CN105381761A - 可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置及用法 - Google Patents

Abstract

可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置及用法，包括，压力调节系统、温度控制系统、气体溶入系统、流体控制系统、支撑系统、控制面板，所述的压力调节系统使高压恒温舱产生设定的压力；所述的温度调节系统，自动调整到设定温度；所述的气体溶入系统注入试验气体，进入试验液体中搅拌混溶；所述的液流控制系统，实现液流闭路循环，完成检测试验；上述各系统部件都安装在支撑系统上：所述的控制面板完成设定的操作；本发明满足了针对海洋环境不同烃类浓度和矿化度海水环境的模拟研究工作的需要，并提供了使用方法；可在最大工作压力：29MPa，最大流量：500mL/min，温度0-20℃的工况下，配合传感器进行海况模拟条件下样品测试研究。

Description

可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置及用法

技术领域

本发明涉及一种可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置及用法，属于海洋环境及海洋天然气水合物资源地球化学勘探开发探测领域。

背景技术

海洋天然气水合物由于其巨大的能源普遍受到关注，但是天然气水合物在开发过程中利益与危害并存。其危害为：1、会引起甲烷气体在海水中的大量泄漏，带来温室效应的影响；2、由于固态物质的消融也会引发潜在的地质灾害，因此在天然气水合物的开发过程中对海水中甲烷物质的浓度必须进行实时快速准确的测量和监测，这种数据的获得对于海洋能源的开发利用、环境保护、地质灾害防治是十分重要和必要的。

由于海水中甲烷等烃类物质的背景值很低，海水环境的多样和复杂，使得无论采用海水拖曳式或者固定式两种测量方式中，要想准确、连续、稳定地获取不同深度海水中甲烷等烃类组分的数据，一定要满足传感器在达到性能指标的硬件要求的同时，也必须能够提供对检测数据进行校正归位的方法技术，缺一不可。

目前国内进行此项工作的传感器主要采用德国的K-METS甲烷传感器，K-METS甲烷传感器采用甲烷电化学敏感探头和温度探头进行同步参数测试采集。原始甲烷测试数值经过温度、压力和K-METS装置响应过程校正后，才能够获得可使用的有效甲烷数据，得到地质问题的科学认识。K-METS传感器为专利产品，目前数据校正处理过程必须由德国科学家负责完成，之后数据交到国内科研工作者手中，这种现象成为国内科研单位应用K-METS测量海水地球化学数据技术上的桎梏，影响到国内科学家方便的对于地质成果的正确解释和认识。

“十一五863”期间，我国科研人员研发了“海水甲烷原位探测传感器”试验样机，实现了能够实时连续测试出海水中甲烷等烃类指标的数据成果，但是数据矫正方法研究上尚属空白，这是与K-METS相比是最显著的差距。

为此目的需要在实验室制造出不同深度海水条件下的、不同矿化度海水中的、溶解了不同种类烃类组分和浓度的海水条件环境，通过研制的传感器测量出上述条件下的地球化学指标数据，再将测量数据和配制出的已知烃类组分数据进行正演对比研究，及气体组分测试过程中的地球化学动态过程分析研究，进行海洋环境中不同深度海水，不同地质条件下，溶解气甲烷轻烃组分传感器测试动态过程和地球化学特性规律分析研究，根据影响因子权重和参数变化规律，创建甲烷浓度响应函数和数据校正方法，以便有利于实际测量数据的处理和校正。

为了实现这一目的，调研了国内有关大学烃源岩动态模拟实验室，但是目前国内还没有针对海洋环境不同烃类浓度和矿化度海水环境的模拟实验室和专门装置，给这方面的研究带来了困难，因此根据情况和海水传感器测试研究工作的需要，研制出可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置就是十分必要的了。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置，以满足针对海洋环境不同烃类浓度和矿化度海水环境下传感器模拟测试研究工作的需要。

本发明的另一个目的在于提供上述可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置的用法，以便实验工作中更好地使用该装置。

本发明的技术方案是：

可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置，包括，压力调节系统、温度控制系统、气体溶入系统、流体控制系统、支撑系统、控制面板；其中，所述的压力调节系统使高压恒温舱产生设定的压力；所述的温度调节系统，自动调整到设定温度；所述的气体溶入系统注入试验气体，进入试验液体中搅拌混溶；所述的液流控制系统，实现液流闭路循环，完成检测试验；上述各系统部件都安装在支撑系统上：所述的控制面板完成设定的操作；

其中，压力调节系统、温度控制系统、安装在支撑系统的下方；气体溶入系统、流体控制系统安装在支撑系统上下方；在高压恒温舱的下端设置高压恒温舱入口、上端设高压恒温舱出口；借助循环泵，以实现液流闭路循环实现液体流动；支撑系统是一个框架式结构，装置外形尺寸(mm)为：570*570*1600。

所述的压力调节系统的动力源为压缩空气或氮气，经过气驱液压泵进行压力放大以后，汲取油箱中的液压油注入高压油缸，驱动油缸内活塞杆上行，使高压恒温舱产生设定的压力。所述的温度调节系统外接制冷压缩机，将冷却液注入到储液舱的冷却液入口，通过环绕储液舱的螺旋通道流动，从冷却液出口流出；

在储液舱顶端设置温度传感器，通过温度传感器的反馈信息，自动调整到设定温度；

压力调节范围为：1-29MPa。运行40min内，舱内温度与压力同时达到稳定状态；

外接制冷压缩机设计有自动启动功能，以保证储液舱的恒温状态。

所述的气体溶入系统由三部分组成，分别为：气体分散装置、调速搅拌装置、搅拌器位置控制装置。

所述气体分散装置设置在储液舱的下端；当储液舱中充满液体后，在负压条件下，由储液舱的下端向储液舱中注入试验气体，并通过外接设备得到气体体积；试验气体首先经过强制分配器平均分散到48个圆孔，然后再通过3μm孔的结筛板进一步分散，最后进入试验液体中进行搅拌混溶；

运行后，剩余气体集中到储液舱的上端，可以在下一步试验前排出，并进行计量；

所述的调速搅拌装置：包括：步进电机(动力源)、同步带组(动力传递)、舱内搅拌翅、强磁环；

强磁环为永久磁铁；舱内搅拌翅为外包聚四氟乙烯的铁棒；

步进电机通过同步带组带动强磁环在储液舱外做环形转动，磁力透过储液舱壁，驱动舱内搅拌翅转动，实现搅拌；

工作噪声小于60分贝；步进电机可以调速；

所述搅拌器位置控制装置：包括：步进电机、滚珠丝杠、磁环托板和磁环滑道；通过步进电机正反转和转速可以使磁环托板带动强磁环沿着磁环滑道做往复运动；可以使磁环托板固定在需要的位置上；强磁环旋转速度调节范围为：0-120rpm。

所述的液流控制系统，调整背压阀，设定储液舱压力；系统压力在液压表中显示；外接循环泵，以实现液流闭路循环；启动检测器，可以完成检测试验。

所述的支撑系统安装脚轮，便于移动。脚轮带有自锁装置，可以固定使用位置。

所述的控制面板设置有储液舱压力、温度，气体溶入的搅拌速度、方式调节开关，可以在控制面板上设定和操作。

可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置的用法，如下：

①、原始位置

液压缸内的活塞处于最高位置，此时，储液舱内活塞同样处于最高位置。储液舱内有一定量的室内空气；

②、吸入液体

管路接预混液体，打开储液舱上端截止阀，在操作面板上使活塞操作旋钮处于“降”的位置，然后，在操作面板上使气路开关处于“开”的位置，此时，活塞下行，吸入预混液体；

在吸入超过5L预混液体以后，使气路开关处于“关”的位置，此时，活塞停止运动；

手动，使活塞操作旋钮处于“升”的位置，然后，使气路开关旋转到“升”的位置，此时，活塞上行，排除残留气体。

③、气体混溶

管路接预混气体，在操作面板上使活塞操作旋钮处于“降”的位置，然后，在操作面板上使气路开关处于“开”的位置，此时，活塞下行，形成负压；打开储液舱下端截止阀，利用自行设计的气体定量溶入系统向储液舱注入气体，同时开启搅拌器和位置控制器；

在吸入设计所需的气体量后，关闭截止阀。同时使气路开关处于“关”的位置，此时，活塞停止运动；

在操作面板上控制活塞继续上行，旋转气路阀，观察压力表达到试验需要的压力状态。停止旋转气路阀，并将气路阀锁死；

④、加压、降温

关闭储液舱两端截止阀，设定储液舱的温度，开启设备，大约需要40min时间，舱内温度和压力达到实验要求；

⑤、开始试验

通过下截止阀使得实验溶液通过流量阀进入气液分离装置，而后分别连接自制甲烷仪器探测器和METS探测器，获得实验数据；

⑥、清洗，并维护设备

储液舱的结构设计便于清洗维护。

本发明的可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置及用法，满足了针对海洋环境不同烃类浓度和矿化度海水环境的模拟研究工作的需要，并提供了更好地使用上述装置的方法；该可调温压条件下特定配方溶液制备器，可在最大工作压力：29MPa，最大流量：500mL/min，温度0-20℃的工况下，更方便地配合传感器进行海况模拟条件下大量样品测试研究。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1A是本发明可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置的主视图；

图1B是本发明可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置的左视图；

图1C是本发明可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置的立体图；

图2是本发明可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置的压力调节系统的连接示意图；

图3A是本发明可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置的温度调节系统主视图；

图3B本发明可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置的温度调节系统

左视图；

图4A是本发明可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置的气体分散装置主视图；

图4B是图4A中B-B剖面图；

图4C是图4A中A-A剖面图；

图5是本发明可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置的调速搅拌和位置控制装置示意图；

图6是本发明可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置的的调速搅拌和位置控制装置立体图；

图7是本发明可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置的液流控制系连接示意图；

图8是本发明可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置的控制板面结构示意图。

图中：1-压力调节系统、2-温度调节系统、3-气体融入系统、4-流体调节系统、，5-支架、6-控制面板、7-高压恒温仓入口、8-高压恒温仓出口、21-气源、22-调压阀、23-气驱液压泵、24-四通阀、25-溢流阀、26-液压流箱、27-压力表、28-高压油缸、31-冷却液人口、32-螺旋通道、33-冷却液出口、34-储液仓内筒、35-储液仓外筒、41-烧结筛板、42-气体分散器、43气体入口、51-步进电机、52-滚珠丝杠、53-磁环托板、54-磁环滑道、55-强磁环、56-舱内搅拌翅、57-步进电机、58-同步带组、71-截止阀、72-检测器、73-压力表、74-背压阀、75-储液仓、76-循环泵、77-截止阀、81-活塞、82-压力表、83-开关、84-温度控制、85-搅拌、86-搅拌杆、87-气路阀。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明进行详细的解释，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1A、图1B、图1C分别是本发明可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置的主视图、左视图、立体图。从图中可看出，本发明的可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置，包括，压力调节系统1、温度控制系统2、气体溶入系统3、流体控制系统4、支撑系统5、控制面板6、所述的压力调节系统使高压恒温舱产生设定的压力；所述的温度调节系统，自动调整到设定温度；所述的气体溶入系统注入试验气体，进入试验液体中搅拌混溶；所述的液流控制系统，实现液流闭路循环，完成检测试验；上述各系统部件都安装在支撑系统上：所述的控制面板完成设定的操作；

其中，上述各部件都安装在支撑系统5上，压力调节系统1、温度控制系统2、安装在支撑系统5的下方；气体溶入系统3、流体控制系统4安装在支撑系统5下方；在高压恒温舱的下端设置高压恒温舱入口7、上端设高压恒温舱出口8；借助循环泵，以实现液流闭路循环实现液体流动；支撑系统5是一个框架式结构，装置外形尺寸(mm)为：570*570*1600。

可调温压条件下特定配方溶液制备器，见图1A、图1B、图1C：设计最大工作压力：29MPa，最大流量：500mL/min，温度0-20℃，以便配合传感器进行海况模拟条件下大量样品测试研究。从而获得海水中甲烷连续测试的方案、流程及实验报告；甲烷浓度的测试响应函数和数据校正方法。

所述的压力调节系统1的动力源为压缩空气或氮气21，参见图2，经过气驱液压，进行压力放大以后，汲取油箱26中的液压油注入高压油缸28，驱动油缸28内活塞杆上行，使高压恒温舱产生设定的压力。运行40min内，舱内压力与温度同时达到稳定状态，压力波动范围±0.5MPa。

选择气驱液压泵23的压力比为：1∶40，如果高压恒温舱需要压力为24MPa，则压缩空气压力为0.6MPa(6bar)。

可以通过旋转调压阀22，观察压力表27的变化，获得试验所需要的压力。另外，四通阀24的功能是转换高压油缸28内活塞杆的运动方向。

设计溢流阀25为超压保护阀。

所述的温度调节系统2外接制冷压缩机，将冷却液注入到储液舱的冷却液入口31，通过环绕储液舱的螺旋通道32流动，从冷却液出口33流出；参见图3A，图3B。

储液舱34顶端设置温度传感器，通过温度传感器的反馈信息，自动调整到设定温度；

压力调节范围为：1-29MPa。运行40min内，舱内温度与压力同时达到稳定状态；

外接制冷压缩机设计有自动启动功能，以保证储液舱的恒温状态。

所述的气体溶入系统由三部分组成，分别为：气体分散装置42、调速搅拌装置56、搅拌器位置控制装置。参见图4A，图4B图4C.图5。

所述气体分散装置设置在储液舱75的下端；当储液舱75中充满液体后，在负压条件下，由储液舱75的下端向储液舱75中注入试验气体，并通过外接设备

得到气体体积；试验气体首先经过强制分配器平均分散到48个圆孔，然后再过3μm孔的结筛板41进一步分散，最后进入试验液体中进行搅拌混溶；

运行后，剩余气体集中到储液舱75的上端，可以在下一步试验前排出，并进行计量；

所述的调速搅拌装置：包括：步进电机(动力源)57、同步带组(动力传递)58、舱内搅拌翅56、强磁环55；参见图5，图6。

强磁环55为永久磁铁；舱内搅拌翅56为外包聚四氟乙烯的铁棒；

步进电机57通过同步带组58带动强磁环在储液舱34外做环形转动，磁力透过储液舱34壁，驱动舱内搅拌翅56转动，实现搅拌；

工作噪声小于60分贝；步进电机可以调速；

所述搅拌器位置控制装置：包括：步进电机51、滚珠丝杠52、磁环托板53和磁环滑道54；通过步进电机51正反转和转速可以使磁环托板53带动强磁环55沿着磁环滑道54做往复运动；可以使磁环托板53固定在需要的位置上；强磁环55旋转速度调节范围为：0-120rpm。参见图6。

所述的液流控制系统，调整背压阀74，设定储液舱75压力；系统压力在液压表73中显示；外接循环泵76，以实现液流闭路循环；启动检测器72，可以完成检测试验。参见图7。

所述的支撑系统安装脚轮，便于移动。脚轮带有自锁装置，可以固定使用位置。参见图1C

所述的控制面板设置有储液舱压力82、温度84，气体溶入的搅拌速度85、方式调节开关83，气路阀87，搅拌杆86，可以在控制面板上设定和操作。参见图8。

可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置的使用方法，其特征在于，使用方法如下：

①、原始位置

液压缸内的活塞81处于最高位置，此时，75内活塞81同样处于最高位置。储液舱75内有一定量的室内空气；

②、吸入液体

管路接预混液体，打开储液舱75上端截止阀71，在操作面板上使活塞操81作旋钮处于“降”的位置，然后，在操作面板上使气路开关83处于“开”的位置，此时，活塞下行，吸入预混液体；

在吸入超过5L预混液体以后，使气路开关83处于“关”的位置，此时，活塞81停止运动；

手动，使活塞81操作旋钮处于“升”的位置，然后，使气路开关83旋转到“升”的位置，此时，活塞81上行，排除残留气体。

③、气体混溶

管路接预混气体，在操作面板上使活塞81操作旋钮处于“降”的位置，然后，在操作面板上使气路开关处于“开”的位置，此时，活塞81下行，形成负压；打开储液舱75下端截止阀77，利用自行设计的气体定量溶入系统向储液舱75注入气体，同时开启搅拌器86和位置控制器；

在吸入设计所需的气体量后，关闭截止阀77。同时使气路开关处于“关”的位置，此时，活塞81停止运动；

在操作面板上控制活塞81继续上行，旋转气路阀87，观察压力表73达到试验需要的压力状态。停止旋转气路阀87，并将气路阀锁死；

④、加压、降温

关闭储液舱75两端截止阀77，设定储液舱75的温度，开启设备，大约需要40min时间，舱内温度和压力达到实验要求；

⑤、开始试验

通过下截止阀77使得实验溶液通过流量阀进入气液分离装置，而后分别连接自制甲烷仪器探测器和METS探测器，获得实验数据；

⑥、清洗，并维护设备

储液舱75的结构设计便于清洗维护。

本发明的可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置及用法，满足了针对海洋环境不同烃类浓度和矿化度海水环境的模拟研究工作的需要，并提供了更好地使用上述装置的方法；该可调温压条件下特定配方溶液制备器，可在最大工作压力：29MPa，最大流量：500mL/min，温度0-20℃的工况下，更方便地配合传感器进行海况模拟条件下大量样品测试研究。

应该说明的是：以上所述仅为本发明的实施例而已，并不限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的构思之内，作的任何修改、等同替换、改进等，都包含在本发明的保护范围之内。

参考文献：

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[6]高军、郑大庆、郭天民.高温高压下甲烷在碳酸氢钠溶液中溶解度测定及模型计算.高校化学工程学报，2009，10(4)；345-349.

[7]范泓澈、黄志龙、袁剑等.高温高压条件下甲烷和二氧化碳溶解度试验.中国石油大学学报，2011，35(2)；6-11.

Claims (8)

1.可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置，其特征在于，包括，压力调节系统、温度控制系统、气体溶入系统、流体控制系统、支撑系统、控制面板；所述的压力调节系统使高压恒温舱产生设定的压力；所述的温度调节系统，自动调整到设定温度；所述的气体溶入系统注入试验气体，进入试验液体中搅拌混溶；所述的液流控制系统，实现液流闭路循环，完成检测试验；上述各系统部件都安装在支撑系统上：所述的控制面板完成设定的操作；

其中，压力调节系统、温度控制系统、安装在支撑系统的下方；气体溶入系统、流体控制系统安装在支撑系统上方；在高压恒温舱的下端设置高压恒温舱入口、上端设高压恒温舱出口；借助循环泵，以实现液流闭路循环实现液体流动；支撑系统是一个框架式结构，装置外形尺寸(mm)为：570*570*1600。

2.按照权利要求1所述的可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置，其特征在于，所述的压力调节系统的动力源为压缩空气或氮气，经过气驱液压泵进行压力放大以后，汲取油箱中的液压油注入高压油缸，驱动油缸内活塞杆上行，使高压恒温舱产生设定的压力。

3.按照权利要求2所述的可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置，其特征在于，所述的温度调节系统

外接制冷压缩机，将冷却液注入到储液舱的冷却液入口，通过环绕储液舱的螺旋通道流动，从冷却液出口流出；

在储液舱顶端设置温度传感器，通过温度传感器的反馈信息，自动调整到设定温度；

压力调节范围为：1-29MPa。运行40min内，舱内温度与压力同时达到稳定状态；

外接制冷压缩机设计有自动启动功能，以保证储液舱的恒温状态。

4.按照权利要求3所述的可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置，其特征在于，所述的气体溶入系统由三部分组成，分别为：气体分散装置、调速搅拌装置、搅拌器位置控制装置。

所述气体分散装置设置在储液舱的下端；当储液舱中充满液体后，在负压条件下，由储液舱的下端向储液舱中注入试验气体，并通过外接设备得到气体体积；

试验气体首先经过强制分配器平均分散到48个圆孔，然后再通过3μm孔的结筛板进一步分散，最后进入试验液体中进行搅拌混溶；

运行后，剩余气体集中到储液舱的上端，可以在下一步试验前排出，并进行计量；

所述的调速搅拌装置：包括：步进电机(动力源)、同步带组(动力传递)、舱内搅拌翅、强磁环；

强磁环为永久磁铁；舱内搅拌翅为外包聚四氟乙烯的铁棒；

步进电机通过同步带组带动强磁环在储液舱外做环形转动，磁力透过储液舱壁，驱动舱内搅拌翅转动，实现搅拌；

工作噪声小于60分贝；步进电机可以调速；

所述搅拌器位置控制装置：包括：步进电机、滚珠丝杠、磁环托板和磁环滑道；通过步进电机正反转和转速可以使磁环托板带动强磁环沿着磁环滑道做往复运动；可以使磁环托板固定在需要的位置上；强磁环旋转速度调节范围为：0-120rpm。

5.按照权利要求4所述的可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置，其特征在于，所述的液流控制系统，调整背压阀，设定储液舱压力；系统压力在液压表中显示；外接循环泵，以实现液流闭路循环；启动检测器，可以完成检测试验。

6.按照权利要求5所述的可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置，其特征在于，所述的支撑系统安装脚轮，便于移动。脚轮带有自锁装置，可以固定使用位置。

7.按照权利要求6所述的可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置，其特征在于，所述的控制面板设置有储液舱压力、温度、气体溶入的搅拌速度、方式调节开关可以在控制面板上设定和操作。

8.可调温压条件下海水特定配方溶液制备装置的用法，其特征在于，具体的使用步骤如下：

①、原始位置

液压缸内的活塞处于最高位置，此时，储液舱内活塞同样处于最高位置。储液舱内有一定量的室内空气；

②、吸入液体

管路接预混液体，打开储液舱上端截止阀，在操作面板上使活塞操作旋钮处于“降”的位置，然后，在操作面板上使气路开关处于“开”的位置，此时，活塞下行，吸入预混液体；

在吸入超过5L预混液体以后，使气路开关处于“关”的位置，此时，活塞停止运动；

手动，使活塞操作旋钮处于“升”的位置，然后，使气路开关旋转到“升”的位置，此时，活塞上行，排除残留气体。

③、气体混溶

管路接预混气体，在操作面板上使活塞操作旋钮处于“降”的位置，然后，在操作面板上使气路开关处于“开”的位置，此时，活塞下行，形成负压；打开储液舱下端截止阀，利用自行设计的气体定量溶入系统向储液舱注入气体，同时开启搅拌器和位置控制器；

在吸入设计所需的气体量后，关闭截止阀。同时使气路开关处于“关”的位置，此时，活塞停止运动；

在操作面板上控制活塞继续上行，旋转气路阀，观察压力表达到试验需要的压力状态。停止旋转气路阀，并将气路阀锁死；

④、加压、降温

关闭储液舱两端截止阀，设定储液舱的温度，开启设备，大约需要40min时间，舱内温度和压力达到实验要求；

⑤、开始试验

通过下截止阀使得实验溶液通过流量阀进入气液分离装置，而后分别连接自制甲烷仪器探测器和METS探测器，获得实验数据；

⑥、清洗，并维护设备

储液舱的结构设计便于清洗维护。