СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Полезная модель относится к технике для исследования движения потоков и сыпучих материалов, например, процессов добычи газа в нефтегазовой отрасли, связанной с изучением процессов движения потоков в вертикальных, наклонных трубопроводах (скважинах) и отдельных устройствах.
Из уровня техники известен стенд для исследования условий подъема жидкости с использованием газа (RU 118354, U1, E21B 47/00, опубл. 20.07.2012). Известный стенд включает лифтовую колонну труб, узел подачи и регулирования подачи жидкости, средство подачи и регулирования расхода газа, в состав которого входит компрессор, устройство ввода в колонну и отвода из колонны, сепаратор, приборы измерения давления в лифтовой колонне труб на входе в лифтовую колонну труб или на выходе из лифтовой колонны труб. Кроме того, в известном стенде входы жидкости и газа в устройстве ввода расположены таким образом, чтобы исключить перетекание жидкости из трубопровода подачи жидкости в трубопровод подачи газа за счет размещения входа жидкости ниже входа газа. Однако известный стенд содержит большое количество элементов, узлов стенда, трубопроводов, что усложняет его обслуживание и приводит к значительным временным затратам при модернизации стенда для решения новых задач, увеличивает количество времени на изготовление, переобвязку и перекомпоновку стенда.
Наиболее близким к предлагаемому стенду техническим решением, известным из уровня техники, является стенд для исследования условий подъема жидкости с использованием газа из скважин газовых, конденсатных и нефтяных месторождений (RU 48580, U1, E21B 47/00, опубл. 27.10.2005). Известный стенд предназначен для изучения условий подъема газа и жидкости по лифтовым колоннам труб. Стенд включает одну или нескольких колонн труб различного диаметра, узел подачи и регулирования подачи жидкости, средство подачи и регулирования расхода газа, в состав которого входит компрессор, устройство ввода в колонну и отвода из колонны газожидкостной смеси, сепаратор, имеющий выходы для жидкости и газа, средство отвода жидкости и газа из установки. Трубопровод снабжен патрубком избыточного давления газа и патрубком сброса газа. Известное решение позволяет провести качественный анализ процессов, проходящих в объеме лифтовой колонны труб в условиях, приближенных к идеальным. Известный стенд также содержит большое количество элементов, узлов стенда, трубопроводов, что усложняет его обслуживание и приводит к значительным временным затратам при модернизации стенда для решения новых задач, увеличивает количество времени на изготовление, переобвязку и перекомпоновку стенда.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в создании стенда, позволяющего моделировать и изучать газогидродинамические процессы на лифтовой колонне.
Технический результат полезной модели заключается в сокращении срока отработки методики исследования газогидродинамических процессов, за счет сокращения времени, затрачиваемого на сборку и перекомпоновку стенда, в обеспечении контроля и поддержания заданной температуры внутри лифтовой колонны.
Сущность полезной модели заключается в том, что в стенд для исследования газогидродинамических процессов, содержащий лифтовую экспериментальную колонну, узел подачи и регулирования подачи жидкости с запорно-регулирующей арматурой, трубопровод подвода газа с запорно-регулирующей арматурой, связанный с устройством ввода в колонну, установленным в нижней части лифтовой колонны и снабженным сливным патрубком, имеющим запорное устройство, устройство отвода из колонны, установленное в верхней части лифтовой колонны, и измерительную аппаратуру, дополнительно введен энергоблок, предназначенный с помощью турбины обеспечивать всасывание воздуха из атмосферы в лифтовую экспериментальную колонну и выпуск газа в атмосферу по трубопроводу отвода газа, снабженному запорно-регулирующей арматурой, от устройства отвода из колонны. Выход жидкости устройства отвода из колонны через узел подачи и регулирования подачи жидкости связан трубопроводом подачи жидкости с устройством ввода в колонну. Место входа для подачи газа устройства ввода в колонну расположено выше места входа для подачи жидкости. Лифтовая экспериментальная колонна снабжена терморубашкой, в нижней части которой установлен температурный датчик, подключенный к входу блока управления. Выход блока управления предназначен для подачи управляющих воздействий на устройство циркуляции теплоносителя, предназначенного для циркуляции теплоносителя от нагревателя, связанного с верхней частью терморубашки трубопроводом для циркуляции теплоносителя, в нижнюю часть терморубашки..
Воздух, засасываемый из атмосферы в лифтовую колонну, постепенно снижает температуру газожидкостной смеси за счет испарения жидкости, что особенно характерно при более длительной работе стенда (более 10 мин), что негативно отражается на результатах экспериментов. Поэтому для предотвращения снижения температуры вокруг лифтовой колонны размещена терморубашка, позволяющая поддерживать температуру рабочей среды в заданном диапазоне.
Работа стенда для исследования условий газогидродинамических процессов поясняется чертежом.
Стенд для исследования условий газогидродинамических процессов, состоит из:
- лифтовой экспериментальной колонны (1), устанавливаемой в вертикальном или наклонном положении;
- в нижней и верхней частях лифтовой экспериментальной колонны (1) установлены соответственно устройство ввода в колонну (2) газожидкостной смеси (ГЖС) и устройство отвода из колонны (3) смеси;
- трубопровода подвода газа (4) с запорно-регулирующей арматурой;
- трубопровода отвода газа (5) с выпуском в атмосферу с запорно-регулирующей арматурой;
- трубопровода подачи жидкости (6);
- узла подачи и регулирования подачи жидкости (7), работающего по замкнутому циклу, с запорно-регулирующей арматурой;
- сливного патрубка (8) с запорным устройством (9);
- энергоблока (10), предназначенного для засасывания воздуха в лифтовую экспериментальную колонну;
- температурного датчика (11), устанавливаемого в нижней части терморубашки;
- блока управления (12), обеспечивающего регулирование температуры в стенде;
- устройства циркуляции (13) теплоносителя;
- нагревателя (14);
- терморубашки (15);
- трубопровода для циркуляции теплоносителя (16);
- измерительной аппаратуры (расходомеры газа и жидкости, преобразователи разности давлений, датчики давлений, и т.п. (на чертеже не показаны)).
Блок управления (12) выполняет функцию регулятора температуры. Он может быть, например, выполнен на базе двухрежимного ПИД-регулятора с автоматической настройкой, обладающего высокой точностью и удобством в эксплуатации. Блок управления обеспечивает два режима работы с автоматической настройкой: режим с высокой скоростью нарастания переходной характеристики ПИД-регулятора, обеспечивающего быстрое достижение уровня уставки, и режим с медленной скоростью нарастания переходной характеристики для минимизации перерегулирования при некотором увеличении времени нарастания.
Другим примером выполнения блока управления может быть регулятор температуры RT-820M, предназначенный для контроля и поддержания заданного температурного режима путем включения-выключения нагревательной (охлаждающей) установки по сигналам выносного датчика температуры в помещениях.
Устройство циркуляции теплоносителя может быть выполнено на базе насоса или компрессора.
При работе стенд запускают в работу путем включения энергоблока (10). После включения энергоблока воздух засасывается из атмосферы и по трубопроводу подвода газа (4) и поступает через устройство ввода (2) в лифтовую колонну (1). Регулируя мощность энергоблока, можно задавать необходимый расход газа. Величину расхода газа контролируют по показаниям расходомеров. Газ, поступивший в лифтовую экспериментальную колонну (1), поднимается по лифтовой колонне в верхнюю ее часть и через устройство отвода из колонны (3) смеси по трубопроводу отвода газа (5) выбрасывается в атмосферу. Жидкость подают в узел подачи и регулирования подачи жидкости (7), а затем в устройство ввода в колонну (2), в котором жидкость смешивается с газом и ГЖС под действием напора газа поднимается по лифтовой экспериментальной колонне (1). Достигнув верхней ее части, ГЖС в устройстве (3) отвода отделяется и по трубопроводу подачи жидкости (6) поступает в узел подачи и регулирования подачи жидкости (7).
Контроль и поддержание заданной температуры внутри лифтовой экспериментальной колонны (1) происходит в автоматическом режиме посредством измерения температуры датчиком температуры (11) в нижней части терморубашки (15). Измеренные значения передают в блок управления (12). В блоке управления предусмотрена операция сравнения измеренного значения температуры жидкости с температурой, заданной условиями эксперимента. Если по результатам сравнения блок управления (12) выявляет отклонение измеренного значения температуры жидкости от температуры, заданной условиями эксперимента, блок управления (12) вырабатывает управляющее воздействие, предназначенное для подачи на устройство циркуляции теплоносителя (13), которое осуществляет циркуляцию теплоносителя из нагревателя (14) по трубопроводу для циркуляции теплоносителя (16) в нижнюю часть терморубашки (15). При этом теплоноситель через верхнюю часть терморубашки (15) поступает обратно в нагреватель (14). Тем самым, за счет теплообмена между теплоносителем и корпусом лифтовой экспериментальной колонны (1) температура внутри лифтовой экспериментальной колонны (1) поддерживается в заданном диапазоне. В качестве теплоносителя может применяться или воздух, или вода. При достижении температуры жидкости выше заданной на установленную величину блок управления (12) вырабатывает управляющее воздействие, поступающее в устройство циркуляции теплоносителя (13), по которому прекращается циркуляция теплоносителя из нагревателя (14) в терморубашку (15) и обратно. Таким образом, за счет попеременного создания и прекращения циркуляции теплоносителя температура внутри лифтовой экспериментальной колонны (1) поддерживается в заданном диапазоне.
После окончания эксперимента жидкость сливается через сливной патрубок (8) с запорным устройством (9), находящимся в нижней части лифтовой экспериментальной колонны (1).
Во время проведения конкретного эксперимента давления измеряют манометрами или дифференциальными манометрами (на чертеже не показаны) на заданных участках лифтовой экспериментальной колоны (1). Выполнив требуемые измерения, можно изменять технологические параметры режима работы стенда: давление, расходы газа и жидкости или прекратить работу стенда, удалив жидкость из колонны в систему утилизации.
В предлагаемом стенде за счет установленного в верхней части колонны энергоблока воздух подается путем засасывания через нижнюю часть колонны, и выпускается в атмосферу. При этом работа стенда осуществляется не по замкнутому циклу. Блок управления и измерительная аппаратура обеспечивают контроль работы стенда и поддержание заданной температуры внутри лифтовой колонны.