CN104634931A - 天然气水合物实验回路装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种试验装置，具体为天然气水合物实验回路装置，包括反应釜、气瓶、水箱和稳压器，气瓶通过压缩机与反应釜底部气相入口连接，气瓶还与稳压器连接，稳压器的气体出口与反应釜底部气相入口连接，水箱分别与稳压器和反应釜的液相入口连接；反应釜的气相入口与反应釜顶部气相出口通过循环管路连通，反应釜的液相出口依次与循环泵、水平段可视窗和竖直段可视窗连接，再回到反应釜底部液相入口；所述的循环泵出口还与反应釜的气相循环入口连接。本发明提供的天然气水合物实验回路装置，可用于天然气水合物的合成、分解及相平衡研究、海洋天然气水合物固态流化开采管输特性研究、天然气水合物储运技术研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种试验装置，具体为天然气水合物实验回路装置。
背景技术
天然气水合物是一种非化学计量的超分子笼状化合物，lm3水合物可储存150～180m3的天然气，天然气水合物是自然界中天然气存在的一种特殊形式，具有分布范围广、成藏规模大、储能密度高的特点，被公认为21世纪重要的替代能源。根据最新的研究成果，隐藏在天然气水合物中的碳储量相当可观，其数量是目前已经勘探出的所有化石燃料中碳储量的两倍之多。作为一种高效绿色的新能源，天然气水合物被誉为“后石油时代”最有希望的战略资源，受到国内外的普遍关注。研究天然气水合物在管道中的流动和传热特性，对海洋天然气水合物的开采具有战略意义。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种天然气水合物实验回路装置，对天然气水合物的生成及其在管道中的流动和传热进行研究，探索大规模天然气水合物储运设计方案，从而推进其工业化进程。具体技术方案为：
天然气水合物实验回路装置，包括反应釜、气瓶、水箱和稳压器，所述的反应釜包括制冷系统，所述的反应釜底部的有气相入口和液相入口，反应釜顶部有气相出口、液相出口和气相循环入口；所述的气瓶通过压缩机与反应釜底部气相入口连接，气瓶还与稳压器连接，稳压器的气体出口与反应釜底部气相入口连接，所述的稳压器安装有真空泵和安全阀；所述的水箱分别与稳压器和反应釜的液相入口连接；所述的反应釜底部的气相入口与反应釜顶部气相出口通过循环管路连通，所述的反应釜的液相出口依次与循环泵、水平段可视窗和竖直段可视窗连接，再回到反应釜底部液相入口；所述的循环泵出口还与反应釜的气相循环入口连接。
具体的进一步优化设计为：
天然气水合物实验回路装置，包括反应釜、气瓶、水箱和稳压器，所述的反应釜包括制冷系统，所述的反应釜底部的有气相入口和液相入口，反应釜顶部有气相出口、液相出口和气相循环入口；所述的气瓶连接截止阀V-01，再依次连接压力指示器P-01、温度指示器T-01、截止阀V-02和排空阀V-03，所述的排空阀V-03依次与压力指示器P-02、温度指示器T-02、压缩机、压力指示器P-12、温度指示器T-12、调节阀V-13、流量计F-04、反应釜气相入口连接；所述的反应釜的气相出口与排空阀V-03、压力指示器P-02三通连接，所述的反应釜的气相出口还依次通过流量计F-03、调节阀V-10、调节阀V-13、流量计F-04、反应釜气相入口形成循环管路；
所述的气瓶的截止阀V-01还通过截止阀V-08与稳压器连接；所述的稳压器通过截止阀V-11和压力指示器P-14与真空泵连接；所述的水箱连接截止阀V-14和柱塞泵，柱塞泵通过压力指示器P-15和截止阀V-15与稳压器连接；所述的柱塞泵还通过截止阀V-17与反应釜的液相入口连接；所述的稳压器还包括排水阀V-16和安全阀V-09、压力指示器P-13、温度指示器T-13；所述的稳压器还通过截止阀V-12与温度指示器T-12三通连接后，再与调节阀V-10、调节阀V-13三通连接；
所述的反应釜的液相出口依次通过压力指示器P-03、温度指示器T-03、流量计F-01与循环泵连接，所述的循环泵通过调节阀V-04与反应釜的气相循环入口连接；所述的循环泵还通过调节阀V-05依次与压力指示器P-04、温度指示器T-04、水平段可视窗、压力指示器P-05、温度指示器T-05、压力指示器P-06、温度指示器T-06、竖直段可视窗、压力指示器P-07、温度指示器T-07、排空阀V-06、安全阀V-07、压力指示器P-08、温度指示器T-08、压力指示器P-09、温度指示器T-09、压力指示器P-10、温度指示器T-10、流量计F-02、压力指示器P-11、温度指示器T-11连接，再与液相入口连接。
本发明提供的天然气水合物实验回路装置，可用于以下研究：
(1)天然气水合物的合成、分解及相平衡研究
天然气水合物在高压、低温条件下合成，本实验回路的温度和压力可控，满足天然气水合物合成条件，故在反应釜中可研究其合成。天然气水合物升温、降压后会分解，合成水合物后，将回路升温、降压，可研究其分解。测得天然气水合物合成和分解时的压力及温度，即可研究其相平衡特性。
(2)海洋天然气水合物固态流化开采管输特性研究
天然气水合物在反应釜中合成后，利用循环泵使其在实验回路中循环流动，便可研究海洋天然气水合物固态流化开采管输特性；水平管和垂直管设有可视窗，可观测流型。
(3)天然气水合物储运技术研究
天然气在回路中循环，当回路中的湿度、温度及压力满足一定条件时，即模拟天然气管输，研究抑制天然气水合物合成技术。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
结合附图说明本发明具体实施方式。
如图1所示，天然气水合物实验回路装置，包括反应釜1、气瓶2、水箱4和稳压器3，所述的反应釜1包括制冷系统，所述的反应釜1底部的有气相入口11和液相入口12，反应釜1顶部有气相出口13、液相出口14和气相循环入口15；所述的气瓶2连接截止阀V-01，再依次连接压力指示器P-01、温度指示器T-01、截止阀V-02和排空阀V-03，所述的排空阀V-03依次与压力指示器P-02、温度指示器T-02、压缩机10、压力指示器P-12、温度指示器T-12、调节阀V-13、流量计F-04、反应釜1气相入口11连接；所述的反应釜1的气相出口13与排空阀V-03、压力指示器P-02三通连接，所述的反应釜1的气相出口13还依次通过流量计F-03、调节阀V-10、调节阀V-13、流量计F-04、反应釜1气相入口11形成循环管路；
所述的气瓶2的截止阀V-01还通过截止阀V-08与稳压器3连接；所述的稳压器3通过截止阀V-11和压力指示器P-14与真空泵8连接；所述的水箱4连接截止阀V-14和柱塞泵9，柱塞泵9通过压力指示器P-15和截止阀V-15与稳压器3连接；所述的柱塞泵9还通过截止阀V-17与反应釜1的液相入口12连接；所述的稳压器3还包括排水阀V-16和安全阀V-09、压力指示器P-13、温度指示器T-13；所述的稳压器3还通过截止阀V-12与温度指示器T-12三通连接后，再与调节阀V-10、调节阀V-13三通连接；
所述的反应釜1的液相出口14依次通过压力指示器P-03、温度指示器T-03、流量计F-01与循环泵5连接，所述的循环泵5通过调节阀V-04与反应釜1的气相循环入口15连接；所述的循环泵5还通过调节阀V-05依次与压力指示器P-04、温度指示器T-04、水平段可视窗6、压力指示器P-05、温度指示器T-05、压力指示器P-06、温度指示器T-06、竖直段可视窗7、压力指示器P-07、温度指示器T-07、排空阀V-06、安全阀V-07、压力指示器P-08、温度指示器T-08、压力指示器P-09、温度指示器T-09、压力指示器P-10、温度指示器T-10、流量计F-02、压力指示器P-11、温度指示器T-11连接，再与液相入口12连接。
具体的操作方式为：
(1)减少实验系统中空气量作业：
关闭排空阀V-03、排空阀V-06、排水阀V-16、水箱4与回路连接的截止阀V-14及气瓶2与截止阀V-01，打开除此之外的所有阀门。然后启动真空泵8，向回路系统抽真空，同时观测压力指示器P-14读数，当表压力达到一定值时，关闭真空泵8与截止阀V-11。最后打开气瓶2与截止阀V-01，向回路系统充气，充气完成后关闭气瓶2与回路连接的截止阀V-01，并重复此过程，这样可减少回路中的空气量。
(2)从气瓶向反应釜内充气作业：
打开截止阀V-01、截止阀V-02、调节阀V-13，其他所有阀门默认关闭，以实现向回路系统充气的目的；从气瓶2中出来的气体经截止阀V-02到压缩机8进行压缩，压缩后的气体再经调节阀V-13进入反应釜1；压力指示器P-01、温度指示器T-01显示回路中的表压力和温度，而流量计F-04检测进入反应釜1的气体流量值。当充气完成后，关闭截止阀V-01、截止阀V-02。
如果充气回路中的气体压力过高，则应降低充气回路的压力，需关闭截止阀V-01，打开截止阀V-08、截止阀V-11，并打开真空泵8，将稳压器3中的气体缓慢抽出，使充气回路中的压力逐渐降低，当达到试验压力要求，应先关闭截止阀V-08、截止阀V-11，然后关闭真空泵8，压力指示器P-14显示真空泵8的压力值，压力指示器P-13、温度指示器T-13显示稳压器3的压力值和温度，稳压器3上安装的安全阀V-09起过载保护的作用；同时，当稳压器3中的水太多时，则通过排水阀V-16将稳压器3内过量的水排出，也能达到降低充气回路的压力的目的。
如果充气回路中的气体压力过低，气瓶2压力低于实验要求压力，为稳定充气回路中的压力，则首先打开截止阀V-08、截止阀V-14、截止阀V-15，然后打开柱塞泵9，使水箱4中的水进入稳压器3，利用气体的可压缩性，随着充气回路中的气体被压缩，回路中的压力值不断增大，当达到试验压力要求时，依次关闭截止阀V-08、截止阀V-15、柱塞泵9、截止阀V-14，压力指示器P-15显示柱塞泵9的压力值，压力指示器P-13、温度指示器T-13显示稳压器3的压力值和温度。
(3)从水箱向反应釜内注水作业：
打开截止阀V-14、截止阀V-17，其他所有阀门默认关闭，然后打开柱塞泵9，将水箱4中的水注入反应釜1；当注水完成后，依次关闭截止阀V-17、柱塞泵9、截止阀V-14，压力指示器P-11、温度指示器T-11显示进入反应釜1的水的压力和温度。
(4)气循环回路作业：
该循环回路系统主要由压力指示器P-02、温度指示器T-02、压缩机10、压力指示器P-02、温度指示器T-02、调节阀V-10、调节阀V-13、流量计F-03、流量计F-04及反应釜1组成；启动压缩机10，通过调节调节阀V-10、调节阀V-13的开度，实现对进入反应釜1的气体流量的控制，流量计F-04检测进入反应釜1的气体流量值；反应釜1中没有反应的气体从反应釜1的顶部气相出口13出来再次进入气循环回路，压力指示器P-02、温度指示器T-02、压力指示器P-03、温度指示器T-03分别显示压缩机10压缩气体前后的表压力和温度，流量计F-03检测经过调节阀V-10的气体流量。
如果气循环回路中的气体压力过高，则应降低回路的压力，需关闭截止阀V-08，并打开截止阀V-11、截止阀V-12，然后打开真空泵8，将稳压器3中的气体缓慢抽出，气循环回路中的压力逐渐降低，当达到试验压力要求，应先关闭截止阀V-11、截止阀V-12，然后关闭真空泵8，压力指示器P-14显示真空泵8的压力值，压力指示器P-13、温度指示器T-13显示稳压器3的压力值和温度；同时，当稳压器3中的水太多时，则通过排水阀V-16将稳压器3内过量的水排出，也能达到降低充气回路的压力的目的。
如果气循环回路中的气体压力过低，为稳定回路中的压力，则关闭截止阀V-08，并打开截止阀V-12、截止阀V-14、截止阀V-15，关闭截止阀V-17，然后打开柱塞泵9，使水箱中的水进入稳压器3，利用气体的可压缩性，随着气循环回路中的气体进一步被压缩，回路中的压力值不断增大，当达到试验压力要求时，依次关闭截止阀V-12、截止阀V-15、柱塞泵9、截止阀V-14，压力指示器P-15显示柱塞泵9的压力值，压力指示器P-13、温度指示器T-13显示稳压器3的压力值和温度。
(5)水循环回路作业：
该循环回路系统主要由压力指示器P-03、温度指示器T-03、流量计F-01、循环泵5、调节阀V-04及反应釜1组成；启动循环泵5，通过调节调节阀V-04、调节阀V-05开度，实现对进入反应釜1的水流量的控制，反应釜1中的部分水在循环泵5的作用下将其抽出，进入水循环回路，流量计F-01检测进入水循环回路水的流量，水循环回路中的水再经调节阀V-04并以喷淋的方式进入反应釜中，以实现水与气体的充分接触；压力指示器P-03、温度指示器T-03显示进入水循环回路的水的压力值和温度
(6)向回路系统补水作业：
打开截止阀V-14和截止阀V-17，启动柱塞泵9，向回路补水，通过观测反应釜1中的液位判断水量是否满足实验需求。补水完成后，关闭柱塞泵9并关闭截止阀V-14、截止阀V-17。
(7)反应釜降温作业：
反应釜1制冷系统包括低温水浴和反应釜1外壁的制冷铜管，通过水浴及制冷铜管共同实现对反应釜1降温。
(8)水合物管输特性研究
该多相流回路管段主要设有水平段可视窗6和竖直段可视窗7、调节阀V-05、排空阀V-06、安全阀V-07、压力指示器P-04、温度指示器T-04、压力指示器P-05、温度指示器T-05、压力指示器P-06、温度指示器T-06、压力指示器P-07、温度指示器T-07、压力指示器P-08、温度指示器T-08、压力指示器P-09、温度指示器T-09、压力指示器P-10、温度指示器T-10、流量计F-02、压力指示器P-11、温度指示器T-11组成。
在调节阀V-04、调节阀V-05的共同作用下，实现对进入多相流回路管段的多相流体流量的控制；
水平段可视窗6和竖直段可视窗7可以观察多相流在不同流动状态下的流动状态；压力、压差及温度测点，可通过测量各管段阻力特性来判断生成情况；
该多相流回路管段安装有安全阀V-07，达到过载保护的作用。
Claims (2)
1.天然气水合物实验回路装置，其特征在于：包括反应釜(1)、气瓶(2)、水箱(4)和稳压器(3)，所述的反应釜(1)包括制冷系统，所述的反应釜(1)底部的有气相入口(11)和液相入口(12)，反应釜(1)顶部有气相出口(13)、液相出口(14)和气相循环入口(15)；所述的气瓶(2)通过压缩机(10)与反应釜(1)底部气相入口(11)连接，气瓶(2)还与稳压器(3)连接，稳压器(3)的气体出口与反应釜(1)底部气相入口(11)连接，所述的稳压器(3)安装有真空泵(8)；所述的水箱(4)分别与稳压器(3)和反应釜(1)的液相入口(12)连接；所述的反应釜(1)底部的气相入口(11)与反应釜(1)顶部气相出口(13)通过循环管路连通，所述的反应釜(1)的液相出口(14)依次与循环泵(5)、水平段可视窗(6)和竖直段可视窗(7)连接，再回到反应釜(1)底部液相入口(14)；所述的循环泵(5)出口还与反应釜(1)的气相循环入口(11)连接。
2.根据权利要求1所述的天然气水合物实验回路装置，其特征在于：所述的气瓶(2)连接截止阀V-01，再依次连接压力指示器P-01、温度指示器T-01、截止阀V-02和排空阀V-03，所述的排空阀V-03依次与压力指示器P-02、温度指示器T-02、压缩机(10)、压力指示器P-12、温度指示器T-12、调节阀V-13、流量计F-04、反应釜(1)气相入口(11)连接；所述的反应釜(1)的气相出口(13)与排空阀V-03、压力指示器P-02三通连接，所述的反应釜(1)的气相出口(13)还依次通过流量计F-03、调节阀V-10、调节阀V-13、流量计F-04、反应釜(1)气相入口(11)形成循环管路；
所述的气瓶(2)的截止阀V-01还通过截止阀V-08与稳压器(3)连接；所述的稳压器(3)通过截止阀V-11和压力指示器P-14与真空泵(8)连接；所述的水箱(4)连接截止阀V-14和柱塞泵(9)，柱塞泵(9)通过压力指示器P-15和截止阀V-15与稳压器(3)连接；所述的柱塞泵(9)还通过截止阀V-17与反应釜(1)的液相入口(12)连接；所述的稳压器(3)还包括排水阀V-16和安全阀V-09、压力指示器P-13、温度指示器T-13；所述的稳压器(3)还通过截止阀V-12与温度指示器T-12三通连接后，再与调节阀V-10、调节阀V-13三通连接；
所述的反应釜(1)的液相出口(14)依次通过压力指示器P-03、温度指示器T-03、流量计F-01与循环泵(5)连接，所述的循环泵(5)通过调节阀V-04与反应釜(1)的气相循环入口(15)连接；所述的循环泵(5)还通过调节阀V-05依次与压力指示器P-04、温度指示器T-04、水平段可视窗(6)、压力指示器P-05、温度指示器T-05、压力指示器P-06、温度指示器T-06、竖直段可视窗(7)、压力指示器P-07、温度指示器T-07、排空阀V-06、安全阀V-07、压力指示器P-08、温度指示器T-08、压力指示器P-09、温度指示器T-09、压力指示器P-10、温度指示器T-10、流量计F-02、压力指示器P-11、温度指示器T-11连接，再与液相入口(12)连接。
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