力粘度，m p a s 。 ( 2 )当雷诺数小于2 0 0 0 时，流体的流动处在滞流状态，管道的阻力只与雷诺 数有关。这是因为管壁上凹凸不平的地方都被平稳滑动着的流体层所掩 盖，流体在此层上流过如同在光滑管上流过一样。 ( 3 )当雷诺数为2 0 0 0 - 4 0 0 0 时，流体的流动处在临界区，或是滞流或是湍流， 管道的阻力还不能做出确切的关联。 ( 4 ) 当雷诺数符合式3 2 判断式时： 4 0 0 0 r e 3 9 6 卧陋) 协2 ， 式中r 管壁的绝对粗糙度，m m ，其值见表3 1 8 厦一管壁的相对粗糙度。 此时，流动状态虽为湍流( 过渡区) ，但管道的阻力是雷诺数和相对粗糙度 的函数。 表3 1 管壁的绝对粗糙度占值 管道类型绝对粗糙度占m m 干净的玻璃管 o 0 0 1 5 - - 0 1 新无缝钢管0 0 4 0 1 7 普通铸铁管 0 2 5 o 4 2 腐蚀较重的无缝钢管 0 5 0 6 ( 5 ) 当雷诺数符合式3 3 判断式时 3 9 6 卧陆 阻3 ， 此时，流动状态处于粗糙管湍流区( 完全湍流区) ，管道的阻力仅是管壁的 相对粗糙度的函数，这是因为在该区，粗糙管壁的凸出部分伸到湍流主体中，加 剧了质点的碰撞，致使流体中的粘性力不起作用。因此，包括的雷诺数不再影 响z 的大小。 3 管道压力降 1 3 第三章系统各部件的设计及进型 流体在管道中流动时的压力降可分为直管压力降和局部障碍所产生的压力 降，如式3 - 4 所示。局部障碍系指管道中的管件、阀门、流量计等。 印。= 肇，+ 觇 ( 3 q ) 式中，4 阼管道压力降，k p a ； 舡广一直管压力降，k p a ； 加，局部压力降，k p a 。 考虑到估计的直管长度和管件数量的不准确性，计算出的印。，应乘以l1 5 安全系数作为设计值。 ( 1 ) 直管压力降可按式3 5 计算 锄= z 亭譬 式中，一直管长度，m ； 4 一直管自径，t t u n p 摩擦系数； 其他符号网前。 ( 2 ) 摩擦系数l 应根据流动状态按下列公式之一计算。在手算时，可从图3 - i 查得。比用公式计算方便，且其查得的 值与计算值相近。当流体处在滞 流状态时； 五26 4 r e 一； 当流体处在过渡区时： 万1 一七奇+ 嚣j 珀瓣雌临躯吼拈警地孺 用试差法求得x 值。 图3 - 1 摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系 第三章系统各部件的设计及选型 局部阻力( 因局部障碍所产生的压力降) 可按下述方法计算。 当量长度法。因局部阻力而导致的压力降，相当于流体通过其相同管径的某 一长度的直管的压力降，此直管长度成为当量长度。各种管件、阀门和流量计等 的当量长度值由实验测定，见下表3 2 。当管道中的管件、阀门和流量计的数量、 型号为已知时，可据此计算出总当量长度，再按式3 5 求得局部阻力。 表3 2 管件、阀门等的当量长度 类型l e d 系数 9 0 。标准弯头 3 0 4 0 闸阀( 全开)7 文式流量计1 2 转子流量计 2 0 0 3 0 0 止回阀( 全开)1 3 5 局部阻力系数法。可按式3 - 6 计算 蚣七( 等) 1 0 胁 式中，i 每一个管件、阀门等的阻力系数，见表3 - 3 。 表3 - 3 各种管件和阀门的k 值 管件和阀门名称k 值 9 0 。弯头1 3 闸阀o 1 7 ( 全开) 标准= 通管 1 8 止回阀旋启式k = 2 流量计7 球形控制阀4 0 4 计算水管路的压力降 1 5 ( 3 - 6 ) 第三章系统各部件的设计及选型 自来水的运动粘度1 10 石m 2 s 。水路最大体积流量定为2 5 m 3 h ，算得水路 流速为2 2 1 m s ，根据式3 1 算得雷诺数为4 4 2 0 0 。属于情况( 4 ) 湍流。管道的 相对粗糙度：e , d = 0 0 1 。根据相对粗糙度和雷诺数由图3 2 查得摩擦系数为0 0 3 9 。 接下来根据式3 4 计算管道压力降。其中直管段压力将根据式3 - 5 求得。局部压 力降采用局部阻力系数法计算。最终算得管道的总压损约为7 4 k p a ，折合为大约 8 m 水柱。 5 计算油管路的压力降 油的运动粘度约为1 1 0 4 m 2 s 。油路最大体积流量定为2 1 m 3 h ，算得油路 流速为1 8 6 m s ，根据式3 - 1 算得雷诺数约为3 7 1 ，属于情况( 2 ) 滞流状态。压 力降只与雷诺数有关。所以油路压力降不能再根据莫迪图求摩擦系数，而应该根 据l = 6 4 r e j 求得。将求得的雷诺数代入得k = 0 1 4 5 。然后根据式3 - 4 求得总压力 降约为1 2 1 k p a ，折合为大约1 2 m 水柱。 因此，要想在实验管段得到一定的流速和压力，在选择油泵和水泵时应把管 道的压力降考虑在内。 3 2 储罐容积的选取 储罐容积的选取很重要，如果选择过小则储罐中的油或水不能完成实验就已 经干涸，如果选取过大则占地太大，所以储罐容积的选取要综合考虑各种因素。 水平实验管道管径选择d n 2 0 ，水路和油路最大体积流量分别为2 5 m 3 h 和 2 1 m 3 h 。在保证实验能正常进行的前提下，综合考虑占地与成本问题，最终确 定储水罐和储油罐的容积均为0 6 m 3 ，长宽高为l m x 0 8 m x 0 8 m 。分离罐容积选 择1 4 m 3 ，长宽高为2 m x 0 8 m x 0 9 m 。分离罐在占地允许的情况下选择较大容积， 对提高油气水三相分离效率，增加液滴的分离停留时间，保证实