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一种抑制管道水合物堵塞的可视化摇摆釜装置及方法

阅读：672发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种抑制管道水合物堵塞的可视化摇摆釜装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种抑制管道水合物堵塞的可视化摇摆釜装置及方法，属于油气输运管道流动安全控制领域。该装置包括主高压可视釜、驱动控制系统、气液注入与排出系统、温度控制系统和数据采集系统。主高压可视釜提供全可视条件，对管内水合物生长形态变化进行实时观测。驱动控制系统能够精准控制主高压可视釜的摇摆频率和角度，有效模拟流体在管道内的流动。温度控制系统采用低温恒温室风冷制冷，解决了可视釜表面起雾问题。数据采集系统采集水合物生成和分解过程中的温度压力变化值以及动态过程的图像。该发明应用于水合物管道堵塞和抑制剂评价研究，易搭建，操作简便，造价低，能为深海油气管道输运过程中的流动安全保障问题提供技术和数据支持。，下面是一种抑制管道水合物堵塞的可视化摇摆釜装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种抑制管道水合物堵塞的可视化摇摆釜装置，其特征在于，包括主高压可视釜(33)、驱动控制系统、气液注入与排出系统、温度控制系统和数据采集系统(14)；
所述的主高压可视釜(33)主体为一段全可视高压圆管(8)，两端为端法兰(32)，端法兰(32)上分别安装有温度及压力传感器(9)和气液进出口阀门，端法兰(32)上开设有管端可视窗(31)，全可视高压圆管(8)的侧面安有旋转支撑板(7)，全可视高压圆管(8)管体和两端的管端可视窗均采用高强度玻璃；
所述的全可视高压圆管(8)由三段组成，每两段间由法兰连接；
所述的驱动控制系统包括驱动控制箱(15)、驱动直线电机(6)、传动齿条(25)、传动齿轮(26)和齿轮齿条传动轴(27)，驱动直线电机(6)安装在固定支架(19)上；驱动控制箱(15)通过控制驱动直线电机(6)，带动传动齿条(25)运动，传动齿条(25)与传动齿轮(26)啮合，带动传动齿轮(26)转动，传动齿轮(26)与齿轮齿条传动轴(27)固连，带动齿轮齿条传动轴(27)传动；齿轮齿条传动轴(27)与旋转支撑板(7)连接；
所述的驱动控制系统，用于通过调节旋转支撑板(7)的角度设置主高压可视釜(33)的初始位置，模拟管道起伏角度；实现摇摆角度±60°可调，摇摆频率0～40Hz，流体流速0.01～0.2m/s可调，流体流态从层流到紊流可过渡；
所述的气液注入与排出系统包括高压气瓶(13)、减压阀(12)、安全阀(11)、注汽阀(22)、排气阀(17)、供气管线、排气管线、储液罐(1)、恒流注液泵(2)、注液阀(20)、注液管线；高压气瓶(13)、减压阀(12)、安全阀(11)之间通过供气管线依次连接，并连接到注汽阀(22)；储液罐(1)、恒流注液泵(2)之间通过注液管线依次连接，并连接到注液阀(20)，排气阀(17)与排气管线相连；
所述的温度控制系统为低温恒温室(5)，低温恒温室为风冷制冷方式，在室内安装有水合物气体浓度传感器，在低温恒温室(5)内四周安有温度传感器(16)；通过调节低温恒温室的温度改变可视化反应系统的环境温度；
所述的数据采集系统(14)包括计算机、数据采集卡、背光光源、高速摄像机；计算机联接数据采集卡，数据采集卡与可视化反应系统中的温度及压力传感器(9)相连，背光光源安装在旋转支撑板(7)上；所述的高速摄像机包括正方CCD摄像机(18)和侧方CCD摄像机(10)；
所述侧方CCD摄像机(10)用于拍摄全可视高压圆管(8)两端的状态；所述正方CCD摄像机(18)用于拍摄全可视高压圆管(8)正面管体的状态；
所述的主高压可视釜(33)、高速摄像机、驱动控制系统皆位于低温恒温室(5)内。
2.根据权利要求1所述的抑制管道水合物堵塞的可视化摇摆釜装置，其特征在于，全可视高压圆管(8)的内径40mm，有效长度706mm，总体积为755ml，耐压7Mpa，最低工作温度为-
10℃。
3.根据权利要求1所述的抑制管道水合物堵塞的可视化摇摆釜装置，其特征在于，全可视高压圆管(8)的中间段能够替换为盲管、弯管，满足管道不同位置水合物堵塞实验。
4.根据权利要求1所述的抑制管道水合物堵塞的可视化摇摆釜装置，其特征在于，所述的供、排气管线以及注液管线皆采用连接软管(21)。
5.采用权利要求1-4任一所述的抑制管道水合物堵塞的可视化摇摆釜装置实现水合物抑制剂评价研究的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，前期准备；
清洗主高压可视釜(33)，打开背光光源；
第二步，连接管路及系统检漏；
第三步，系统抽真空；
检漏后，排出气体，在大气条件下，打开注液阀(20)，输入去离子水、乙二醇抑制剂；连接真空泵，打开10-20分钟，待真空度恒定为0.1kPa时，认为抽真空完毕，断开真空泵连接；
第四步，调焦；
调节背光光源强弱，调节高速摄像机机架位置，相机镜头焦距，观察电脑屏幕到呈现最清晰的图像；
第五步，釜体加压；
打开高压气瓶(13)，将减压阀(12)调至目标压力，打开注气阀(22)，向釜内慢慢注气，直到增大到目标压力值，打开驱动控制系统，设定摇摆角度和摇摆频率后，使釜体摇晃1h以上，此时气体侵入液相达到饱和，压力示数稳定；
第六步，打开制冷系统；
打开冷库开关，调至自动挡，设置低温恒温室(5)参数，调至设定温度，待低温恒温室(5)自动降温；
第七步，实验参数测量；
采集实验数据，记录釜内温度及压力随时间变化值；同时打开正方CCD摄像机(18)和侧方CCD摄像机(10)，获取可视釜内水合物形态随时间变化的动态过程。

说明书全文

一种抑制管道水合物堵塞的可视化摇摆釜装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于油气输运管道流动安全控制技术领域，涉及一种抑制管道水合物堵塞的可视化摇摆釜装置及方法。

背景技术

[0002] 天然气水合物是一种主要由甲烷分子和水分子形成的固态晶体化合物，外观类似冰，因此也称为“可燃冰”。在海洋油气开采过程中，随着水深不断加深，海底输送管线内的高压、低温、富气、含水是天然气水合物生成的有利条件。一旦水合物在管道内大量生成并沉积，会形成管道堵塞，使管道输送能力严重下降，必要时必须中断油气生产清除堵塞，带来巨大的经济损失。极端情况下，水合物瞬间堵塞造成压力急剧增大，带来管道破损的安全隐患。因此，海底油气管道水合物堵塞形成过程与机理研究以及抑制水合物形成堵塞的技术开发对深水油气田开采具有重要意义。

[0003] 目前，实验室内用于管道水合物堵塞和抑制研究的装置主要有静态搅拌釜、摇晃式反应釜和不同规模的实验环路。流动环路的实验条件最接近现场工况，但是装置规模大、应用费用昂贵，静态反应釜虽应用范围较广，但很难再现真实管路中流体流动条件。现有的摇摆式反应釜提供了流体流动条件，但与实际管道的流动条件仍有较大差异，且可视程度不高。另外，现有的摇摆式反应釜体积小，并不能真实模拟管道水合物堵塞。

发明内容

[0004] 针对现有技术的不足，本发明提供一种抑制管道水合物堵塞的可视化摇摆釜装置及方法。该实验装置能较好的模拟管道流动条件，实现管道水合物生长、堵塞过程全可视化观测以及抑制剂效果评价。

[0005] 水合物抑制剂采用乙二醇。利用高速摄像机图像采集系统实时采集水合物生长、堵塞过程中的形态变化。利用空气浴制冷方式，解决了可视釜表面起雾问题，保证了釜体在运动条件下的可视效果。

[0006] 本发明的技术方案为：

[0007] 一种抑制管道水合物堵塞的可视化摇摆釜装置，包括主高压可视釜、驱动控制系统、气液注入与排出系统、温度控制系统和数据采集系统；

[0008] 所述的主高压可视釜主体为一段全可视高压圆管，两端为端法兰，端法兰上分别安装有温度及压力传感器和气液进出口阀门，端法兰上开设有管端可视窗，全可视高压圆管的侧面安有旋转支撑板，全可视高压圆管管体和两端的管端可视窗均采用高强度玻璃；实现全方位可视化。

[0009] 所述的全可视高压圆管由三段组成，每两段间由法兰连接；

[0010] 所述的驱动控制系统包括驱动控制箱、驱动直线电机、传动齿条、传动齿轮和齿轮齿条传动轴，驱动直线电机安装在固定支架上；驱动控制箱通过控制驱动直线电机，带动传动齿条运动，传动齿条与传动齿轮啮合，带动传动齿轮转动，传动齿轮与齿轮齿条传动轴固连，带动齿轮齿条传动轴传动；齿轮齿条传动轴与旋转支撑板连接；传动齿轮和传动齿条的驱动方式扭矩大，满足大容量摇摆釜的动力需求。

[0011] 所述的驱动控制系统，用于通过调节旋转支撑板的角度设置主高压可视釜的初始位置，模拟管道起伏角度；实现摇摆角度±60°可调，摇摆频率0～40Hz，流体流速0.01～0.2m/s可调，流体流态从层流到紊流可过渡；

[0012] 所述的气液注入与排出系统包括高压气瓶、减压阀、安全阀、注汽阀、排气阀、供气管线、排气管线、储液罐、恒流注液泵、注液阀、注液管线；高压气瓶、减压阀、安全阀之间通过供气管线依次连接，并连接到注汽阀；储液罐、恒流注液泵之间通过注液管线依次连接，并连接到注液阀，排气阀与排气管线相连；

[0013] 所述的温度控制系统为低温恒温室，低温恒温室为风冷制冷方式，解决了全可视高压圆管表面起雾问题。在室内安装有水合物气体浓度传感器，在低温恒温室内四周安有温度传感器；通过调节低温恒温室的温度改变可视化反应系统的环境温度；

[0014] 所述的数据采集系统包括计算机、数据采集卡、背光光源、高速摄像机；计算机联接数据采集卡，数据采集卡与可视化反应系统中的温度及压力传感器相连，背光光源安装在旋转支撑板上；所述的高速摄像机包括正方CCD摄像机和侧方CCD摄像机；所述侧方CCD摄像机用于拍摄全可视高压圆管两端的状态；所述正方CCD摄像机用于拍摄全可视高压圆管正面管体的状态；

[0015] 所述的主高压可视釜、高速摄像机、驱动控制系统皆位于低温恒温室内。

[0016] 进一步地，上述全可视高压圆管的内径40mm，有效长度706mm，总体积为755ml，耐压7Mpa，最低工作温度为-10℃。

[0017] 进一步地，上述全可视高压圆管的中间段能够替换为盲管、弯管，满足管道不同位置水合物堵塞实验。

[0018] 进一步地，上述的供、排气管线以及注液管线皆采用连接软管。

[0019] 上述抑制管道水合物堵塞的可视化摇摆釜装置实现水合物抑制剂评价研究的方法，包括以下步骤：

[0020] 第一步，前期准备；

[0021] 清洗主高压可视釜，打开背光光源；

[0022] 每次实验前，用肥皂水将主高压可视釜清洗干净，再用去离子水冲洗掉表面活性剂，将废水倒入液体废水收集器；清洗后用空气压缩机吹干釜内残余液体，保证可视窗清洁无污物，打开背光光源；

[0023] 第二步，连接管路及系统检漏；

[0024] 将气源处快速接头与釜体管路相连，注气阀打开，排气阀关闭，将减压阀调至设定压力，打开气瓶，向釜内冲入气体，静置，用检漏液检查漏点；本实验中，当静置2小时后，数据采集系统中，压力显示无变化，则认为系统不漏气。

[0025] 第三步，系统抽真空；

[0026] 检漏后，排出气体，在大气条件下，打开注液阀，输入去离子水、乙二醇抑制剂；连接真空泵，打开10-20分钟，待真空度恒定为0.1kPa时，认为抽真空完毕，断开真空泵连接；

[0027] 第四步，调焦；

[0028] 调节背光光源强弱，调节高速摄像机机架位置，相机镜头焦距，观察电脑屏幕到呈现最清晰的图像；

[0029] 第五步，釜体加压；

[0030] 打开高压气瓶，将减压阀调至目标压力，打开注气阀，向釜内慢慢注气，直到增大到目标压力值，打开驱动控制系统，设定摇摆角度和摇摆频率后，使釜体摇晃1h以上，此时气体侵入液相达到饱和，压力示数稳定；

[0031] 第六步，打开制冷系统；

[0032] 打开冷库开关，调至自动挡，设置低温恒温室参数，调至设定温度，待低温恒温室自动降温；

[0033] 第七步，实验参数测量；

[0034] 采集实验数据，数据存盘，存盘周期可根据实验需求进行设定，记录釜内温度及压力随时间变化值；同时打开正方CCD摄像机和侧方CCD摄像机，获取可视釜内水合物形态随时间变化的动态过程。同时，为提高实验精确度，减少实验误差，每组实验重复做三次，取平均值作为该工况下测量值。

[0035] 上述步骤后，使系统自然恢复至室温，水合物分解后排出气体和液体，清洗管道，使系统回复至初始状态。

[0036] 本发明的有益效果为：

[0037] 摇摆釜容量大，能较为真实模拟管道水合物堵塞；

[0038] 全可视高压圆管中间段可替换为盲管，弯管等特殊管道形式，满足管道不同位置水合物堵塞实验；

[0039] 采用大广角镜头和大尺寸CCD摄像机为可视化反应系统提供全可视条件，可以从正方和侧方对管内水合物生长形态变化进行实时观测；

[0040] 可以通过驱动控制系统的驱动电机带动可视化反应系统做摇摆运动，改变可视化反应系统的摇摆频率和摇摆角度，进而调节管内流体的流动状态，模拟流体在管道内的流动；

[0041] 温度控制系统为低温恒温室风冷制冷方式，解决了全可视高压圆管表面起雾问题；可以通过注液管线注入水合物抑制剂，对流体流动条件下的水合物抑制剂抑制效果进行评价。

[0042] 整套系统易搭建，操作简便，系统造价较低。综上，发明了一种应用于水合物管道堵塞和抑制剂评价研究的全可视化摇摆釜装置和方法，能够提供管内多相流动条件，为深海油气管道输运过程中的流动安全保障问题提供技术和数据支持。附图说明

[0043] 图1为本发明抑制管道水合物堵塞的可视化摇摆釜装置的结构示意图；

[0044] 图2为本发明抑制管道水合物堵塞的可视化摇摆釜装置驱动连接方式的结构示意图；

[0045] 图3为本发明抑制管道水合物堵塞的可视化摇摆釜装置中数据采集系统的结构示意图；

[0046] 图中：1储液罐；2恒流注液泵；3甲烷浓度传感器；4 热交换器；5低温恒温室；6驱动直线电机；7旋转支撑板；8全可视高压圆管；9温度及压力传感器；10侧方CCD摄像机；11安全阀；12减压阀；13高压气瓶；14数据采集系统；15驱动控制箱；16温度传感器；17排气阀；18正方CCD摄像机；19固定支架；20注液阀；21连接软管；22注气阀；23紧固上板；24连接拉杆；25传动齿条；26传动齿轮；27齿轮齿条传动轴；28夹具；29扶正轴套；30紧固下板；31管端可视窗；32端法兰；33主高压可视釜。

具体实施方式

[0047] 在图1中，实验系统的气源采用高压气瓶13，为保证系统管路安全，气源与注气阀22之间增设高压气体减压阀12以及安全阀11，气体压力过载会自动泄压，保证工作安全。恒流注液泵2将溶液由储液罐1注入主高压可视釜33，通过注液阀20控制流量。在向釜内注入溶液后需要抽真空，以防空气对甲烷气体水合物造成影响，每组实验完成后需使用空气压缩机将釜内的残余液体吹干，防止水合物分解后的液体在下一组实验中二次生成水合物。
气液注入与排出的各部分由连接软管21进行连接。旋转支撑板7和固定支架19起支撑和固定的作用。

[0048] 釜体两端共布置2支温度传感器和2支压力传感器9，利用计算机处理所得数据以测定水合物生成和分解过程中的温度和压力变化特性。

[0049] 实验所用计算机安装有数据采集系统14 软件，可以设定测量时间间隔并自动记录压力温度以及处理摄像机拍摄的图像，如图3。由于采用了全可视高压圆管8，利用侧方CCD摄像机10和正方CCD摄像机18记录实验过程中水合物的沉积和堵塞动态过程，采集的图像将用于图像处理和分析。

[0050] 驱动控制箱15对驱动直线电机6的控制语言采用C#汇编语言编写，可以使摇摆釜体实现顺时针、逆时针旋转调节釜体位置，可以使釜体实现不同角度、不同频率摇摆运动，使釜内流体呈现不同工况下的流动。

[0051] 在图2中，紧固上板23、紧固下板30和连接拉杆24构成摇摆支架的框架结构，经过防锈蚀处理，相关摇摆轴机构和直线轴承等采用陶瓷材质，所以整体支架可放于低温潮湿环境中。直线电缸带动传动齿轮26传动齿条25传动，齿轮齿条传动轴27控制釜体角度，夹具28夹住釜体，扶正轴套29确保不会偏移，从而实现摇摆运动。通过伺服电机控制实现精准角度和频率的摇摆。

[0052] 低温恒温室5通过热交换器4进行换热，利用温度传感器16实时监测冷库内的温度。考虑到实验操作人员操作控制台方便，将控制台及数据采集面板安放于冷库外，利用冷库内摄像机观测记录冷库内釜体摆动及实验反应过程。将电脑显示器分屏，一显示屏放置于操控台，另一显示屏放置于冷库内，便于实验人员在库内操作时观测实验数据。将高压气瓶置于冷库外，避免温度波动造成影响。同时，冷库装有甲烷浓度传感器3，可检测库内甲烷浓度，避免甲烷泄露造成危险。

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