油氣儲(chǔ)運(yùn)多相流動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

饒永超 王樹立 周昊 趙會(huì)軍 趙書華 李恩田

摘要：針對(duì)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)多相流動(dòng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，設(shè)計(jì)建設(shè)了一套大型綜合性油氣儲(chǔ)運(yùn)多功能多相流動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)可模擬油氣水多相流動(dòng)工藝系統(tǒng)及其運(yùn)行工況、天然氣輸送管道水合物漿體流動(dòng)、陸上起伏管道天然氣輸送、多相流動(dòng)腐蝕研究及多相流動(dòng)傳熱傳質(zhì)研究等教學(xué)實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)可提供驗(yàn)證性、創(chuàng)新性以及綜合性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，滿足油氣儲(chǔ)運(yùn)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(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：油氣儲(chǔ)運(yùn)工程；多相流動(dòng)；教學(xué)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(dòng)。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(fèi)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(lái)，流動(dòng)機(jī)理更為復(fù)雜。另外，不同的流動(dòng)工況，壓降、壓力、溫度以及持液率等流動(dòng)參數(shù)差別巨大，對(duì)實(shí)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(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門應(yīng)用性強(qiáng)的專業(yè)必修課或限選課。通過(guò)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ǎ⒕邆浣鉀Q油氣儲(chǔ)運(yùn)工程中多相混輸問題的能力，可為石油工業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益[2]。油氣集輸技術(shù)是一門從實(shí)際的油氣輸送工業(yè)中發(fā)展起來(lái)的，又直接為油氣管道安全運(yùn)行服務(wù)的課程。該課程對(duì)培養(yǎng)具有扎實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)和創(chuàng)新性解決實(shí)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(guó)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目及教學(xué)方法。從這一現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合油氣儲(chǔ)運(yùn)工程的行業(yè)特點(diǎn)，以實(shí)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(biāo)，以實(shí)踐教學(xué)為主線，以貼近并回歸工程實(shí)際為重點(diǎn)，開展適合油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用研究。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)思路

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

1.設(shè)計(jì)建設(shè)集氣液兩相螺旋流流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)、氣液兩相螺旋流傳熱特性實(shí)驗(yàn)、水平管道內(nèi)沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)以及傾斜管道積液攜帶實(shí)驗(yàn)于一體的貼近油氣儲(chǔ)運(yùn)工程油氣集輸技術(shù)實(shí)踐的多功能油氣集輸教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)石油高校在混輸技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中缺乏大型化、多功能性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的空白，使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(shí)際油氣混輸?shù)膯栴}。

2.構(gòu)建基礎(chǔ)性與應(yīng)用性、設(shè)計(jì)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(gè)不同層次的需要，點(diǎn)面結(jié)合，循序漸進(jìn)的多功能、多梯度的油氣混輸技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，又要符合相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可應(yīng)用于實(shí)際油氣輸送的需要；既要建設(shè)可使本科生參與設(shè)計(jì)和調(diào)試的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，又要服務(wù)于實(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3.開展認(rèn)知演示實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次的實(shí)踐教學(xué)方法探索和研究，并注重發(fā)揮科研優(yōu)勢(shì)，將科研設(shè)備和技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

1.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)概況。油氣儲(chǔ)運(yùn)多相流動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一套大型的綜合性多功能實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，主要包括氣液等多相流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)、管道沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)以及多相流動(dòng)傳熱特性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要由水源、水箱、管道泵、液體流量計(jì)、螺桿式空氣壓縮機(jī)、緩沖罐、氣體流量計(jì)、氣液混合器、實(shí)驗(yàn)管段、含氣率測(cè)定管段以及控制系統(tǒng)組成。其中實(shí)驗(yàn)管段采用快速接頭連接，可實(shí)現(xiàn)多相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)、沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)以及傳熱傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)的快速轉(zhuǎn)換與連接。油氣儲(chǔ)運(yùn)多相流動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

2.供應(yīng)系統(tǒng)。油氣儲(chǔ)運(yùn)多相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(jì)、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(shí)驗(yàn)對(duì)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(yáng)程達(dá)到25m，滿足不同實(shí)驗(yàn)對(duì)象的需要，如圖2所示。（3）液體流量計(jì)為ZRN-LW-C系列渦輪流量計(jì)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)顯示和遠(yuǎn)傳兩種功能，待測(cè)介質(zhì)溫度范圍是-20℃—80℃，準(zhǔn)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(shí)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(jī)、緩沖罐、氣體流量計(jì)以及減壓閥等組成。（1）本實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)使用的氣源動(dòng)力為阿特拉斯BLT-10A型螺桿式空氣壓縮機(jī)，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(shí)驗(yàn)過(guò)程中氣體的平穩(wěn)輸送，在空壓機(jī)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(shí)現(xiàn)氣體的連續(xù)平穩(wěn)輸送，如圖5所示。

3.監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)。油氣儲(chǔ)運(yùn)多相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)監(jiān)測(cè)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(cè)溫范圍為-20℃—60℃，精度為±0.01℃。控制系統(tǒng)包括控制柜以及實(shí)驗(yàn)軟件。控制柜如圖6所示，包含實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作界面如圖7所示。

4.實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。油氣儲(chǔ)運(yùn)多相流動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建成后，按照油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)學(xué)生教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求，開發(fā)了包括演示、驗(yàn)證、設(shè)計(jì)和綜合等實(shí)驗(yàn)，主要包括：氣液等多相流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)、管道沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)以及多相流動(dòng)傳熱特性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。

四、結(jié)論

油氣儲(chǔ)運(yùn)多相流動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建成和投用，進(jìn)一步加強(qiáng)了油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)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(chǎng)、貼近油氣儲(chǔ)運(yùn)工程實(shí)際的相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(shí)和工程運(yùn)用能力，是校內(nèi)進(jìn)行多相流動(dòng)技術(shù)及相關(guān)學(xué)科實(shí)踐教學(xué)和科研工作的平臺(tái)支撐。同時(shí)，油氣儲(chǔ)運(yùn)多相流動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程進(jìn)一步推動(dòng)了工程流體力學(xué)等理論課與專業(yè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，提高了學(xué)生用所學(xué)的知識(shí)解決工程實(shí)際問題的能力，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與思維及動(dòng)手能力，為他們今后的工作打下了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]林宗虎，王棟，王樹眾，等.多相流的近期工程應(yīng)用趨向[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，35（9）：886-890.

[2]許建良，李偉鋒，代正華，等.“多相流體力學(xué)”課程教學(xué)改革的探索[J].中國(guó)電力教育，2013，12（17）：73-74.

[3]高立民，楊繼清，羅鳴，等.實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心管理平臺(tái)的構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)研究與探索，2013，32（2）：116-118.

[4]周昊，趙會(huì)軍，李恩田，等.儲(chǔ)運(yùn)防腐技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，32（4）：110-114.