СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ТРУБОПРОВОДЕ Российский патент 2019 года по МПК G01M10/00 

Изобретение относится к области исследования гидравлики трубопроводного транспорта, а именно к стендам для исследования стационарных и нестационарных процессов, возникающих в мультифазных углеводородных потоках.

Из уровня техники известен стенд для исследования динамики газонасыщенных и двухфазных газожидкостных потоков в рельефных трубопроводах, состоящий из приеморасходной емкости для исследуемой жидкости, насосной станции, фильтра, узла учета, стеклянных труб, моделирующих рельефный участок трубопровода, трубопроводов технологической обвязки, при это моделирующий участок труб стенда выполнен из трех параллельных труб различного диаметра, снабжен качающимся лонжероном с шарнирным узлом и штативом, в котором он установлен с возможностью поворота в вертикальной плоскости в диапазоне 0°-20°, а стеклянные трубы с восходящими и нисходящими участками соединены под углом 120° посредством стальных гнутых вставок с вваренными штуцерами, последние имеют трехходовые краны для ввода в полость труб газа и подключения образцового манометра.

Данный стенд позволяет моделировать динамику роста газовых скоплений в условиях фазовых переходов и их последующего размыва (растворения) в условиях, максимально приближенных к реальным, характерным для магистральных трубопроводов, при этом, у стенда узкий диапазон изменения угла наклона трубопровода (угол наклона трубопровода ограничен конструкцией стенда). Также данный стенд не позволяет проводить исследования течения жидкости на самотечном участке, процессов вытеснения жидкости инертным газом или сжатым воздухом, исследования процессов накопления и выноса воды при различных углах наклона трубопровода, моделировать утечки жидкости из трубопровода и исследовать методы их обнаружения, моделировать гидравлический удар при закрытии сброса или задвижки в конце трубопровода, моделирования режимов работы трубопровода с различными вариантами подключения насосных агрегатов (последовательно, параллельно), исследования процессов смесеобразования при последовательной перекачке различных жидкостей [патент РФ №2018800, дата публикации 30.08.1994].

Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании стенда с изменяемым профилем для исследования стационарных и нестационарных процессов, возникающих в мультифазных углеводородных потоках.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении достоверности исследований за счет создания стенда для исследования течения жидкости в трубопроводе, позволяющего моделировать технологические операции и явления, возникающие при эксплуатации магистрального трубопровода.

Технический результат достигается за счет того, что стенд для исследования течения жидкости в трубопроводе включает в себя блок для исследования течения на самотечных участках трубопроводов, блок для исследования процессов накопления и выноса воды в трубопроводе, блок для исследования нестационарных процессов в трубопроводе, блок моделирования работы насосных станций, блок для исследований процессов смесеобразования при последовательной перекачке жидкостей с различными физико-химическими свойствами, блок емкостей и блок локальной системы автоматизации стенда, причем блок для исследования течения на самотечных участках трубопроводов включает в себя трубную обвязку с измерительной линией из прозрачного материала, выполненную с возможностью изменения профиля, регулируемый насос и насосы для создания дополнительного разрежения, подключенные к измерительной линии, баллон с инертно-газовой смесью, компрессорную установку, запорную и регулирующую арматуру, камеры подачи и приема поршня, вихревой расходомер, датчики давления и температуры; блок для исследования процессов накопления и выноса воды в трубопроводе включает в себя трубную обвязку с V-образной измерительной линией из прозрачного материала с восходящим и нисходящим участком, сопряженных посредством жесткой вставки под углом от 15° до 90°, подъемный механизм, обеспечивающий подъем V-образной измерительной линии от горизонтальной поверхности на угол от 0° до 90°, насос для подачи модельной жидкости, выполненный с возможностью регулирования производительности, дозировочный насос для подачи воды, расходную емкость для воды, датчики давления и температуры, поточный влагомер, запорную и регулирующую арматуру, ультразвуковой расходомер, смеситель; блок для исследования нестационарных процессов в трубопроводе включает в себя трубную обвязку с измерительным участком, содержащим по меньшей мере один участок моделирования утечки, на котором установлен массовый расходомер, датчики давления и запорно-регулирующая арматуру, приемно-расходную емкость для модельной жидкости, насос, вихревые расходомеры, установленные в начале и конце измерительного участка; блок моделирования работы насосных станций включает в себя четыре регулируемых насосных агрегата, трубную обвязку, выполненную с возможностью производить как последовательное, так и параллельное включение насосных агрегатов, вихревой расходомер, датчики давления и температуры, запорную арматуру; блок для исследований процессов смесеобразования при последовательной перекачке жидкостей с различными физико-химическими свойствами включает в себя трубную обвязку с измерительным участком, содержащим по меньшей мере один участок моделирования утечки, на котором установлен вихревой расходомер, датчики давления и температуры и запорную и регулирующую арматуру, насос, вихревой расходомер, датчики давления и температуры, плотномеры, запорную арматуру; блок емкостей включает в себя по меньшей мере три емкости, гидравлически соединенные с блоком исследования течения жидкости на самотечных участках трубопровода, блоком моделирования работы насосных станций и блоком для исследований процессов смесеобразования при последовательной перекачке жидкостей, и выполняющие функции приемных и расходных емкостей для указанных блоков, а также датчики давления, запорную арматуру, при этом каждый из вышеуказанных блоков соединен с блоком локальной системы автоматизации стенда, который выполнен с функцией управления технологическим оборудованием стенда и функцией сбора и обработки информации от датчиков давления и температуры вышеуказанных блоков. В предпочтительном варианте реализации изобретения блок локальной автоматизации стенда включает шкаф силового управления, содержащий сервер баз данных/передачи данных и программируемый логический контроллер, взрывозащищенную сенсорную панель, предназначенную для непосредственной визуализации данных, полученных от программируемого логического контроллера, автоматическое рабочее место оператора и сервер видеонаблюдения, осуществляющий прием и хранение видео и аудио- данных.

Стенд для исследования течения жидкости в трубопроводе поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема стенда, на фиг. 2 -блок-схема стенда.

Стенд для исследования течения жидкости в трубопроводе (фиг. 2), включает в себя блок 1 для исследования течения жидкости на самотечных участках трубопровода, блок 2 для исследования процессов накопления и выноса воды, блок 3 для исследования нестационарных процессов в трубопроводе, блок 4 моделирования работы насосных станций, блок 5 для исследований процессов смесеобразования при последовательной перекачке жидкостей с различными физико-химическими свойствами, блок 6 емкостей и блок 7 локальной системы автоматизации стенда, при этом каждый из блоков 1-6 соединен с блоком 7 локальной системы автоматизации стенда, при этом блок 7 системы локальной автоматизации стенда выполнен с функцией управления технологическим оборудованием стенда и функцией сбора и обработки информации от первичных средств измерения.

В блок 1 для исследования течения жидкости на самотечных участках трубопровода (фиг. 1) входит измерительная линия 1.1 с установленными на ней датчиками давления 1.3 и датчиками температуры 1.4, краном с воздушником 1.13, запорной арматурой 1.6, камера 1.16 подачи поршня, камера 1.17 приема поршня.

В качестве рабочей жидкости, циркулируемой в трубопроводах стенда, используется вода, или водные растворы глицерина, или водные растворы пропиленгликоля.

Измерительная линия 1.1 представляет собой выполненный из прозрачного материала (например, из акрила) трубопровод, состоящий из сегментов, что обеспечивает возможность формирования профиля трубопровода в соответствии с поставленной задачей эксперимента.

К измерительной линии 1.1 подключен регулируемый насос 1.2 с помощью поворотного шарнира 1.18 через последовательно установленные на технологическом трубопроводе 1.7 обратный клапан 1.20 и регулятор расхода 1.19, выполняющий функцию регулирующей арматуры, предпочтительно, кран шаровой регулирующий, а с помощью гибкого рукава 1.11 (1) подключены насосы 1.12 (1) и 1.12 (2) для создания дополнительного разрежения.

Регулируемый насос 1.2 и насосы 1.12 (1) 1.12 (2) для создания дополнительного разрежения гидравлически соединены с емкостями 6.1, 6.2, 6.3 через последовательно установленные на технологическом трубопроводе 1.7 обратный клапан 1.20 и регулятор расхода 1.19, при этом все три емкости 6.1, 6.2, 6.3 гидравлически соединены между собой.

Измерительная линия 1.1 через гибкий рукав 1.11 (2) и последовательно установленные на технологическом трубопроводе 1.7 вихревой расходомер 1.14 и регулятор давления «до себя» 1.5, выполняющего функцию регулирующей арматуры (предпочтительно, кран шаровой регулирующий), соединена с емкостями 6.1, 6.2, 6.3.

Для проведения испытания по вытеснению модельной жидкости из полости трубопровода посредствам инертно-газовой смеси предусмотрен поршень (на чертежах не показан), баллон с инертно-газовой смесью 1.9 и компрессорная установка 1.8, которые параллельно подключены к камере 1.16 подачи поршня, которая через технологический трубопровод 1.7 и запорную арматуру 1.6 может быть подсоединена к измерительной линии 1.1. При этом в технологическом трубопроводе 1.7, соединяющем компрессорную установку 1.8 с камерой подачи поршня 1.16, установлен вихревой расходомер 1.15, связанный с компрессорной установкой 1.8 с помощью гибкого рукава 1.11 (3).

Прием поршня из измерительной линии 1.1 производится с помощью камеры 1.17 приема поршня, присоединенной к выходу измерительной линии 1.1 через запорную арматуру 1.6.

Блок 2 для исследования накопления и выноса воды в трубопроводе включает в себя трубную обвязку, содержащую V-образную измерительную линию 2.7 с нисходящим и восходящим участками, сопряженными посредством жесткой вставки под углом от 15° до 90°, насос 2.1 для закачки модельной жидкости, расходную емкость 2.2 и приемную емкость 2.3 для модельной жидкости, дозировочный насос 2.4, поточный влагомер 2.5, установленный на входе измерительного участка 2.7, регулятор расхода 2.6, выполняющий функцию регулирующей арматуры (предпочтительно затвор поворотный дисковый), гидравлический цилиндр (на чертежах не показан), посредством которого осуществляется подъем V-образной измерительной линии 2.7 на заданный угол от горизонтальной поверхности в диапазоне от 0° до 90° в соответствии с целями эксперимента. Также стенд включает сливной патрубок 2.9, смеситель 2.10, шаровые краны 2.11 и 2.12, обеспечивающие регулирование подачи модельных жидкостей и воды, расходную емкость для воды 2.13, датчики давления 2.14, ультразвуковой расходомер 2.15 и датчики температуры (на чертежах не показаны). При этом регулятор расхода 2.6 и смеситель 2.10 последовательно установлены в трубной обвязке по ходу движения модельной жидкости из V-образной измерительной линии 2.7, расходная емкость для воды 2.13 соединена с трубной обвязкой и измерительной линией 2.7 в ее низшей точке, дозировочный насос 2.4 установлен на выходе расходной емкости для воды 2.13, датчики давления 2.14 установлены на входе и выходе измерительной линии 2.7, ультразвуковой расходомер 2.15 установлены на входе насоса 2.1 для закачки модельной жидкости.

В качестве насоса 2.1 используют центробежный насос, оснащенный частотно-регулируемым приводом (на чертежах не показан), что обеспечивает плавное изменение производительности.

V-образная измерительная линия 2.7 представляет собой трубопровод диаметром 100 мм, выполненный из прозрачного материала, например, акрила. Нисходящая и восходящая части V-образной измерительной линии 2.7 сопрягаются посредством сменных жестких вставок под углом от 15° до 90°.

Емкости 2.2 и 2.3 выполнены в виде бака с конусообразным дном, снабженным патрубком с шаровым краном (на чертежах не показаны), предназначенным для полного опорожнения емкостей от модельной жидкости. Емкости 2.2 и 2.3 оснащены газоуравнительной системой (на чертежах не показана) для выравнивания давления в емкостях при проведении подготовительных технологических операций и исследовательских испытаний на стенде, а также дыхательными клапанами (на чертежах не показаны). Также емкости 2.2 и 2.3 оснащены датчиками и сигнализацией аварийных уровней модельных жидкостей (на чертежах не показаны).

В качестве модельной жидкости для проведения исследований используют жидкий парафин, моторные или растительные масла.

Блок 3 для исследований нестационарных процессов включает в себя насос 3.1 с возможностью регулирования производительности, приемно-расходную емкость 3.2 для модельной жидкости, перепускную линию 3.3, трубную обвязку с измерительным участком 3.12, к которому подключены три участка 3.13 моделирования утечки, в каждом из которых последовательно установлены массовый расходомер 3.7, датчик давления 3.10, регулирующий клапан 3.5, регулятор расхода 3.6, выполняющий функцию регулирующей арматуры (предпочтительно, клапан соленоидный), и трехходовой кран 3.8.

Кроме того, в состав стенда входят два вихревых расходомера 3.11, установленные на входе и выходе измерительного участка 3.12, регулирующий клапан 3.14, установленный в конце измерительного участка 3.12 на входе в приемно-расходную емкость 3.2, регулятор расхода 3.4, установленный на выходе измерительного участка 3.12, датчики давления 3.9, установлены в начале, в конце и на измерительном участке 3.12.

В качестве модельной жидкости используется вода, водные растворы глицерина или пропиленгликоля.

Трубная обвязка состоит из всасывающей линии (участок трубопровода от приемно-расходной емкости 3.2 до всасывающего патрубка насоса 3.1) и напорной линии с измерительным участком 3.12 (участок трубопровода от нагнетательного патрубка насоса 3.1 до приемно-расходной емкости 3.2).

Напорная линия с измерительным участком 3.12 трубной обвязки выполнена из полимерного материала, например, полиэтилена низкого давления, диаметр трубопровода - не более DN30, длина напорной линии - не менее 1000 м. Всасывающая линия трубной обвязки 3.12 выполнена из нержавеющей стали. Выполнение измерительного участка из полимерного материала обеспечивает пониженное значение скорости ударной волны, что позволяет моделировать нестационарные процессы в трубопроводах значительно большей протяженности по сравнению с длиной напорной линии с измерительным участком. Участки моделирования утечек 3.13 выполнены из полимерного материала диаметром DN15.

Трубная обвязка содержит сливные патрубки (на чертежах не показаны) для полного освобождения трубной обвязки от модельной жидкости после проведения испытаний.

Приемно-расходная емкость 3.2 выполнена в виде бака с конусообразным дном, снабженным патрубком с шаровым краном (на чертежах не показаны), предназначенным для полного опорожнения емкости от модельной жидкости. Приемно-расходная емкость 3.2 оснащена съемной крышкой (на чертежах не показана), исключающей искрообразование. Также приемно-расходная емкость 3.2 оснащена датчиками и сигнализацией аварийных уровней модельных жидкостей (на чертежах не показаны).

В качестве насоса 3.1 используют центробежный насос, оснащенный частотно-регулируемым приводом (на чертежах не показан), что обеспечивает плавное изменение производительности.

В качестве регулирующих клапанов 3.5,3.14 используют электромагнитные клапаны.

Для защиты трубопроводов от повышенного давления предусмотрена предохранительная мембрана (на чертежах не показана) для сброса давления.

Блок 4 моделирования работы насосных станций предназначен для моделирования режимов работы трубопровода с различными вариантами подключения насосных агрегатов (последовательно, параллельно) и включает в себя четыре регулируемых насосных агрегата 4.1 с регулируемой производительностью, трубную обвязку (на чертежах не показана), выполненную с возможностью производить как последовательное, так и параллельное включение насосных агрегатов, вихревой расходомер 4.2, датчики давления 4.3, датчики температуры 4.4, комплект запорной арматуры, технологические и дренажные трубопроводы. Емкости, применяемые при исследованиях в блоке моделирования работы насосных станций, расположены в блоке 6 емкостей.

Моделирование режимов трубопровода достигается путем включения регулируемых насосных агрегатов 4.1 по параллельной или последовательной схеме. Изменение давления по длине участка графически отображается на автоматическом рабочем месте оператора.

Блок 5 для исследований процессов смесеобразования при последовательной перекачке жидкостей с различными физико-химическими свойствами (блок последовательной перекачки) предназначен для исследования коэффициента продольного перемешивания, процессов дополнительного смесеобразования при остановке последовательной перекачки и влияния тупиковых отводов на процессы смесеобразования и включает в себя насос 5.1 с возможностью регулирования производительности, обеспечивающий циркуляцию модельных жидкостей по измерительному участку, вихревой расходомер 5.2, установленный в конце измерительного участка, вихревой расходомер 5.3, установленный на участке моделирования утечки 5.13, расходные емкости 6.1 и 6.2 для модельных жидкостей и приемную емкость 6.3 для смеси (блок 6 емкостей), электромагнитные клапаны 5.6 (1), 5.6 (2), расположенные на выходе расходных емкостей 6.1, 6.2, электромагнитные клапаны 5.5, 5.11, установленные на участке моделирования утечки 5.13, регулятор расхода 5.7, выполняющий функцию регулирующей арматуры (предпочтительно, клапан регулирующий), установленный на участке моделирования утечки 5.13, датчики давления 5.8, плотномеры 5.9, размещенные на измерительном участке трубной обвязки 5.12, датчики температуры 5.10, трубную обвязку 5.12 с измерительным участком и участком моделирования утечки 5.13, на котором последовательно установлены электромагнитный клапан 5.5, вихревой расходомер 5.3, датчик давления 5.8, датчик температуры 5.10, регулятор расхода 5.7 и электромагнитный клапан 5.11.

В качестве модельной жидкости используется вода, водные растворы глицерина или пропиленгликоля.

Трубная обвязка 5.12 состоит из всасывающей линии (участок трубопровода от расходных емкостей 6.1, 6.2 до всасывающего патрубка (на чертежах не показана) насоса 5.1), напорной линии (участок трубопровода от нагнетательного патрубка (на чертежах не показана) насоса 5.1 до приемной емкости 6.3) и измерительным участком. Измерительный участок выполнен из нержавеющих труб диаметром 50 мм. Трубная обвязка 5.12 содержит также сливные патрубки (на чертежах не показаны), предназначенные для полного освобождения трубной обвязки 5.12 от модельной жидкости после проведения испытаний.

В качестве насоса 5.1 используется центробежный насос, оснащенный частотно-регулируемым приводом (на чертежах не показан), что обеспечивает плавное изменение производительности.

Исследование процесса смесеобразования при последовательной перекачке осуществляется с использованием модельных жидкостей с различными физико-химическими свойствами. Например, жидкость А-вода с плотностью около 1000 кг/м³ и вязкостью около 1 мм²/с и жидкость Б - водный раствор технического глицерина вязкостью не более 5 мм²/с, при этом плотность раствора можно менять путем изменения концентрации глицерина в воде.

В качестве модельной жидкости, применяемой при исследованиях на стенде, используется вода водопроводная, водные растворы глицерина, водные растворы пропиленгликоля, моторные и растительные масла, жидкий парафин.

Блок 6 емкостей предназначен для приема и отпуска модельных жидкостей и включает в себя три емкости 6.1, 6.2, 6.3, датчики давления (на чертежах не показаны), комплект запорной арматуры, технологические и дренажные трубопроводы. Емкости гидравлически связаны с блоком 5 для исследований процессов смесеобразования при последовательной перекачке жидкостей с различными физико-химическими свойствами, блоком 1 для исследования течения жидкости на самотечных участках трубопровода, блоком 4 моделирования работы насосных станций.

В качестве запорной арматуры для вышеприведенных блоков 1-6 используются различные виды кранов.

Блок 7 локальной системы автоматизации стенда содержит шкаф силового управления 8, взрывозащищенную сенсорную панель 11, автоматическое рабочее место оператора 9 (далее - АРМ), сервер видеонаблюдения 12. Шкаф силового управления 8 содержит сервер баз данных/передачи данных 10 и программируемый логический контроллер (далее - ПЛК) 13.

Управление технологическим оборудованием стенда (электроприводы запорной и регулирующей арматуры, электроприводы насосных агрегатов, блоки частотного регулирования), а также сбор и обработку информации от первичных средств измерений (датчики давления, датчики температуры, плотномеры, расходомеры, влагомер, сигнализаторы уровня) обеспечивает ПЛК 13, входящий в состав блока локальной системы автоматизации стенда 7. ПЛК 13 также обеспечивает выполнение следующих функций: управление и контроль состояния запорной и регулирующей арматуры с электроприводами; выдача в блоки частотного регулирования управляющих сигналов для регулирования расхода; прием сигналов из шкафа силового управления 8 о состоянии технологического оборудования; аварийный останов технологического оборудования; исполнение сценариев эксперимента; исполнение последовательности действий, формируемых на АРМ 9; выдача управляющих сигналов на обесточивание силового оборудования; самодиагностика и проверка готовности к проведению испытаний.

Помимо ПЛК 13 в состав локальной системы автоматизации входят: сервер баз данных/передачи данных 10, АРМ 9, взрывозащищенная сенсорная панель 11, сервер видеонаблюдения 12. АРМ 9 и взрывозащищенная сенсорная панель 11 предназначены для непосредственной визуализации данных, полученных от ПЛК 13. Сервер видеонаблюдения 12 осуществляет прием и хранение видео и аудиоданных, получаемых от камер (на чертежах не показаны).

Проведение исследований на заявляемом стенде для исследования течения жидкости в трубопроводе осуществляется следующим образом.

1. Исследование течения модельной жидкости на самотечном участке трубопровода.

Исследования проводятся на блоке 1 для исследования течения жидкости на самотечных участках трубопровода.

Перед проведением испытаний на подъемной раме (на чертежах не показана) собирают профиль измерительной линии 1.1 в соответствии с поставленной задачей.

Регулируемым насосом 1.2 производят заполнение трубопровода стенда модельной жидкостью из одной из емкостей 6.1, 6.2, 6.3. При заполнении трубопроводов перед испытаниями необходимо вытеснить остатки воздуха через кран с воздушником 1.13.

После заполнения трубопроводов модельной жидкостью рамное основание (на чертежах не показано) поднимают на заданную высоту и закрепляют на направляющей раме (на чертежах не показана), чтобы обеспечить требуемый перепад высот, а также требуемый угол наклона измерительной линии. Подъем рамного основания осуществляется тросом (на чертежах не показан), приводимым в движение системой блоков с гидроцилиндром (на чертежах не показан).

Рабочая жидкость из одной из емкостей 6.1, 6.2 или 6.3 подается регулируемым насосом 1.2 в измерительную линию. Расход рабочей жидкости регулируется частотой вращения регулируемого насоса 1.2 и регулятором расхода 1.19, контролируется с помощью вихревого расходомера 1.14.

Температура и давление в исследуемом трубопроводе контролируются с помощью средств измерения, а именно, датчиков давления 1.3 и датчиков температуры 1.4.

С помощью измерительной линии 1.1 получают самотечные участки с различной протяженностью и степенью заполнения модельной жидкостью. Варьируя углы наклона измерительной линии 1.1 к горизонтали, а также изменяя подачу модельной жидкости с помощью регулируемого насоса 1.2 и насосов 1.12 (1) и/или 1.12 (2) для создания дополнительного разрежения, возможно получить весь спектр самотечных участков, необходимый для выполнения исследований.

Управление блоком 1 а также сбор и обработка информации от средств измерений указанного блока осуществляется с помощью ПЛК 13, входящего в блок 7.

В результате измерений определяют зависимость наличия и параметров самотечного участка от скорости течения жидкости, угла наклона измерительной линии, физико-химических характеристик перекачиваемых жидкостей в стационарных и нестационарных процессах.

При проведении испытаний на стенде также имеется возможность моделирования дополнительного разрежения на исследуемом участке при помощи насоса 1.12 (1) и/или 1.12 (2) через линию с гибким рукавом 1.11 (1).

2. Вытеснение жидкости инертным газом или сжатым воздухом.

Исследования проводятся на блоке 1 для исследования течения жидкости на самотечных участках трубопровода.

Перед проведением испытаний на подъемной раме (на чертежах не показана) собирают профиль измерительной линии 1.1 в соответствии с поставленной задачей.

Испытания по вытеснению рабочей жидкости из полости трубопровода проводят пропусканием поршня путем воздействия инертно-газовой смеси, поступающей из баллона с инертно-газовой смесью 1.9 или воздуха, подаваемого с помощью компрессорной установки 1.8.

Перед проведением эксперимента поршень запасовывается в камеру 1.16 подачи поршня. После прохождения измерительной линии 1.1 поршень извлекается из камеры 1.17 приема поршня.

Камера 1.16 подачи поршня и камера 1.17 приема поршня представляют собой небольшой участок трубопровода, имеющий диаметр, на один типоразмер превышающий диаметр измерительной линии 1.1. После запасовки поршня производится закачка инертно-газовой смеси в камеру 1.16 подачи поршня, при этом контроль расхода инертно-газовой смеси осуществляется вихревым расходомером 1.15.

Управление блоком 1, а также сбор и обработка информации от датчиков давления и температуры осуществляется с помощью ПЛК 13, входящего в блок 7.

В результате эксперимента определяют зависимости скорости движения поршня от профиля измерительной линии, давления инертного газа/воздуха.

3. Процесс накопления воды на пониженных участках трубопровода.

Исследования проводятся на блоке 2 для исследования процессов накопления и выноса воды в трубопроводе.

Перед началом исследования устанавливается угол наклона V-образной измерительной линии 2.7 посредством выбора жесткой вставки с углом в диапазоне от 15° до 90° и подъем V-образной измерительной линии на угол от горизонтальной поверхности в диапазоне от 0° до 90° в соответствии с планом эксперимента с помощью гидравлического цилиндра. Модельная жидкость, например, жидкий парафин или масло, подается по трубной обвязке насосом 2.1 из емкости 2.2 в измерительную линию 2.7. Для получения эмульсии с заданной обводненностью в трубную обвязку из емкости 2.13 с помощью дозировочного насоса 2.4 подают воду, при этом открывают шаровой кран 2.12. Объемное содержание воды в образовавшейся смеси «модельная жидкость-вода» в V-образной измерительной линии 2.7 контролируется с помощью поточного влагомера 2.5. Расход модельной жидкости регулируется с помощью насоса 2.1 и регулятора расхода 2.6. Для предотвращения расслаивания жидкого парафина/масла и воды при циркуляции по трубной обвязке за пределами V-образной измерительной линии 2.7, при проведении исследований по накоплению воды предусмотрен смеситель 2.10, установленный после измерительной линии 2.7. Расход модельной жидкости контролируется с помощью ультразвукового расходомера 2.15. Значения давления в V-образной измерительной линии 2.7 фиксируются с помощью датчиков давления 2.14.

Во время исследований визуально контролируют процесс накопления воды в низшей части (сопрягаемая вставка) V-образной измерительной линии 2.7. После прокачки по V-образной измерительной линии 2.7 смеси «модельная жидкость-вода» в количестве, заданном планом эксперимента, перекачка останавливается. Отслоившаяся вода через сливной патрубок 2.9, установленный в низшей части V-образной измерительной линии 2.7, сливается в мерную емкость (на чертежах не показана), и измеряется ее объем.

Исследования производятся при различных углах наклона V-образной измерительной линии 2.7, различных концентрациях воды в смеси с модельной жидкостью, различных производительностях перекачки и различных вязкостях модельной жидкости.

Управление блоком 2, а также сбор и обработка информации от датчиков давления и температуры осуществляется с помощью ПЛК 13, входящего в блок 7.

По результатам исследований устанавливаются эмпирические зависимости скорости накопления воды от угла наклона профиля трубопровода, скорости течения жидкости, плотности и вязкости перекачиваемой жидкости, поверхностного натяжения на границе «модельная жидкость-вода» и т.д.

4. Процесс выноса воды с участка трубы.

Исследования проводятся на блоке 2 для исследования процессов накопления и выноса воды в трубопроводе.

Перед началом исследования устанавливается угол наклона V-образной измерительной линии 2.7 от горизонтальной поверхности в диапазоне от 0° до 90° в соответствии с планом эксперимента с помощью гидравлического цилиндра 2.8. Насосом 2.1 из емкости 2.2 производится заполнение V-образной измерительной линии 2.7 модельной жидкостью, например, жидким парафином или маслом.

С помощью дозировочного насоса 2.4 из емкости 2.13 в низшую часть (сопрягаемую вставку) V-образной измерительной линии 2.7 посредством открытия шарового крана 2.11 вводится вода, в количестве, определенном планом эксперимента. Далее производится перекачка смеси «модельная жидкость-вода» по V-образной измерительной линии 2.7. Производительность перекачки определяется планом эксперимента и регулируется частотой вращения насоса 2.1 и регулятора расхода 2.6. Расход модельной жидкости контролируется с помощью ультразвукового расходомера 2.15. Значения давления в V-образной измерительной линии 2.7 фиксируются с помощью датчиков давления 2.14.

Прием модельной жидкости производится в емкость 2.3. По окончании эксперимента останавливается перекачка, через сливной патрубок 2.9 сливается остаток воды в мерную емкость, и измеряется ее объем.

Исследования производятся при различных углах наклона V-образной измерительной линии 2.7, различных начальных количествах воды, различных производительностях перекачки и различных вязкостях модельной жидкости.

Управление блоком 2, а также сбор и обработка информации от датчиков давления и температуры осуществляется с помощью ПЛК 13, входящего в блок 7.

По результатам исследований устанавливаются эмпирические зависимости выносной скорости от угла наклона профиля трубопровода, скорости течения жидкости, размеров скопления воды, плотности и вязкости перекачиваемой жидкости, поверхностного натяжения на границе «модельная жидкость-вода» и т.д.

5. Моделирование нестационарных процессов трубопровода.

Исследования проводятся на блоке 3 для исследования нестационарных процессов в трубопроводе.

Для моделирования процессов утечек модельную жидкость из приемно-расходной емкости 3.2 с помощью насоса 3.1 циркулируют обратно в приемно-расходную емкость 3.2 по замкнутому контуру измерительного участка 3.12. Регулирование расхода модельной жидкости осуществляется частотой вращения насоса 3.1, включением в работу перепускной линии 3.3 и регулятором расхода 3.4.

Утечка моделируется путем открытия одного из электромагнитных клапанов 3.5 на соответствующих участках 3.13 моделирования утечки. Расход утечки регулируется с помощью соответствующих регуляторов расхода 3.6 и контролируется с помощью массовых расходомеров 3.7. Для моделирования утечек с малой производительностью (менее 0,2 л/ч) на участках 3.13 моделирования утечки предусмотрены трехходовые краны 3.8 для слива жидкости в мерные емкости (на чертежах не показаны). Давление в начале измерительного участка трубной обвязки 3.12, в конце и по длине измерительного участка 3.12 контролируется с помощью датчиков давления 3.9, а на участках 3.13 моделирования утечки - датчиками давления 3.10.

Управление блоком 3, а также сбор и обработка информации от датчиков давления осуществляется с помощью ПЛК 13, входящего в блок 7.

Моделирование гидравлического удара при закрытии отвода, например, отвода от магистрального трубопровода, воспроизводится путем закрытия одного из электромагнитных клапанов 3.5, установленных на участках 3.13 моделирования утечки.

Для моделирования гидравлического удара модельная жидкость с помощью насоса 3.1 из приемно-расходной емкости 3.2 циркулируют обратно в приемно-расходную емкость 3.2 по замкнутому контуру измерительного участка 3.12, при этом открыт только один участок 3.13 моделирования утечки (открыт электромагнитный клапан 3.5 соответствующего участка 3.13 моделирования утечки), электромагнитные клапаны 3.5 остальных участков 3.13 моделирования утечки закрыты. Процесс гидроудара достигается закрытием соответствующего электромагнитного клапана 3.5 участка 3.13 моделирования утечки. При этом фиксируются значения давления на измерительном участке 3.12 с помощью датчиков давления 3.9.

Моделирование гидравлического удара при закрытии задвижки в конце магистрального трубопровода воспроизводится путем закрытия регулирующего клапана 3.14, установленного в конце измерительного участка 3.12 трубной обвязки.

Для моделирования гидравлического удара модельная жидкость с помощью насоса 3.1 из приемно-расходной емкости 3.2 циркулируют обратно в приемно-расходную емкость 3.2 по замкнутому контуру измерительного участка 3.12, при этом все участки 3.13 моделирования утечек закрыты (закрыты все электромагнитные клапаны 3.5), регулирующий клапан 3.14 открыт.Процесс гидроудара достигается закрытием регулирующего клапана 3.14. При этом фиксируются значения давления в измерительном участке 3.12 трубной обвязки с помощью датчиков давления 3.9.

Управление блоком 3, а также сбор и обработка информации от датчиков давления осуществляется с помощью ПЛК 13, входящего в блок 7.

Моделирование нестационарных процессов на данном стенде при различных параметрах течения жидкости позволит верифицировать и откорректировать математические модели нестационарных процессов в трубопроводе.

5. Моделирование работы насосных станций.

Для моделирования режимов работы насосных станций подготавливается технологическая схема обвязки насосных агрегатов 4.1 и технологических трубопроводов в зависимости с поставленной задачей. Обвязка насосных агрегатов позволяет соединять насосные агрегаты последовательно и параллельно. Значения давления фиксируются с помощью датчиков давления 4.3, установленных до и после насосных агрегатов 4.1, а также в начале и в конце технологического трубопровода. Расход модельной жидкости контролируется с помощью вихревого расходомера 4.2, температура жидкости датчиком 4.4.

Управление блоком 4, а также сбор и обработка информации от средств измерений осуществляется с помощью ПЛК 13, входящего в блок 7.

Изменение давления по длине участка графически отображается на автоматическом рабочем месте оператора.

6. Исследование процесса смесеобразования при последовательной перекачке.

Исследования проводятся на блоке 5 для исследования процессов смесеобразования при последовательной перекачке жидкостей с различными физико-химическими свойствами.

Для проведения исследования открывают электромагнитный клапан 5.6 (1) и заполняют измерительный участок трубной обвязки 5.12 партией модельной жидкости А из емкости 6.1 при помощи насоса 5.1, при этом расход модельной жидкости регулируется частотой вращения привода насоса 5.1. Далее закрывают электромагнитный клапан 5.6 (1) и открывают электромагнитный клапан 5.6 (2) для подачи в трубную обвязку 5.12 партии модельной жидкости Б.

Контроль концентрации смеси в потоке определяется поточными плотномерами 5.9, установленными на измерительном участке, при этом расход смеси контролируется вихревым расходомером 5.2. После прохождения измерительного участка модельная жидкость поступает в приемную емкость 6.3.

Управление блоком 5, а также сбор и обработка информации от датчиков давления и температуры осуществляется с помощью ПЛК 13, входящего в блок 7.

По результатам проведенных исследований на стенде и полученным данным строятся графические зависимости длины области смеси от режима перекачки (скорости потока), физико-химических свойств жидкостей, влияния тупиковых отводов и т.д.

Таким образом, изобретение позволяет моделировать технологические операции и явления, возникающие при эксплуатации магистрального трубопровода, что обеспечивает получение более точной информации о протекающих в трубопроводе процессах, что в свою очередь позволяет повысить достоверность математических моделей работы магистрального трубопровода.

Изобретение относится к области исследования гидравлики трубопроводного транспорта, а именно к стендам для исследования стационарных и нестационарных процессов, возникающих в мультифазных углеводородных потоках. Стенд для исследования течения жидкости в трубопроводе включает в себя блок для исследования течения на самотечных участках трубопроводов, блок для исследования процессов накопления и выноса воды в трубопроводе, блок для исследования нестационарных процессов в трубопроводе, блок моделирования работы насосных станций, блок для исследований процессов смесеобразования при последовательной перекачке жидкостей с различными физико-химическими свойствами, блок емкостей и блок локальной системы автоматизации стенда, причем блок для исследования течения на самотечных участках трубопроводов включает в себя трубную обвязку с измерительной линией из прозрачного материала, выполненную с возможностью изменения профиля, регулируемый насос и насосы для создания дополнительного разрежения, подключенные к измерительной линии, баллон с инертно-газовой смесью, компрессорную установку, запорную и регулирующую арматуру, камеры подачи и приема поршня, вихревой расходомер, датчики давления и температуры; блок для исследования процессов накопления и выноса воды в трубопроводе включает в себя трубную обвязку с V-образной измерительной линией из прозрачного материала с восходящим и нисходящим участками, сопряженными посредством жесткой вставки под углом от 15° до 90°, подъемный механизм, обеспечивающий подъем V-образной измерительной линии от горизонтальной поверхности на от 0° до 90°, насос для подачи модельной жидкости, выполненный с возможностью регулирования производительности, дозировочный насос для подачи воды, расходную емкость для воды, датчики давления и температуры, поточный влагомер, запорную и регулирующую арматуру, ультразвуковой расходомер, смеситель; блок для исследования нестационарных процессов в трубопроводе включает в себя трубную обвязку с измерительным участком, содержащим по меньшей мере один участок моделирования утечки, на котором установлен массовый расходомер, датчики давления и запорно-регулирующую арматуру, приемно-расходную емкость для модельной жидкости, насос, вихревые расходомеры, установленные в начале и конце измерительного участка; блок моделирования работы насосных станций включает в себя четыре регулируемых насосных агрегата, трубную обвязку, выполненную с возможностью производить как последовательное, так и параллельное включение насосных агрегатов, вихревой расходомер, датчики давления и температуры, запорную арматуру; блок для исследований процессов смесеобразования при последовательной перекачке жидкостей с различными физико-химическими свойствами включает в себя трубную обвязку с измерительным участком, содержащим по меньшей мере один участок моделирования утечки, на котором установлен вихревой расходомер, датчики давления и температуры и запорную и регулирующую арматуру, насос, вихревой расходомер, датчики давления и температуры, плотномеры, запорную арматуру; блок емкостей включает в себя по меньшей мере три емкости, гидравлически соединенные с блоком исследования течения жидкости на самотечных участках трубопровода, блоком моделирования работы насосных станций и блоком для исследований процессов смесеобразования при последовательной перекачке жидкостей и выполняющие функции приемных и расходных емкостей для указанных блоков, а также датчики давления, запорную арматуру, при этом каждый из вышеуказанных блоков соединен с блоком локальной системы автоматизации стенда, который выполнен с функцией управления технологическим оборудованием стенда и функцией сбора и обработки информации от датчиков давления и температуры вышеуказанных блоков. Технический результат - повышение достоверности исследований за счет создания стенда для исследования течения жидкости в трубопроводе, позволяющего моделировать технологические операции и явления, возникающие при эксплуатации магистрального трубопровода. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Стенд для исследования течения жидкости в трубопроводе включает в себя блок для исследования течения на самотечных участках трубопроводов, блок для исследования процессов накопления и выноса воды в трубопроводе, блок для исследования нестационарных процессов в трубопроводе, блок моделирования работы насосных станций, блок для исследований процессов смесеобразования при последовательной перекачке жидкостей с различными физико-химическими свойствами, блок емкостей и блок локальной системы автоматизации стенда, причем блок для исследования течения на самотечных участках трубопроводов включает в себя трубную обвязку с измерительной линией из прозрачного материала, выполненную с возможностью изменения профиля, регулируемый насос и насосы для создания дополнительного разрежения, подключенные к измерительной линии, баллон с инертно-газовой смесью, компрессорную установку, запорную и регулирующую арматуру, камеры подачи и приема поршня, вихревой расходомер, датчики давления и температуры;

блок для исследования процессов накопления и выноса воды в трубопроводе включает в себя трубную обвязку с V-образной измерительной линией из прозрачного материала с восходящим и нисходящим участками, сопряженными посредством жесткой вставки под углом от 15° до 90°, подъемный механизм, обеспечивающий подъем V-образной измерительной линии от горизонтальной поверхности на угол от 0° до 90°, насос для подачи модельной жидкости, выполненный с возможностью регулирования производительности, дозировочный насос для подачи воды, расходную емкость для воды, датчики давления и температуры, поточный влагомер, запорную и регулирующую арматуру, ультразвуковой расходомер, смеситель;

блок для исследования нестационарных процессов в трубопроводе включает в себя трубную обвязку с измерительным участком, содержащим по меньшей мере один участок моделирования утечки, на котором установлен массовый расходомер, датчики давления и запорно-регулирующую арматуру, приемно-расходную емкость для модельной жидкости, насос, вихревые расходомеры, установленные в начале и конце измерительного участка;

блок моделирования работы насосных станций включает в себя четыре регулируемых насосных агрегата, трубную обвязку, выполненную с возможностью производить как последовательное, так и параллельное включение насосных агрегатов, вихревой расходомер, датчики давления и температуры, запорную арматуру;

блок для исследований процессов смесеобразования при последовательной перекачке жидкостей с различными физико-химическими свойствами включает в себя трубную обвязку с измерительным участком, содержащим по меньшей мере один участок моделирования утечки, на котором установлен вихревой расходомер, датчики давления и температуры и запорную и регулирующую арматуру, насос, вихревой расходомер, датчики давления и температуры, плотномеры, запорную арматуру;

блок емкостей включает в себя по меньшей мере три емкости, гидравлически соединенные с блоком исследования течения жидкости на самотечных участках трубопровода, блоком моделирования работы насосных станций и блоком для исследований процессов смесеобразования при последовательной перекачке жидкостей и выполняющие функции приемных и расходных емкостей для указанных блоков, а также датчики давления, запорную арматуру, при этом каждый из вышеуказанных блоков соединен с блоком локальной системы автоматизации стенда, который выполнен с функцией управления технологическим оборудованием стенда и функцией сбора и обработки информации от датчиков давления и температуры вышеуказанных блоков.

2. Стенд по п. 1 отличающийся тем, что блок локальной автоматизации стенда включает шкаф силового управления, содержащий сервер баз данных/передачи данных и программируемый логический контроллер, взрывозащищенную сенсорную панель, предназначенную для непосредственной визуализации данных, полученных от программируемого логического контроллера, автоматическое рабочее место оператора и сервер видеонаблюдения, осуществляющий прием и хранение видео- и аудиоданных.