一种用于提高气体管道输送效率的实验系统及方法

摘要

本发明提出了一种用于提高气体管道输送效率的实验系统及方法，借鉴机械传动摩擦学原理，当气体经过具有自激振荡脉冲效应的管道增输装备时，气体在管道内由连续性“滑动摩擦”输送转变为脉冲波动“滚动摩擦”输送，由此可提高气体的管道输送减阻率和增输率，进而提高气体管道输送效率。本发明用于克服现有气体管道减阻增输局限于理论和经验研究的瓶颈，为拓展新型减阻增输理论和减阻增输装备的设计方法等奠定了实验基础，并对降低输送管道建设成本和保障管道运行安全具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明是机械工程技术领域，具体涉及一种用于提高气体管道输送效率的 实验系统及方法。

背景技术

目前，气体运输的主要方式为管道输送，对于提高管道的输气量，常用的 方法均具有建设成本高，施工难，减阻效果不理想等缺点。根据自激振荡脉冲 射流具有较大的变压特性和振荡腔室内特殊的边界条件的特点，在不改变管道 直径的情况下管道增输装备能大大增大输气量，它可广泛用于冶金行业的煤气、 高炉蒸汽、天然气等气体的长距离输运，降低能耗。提高气体管道输送效率是 气体管道输送发展的必然趋势，也是输送管道技术进步的重要标志，它对降低 输送管道建设成本、保障管道运行安全具有重要意义。

名称为“一种天然气管道减阻内涂层检测评价方法及设备”(中国专利号 ZL201310072561.8)专利技术，该技术包括建立一种能够评价在役天然气管道 内减阻涂层服役状况影响因素的方法，使得管道管理者对内涂层的服役性能状 态有更清楚准确的认识，并清楚影响内涂层服役状况的主要影响因素，避免内 壁减阻涂层大效趋势恶化，从而达到延长内壁减阻涂层寿命的效果。“在液体介 质中具有增效、减阻功能的动态耦合仿生功能表面”(专利号ZL201210038948.7) 专利技术，该技术包括一种在液体介质中具有增效、减阻功能的动态耦合仿生 功能表面，该动态耦合仿生功能表面是由软层表面与硬质基底层组成，硬质基 底层加工有仿生非光滑结构，软层表面层是高分子复合弹性膜，利用高分子聚 合物表面的弹性变形以及高分子复合弹性膜表面与基底材料上面的仿生非光滑 形态耦合对液体介质进行动态控制，从而实现了气体机械增效。

虽然上述提供了一种天然气管道减阻内涂层，长输管道减阻增输方法在管 道运行初期减阻率较高、增输效果明显，但持续时间都不长，只能在数天内保 持有效。目前，针对气体管道增输装备减阻增输效率，基本依靠经验和理论研 究，并没有提供有效的实验系统及设计方法。

发明内容

本发明所要解决的技术性问题是提供一种用于提高气体管道输送效率的实 验系统及方法，该系统具有节能环保，建设成本低，施工方便的特点，用于克 服现有管道减阻增输局限于理论和经验研究的瓶颈，为拓展新型减阻增输理论 和减阻增输装备的设计方法等奠定了实验基础，并对降低输送管道建设成本和 保障管道运行安全具有重要意义。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于提高气体管道输送效率的实验系统，空气压缩机(1)与稳压罐(2)左 上端连通，稳压罐(2)右端与进气管道(6)连接，总阀(3)、电磁气动调节阀(4)与流 量计(5)依次安装在进气管道(6)上，所述进气管道(6)的末端安装增输验证实验管 路或减阻验证实验管路；

所述增输验证实验管路包括上路管(61)、下路管(62)、电磁换向阀(9)、 测振仪(7)和增输装备(8)，所述进气管道(6)的末端装有电磁换向阀(9)，电磁换 向阀(9)的出气端分别安装上路管(61)和下路管(62)，所述上路管(61)上安 装流量计，下路管(62)依次安装增输装备(8)和流量计，测振仪(7)与增输装 备(8)连接；

所述减阻验证实验管路包括软管(11)、振动台(10)，所述振动台(10)上的 管道两端分别第一连接软管(11)和第二软管(12)，所述第一连接软管(11)连接 进气管道(6)，所述第二软管(12)连接带有流量计的管道。

优选地，所述的增输装备(8)结构主要包括腔体以及腔体前后两端中心对准 的上游喷嘴和下游喷嘴，所述下游喷嘴四周呈锥形倾斜的防碰撞壁，腔体长L， 腔体直径DT，上游喷嘴直径d1，下游喷嘴直径d2，防碰撞壁的倾斜角度α。

一种用于上述提高气体管道输送效率的实验系统的方法，包括以下步骤：

增输装备对管道输送增输验证实验：

步骤S101：测量常规未安装增输装备管路的相关流量、压力数据，空气压 缩机向管路压入气体，气体经过稳压罐的稳压卸荷作用，确保气体流入总阀为 连续流，通过电磁气动调节阀调节流入换向阀流量大小；

步骤S102：调节换向阀使气体通过上管路，通过流量计分别测量流入换向 阀的起端流量Q₀与起端压力P₀以及经过一段管道后的末端流量Q₁与末端压力P₁；

步骤S103：测量安装增输装备管路的下管路的相关流量、压力数据，保持 其他条件与常规未安装增输装备管路相同；

步骤S104：调节换向阀使气体通过下管路，通过流量计分别测量流入换向 阀以及经过增输装备变流后相同长度管道的末端流量Q_DR与末端压力P_DR，同时 利用测振仪测量增输装备在工作时的振动频率F_DR；

步骤S105：每间隔半小时，重复步骤S101——S104，测量8组数据，并记录；

增输装备对管道壁面振动减阻验证实验：

步骤S201：保持其他条件与常规未安装增输装备管路相同。

步骤S202：调节振动台，使进行振动台模拟与测振仪测量增输装备在工作 时的振动频率F₀相同，通过流量计分别测量变流后相同长度管道的末端流量Q_F与末端压力压力P_F，每间隔半小时，测量8组数据，并记录；

相关计算如下：

(1)增输率的计算公式：

T_I＝[(Q_DR–Q₀)/Q_DR]×100％

T_I：增输率；

Q₀：常规未安装增输装备管路的起端流量；

Q_DR：安装增输装备管路的末端流量。

(2)减阻率的计算公式：

DR＝[(ΔP₀–ΔP_DR)/ΔP₀]×100％

DR：减阻率；

ΔP₀：常规未安装增输装备管路压降损失，ΔP₀＝P₀–P₁，

其中P₀：实验管路起端压力，P₁：实验管路末端压力；

ΔP_DR：安装增输装备管路压降损失，ΔP_DR＝P₀–P_DR，其中P_DR：实验管路 末端压力。

本发明产生的有益效果为：该系统具有节能环保，建设成本低，施工方便 的特点，用于克服现有管道减阻增输局限于理论和经验研究的瓶颈，为拓展新 型减阻增输理论和减阻增输装备的设计方法等奠定了实验基础，并对降低输送 管道建设成本和保障管道运行安全具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为增输装备对管道输送增输验证实验系统图；

图2为增输装备对管道壁面振动减阻验证实验系统图；

图3为图1中增输装备的剖面示意图；

图4为增输装备将滑动摩擦转变为滚动摩擦示意图；

图5为实验系统流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～3所示一种用于提高气体管道输送效率的实验系统，空气压缩机(1) 与稳压罐(2)左上端连通，稳压罐(2)右端与进气管道(6)连接，总阀(3)、电磁气动 调节阀(4)与流量计(5)依次安装在进气管道(6)上，所述进气管道(6)的末端安装增 输验证实验管路或减阻验证实验管路；

所述增输验证实验管路包括上路管(61)、下路管(62)、电磁换向阀(9)、 测振仪(7)和增输装备(8)，所述进气管道(6)的末端装有电磁换向阀(9)，电磁换 向阀(9)的出气端分别安装上路管(61)和下路管(62)，所述上路管(61)上安 装流量计，下路管(62)依次安装增输装备(8)和流量计，测振仪(7)与增输装 备(8)连接；

所述减阻验证实验管路包括软管(11)、振动台(10)，所述振动台(10)上的 管道两端分别第一连接软管(11)和第二软管(12)，所述第一连接软管(11)连接 进气管道(6)，所述第二软管(12)连接带有流量计的管道。

优选地，所述的增输装备(8)结构主要包括腔体以及腔体前后两端中心对准 的上游喷嘴和下游喷嘴，所述下游喷嘴四周呈锥形倾斜的防碰撞壁，腔体长L， 腔体直径DT，上游喷嘴直径d1，下游喷嘴直径d2，防碰撞壁的倾斜角度α。

所述稳压罐(2)用于缓冲空气压缩机(1)产生的压力波动，起到稳压卸荷的作 用，确保气体流入总阀(3)为连续流；所述电磁气动调节阀(4)借助电磁阀附件去 驱动阀门，实现开关量或比例式调节，其特点就是控制简单，反应快速，且本 质安全；所述电磁换向阀(9)利用电磁铁吸力推动阀芯来改变阀的工作位置，保 证流入两端管道气体的压力相同；所述测振仪(7)用于气体通过增输装备(8)时的 振动频率测量，其测量结果用于振动台(10)进行相同振动频率模拟，为增输装备 对管道壁面振动减阻验证实验提供准确数据。

增输装备对气体管道输送主要有两方面作用：1.减阻作用，借鉴机械摩擦 原理，管道内的气体经过增输装备，由连续性流动被转变为脉冲流动进行波动 输送，在此过程中气体与管道壁面的摩擦由连续性流动时的“滑动摩擦”转变 为脉冲波动流动时的“滚动摩擦”，如图4所示，气体与管道壁面的摩擦大大减 小；2.增输作用，管内气体周期性出现的波动犹如气体弹簧一样对中心射流造 成了激励，大幅度的提高了射流的峰值压力，减小了输送过程中压力的损失， 同提高了有用压降，从而达到增输的效果。

如图5所示一种用于上述提高气体管道输送效率的实验系统的方法，包括 以下步骤：

增输装备对管道输送增输验证实验：

步骤S101：测量常规未安装增输装备管路的相关流量、压力数据，空气压 缩机向管路压入气体，气体经过稳压罐的稳压卸荷作用，确保气体流入总阀为 连续流，通过电磁气动调节阀调节流入换向阀流量大小；

步骤S102：调节换向阀使气体通过上管路，通过流量计分别测量流入换向 阀的起端流量Q₀与起端压力P₀以及经过一段管道后的末端流量Q₁与末端压力P₁；

步骤S103：测量安装增输装备管路的下管路的相关流量、压力数据，保持 其他条件与常规未安装增输装备管路相同；

步骤S104：调节换向阀使气体通过下管路，通过流量计分别测量流入换向 阀以及经过增输装备变流后相同长度管道的末端流量Q_DR与末端压力P_DR，同时 利用测振仪测量增输装备在工作时的振动频率F_DR；

步骤S105：每间隔半小时，重复步骤S101——S104，测量8组数据，并记录；

增输装备对管道壁面振动减阻验证实验：

步骤S201：保持其他条件与常规未安装增输装备管路相同。

步骤S202：调节振动台，使进行振动台模拟与测振仪测量增输装备在工作 时的振动频率F₀相同，通过流量计分别测量变流后相同长度管道的末端流量Q_F与末端压力压力P_F，每间隔半小时，测量8组数据，并记录；

相关计算如下：

(1)增输率的计算公式：

T_I＝[(Q_DR–Q₀)/Q_DR]×100％

T_I：增输率；

Q₀：常规未安装增输装备管路的起端流量；

Q_DR：安装增输装备管路的末端流量。

(2)减阻率的计算公式：

DR＝[(ΔP₀–ΔP_DR)/ΔP₀]×100％

DR：减阻率；

ΔP₀：常规未安装增输装备管路压降损失，ΔP₀＝P₀–P₁，

其中P₀：实验管路起端压力，P₁：实验管路末端压力；

ΔP_DR：安装增输装备管路压降损失，ΔP_DR＝P₀–P_DR，其中P_DR：实验管路 末端压力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。