CN104406927A - 一种基于光学的水合物生成监测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学的水合物生成监测系统，包括示踪气注入单元、水合物生成监测单元、分析单元、温压检测单元、采集单元、数据处理单元，所述水合物生成监测单元包括激光发射器、设置于反应器单元内的透气性气室，所述气室内包括用于气体吸收激光的怀特池、用于将射入气室内的激光准直和耦合的第一自聚焦透镜和用于将怀特池内反射的激光进行准直和耦合后射出气室内的第二自聚焦透镜。本发明还提供了一种基于光学的水合物生成监测方法。本发明通过向反应器单元中通入一定量易生成水合物的示踪气，然后检测反应器单元中反应前后示踪气浓度的变化，并结合温度压力的变化，以此来判断反应器单元中是否生成了水合物，监测的结果更可靠，精度更高。

Description

一种基于光学的水合物生成监测方法和系统

技术领域

本发明涉及一种利用示踪气体监测水合物生成，具体涉及到一种基于光学的水合物生成监测方法和系统。

背景技术

在石油天然气工业中，对于天然气水合物的研究具有现实意义。从气井采出的天然气经过节流阀节流降压降温后，在长距离输气管道和油田集气管网中，二氧化碳、硫化氢等气体及低分子量烃类可以在一定的温度和压力条件下会形成水合物，从而堵塞设备和输气管路，不仅会对生产的顺利进行造成影响，还会造成安全事故。因此，为防止天然气输送管道因形成水合物而堵塞所造成的经济损失，有必要对水合物生成的监测方法进行研究。

天然气水合物生成的监测主要有两类，一类通过监测系统的温度、压力，示样的粘度、电导率、导热系数以及扭矩仪等参数的变化，即是监测实验装置的各种参数的变化情况来确定水合物的生成点；另一类是利用可视观察的方法，即用监视器、摄像机等记录，从而来确定水合物的形成点。

目前常用的监测水合物生成方法主要是集中在对动态和静态实验装置中水合物的研究上，由于静态实验装置结构简单、操作方便、成本较低，因此被天然气水合物研究机构广泛使用。赵建奎等人应用RUSKA落球式高压粘度测试装置测试了水合物生成前后的粘度变化，但误差的不确定性也较多。周熙堂等人测量了水合物生成前后局部的电阻变化，但系统中不同的部分的电阻变化具有差异性。这些虽然能为监测水合物生成提供一定的参考性，但是还是不可靠，不充分。

在一定条件下，相比其他水合物气体，示踪气是一种极易生成水合物的客体，基于此，设计了一种早期监测水合物的方法，即将示踪气体SF6(六氟化硫)气体充入到体系中，监测体系中示踪气体浓度的变化，并结合体系温度压力的变化，从而达到监测水合物生成的目的。

目前SF6气体的检测技术主要有电化学法、电子捕获法、声学法、示踪法，光学法等方法。

电化学法是利用SF6与催化剂在200℃左右的高温下发生化学反应，从而引起电信号的改变，电化学传感器通过感应电流的变化来检测气体的浓度。电化学传感器的主要优点是气体的高灵敏度以及良好的选择性，不足之处是灵敏度愈高，漂移愈大，衰减愈快。紫外电子捕获法是利用SF6气体分子可捕获自由运动的电子的特性来测量SF6气体的浓度，这种方法灵敏度高，但是测量设备体积大，不适合大面积在线监测。声学法是利用声波在SF6气体中传播的速度比其在大气中的传播速度慢的特点进行检测，其检测的灵敏度低，不适合大面积在线监测。示踪法是利用SF6气体吸附特性，在SF6气体中加入某种物质，SF6分子会对这种物质产生吸附，相当于给SF6做了一个记号，再通过检测这种物质的量，间接测量SF6气体浓度，这种方法精度非常高，缺点是需要辅助气体，造价成本高。光学法是利用朗伯比尔定律，即对待测气体的某条特定的吸收光谱进行测量，可排除其他气体对待测气体浓度的快速在线监测。但是往往设计的气体吸收光程太小，灵敏度很低，即使吸收光程提高，导致检测设备体积过大，造价成本高。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种基于光学的水合物生成监测方法和系统。将示踪气通入反应器单元，激光入射到含有示踪气的气室，分析单元对穿过气室后的激光进行检测来监测示踪气浓度的变化，同时监测反应器单元中的温压的变化，以此来判断水合物是否生成，激光在怀特池内来回反射，增加了示踪气的吸收光程，既提高了装置的灵敏度，又缩小了气室的体积。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案实现：

一种基于光学的水合物生成监测系统，包括向反应器单元中注入示踪气的示踪气注入单元、用于向反应器单元内输入并输出激光以跟踪反应器单元中示踪气体浓度变化的水合物生成监测单元、用于检测水合物生成监测单元射出激光强度的分析单元、用于检测反应器单元内温度和压力变化的温压检测单元、用于采集温压检测单元及分析单元数据的采集单元、用于处理采集单元所采集数据从而判断其中是否有水合物的生成的数据处理单元，所述水合物生成监测单元包括激光发射器、设置于反应器单元内的透气性气室，所述气室内包括用于气体吸收激光的怀特池、用于将射入气室内的激光准直和耦合的第一自聚焦透镜和用于将怀特池内反射的激光进行准直和耦合后射出气室内的第二自聚焦透镜，所述怀特池包括固定于气室内壁一侧的第三凹透镜，所述气室内壁另一侧由上而下设置有可调节角度的第一凹透镜和第二凹透镜，所述第一凹透镜和第二凹透镜、第三凹透镜的曲率半径相同，所述第三凹透镜的曲率中心在第一凹透镜和第二凹透镜反射表面的对称中心点，第一凹透镜和第二凹透镜的曲率中心在第三凹透镜的反射表面上，所述第一自聚焦透镜通过入射光纤连接激光发射器，所述第二自聚焦透镜通过出射光纤连接分析单元，通过调节第一凹透镜和第二凹透镜的角度，调节激光在怀特池各凹透镜之间反射的次数，减少了气室体积，提高了气体检测精度。

进一步地，所述气室顶部和底部相互错开地设置有透气孔，所述透气孔处设置有由聚四氟乙烯经过膨化拉伸而成的微孔薄膜。

进一步地，所述第一凹透镜和第二凹透镜、第三凹透镜反射面涂有保证激光反射效率的银反射层。

进一步地，所述激光发射器发射的激光波长为1055nm。

进一步地，还包括与激光发射器电路连接的电流控制器和温度控制器，所述温度控制器用于控制和稳定激光发射装置温度，保证激光稳定的输出；所述电流控制器用于控制激光发射装置中的电流，稳定激光发射装置的输出功率，保证激光稳定的输出。

进一步地，所述示踪气包括SF6，H2S、CCl2F2。这些示踪气能最先生成水合物，从而可以达到通过其浓度变化判断水合物生成的目的。

一种基于所述系统的水合物生成监测方法，包括步骤：

通过示踪气注入单元将示踪气注入到反应器单元内；

激光发射器发出一定频率的激光经入射光纤和第一自聚焦透镜入射到气室内，在气室中由各凹透镜反射后经第二自聚焦透镜耦合后通过出射光纤射出；

分析单元对出射光纤中的激光进行检测，分析出射激光的强度；

采集单元采集出射激光的强度数据及温压检测单元的温度和压力数据发送至数据处理单元；

数据处理单元对比反应器单元内反应前后检测到的激光强度和温度压力值，若有变化，则表示水合物开始形成，反之，则没有水合物形成。

进一步地，将示踪气注入到反应器单元内之前，还包括步骤：

调节第一凹透镜和第二凹透镜角度，使激光在各凹透镜之间达到预定的反射次数，即获得预定的光程。

进一步地，所述激光发射器发射的激光波长为1055nm。

进一步地，所述示踪气包括SF6，H2S、CCl2F2。

本发明与现有监测水合物的技术相比，具有以下优点：

(1)与现有大部分靠直接监测水合物生成而影响体系的各种物理化学参数变化不同的是，本发明是监测易生成水合物的气体浓度变化，提供了一种新颖的监测水合物形成的方法。

(2)传统的监测水合物生成的方法是单从系统温度或压力分别随时间上的变化图上作出判断，而实验装置的泄露亦能导致压力的降低，从而会造成错误的判断。本发明采用监测系统中示踪气体浓度的变化，同时结合体系温度和压力的变化，作出的判断更加可靠。

(3)本发明采用了怀特池增加了气体的吸收光程，不仅提高了测量精度，还减小了气室体积，节约了成本。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图。

图2是本发明实施例的水合物监测单元结构示意图；

图3是本发明实施例的气室俯视示意图。

图4是本发明实施例的气室仰视示意图。

图5是激光在第三凹透镜上反射点示意图。

图中：1-第一自聚焦透镜；2-气室；3-第一凹透镜；4-第二凹透镜；5-第三凹透镜；6-第二自聚焦透镜；7-透气孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

实施例一

如图1和图2所示，一种基于光学的水合物生成监测系统，包括向反应器单元中注入示踪气的示踪气注入单元、用于向反应器单元内输入并输出激光以跟踪反应器单元中示踪气体浓度变化的水合物生成监测单元、用于检测水合物生成监测单元射出激光强度的分析单元、用于检测反应器单元内温度和压力的温压检测单元、用于采集温压检测单元及分析单元数据的采集单元、用于处理采集单元所采集数据从而判断其中是否有水合物的生成的数据处理单元，所述水合物生成监测单元包括激光发射器、设置于反应器单元内的透气性气室2，所述气室2内包括用于气体吸收激光的怀特池、用于将射入气室2内的激光准直和耦合的第一自聚焦透镜1和用于将怀特池内反射的激光进行准直和耦合后射出气室2内的第二自聚焦透镜6，所述怀特池包括固定于气室2内壁一侧的第三凹透镜5，所述气室2内壁另一侧由上而下设置有可调节角度的第一凹透镜3和第二凹透镜4，所述第一凹透镜3和第二凹透镜4、第三凹透镜5的曲率半径相同，所述第三凹透镜5的曲率中心在第一凹透镜3和第二凹透镜4反射表面的对称中心点，第一凹透镜3和第二凹透镜4的曲率中心在第三凹透镜5的反射表面上，所述第一自聚焦透镜1通过入射光纤连接激光发射器，所述第二自聚焦透镜6通过出射光纤连接分析单元，光纤是理想的激光传输介质之一，激光在光纤中传输，光纤对激光的损耗小，色散低。

如图3、图4所示，所述气室2顶部和底部相互错开地设置有透气孔7，所述透气孔7处设置有由聚四氟乙烯经过膨化拉伸而成的微孔薄膜。

所述气室2为监测水合物生成的核心部分，附图2为气室的示意图，气室外部由上、下两部分构成，便于安装和拆卸。上、下部分别开有透气孔7，透气孔7处固定有微孔薄膜，微孔薄膜由聚四氟乙烯经过膨化拉伸而成的，其中微孔的孔径大于水蒸气的孔径而小于水珠的直径，所以气态分子，包括SF₆气体能顺利穿过这个材料，而液态物质就会被阻拦，从而达到防水透气的效果，同时微孔通道在膜内结成网状立体结构，均匀密集的微孔分布，阻碍灰尘进入气室。

所述第一凹透镜3和第二凹透镜4、第三凹透镜5反射面涂有保证激光反射效率的银反射层。

还包括与激光发射器电路连接的电流控制器和温度控制器，所述温度控制器用于控制和稳定激光发射装置温度，保证激光稳定的输出；所述电流控制器用于控制激光发射装置中的电流，稳定激光发射装置的输出功率，保证激光稳定的输出。

所述示踪气包括SF₆，H₂S、CCl₂F₂，本实施例采用SF₆，所述激光发射器发射的激光波长为1055nm，因注入的示踪气为SF6，SF6吸收的特定激光波长为1055nm，这样设计对气体的吸收具有选择性，即只反映示踪气吸收前后浓度的变化，而示踪气又最先生成水合物，从而可以达到判断水合物生成的目的。

怀特池如附图2所示，由三块曲率半径相同的球型凹透镜组成：第一凹透镜3和第二凹透镜4、第三凹透镜5，第三凹透镜5的曲率中心在第一凹透镜3和第二凹透镜4表面的中心点O，第一凹透镜3和第二凹透镜4的曲率中心在第三凹透镜5表面。即透镜之间的距离等于球型凹透镜的曲率半径，这种设计使得从第一凹透镜3上任意点发出的所有光都会被第三凹透镜5集聚到第二凹透镜4上相应的共轭点，从第二凹透镜4上该点发出的所有光也会被第一凹透镜3集聚回第三凹透镜5上初始的点。相似地，从第三凹透镜5上任意点发出的射向第一凹透镜3或第二凹透镜4的所有光亦会被集聚到第三凹透镜5上另外一点，该点偏离初始点。三个凹面镜的设置使得光能在怀特池之间多次反射，增加吸收光程，提高检测精度。

实施例二

一种基于所述系统的水合物生成监测方法，包括步骤：

通过示踪气注入单元将示踪气注入到反应器单元内；

激光发射器发出一定频率的激光经入射光纤和第一自聚焦透镜1入射到气室2内，在气室2中由各凹透镜反射后经第二自聚焦透镜6耦合后通过出射光纤射出；

分析单元对出射光纤中的激光进行检测，分析出射激光的强度；

采集单元采集出射激光的强度数据及温压检测单元的温度和压力数据发送至数据处理单元；

数据处理单元对比反应器单元内反应前后检测到的激光强度和温度压力值，若有变化，则表示水合物开始形成，反之，则没有水合物形成。

将示踪气注入到反应器单元内之前，还包括步骤：

调节第一凹透镜3和第二凹透镜4角度，使激光在各凹透镜之间达到预定的反射次数，即获得预定的光程。

所述示踪气包括SF₆，H₂S、CCl₂F₂，还可以使用其他气体，只要该气体能满足在相同条件下，能最先生成水合物的条件，本实施例采用SF₆，同时所述激光发射器发射的激光波长为1055nm，以便SF₆充分吸收。

气室2作为检测气体浓度最核心的部分是基于朗伯比尔定律，即利用气体对特定频率的光吸收后所引起的光强的变化来反演气体的浓度，可表示为：

$C=-\frac{1}{\mathrm{KL}}\ln \frac{I}{I_0}$

式中：I——待测气体吸收后的光强度；

I₀——待测气体吸收前的光强度；

K——待测气体对特定波长光的吸收系数；

C——待测气体的浓度；

L——待测气体吸收光程；

由上式可知对于同一台设备测某种气体的检出限时，气体浓度与吸收光程呈反比。本发明当中要求加入示踪气不能改变反应的体系状态，所以加入示踪气的量不会很多，因此采用怀特池来增加吸收光程，提高气体检测精度。

激光在透镜第三凹透镜5上的反射点如附图5所示，数字对应着光点在第三凹透镜5上的出现顺序，第三凹透镜5设计成如图5形状是为了更有利于激光的出射和接收，保证光点不会落在边界上。入射点最开始是在第三凹透镜5的镜面两端，在反射的过程中，反射点逐渐向镜面中心靠拢，然后向两侧扩散，最终从侧面射出。各凹透镜上涂有银反射层，保证光的高效反射，降低由于凹透镜对于光强吸收的损失。激光在怀特池中的反射次数由第一凹透镜3和第二凹透镜4来调节，只要第三凹透镜5足够大，可以通过调节第一凹透镜3和第二凹透镜4，使得光不溢出第三凹透镜5，就可以无限增加吸收光程，无限提高检测精度，但分析单元分析到的出射光的强度不能太小，导致吸收光程不能无限增加。设计该气室2时，调节第一凹透镜3和第二凹透镜4的角度然后固定，使得反射到第三凹透镜5上的光点1和2尽量靠近第三凹透镜5的边缘，尽可能的提高激光的反射次数，增加气体吸收光程，同时保证出射激光能被分析单元监测到且在分析单元的检测的强度范围。当体系反应前后分析单元检测到的激光强度和温压检测单元中温度压力有变化时，意味着水合物开始形成；反之，则没有水合物形成。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光学的水合物生成监测系统，包括向反应器单元中注入示踪气的示踪气注入单元、用于向反应器单元内输入并输出激光以跟踪反应器单元中示踪气体浓度变化的水合物生成监测单元、用于检测水合物生成监测单元射出激光强度的分析单元、用于检测反应器单元内温度和压力变化的温压检测单元、用于采集温压检测单元及分析单元数据的采集单元、用于处理采集单元所采集数据从而判断其中是否有水合物的生成的数据处理单元，其特征在于： 

所述水合物生成监测单元包括激光发射器、设置于反应器单元内的透气性气室(2)，所述气室(2)内包括用于气体吸收激光的怀特池、用于将射入气室(2)内的激光准直和耦合的第一自聚焦透镜(1)和用于将怀特池内反射的激光进行准直和耦合后射出气室(2)内的第二自聚焦透镜(6)，所述怀特池包括固定于气室(2)内壁一侧的第三凹透镜(5)，所述气室(2)内壁另一侧由上而下设置有可调节角度的第一凹透镜(3)和第二凹透镜(4)，所述第一凹透镜(3)和第二凹透镜(4)、第三凹透镜(5)的曲率半径相同，所述第三凹透镜(5)的曲率中心在第一凹透镜(3)和第二凹透镜(4)反射表面的对称中心点，第一凹透镜(3)和第二凹透镜(4)的曲率中心在第三凹透镜(5)的反射表面上，所述第一自聚焦透镜(1)通过入射光纤连接激光发射器，所述第二自聚焦透镜(6)通过出射光纤连接分析单元。 

2.根据权利要求1所述的基于光学的水合物生成监测系统，其特征在于：所述气室(2)顶部和底部相互错开地设置有透气孔(7)，所述透气孔(7)处设置有由聚四氟乙烯经过膨化拉伸而成的微孔薄膜。 

3.根据权利要求1所述的基于光学的水合物生成监测系统，其特征在于：所述第一凹透镜(3)和第二凹透镜(4)、第三凹透镜(5)反射面涂有保证激光反射效率的银反射层。 

4.根据权利要求1所述的基于光学的水合物生成监测系统，其特征在于：所述激光发射器发射的激光波长为1055nm。 

5.根据权利要求1所述的基于光学的水合物生成监测系统，其特征在于：还包括与激光发射器电路连接的电流控制器和温度控制器，所述温度控制器用于控制和稳定激光发射装置温度；所述电流控制器用于控制激光发射装置中的电流，稳定激光发射装置的输出功率。 

6.根据权利要求1所述的基于光学的水合物生成监测系统，其特征在于：所述示踪气包括SF₆、H₂S、CCl₂F₂。 

7.一种基于权1至6任一项所述的系统的水合物生成监测方法，其特征在于，包括步骤： 

通过示踪气注入单元将示踪气注入到反应器单元内； 

激光发射器发出一定频率的激光经入射光纤和第一自聚焦透镜(1)入射到气室(2)内，在气室(2)中由各凹透镜反射后经第二自聚焦透镜(6)耦合后通过出射光纤射出； 

分析单元对出射光纤中的激光进行检测，分析出射激光的强度； 

采集单元采集出射激光的强度数据及温压检测单元的温度和压力数据发送至数据处理单元； 

数据处理单元对比反应器单元内反应前后检测到的激光强度和温度压力值，若有变化，则表示水合物开始形成，反之，则没有水合物形成。 

8.根据权利要求7所述的水合物生成监测方法，其特征在于，将示踪气注入到反应器单元内之前，还包括步骤： 

调节第一凹透镜(3)和第二凹透镜(4)角度，使激光在各凹透镜之间达到预定的反射次数，即获得预定的光程。 

9.根据权利要求8所述的水合物生成监测方法，其特征在于：所述激光发射器发射的激光波长为1055nm。 

10.根据权利要求8所述的水合物生成监测方法，其特征在于：所述示踪气包括SF₆，H₂S、CCl₂F₂。