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)多相流動技術實驗教學的需要，設計建設了一套大型綜合性油氣儲運多功能多相流動教學實驗平臺。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研究等教學實驗。該平臺可提供驗證性、創(chuàng)新性以及綜合性的實驗內容，滿足油氣儲運專業(yè)以及石油工程等大類專業(yè)的本科生學習的需要，有利于鍛煉和提高學生的專業(yè)技能和動手能力。

關鍵詞：油氣儲運工程；多相流動；教學平臺

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性質決定著多相混輸與單相輸送比起來，流動機理更為復雜。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。油氣集輸技術是為油氣儲運工程專業(yè)學生開設的一門應用性強的專業(yè)必修課或限選課。通過學習，使學生能夠掌握流體力學的基本理論及油氣集輸的工藝流程和方法，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)帶來巨大的經濟效益[2]。油氣集輸技術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的課程。該課程對培養(yǎng)具有扎實基礎知識和創(chuàng)新性解決實際問題能力的專業(yè)多相流技術人才起著重要的作用[3，4]。但目前國內相關石油高校的油氣集輸技術課程教學中缺乏貼近行業(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合的系統(tǒng)全面的多功能油氣集輸實驗教學項目及教學方法。從這一現狀出發(fā)，結合油氣儲運工程的行業(yè)特點，以實際油氣集輸需求為導向，以培養(yǎng)專門的油氣集輸技術人才為目標，以實踐教學為主線，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課程教學，并契合石油天然氣工程行業(yè)需求的油氣集輸技術教學實驗平臺建設與應用研究。

二、實驗教學平臺的建設思路

在學校人才培養(yǎng)目標的指導下，根據油氣集輸技術實驗教學改革與發(fā)展的需要，結合校情，明確了教學實驗平臺的建設思路。

1.設計建設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實踐的多功能油氣集輸教學實驗平臺，填補國內石油高校在混輸技術實踐教學中缺乏大型化、多功能性實驗平臺的空白，使學生通過實驗教學平臺的有效訓練，能在石油天然氣工業(yè)生產第一線解決實際油氣混輸的問題。

2.構建基礎性與應用性、設計性與多功能性相結合的滿足基礎、多功能、創(chuàng)新等多個不同層次的需要，點面結合，循序漸進的多功能、多梯度的油氣混輸技術實驗項目體系。既要建設滿足油氣集輸領域流體力學等基礎性本科教學實驗項目，又要符合相關實驗數據可應用于實際油氣輸送的需要；既要建設可使本科生參與設計和調試的實驗項目，又要服務于實際油氣輸送領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、基礎驗證性實驗和綜合設計性實驗三個層次的實踐教學方法探索和研究，并注重發(fā)揮科研優(yōu)勢，將科研設備和技術引入實驗教學。

三、實驗教學平臺建設

1.實驗平臺概況。油氣儲運多相流動教學實驗平臺是一套大型的綜合性多功能實驗教學平臺，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，可實現多相流動實驗、沖刷腐蝕實驗以及傳熱傳質實驗的快速轉換與連接。油氣儲運多相流動教學實驗平臺如圖1所示。

2.供應系統(tǒng)。油氣儲運多相流動實驗教學平臺供應系統(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，可實現現場顯示和遠傳兩種功能，待測介質溫度范圍是-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置了緩沖罐，緩沖罐為鋼制，體積2000L，最大承壓0.8MPa，可實現氣體的連續(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)開關功能、離心泵啟停功能以及電磁閥開閉功能。實驗教學平臺實驗項目操作界面如圖7所示。

4.實驗教學項目。油氣儲運多相流動教學實驗平臺建成后，按照油氣儲運專業(yè)學生教學實驗要求，開發(fā)了包括演示、驗證、設計和綜合等實驗，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、結論

油氣儲運多相流動教學實驗平臺的建成和投用，進一步加強了油氣儲運專業(yè)基礎課程實驗教學的內容、方法與手段，可使學生在學校中接觸和掌握到更加貼近工程現場、貼近油氣儲運工程實際的相關實驗設備，并有利于培養(yǎng)學生綜合分析問題和解決問題的能力，有利于提高學生的創(chuàng)新意識和工程運用能力，是校內進行多相流動技術及相關學科實踐教學和科研工作的平臺支撐。同時，油氣儲運多相流動教學實驗平臺的設計和建設過程進一步推動了工程流體力學等理論課與專業(yè)實驗的結合，提高了學生用所學的知識解決工程實際問題的能力，激發(fā)了學生的創(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。

參考文獻：

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

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

[3]高立民，楊繼清，羅鳴，等.實驗教學中心管理平臺的構建[J].實驗研究與探索，2013，32（2）：116-118.

[4]周昊，趙會軍，李恩田，等.儲運防腐技術教學實驗平臺建設與開發(fā)[J].實驗技術與管理，2015，32（4）：110-114.