油气储运多相流动教学实验平台建设

饶永超 王树立 周昊 赵会军 赵书华 李恩田

摘要：针对油气储运专业多相流动技术实验教学的需要，设计建设了一套大型综合性油气储运多功能多相流动教学实验平台。该平台可模拟油气水多相流动工艺系统及其运行工况、天然气输送管道水合物浆体流动、陆上起伏管道天然气输送、多相流动腐蚀研究及多相流动传热传质研究等教学实验。该平台可提供验证性、创新性以及综合性的实验内容，满足油气储运专业以及石油工程等大类专业的本科生学习的需要，有利于锻炼和提高学生的专业技能和动手能力。

关键词：油气储运工程；多相流动；教学平台

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）08-0278-03

一、引言

在油田地面集输系统以及海底集输系统中，多相混输是最常用的输送方式，包括气液两相、液固两相以及气液固三相等复杂流动。有研究表明，多相混输能有效控制油气田开采的成本，可降低费用约10%—40%[1]。但是，由于油、水和天然气之间本身具有不同的物理化学性质决定着多相混输与单相输送比起来，流动机理更为复杂。另外，不同的流动工况，压降、压力、温度以及持液率等流动参数差别巨大，对实际的油气输送也具有较大的影响。油气集输技术是为油气储运工程专业学生开设的一门应用性强的专业必修课或限选课。通过学习，使学生能够掌握流体力学的基本理论及油气集输的工艺流程和方法，并具备解决油气储运工程中多相混输问题的能力，可为石油工业带来巨大的经济效益[2]。油气集输技术是一门从实际的油气输送工业中发展起来的，又直接为油气管道安全运行服务的课程。该课程对培养具有扎实基础知识和创新性解决实际问题能力的专业多相流技术人才起着重要的作用[3，4]。但目前国内相关石油高校的油气集输技术课程教学中缺乏贴近行业需求、功能多样的多功能油气集输实验平台，也缺乏同理论课程紧密结合的系统全面的多功能油气集输实验教学项目及教学方法。从这一现状出发，结合油气储运工程的行业特点，以实际油气集输需求为导向，以培养专门的油气集输技术人才为目标，以实践教学为主线，以贴近并回归工程实际为重点，开展适合油气储运工程专业的发展趋势和油气集输技术课程教学，并契合石油天然气工程行业需求的油气集输技术教学实验平台建设与应用研究。

二、实验教学平台的建设思路

在学校人才培养目标的指导下，根据油气集输技术实验教学改革与发展的需要，结合校情，明确了教学实验平台的建设思路。

1.设计建设集气液两相螺旋流流动特性实验、气液两相螺旋流传热特性实验、水平管道内冲刷腐蚀实验以及倾斜管道积液携带实验于一体的贴近油气储运工程油气集输技术实践的多功能油气集输教学实验平台，填补国内石油高校在混输技术实践教学中缺乏大型化、多功能性实验平台的空白，使学生通过实验教学平台的有效训练，能在石油天然气工业生产第一线解决实际油气混输的问题。

2.构建基础性与应用性、设计性与多功能性相结合的满足基础、多功能、创新等多个不同层次的需要，点面结合，循序渐进的多功能、多梯度的油气混输技术实验项目体系。既要建设满足油气集输领域流体力学等基础性本科教学实验项目，又要符合相关实验数据可应用于实际油气输送的需要；既要建设可使本科生参与设计和调试的实验项目，又要服务于实际油气输送领域多功能和多样化的需求，建立综合性的多功能油气集输实验平台。

3.开展认知演示实验、基础驗证性实验和综合设计性实验三个层次的实践教学方法探索和研究，并注重发挥科研优势，将科研设备和技术引入实验教学。

三、实验教学平台建设

1.实验平台概况。油气储运多相流动教学实验平台是一套大型的综合性多功能实验教学平台，主要包括气液等多相流动特性实验、管道冲刷腐蚀实验以及多相流动传热特性实验。实验教学平台主要由水源、水箱、管道泵、液体流量计、螺杆式空气压缩机、缓冲罐、气体流量计、气液混合器、实验管段、含气率测定管段以及控制系统组成。其中实验管段采用快速接头连接，可实现多相流动实验、冲刷腐蚀实验以及传热传质实验的快速转换与连接。油气储运多相流动教学实验平台如图1所示。

2.供应系统。油气储运多相流动实验教学平台供应系统主要包括供液系统和供气系统。供液系统主要包括水箱、离心泵、液体流量计、气液混合器等。（1）水箱容积为3000 L，由不锈钢材料制作，根据实验对象的不同，可分别存放纯液体、氯化钠溶液以及液固混合液等。（2）离心泵为ZXB型自吸泵，流量范围是0—30m3/h，扬程达到25m，满足不同实验对象的需要，如图2所示。（3）液体流量计为ZRN-LW-C系列涡轮流量计，可实现现场显示和远传两种功能，待测介质温度范围是-20℃—80℃，准确度为±0.2%，量程范围是量程0—10m3/h。（4）气液混合器为SQS型，可实现气液两相的均匀混合，如图3所示。

供气系统主要由螺杆式空气压缩机、缓冲罐、气体流量计以及减压阀等组成。（1）本实验教学平台使用的气源动力为阿特拉斯BLT-10A型螺杆式空气压缩机，排气量为1.35m3/min，出口排气压力为0.7MPa，功率为7.5KW，如图4所示。（2）为了保证实验过程中气体的平稳输送，在空压机与气体接口之间设置了缓冲罐，缓冲罐为钢制，体积2000L，最大承压0.8MPa，可实现气体的连续平稳输送，如图5所示。

3.监测及控制系统。油气储运多相流动实验教学平台监测系统主要包括压力传感器、压差传感器和温度传感器等。其中，压力传感器为罗斯蒙特3051TG型，量程范围为0—1.0MPa，精度为±0.1KPa；压差传感器为罗斯蒙特3051C型，量程范围为0—0.1MPa，精度为±0.01KPa；温度传感器测温范围为-20℃—60℃，精度为±0.01℃。控制系统包括控制柜以及实验软件。控制柜如图6所示，包含实验平台系统开关功能、离心泵启停功能以及电磁阀开闭功能。实验教学平台实验项目操作界面如图7所示。

4.实验教学项目。油气储运多相流动教学实验平台建成后，按照油气储运专业学生教学实验要求，开发了包括演示、验证、设计和综合等实验，主要包括：气液等多相流动特性实验、管道冲刷腐蚀实验以及多相流动传热特性实验，实验项目如表1所示。

四、结论

油气储运多相流动教学实验平台的建成和投用，进一步加强了油气储运专业基础课程实验教学的内容、方法与手段，可使学生在学校中接触和掌握到更加贴近工程现场、贴近油气储运工程实际的相关实验设备，并有利于培养学生综合分析问题和解决问题的能力，有利于提高学生的创新意识和工程运用能力，是校内进行多相流动技术及相关学科实践教学和科研工作的平台支撑。同时，油气储运多相流动教学实验平台的设计和建设过程进一步推动了工程流体力学等理论课与专业实验的结合，提高了学生用所学的知识解决工程实际问题的能力，激发了学生的创新意识与思维及动手能力，为他们今后的工作打下了良好的基础。

参考文献：

[1]林宗虎，王栋，王树众，等.多相流的近期工程应用趋向[J].西安交通大学学报，2001，35（9）：886-890.

[2]许建良，李伟锋，代正华，等.“多相流体力学”课程教学改革的探索[J].中国电力教育，2013，12（17）：73-74.

[3]高立民，杨继清，罗鸣，等.实验教学中心管理平台的构建[J].实验研究与探索，2013，32（2）：116-118.

[4]周昊，赵会军，李恩田，等.储运防腐技术教学实验平台建设与开发[J].实验技术与管理，2015，32（4）：110-114.