本發(fā)明涉及一種油氣集輸系統(tǒng)多相流動技術領域，特別是關于一種清管器性能與清管效果測試裝置及方法。

背景技術：

天然氣管道的長期運行會在管道內(nèi)積聚凝析液，使管道流通面積減小、能量損耗增大，極大地降低管輸效率，在特定條件下還可能生成水合物堵塞管道。通常采用定期清管的方法解決凝析液積聚問題。

傳統(tǒng)清管器通過皮碗或球體對管道進行密封使背壓升高，依靠前后壓差推動其在管道中運動進行清管作業(yè)。實際生產(chǎn)中輸氣管氣體流量大、流速快。由于前后密閉，傳統(tǒng)清管器速度與氣流速度基本相當，從而導致清管器上下游發(fā)生嚴重竄漏，清管效率降低，液體不能被完全清除。同時，高速運行的清管器帶動機械雜質(zhì)與管道內(nèi)壁產(chǎn)生強烈的摩擦，破壞管道涂層、縮短管道壽命。此外清管器的高速運行，會產(chǎn)生巨大的動量，對管道的彎頭、儀表、收球筒等產(chǎn)生巨大的沖擊破壞，更為重要的是，由于清管器速度過快，造成大量液體在清管器下游積聚，當清管器到達終端時，積聚的清管段塞量往往超過下游段塞流捕集器的處理能力，從而造成捕集器溢流等生產(chǎn)事故，對下游處理系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來影響。

目前，國內(nèi)外多采用射流清管器進行清管作業(yè)，以解決傳統(tǒng)清管器清管速度過快、清管段塞量過大帶來的一系列生產(chǎn)安全問題。射流清管器依靠旁通孔降低清管器前后壓差，減小清管器速度，從而顯著減少清管段塞量，保證下游處理系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。對于一定的密封結(jié)構(gòu)，清管器的旁通率是影響射流清管效果的主要因素。當旁通率為零時，即為傳統(tǒng)清管器，旁通率過低，則驅(qū)動壓差過大，使清管器速度和清管段塞量過大，達不到安全清管的目的，旁通率過高，驅(qū)動壓差過低，導致清管器卡堵，造成生產(chǎn)事故。因此，為提高射流清管器的清管效率，同時保證清管作業(yè)及下游設備的安全穩(wěn)定運行，需對旁通率進行優(yōu)選，深入探究旁通氣體與射流清管器下游積液運移規(guī)律間的耦合作用機制，研究有無旁通以及不同密封結(jié)構(gòu)下清管效果的差異，然而目前尚未出現(xiàn)相應的清管旁通選優(yōu)與清管積液測試裝置及方法，從而無法進行清管器性能與清管效果的測試。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種清管器性能與清管效果測試裝置，該裝置能針對不同的運行工況(氣量和積液量)條件，不同的清管器結(jié)構(gòu)參數(shù)(旁通率和皮碗密封結(jié)構(gòu))評價清管器性能和清管效果，包括清管器運行速度的變化、清管積液運移規(guī)律以及終端清管段塞量的大小，從而優(yōu)選清管器的旁通率，解決生產(chǎn)中清管器旁通孔大小與清管器密封結(jié)構(gòu)的適配性問題，為清管器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計提供參考依據(jù)。

本發(fā)明的另一目的是提供清管器性能與清管效果測試方法，該方法以清管器平穩(wěn)運行速度和清管段塞量作為旁通優(yōu)選的性能指標，可得到不同旁通率下的清管速度和清管段塞量的變化規(guī)律，準確評價不同的清管器結(jié)構(gòu)參數(shù)和生產(chǎn)運行參數(shù)下的清管器運行速度和清管段塞量，從而評價清管器性能和清管效果，同時還能獲得清管積液運移過程與清管器性能的內(nèi)在關系。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案：一種清管器性能與清管效果測試裝置，其特征在于：該裝置包括進氣口、氣體供應與計量單元、清管器發(fā)射與接收單元、清管運行測量單元和終端積液接收單元，所述清管器發(fā)射與接收單元包括清管器發(fā)射單元和清管器接收單元；所述進氣口與所述氣體供應與計量單元入口端連接，所述氣體供應與計量單元出口端與所述清管器發(fā)射單元入口端連接，所述清管器發(fā)射單元出口端經(jīng)所述清管運行測量單元與所述清管器接收單元連接；位于所述清管運行測量單元末端還連接所述終端積液接收單元；所述氣體供應與計量單元包括空氣壓縮機、第一閥門、緩沖罐、第二閥門、空氣過濾器、第三閥門、氣體流量計和第四閥門；所述進氣口與所述空氣壓縮機入口連接，所述空氣壓縮機出口經(jīng)所述第一閥門與所述緩沖罐入口連接；所述緩沖罐出口經(jīng)所述第二閥門與所述空氣過濾器入口連接，所述空氣過濾器出口經(jīng)所述第三閥門與所述氣體流量計入口連接；所述氣體流量計出口經(jīng)所述第四閥門與所述清管器發(fā)射與接收單元連接。

優(yōu)選地，所述清管器發(fā)射與接收單元中清管器發(fā)射單元包括發(fā)球筒、差壓傳感器、排氣口、第五閥門和第六閥門；所述清管器接收單元包括第七閥門、收球筒和放液口；所述發(fā)球筒入口與所述氣體供應與計量單元中第四閥門連接，且所述差壓傳感器與所述發(fā)球筒并聯(lián)，位于所述發(fā)球筒出口處經(jīng)所述第六閥門與所述清管運行測量單元入口端連接；位于所述第六閥門與所述發(fā)球筒出口之間還并聯(lián)有一管路，該管路末端為所述排氣口，且在該管路上設置有所述第五閥門；所述清管運行測量出口端經(jīng)所述第七閥門與所述收球筒連接，位于所述收球筒底部還設置有所述放液口。

優(yōu)選地，所述第五閥門和第六閥門為兩個啟閉機制相反且聯(lián)鎖控制的電動閥門。

優(yōu)選地，所述發(fā)球筒為偏心大小頭結(jié)構(gòu)，所述收球筒為同心大小頭結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述清管運行測量單元包括第一壓力傳感器、注液口、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器、第四壓力傳感器、第五壓力傳感器、第六壓力傳感器、第七壓力傳感器、第八壓力傳感器、第一紅外二級管、第二紅外二極管、第三紅外二極管、第一攝像機、第二攝像機、第三攝像機和透明有機玻璃管；所述透明有機玻璃管入口與所述清管器發(fā)射單元連接，所述透明有機玻璃管出口與所述清管器接收單元連接；位于所述透明有機玻璃管上，從入口至出口依次設置有所述第一壓力傳感器、注液口、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器、第四壓力傳感器、第五壓力傳感器、第六壓力傳感器、第七壓力傳感器和第八壓力傳感器，所有壓力傳感器采集信號外輸至計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述第二壓力傳感器和第三壓力傳感器組成一對壓力測量組，所述第四壓力傳感器和第五壓力傳感器組成一對壓力測量組，所述第六壓力傳感器和第七壓力傳感器組成一對壓力測量組；所述第一紅外二級管和第二紅外二極管安裝在所述透明有機玻璃管側(cè)面，組成一對紅外對管，將其采集的電壓信號進行對比，用于計算清管段塞的速度和長度；所述第三紅外二極管安裝在所述透明有機玻璃管頂部和底部，將測量的電壓信號用于判斷積液的流型；所有紅外二極管采集的信號外輸至計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述第一攝像機、第二攝像機和第三攝像機平行安裝在所述透明有機玻璃管側(cè)面。

優(yōu)選地，所述透明有機玻璃管外壁面標示有用于識別注液高度的刻度。

優(yōu)選地，所述終端積液接收單元第八閥門、第九閥門、液位計、接收容器和支架；位于所述清管運行測量單元的透明有機玻璃管末端，在所述透明有機玻璃管上并聯(lián)設置有兩個分支管路，每一所述分支管路上分別設置有所述第八閥門和第九閥門，兩個所述分支管路經(jīng)總管路匯集后連接至所述接收容器；位于所述接收容器上方設置有所述液位計，所述液位計安裝在所述支架上，所述支架位于所述接收容器一側(cè)；所述液位計采集信號外輸至計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

優(yōu)選地，兩個所述分支管路之間的間距大于一個清管器長度。

優(yōu)選地，所述接收容器內(nèi)置分隔擋板。

一種基于上述裝置的清管器性能與清管效果測試方法，其特征在于包括以下步驟：1)選擇試驗用清管器，包括清管器外部密封結(jié)構(gòu)和旁通率的選擇；將清管器置于發(fā)球筒內(nèi)，塞入偏小大小頭部分；2)關閉第五閥門、第八閥門和第九閥門，打開第六閥門和第七閥門，開啟差壓傳感器準備記錄啟動壓差；打開空氣壓縮機、第一閥門、第二閥門和第三閥門，調(diào)節(jié)第四閥門的開度至預先設定氣量，進行啟動壓差的通球?qū)嶒灒瓿珊笕〕銮骞芷?，關閉第三閥門和空氣壓縮機；3)獲得啟動壓差后，記錄啟動壓差的數(shù)值；4)打開第五閥門、第八閥門和第九閥門，關閉第六閥門和第七閥門，通過注液口向管道內(nèi)注入液體至所研究的液量；5)將清管器重新放置于發(fā)球筒中，開啟與測量儀表第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器、第四壓力傳感器、第五壓力傳感器、第六壓力傳感器、第七壓力傳感器、第八壓力傳感器、第一紅外二級管、第二紅外二極管、第三紅外二極管以及液位計連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時打開第一攝像機、第二攝像機、第三攝像機的攝像功能，用于記錄清管過程沿線的壓力變化，速度變化，積液運移過程、終端清管段塞量的變化；6)打開空氣壓縮機和第三閥門，觀察差壓傳感器的數(shù)值，當壓差傳感器數(shù)值達到步驟3)中的啟動壓差時，瞬時切換第五閥門和第六閥門的開閉，使第五閥門關閉，第六閥門打開，清管器在氣體壓力驅(qū)動下進入測量段；7)當清管器到達第七閥門的前端時，停止數(shù)據(jù)采集，關閉攝像系統(tǒng)；關閉第八閥門和第九閥門，打開第七閥門，利用氣體驅(qū)動力將清管器推入收球筒中，從放液口中收集剩余液量，用于評價清管效率；8)關閉空氣壓縮機，待管內(nèi)無壓力后，取出清管器；9)通過控制變量逐一改變管道內(nèi)的積液量、氣量，清管器的旁通率以及密封結(jié)構(gòu)，重復步驟1)～8)，從而測試與評價不同運行參數(shù)與清管器結(jié)構(gòu)參數(shù)下的清管器性能與清管效果。

本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明可模擬天然氣凝析液管道中多種工況下的清管過程，可實現(xiàn)不同旁通率、不用密封結(jié)構(gòu)下清管器運行速度和清管段塞量的測定，以及清管積液運移過程的測量，從而完成清管器性能和清管效果的測試，實現(xiàn)對清管器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，保證實際清管作業(yè)及下游處理設備的安全高效運行。2、本發(fā)明試驗系統(tǒng)的流程簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便；通過氣路供應與計量部第四閥門的調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)不同氣量下的清管操作。3、本發(fā)明通過注液口以及透明有機玻璃管上的刻度，可準確評價不同積液量對清管效果的影響。4、本發(fā)明通過攝像系統(tǒng)和照片處理技術，可準確獲得測量段內(nèi)清管運行速度隨時間的變化，從而得到清管器的脈動速度變化與旁通率、積液量、氣量間的關系。5、本發(fā)明通過紅外對管技術可準確記錄清管器下游積液的流型變化和清管段塞的特征參數(shù)，包括充氣效應、液塞速度、液塞長度的特征。6、本發(fā)明通過終端的積液接收部，可實時記錄清管積液的累計液體體積流出量，從而得到清管段塞量與運行參數(shù)和清管器結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關系。7、本發(fā)明通過第五閥門和第六閥門的啟閉機制相反的聯(lián)鎖控制機構(gòu)，可確保管內(nèi)積液隨射流清管器的到達而開始運動，從而準確地測量清管段塞量。8、本發(fā)明數(shù)據(jù)采集采用全電腦控制，自動化程度高，可準確評價清管器的性能和清管效果。

綜上所述，本發(fā)明可以廣泛在油氣集輸系統(tǒng)多相流動技術領域中應用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的清管運行測量單元結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明提供一種清管器性能與清管效果測試裝置，其包括進氣口1、氣體供應與計量單元、清管器發(fā)射與接收單元、清管運行測量單元和終端積液接收單元；清管器發(fā)射與接收單元包括清管器發(fā)射單元和清管器接收單元。進氣口1與氣體供應與計量單元入口端連接，氣體供應與計量單元出口端與清管器發(fā)射單元入口端連接，清管器發(fā)射單元出口端經(jīng)清管運行測量單元與清管器接收單元連接。位于清管運行測量單元末端還與終端積液接收單元連接。

氣體供應與計量單元包括空氣壓縮機2、第一閥門3、緩沖罐4、第二閥門5、空氣過濾器6、第三閥門7、氣體流量計8和第四閥門9。進氣口1與空氣壓縮機2入口連接，空氣壓縮機2出口經(jīng)第一閥門3與緩沖罐4入口連接；緩沖罐4出口經(jīng)第二閥門5與空氣過濾器6入口連接，空氣過濾器6出口經(jīng)第三閥門7與氣體流量計8入口連接；氣體流量計8出口經(jīng)第四閥門9與清管器發(fā)射與接收單元連接。使用時，空氣壓縮機2為測試裝置提供氣源，通過緩沖罐4獲得穩(wěn)定的氣源，通過第一閥門3和第二閥門5為壓縮機2和緩沖罐4的維護提供安全防護，通過空氣過濾器6排除了氣體的雜質(zhì)，獲得凈化后的空氣，通過第三閥門7實現(xiàn)切斷氣源的功能，氣體流量計8的采集信號外輸至計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)第四閥門9的開度大小調(diào)節(jié)氣體的流量參數(shù)。

清管器發(fā)射與接收單元中清管器發(fā)射單元包括發(fā)球筒10、差壓傳感器11、排氣口12、第五閥門13和第六閥門14；清管器接收單元包括第七閥門33、收球筒34和放液口35。發(fā)球筒10入口與氣體供應與計量單元中第四閥門9連接，且差壓傳感器11與發(fā)球筒10并聯(lián)，位于發(fā)球筒10出口處經(jīng)第六閥門14與清管運行測量單元入口端連接；位于第六閥門14與發(fā)球筒10出口之間還并聯(lián)有一管路，該管路末端為排氣口12，且在該管路上設置有第五閥門13。清管運行測量出口端經(jīng)第七閥門33與收球筒34連接，位于收球筒34底部還設置有放液口35，通過放液口35放出剩余的清管液量，用以評價清管效率。

上述實施例中，第五閥門13和第六閥門14為兩個啟閉機制相反且聯(lián)鎖控制的電動閥門，當清管器啟動壓差達到差壓傳感器11監(jiān)測清管器的啟動壓差時，完成第五閥門13和第六閥門14的切換，避免管內(nèi)積液在清管器啟動的壓力積累階段隨旁通氣體的攜帶進入終端，確保清管積液隨清管器的到達開始運動。

上述各實施例中，發(fā)球筒10為偏心大小頭結(jié)構(gòu)，收球筒34為同心大小頭結(jié)構(gòu)，以便于清管器的發(fā)射和接收。

如圖2所示，清管運行測量單元包括第一壓力傳感器15、注液口16、第二壓力傳感器17、第三壓力傳感器18、第四壓力傳感器19、第五壓力傳感器20、第六壓力傳感器21、第七壓力傳感器22、第八壓力傳感器23、第一紅外二級管24、第二紅外二極管25、第三紅外二極管26、第一攝像機27、第二攝像機28、第三攝像機29和透明有機玻璃管32。透明有機玻璃管32入口與第六閥門14連接，透明有機玻璃管32出口與第七閥門33連接。位于透明有機玻璃管32上，從入口至出口依次設置有第一壓力傳感器15、注液口16、第二壓力傳感器17、第三壓力傳感器18、第四壓力傳感器19、第五壓力傳感器20、第六壓力傳感器21、第七壓力傳感器22和第八壓力傳感器23，所有壓力傳感器采集信號外輸至計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中，第二壓力傳感器17和第三壓力傳感器18組成一對壓力測量組，第四壓力傳感器19和第五壓力傳感器20組成一對壓力測量組，第六壓力傳感器21和第七壓力傳感器22組成一對壓力測量組，利用清管器通過時的壓力信號變化可測量沿線的壓力變化以及每對壓力測量組中兩個壓力傳感器之間清管器的平均速度。通過位于所述透明有機玻璃管32的入口和出口的第一壓力傳感器15和第八壓力傳感器23，利用清管器通過時壓力信號的變化時間，結(jié)合兩傳感器的間距，可測量清管器在測量段內(nèi)的平均速度。第一紅外二級管24和第二紅外二極管25安裝在透明有機玻璃管32側(cè)面，組成一對紅外對管，將其采集的電壓信號進行對比，用于計算清管段塞的速度和長度；第三紅外二極管26安裝在透明有機玻璃管32頂部和底部，位于第五壓力傳感器20與第六壓力傳感器21之間，將測量的電壓信號用于判斷積液的流型；所有紅外二極管采集的信號外輸至計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。第一攝像機27、第二攝像機28和第三攝像機29平行安裝在透明有機玻璃管32側(cè)面，用以記錄清管器的運動狀態(tài)和拍攝積液的運移過程。圖像經(jīng)后期處理后，可獲得清管器的瞬時速度隨時間的變化。透明有機玻璃管32外壁面標示有刻度，用以識別注液高度。

終端積液接收單元第八閥門30、第九閥門31、液位計36、接收容器37和支架38。位于清管運行測量單元透明有機玻璃管32末端，在透明有機玻璃管32上并聯(lián)設置有兩個分支管路，每一分支管路上分別設置有第八閥門30和第九閥門31，兩個分支管路經(jīng)總管路匯集后連接至接收容器37。位于接收容器37上方設置有液位計36，液位計安裝在支架38上，支架38位于接收容器37一側(cè)。液位計36采集信號外輸至計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以連續(xù)記錄清管積液的累計液體體積流出量，從而得到清管段塞量。

上述實施例中，兩個分支管路之間的間距大于一個清管器長度，通過兩個分支管路上的第八閥門30和第九閥門31協(xié)同通液作用，可以確保清管積液完全進入終端接收容器37，同時在清管器到達終端時不會產(chǎn)生憋壓現(xiàn)象。

上述各實施例中，接收容器37內(nèi)置分隔擋板，用以防止流出的氣液混合物對液位計計量過程的沖擊干擾。

基于上述裝置，本發(fā)明還提供一種清管器性能與清管效果測試方法，用于測試不同工況條件、不同清管器結(jié)構(gòu)參數(shù)下清管器的運動速度、清管積液運移規(guī)律以及清管段塞量的測量，實現(xiàn)清管器性能與清管效果的測試。該方法包括以下步驟：

1)選擇試驗用清管器，包括清管器外部密封結(jié)構(gòu)和旁通率的選擇。將清管器置于發(fā)球筒10內(nèi)，塞入偏小大小頭部分。

2)關閉第五閥門13、第八閥門30和第九閥門31，打開第六閥門14和第七閥門33，開啟差壓傳感器11準備記錄啟動壓差。打開空氣壓縮機2、第一閥門3、第二閥門5和第三閥門7，調(diào)節(jié)第四閥門9的開度至預先設定氣量。進行啟動壓差的通球?qū)嶒?，完成后取出清管器，關閉第三閥門7和空氣壓縮機2。

3)獲得啟動壓差后，記錄啟動壓差的數(shù)值。

4)打開第五閥門13、第八閥門30和第九閥門31，關閉第六閥門14和第七閥門33。通過注液口16向管道內(nèi)注入液體至所研究的液量。

5)將清管器重新放置于發(fā)球筒10中，開啟與測量儀表第一壓力傳感器15、第二壓力傳感器17、第三壓力傳感器18、第四壓力傳感器19、第五壓力傳感器20、第六壓力傳感器21、第七壓力傳感器22、第八壓力傳感器23、第一紅外二級管24、第二紅外二極管25、第三紅外二極管26以及液位計36連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時打開第一攝像機27、第二攝像機28、第三攝像機29的攝像功能，用于記錄清管過程沿線的壓力變化，速度變化，積液運移過程、終端清管段塞量的變化。

6)打開空氣壓縮機2和第三閥門7，觀察差壓傳感器11的數(shù)值，當壓差傳感器數(shù)值達到步驟3)中的啟動壓差時，瞬時切換第五閥門13和第六閥門14的開閉，使第五閥門13關閉，第六閥門14打開，清管器在氣體壓力驅(qū)動下進入測量段。

7)當清管器到達第七閥門33的前端時，停止數(shù)據(jù)采集，關閉攝像系統(tǒng)。關閉第八閥門30和第九閥門31，打開第七閥門33。利用氣體驅(qū)動力將清管器推入收球筒34中，從放液口35中收集剩余液量，用于評價清管效率。

8)關閉空氣壓縮機2，待管內(nèi)無壓力后，取出清管器。

9)通過控制變量逐一改變管道內(nèi)的積液量、氣量，清管器的旁通率以及密封結(jié)構(gòu)，重復步驟1)～8)，從而測試與評價不同運行參數(shù)與清管器結(jié)構(gòu)參數(shù)下的清管器性能與清管效果。

10)最后以清管器的平穩(wěn)運行速度和清管段塞量兩個參數(shù)為指標，通過在預先設定的氣量、積液量和不同旁通率下，清管器的平穩(wěn)運行速度和最小清管段塞量，選出該工況下清管器的最優(yōu)旁通率。最終可以實現(xiàn)清管技術工藝關鍵參數(shù)旁通率的優(yōu)選，得出清管器的性能和清管效果，同時得到旁通氣體對積液運移規(guī)律的影響，揭示旁通率變化與清管段塞量大下之間的內(nèi)在機理，為清管工藝的優(yōu)化設計和高效運行提供依據(jù)。

綜上所述，本發(fā)明的基本原理是利用氣體供應與計量部為清管器提供驅(qū)動力，清管器的旁通率和密封結(jié)構(gòu)的不同，導致作用在清管器上的驅(qū)動力與阻力不同，從而使清管器在清管運行測量部表現(xiàn)出不同的運行性能和清液效果，基于攝像技術，可測試清管器在管道內(nèi)的運行速度的變化以及積液的運移過程，基于差壓法，可測量清管器在兩個差壓傳感器間的平均速度以及管線內(nèi)的壓力變化?；诩t外二極管的流型識別技術，可測試清管積液的流型變化以及清管段塞的速度和長度。基于液位計的液位測量原理可測得終端的累計液體體積流出量，從而確定清管段塞量的大小，通過分析，可測試不同運行參數(shù)和清管器結(jié)構(gòu)參數(shù)下清管器的性能和清管效果，獲得清管器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，各部件的結(jié)構(gòu)、尺寸、設置位置及形狀都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術方案的基礎上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個別部件進行的改進和等同變換，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。