油氣儲運多相流動教學(xué)實驗平臺建設(shè)

饒永超 王樹立 周昊 趙會軍 趙書華 李恩田

摘要：針對油氣儲運專業(yè)多相流動技術(shù)實驗教學(xué)的需要，設(shè)計建設(shè)了一套大型綜合性油氣儲運多功能多相流動教學(xué)實驗平臺。該平臺可模擬油氣水多相流動工藝系統(tǒng)及其運行工況、天然氣輸送管道水合物漿體流動、陸上起伏管道天然氣輸送、多相流動腐蝕研究及多相流動傳熱傳質(zhì)研究等教學(xué)實驗。該平臺可提供驗證性、創(chuàng)新性以及綜合性的實驗內(nèi)容，滿足油氣儲運專業(yè)以及石油工程等大類專業(yè)的本科生學(xué)習(xí)的需要，有利于鍛煉和提高學(xué)生的專業(yè)技能和動手能力。

關(guān)鍵詞：油氣儲運工程；多相流動；教學(xué)平臺

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）08-0278-03

一、引言

在油田地面集輸系統(tǒng)以及海底集輸系統(tǒng)中，多相混輸是最常用的輸送方式，包括氣液兩相、液固兩相以及氣液固三相等復(fù)雜流動。有研究表明，多相混輸能有效控制油氣田開采的成本，可降低費用約10%—40%[1]。但是，由于油、水和天然氣之間本身具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)決定著多相混輸與單相輸送比起來，流動機理更為復(fù)雜。另外，不同的流動工況，壓降、壓力、溫度以及持液率等流動參數(shù)差別巨大，對實際的油氣輸送也具有較大的影響。油氣集輸技術(shù)是為油氣儲運工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門應(yīng)用性強的專業(yè)必修課或限選課。通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠掌握流體力學(xué)的基本理論及油氣集輸?shù)墓に嚵鞒毯头椒?，并具備解決油氣儲運工程中多相混輸問題的能力，可為石油工業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益[2]。油氣集輸技術(shù)是一門從實際的油氣輸送工業(yè)中發(fā)展起來的，又直接為油氣管道安全運行服務(wù)的課程。該課程對培養(yǎng)具有扎實基礎(chǔ)知識和創(chuàng)新性解決實際問題能力的專業(yè)多相流技術(shù)人才起著重要的作用[3，4]。但目前國內(nèi)相關(guān)石油高校的油氣集輸技術(shù)課程教學(xué)中缺乏貼近行業(yè)需求、功能多樣的多功能油氣集輸實驗平臺，也缺乏同理論課程緊密結(jié)合的系統(tǒng)全面的多功能油氣集輸實驗教學(xué)項目及教學(xué)方法。從這一現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合油氣儲運工程的行業(yè)特點，以實際油氣集輸需求為導(dǎo)向，以培養(yǎng)專門的油氣集輸技術(shù)人才為目標，以實踐教學(xué)為主線，以貼近并回歸工程實際為重點，開展適合油氣儲運工程專業(yè)的發(fā)展趨勢和油氣集輸技術(shù)課程教學(xué)，并契合石油天然氣工程行業(yè)需求的油氣集輸技術(shù)教學(xué)實驗平臺建設(shè)與應(yīng)用研究。

二、實驗教學(xué)平臺的建設(shè)思路

在學(xué)校人才培養(yǎng)目標的指導(dǎo)下，根據(jù)油氣集輸技術(shù)實驗教學(xué)改革與發(fā)展的需要，結(jié)合校情，明確了教學(xué)實驗平臺的建設(shè)思路。

1.設(shè)計建設(shè)集氣液兩相螺旋流流動特性實驗、氣液兩相螺旋流傳熱特性實驗、水平管道內(nèi)沖刷腐蝕實驗以及傾斜管道積液攜帶實驗于一體的貼近油氣儲運工程油氣集輸技術(shù)實踐的多功能油氣集輸教學(xué)實驗平臺，填補國內(nèi)石油高校在混輸技術(shù)實踐教學(xué)中缺乏大型化、多功能性實驗平臺的空白，使學(xué)生通過實驗教學(xué)平臺的有效訓(xùn)練，能在石油天然氣工業(yè)生產(chǎn)第一線解決實際油氣混輸?shù)膯栴}。

2.構(gòu)建基礎(chǔ)性與應(yīng)用性、設(shè)計性與多功能性相結(jié)合的滿足基礎(chǔ)、多功能、創(chuàng)新等多個不同層次的需要，點面結(jié)合，循序漸進的多功能、多梯度的油氣混輸技術(shù)實驗項目體系。既要建設(shè)滿足油氣集輸領(lǐng)域流體力學(xué)等基礎(chǔ)性本科教學(xué)實驗項目，又要符合相關(guān)實驗數(shù)據(jù)可應(yīng)用于實際油氣輸送的需要；既要建設(shè)可使本科生參與設(shè)計和調(diào)試的實驗項目，又要服務(wù)于實際油氣輸送領(lǐng)域多功能和多樣化的需求，建立綜合性的多功能油氣集輸實驗平臺。

3.開展認知演示實驗、基礎(chǔ)驗證性實驗和綜合設(shè)計性實驗三個層次的實踐教學(xué)方法探索和研究，并注重發(fā)揮科研優(yōu)勢，將科研設(shè)備和技術(shù)引入實驗教學(xué)。

三、實驗教學(xué)平臺建設(shè)

1.實驗平臺概況。油氣儲運多相流動教學(xué)實驗平臺是一套大型的綜合性多功能實驗教學(xué)平臺，主要包括氣液等多相流動特性實驗、管道沖刷腐蝕實驗以及多相流動傳熱特性實驗。實驗教學(xué)平臺主要由水源、水箱、管道泵、液體流量計、螺桿式空氣壓縮機、緩沖罐、氣體流量計、氣液混合器、實驗管段、含氣率測定管段以及控制系統(tǒng)組成。其中實驗管段采用快速接頭連接，可實現(xiàn)多相流動實驗、沖刷腐蝕實驗以及傳熱傳質(zhì)實驗的快速轉(zhuǎn)換與連接。油氣儲運多相流動教學(xué)實驗平臺如圖1所示。

2.供應(yīng)系統(tǒng)。油氣儲運多相流動實驗教學(xué)平臺供應(yīng)系統(tǒng)主要包括供液系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)。供液系統(tǒng)主要包括水箱、離心泵、液體流量計、氣液混合器等。（1）水箱容積為3000 L，由不銹鋼材料制作，根據(jù)實驗對象的不同，可分別存放純液體、氯化鈉溶液以及液固混合液等。（2）離心泵為ZXB型自吸泵，流量范圍是0—30m3/h，揚程達到25m，滿足不同實驗對象的需要，如圖2所示。（3）液體流量計為ZRN-LW-C系列渦輪流量計，可實現(xiàn)現(xiàn)場顯示和遠傳兩種功能，待測介質(zhì)溫度范圍是-20℃—80℃，準確度為±0.2%，量程范圍是量程0—10m3/h。（4）氣液混合器為SQS型，可實現(xiàn)氣液兩相的均勻混合，如圖3所示。

供氣系統(tǒng)主要由螺桿式空氣壓縮機、緩沖罐、氣體流量計以及減壓閥等組成。（1）本實驗教學(xué)平臺使用的氣源動力為阿特拉斯BLT-10A型螺桿式空氣壓縮機，排氣量為1.35m3/min，出口排氣壓力為0.7MPa，功率為7.5KW，如圖4所示。（2）為了保證實驗過程中氣體的平穩(wěn)輸送，在空壓機與氣體接口之間設(shè)置了緩沖罐，緩沖罐為鋼制，體積2000L，最大承壓0.8MPa，可實現(xiàn)氣體的連續(xù)平穩(wěn)輸送，如圖5所示。

3.監(jiān)測及控制系統(tǒng)。油氣儲運多相流動實驗教學(xué)平臺監(jiān)測系統(tǒng)主要包括壓力傳感器、壓差傳感器和溫度傳感器等。其中，壓力傳感器為羅斯蒙特3051TG型，量程范圍為0—1.0MPa，精度為±0.1KPa；壓差傳感器為羅斯蒙特3051C型，量程范圍為0—0.1MPa，精度為±0.01KPa；溫度傳感器測溫范圍為-20℃—60℃，精度為±0.01℃?？刂葡到y(tǒng)包括控制柜以及實驗軟件?？刂乒袢鐖D6所示，包含實驗平臺系統(tǒng)開關(guān)功能、離心泵啟停功能以及電磁閥開閉功能。實驗教學(xué)平臺實驗項目操作界面如圖7所示。

4.實驗教學(xué)項目。油氣儲運多相流動教學(xué)實驗平臺建成后，按照油氣儲運專業(yè)學(xué)生教學(xué)實驗要求，開發(fā)了包括演示、驗證、設(shè)計和綜合等實驗，主要包括：氣液等多相流動特性實驗、管道沖刷腐蝕實驗以及多相流動傳熱特性實驗，實驗項目如表1所示。

四、結(jié)論

油氣儲運多相流動教學(xué)實驗平臺的建成和投用，進一步加強了油氣儲運專業(yè)基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)的內(nèi)容、方法與手段，可使學(xué)生在學(xué)校中接觸和掌握到更加貼近工程現(xiàn)場、貼近油氣儲運工程實際的相關(guān)實驗設(shè)備，并有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題和解決問題的能力，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和工程運用能力，是校內(nèi)進行多相流動技術(shù)及相關(guān)學(xué)科實踐教學(xué)和科研工作的平臺支撐。同時，油氣儲運多相流動教學(xué)實驗平臺的設(shè)計和建設(shè)過程進一步推動了工程流體力學(xué)等理論課與專業(yè)實驗的結(jié)合，提高了學(xué)生用所學(xué)的知識解決工程實際問題的能力，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識與思維及動手能力，為他們今后的工作打下了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻：

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