CN109001074A - 一种太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置，包括三轴加压装置，用于对其内部的煤体进行加压；聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置，用于将收集的太阳能传导给三轴加压装置内的煤体进行加热；太阳能储能装置，用于将太阳能进行存储并在所述聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置停止对三轴加压装置提供能量时，将存储的能量传递给所述三轴加压装置并对其内部的煤体进行加热；以及控制装置。本发明的实验装置具有太阳能加热煤体，三轴加载能力和温度控制功能，可以实现煤体在不同温度、不同应力组合条件下低渗透储层煤层气解吸渗流性能参数的测量，为低渗透煤矿煤层气资源的开采和综合利用提供新的技术途径，且生产成本低。
Description
技术领域
本发明属于煤矿煤层气开采的技术领域，尤其涉及一种太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置。
背景技术
我国煤层气储量丰富，但大部分煤层气矿区属于低渗透储层，商业开发困难。低渗透煤层气的增产渗流对能源危机的环节，矿井瓦斯灾害事故的预防及大气环境的保护均有积极的意义。随低渗透储层煤层气开采技术的不断发展，煤层气热力开采作为未来一种有效的开采增产方式正被广泛认可。通过向低渗透煤层注入热量能够提高煤储层渗透性能和煤层气解吸量及解吸速率，从而实现低渗透储层煤层气增产增渗的目的。目前的加热方式主要以电加热、蒸汽加热、微波加热和红外加热为主。但是这些加热方式均受到地域和生产环境限制，产生能源消耗，造成设备投资大、生产成本高的问题。因此，需要研究一种更适用于太阳能加热煤体测定更接近煤层气实际开采环境的实验装置，以解决上述问题。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置，可以实现煤体在不同温度、不同应力组合条件下解吸规律、渗透规律的测定，为低渗透煤矿煤层气资源的开采和综合利用提供新的技术途径，生产成本低。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置，包括：
三轴加压装置，用于对其内部的煤体进行加压；
聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置，与所述三轴加压装置连接，用于将收集的太阳能传导给所述三轴加压装置并对其内部的煤体进行加热；
太阳能储能装置，与所述聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置连接，用于将太阳能进行存储并在所述聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置停止对三轴加压装置提供能量时，将存储的能量传递给所述三轴加压装置并对其内部的煤体进行加热；
控制装置，与所述三轴加压装置、聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置和太阳能储能装置连接，用于选择所述聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置和太阳能储能装置中的其中一个向所述三轴加压装置提供能量，用于实现煤体在不同温度、不同压力组合条件下解吸规律、渗透规律的测定。
作为上述技术方案的改进，在本发明的一个实施例中，所述三轴加压装置包括套筒、分别位于所述套筒左右两侧的左压头和右压头、位于所述左压头左侧的左压帽、位于所述右压头右侧的右压帽、位于所述左压帽和左压头之间的活塞、位于所述活塞和左压帽之间的挡板、以及位于所述套筒内部且包裹在套筒内的煤体外侧的热缩管。
进一步的，所述套筒的侧面设有围压加载孔；
所述左压帽的外侧边缘设有轴压加载孔；
所述右压头边缘设有用于向煤体施加气压的进气孔。
在本发明的一个实施例中，所述聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置包括水平热管式真空管、与所述水平热管式真空管相连的抛物槽式聚光器、位于所述抛物槽式聚光器下方并用于调整抛物槽式聚光器随太阳光转动的曲柄连杆单轴跟踪器、以及用于遮挡所述抛物槽式聚光器的遮光箱体；
所述抛物槽式聚光器用于聚集太阳能到所述水平热管式真空管。
具体地，所述聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置的底端配置有轨道，所述轨道上远离所述抛物槽式聚光器的一端设有电磁铁，所述遮光箱体的底部设有铁片，通过所述电磁铁和铁片的相互吸引将所述遮光箱体沿所述轨道移动到轨道的远离所述抛物槽式聚光器的一端；
所述轨道的另一端和遮光箱体之间还设有弹簧，用于当电磁铁断电时将所述遮光箱体拉到所述抛物槽式聚光器的上方。
在本发明的一个实施例中，所述太阳能储能装置包括储油箱、与所述储油箱相连的太阳能集热器、与所述太阳能集热器相连的保温箱、位于同一侧的两个端部分别与所述保温箱的出液端和储油箱的进液端连接的蛇形管、位于所述蛇形管的另一端的吸热板、以及穿过所述吸热板和蛇形管的水平热管；
所述水平热管分为水平热管冷凝段、水平热管绝热段和水平热管蒸发段，所述水平热管蒸发段沿所述蛇形管的长度方向设置；
所述水平热管冷凝段上设置有用于强化换热的肋片，煤体的中心孔内设置有螺旋状凹槽，所述水平热管冷凝段装在煤体的中心孔内。
优选的，所述控制装置包括热电偶传感器、与所述热电偶传感器电连接的温度采集模块、A/D转换模块、电磁继电器，所述热电偶传感器位于所述右压头的不同径向距离处，并伸入到所述煤体中；
所述温度采集模块输出端与A/D转换模块和电磁继电器电连接，所述A/D转换模块通过数据线连入计算机。
进一步的，所述左压头和右压头的台阶处装有压垫，所述左压头和右压头侧表面装有压紧螺母，所述压紧螺母的内壁设置有锥形面，所述左压头和右压头通过螺纹分别与压紧螺母螺纹连接，所述压紧螺母挤压垫片变形将所述热缩管两端固定在左压头和右压头上。
本发明的太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置还包括压力加载装置，该压力加载装置包括手动试压泵、气囊稳压器、气瓶和高压调节阀；
所述手动试压泵通过第一六通阀分别通过所述围压加载孔和轴压加载孔施加围压和轴压，当围压、轴压达到设定值时，关闭手动试压泵；
所述气瓶通过高压调节阀利用第二六通阀由所述进气孔加载孔隙压力，气体压力由高压调节阀调节并稳压。
另外，所述左压头中心与活塞中心设有同轴设置的出气孔，所述出气孔通过控制阀连接有真空泵和量筒；所述量筒用于测量解吸气量，解吸结束后，关闭第一阀门，打开第二阀门，通过所述真空泵进行对实验设备进行抽真空。
由上，本发明的太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置具有太阳能加热煤体，三轴加载能力和温度控制功能，可以实现煤体在不同温度、不同应力组合条件下低渗透储层煤层气解吸渗流性能参数的测量，为低渗透煤矿煤层气资源的开采和综合利用提供新的技术途径。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为本发明优选实施例的太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置的结构示意图；
图2为本发明优选实施例的太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置的三轴加压装置的结构示意图；
图3为本发明优选实施例的太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置的聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置的结构示意图；
图4为本发明优选实施例的太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置的太阳能储能装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
如图1-4所示，本发明的太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置包括三轴加压装置10、聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置11和太阳能储能装置12和控制装置，其中，三轴加压装置10对其内部的煤体(煤样)105进行加压，聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置11将收集的太阳能传导给所述三轴加压装置10并对其内部的煤体进行加热，太阳能储能装置12也可以对三轴加压装置10内部的煤体进行加热，用在所述聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置11停止工作时。所述控制装置与三轴加压装置10、聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置11和太阳能储能装置12连接，用于选择所述聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置11和太阳能储能装置12中的其中一个向所述三轴加压装置提供能量。通过三轴加压装置10、聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置11和太阳能储能装置12实现煤体105在不同温度、不同压力组合条件下解吸规律、渗透规律的测定，为低渗透煤矿煤层气资源的开采和综合利用提供新的技术途径。
在本发明中，如图2所示，所述三轴加压装置10包括套筒100、左压头107、右压头106、左压帽102、右压帽101、活塞103、挡板104、位于所述套筒内部的热缩管108和压力加载装置，左压头107和右压头106、左压帽102、右压帽101分别位于套筒100的左右两侧，活塞103位于左压帽102和左压头107之间，挡板104位于活塞103和左压头107之间。在三轴加压装置10的具体的结构中，所述左压头107和右压头106的台阶处装有压垫，所述左压头107和右压头106的侧表面装有压紧螺母，所述压紧螺母的内壁设置有锥形面，所述左压头107和右压头106通过螺纹分别与压紧螺母螺纹连接，所述压紧螺母挤压垫片变形将所述热缩管108两端固定在左压头107和右压头106上。本发明的控制装置包括热电偶传感器109、温度采集模块13、A/D转换模块14和电磁继电器16，所述压力加载装置包括手动试压泵1、气囊稳压器2、气瓶5和高压调节阀7，在三轴加压装置10内，煤体105通过左压头107和右压头106夹紧，放入热缩管108内密封，右压头106和煤体105中心设有同心孔，煤体105中心装有水平热管冷凝段120，右压头106的中心孔装有水平热管绝热段122，右压头106边缘设有甲烷进气孔106-1，甲烷进气孔106-1与第二六通阀3-2连接，右压头106和煤体105在不同径向距离处装有不同长度的热电偶传感器109，各个热电偶传感器的长度不同，以便于测量煤体不同径向不同深度的温度，使采集温度更具有代表性。所述左压头107和活塞103中心设有出气口103-1，用于气体解吸渗流出气。套筒10侧面设有围压加载孔100-1，围压加载孔100-1与第一六通阀3-1连接，左压帽102外侧边缘设有轴压加载孔102-1，轴压加载孔102-1也与第一六通阀3-1连接。其中，所述挡板104，左压头107，右压头106，套筒100，右压帽101共同形成封闭体积，用以施加围压；所述活塞103和左压帽102共同形成封闭体积，用以施加轴压，手动试压泵1通过第一六通阀3-1分别由围压加载孔100-1和轴压加载孔102-1施加围压和轴压，当围压、轴压达到设定值时，关闭手动试压泵1，所述左压头107，右压头106，热缩管108共同组成密闭空腔，用于加载气压，甲烷气瓶5通过高压调节阀7利用第二六通阀3-2由甲烷进气孔106-1加载孔隙压力，气体压力由高压调节阀7调节并稳压，在设定孔隙压力下开始进行煤层气吸附实验，气体标准吸附时间(一般为12h)。吸附实验结束后，关闭第二六通阀3-2，进行不同温度条件下解吸实验，解吸实验开始前对煤体进行加热到实验设定温度，煤体105的温度由热电偶传感器109实时监控，并将温度信号转换为电信号通过导线传输到温度采集模块13，温度采集模块13将两路热电偶传感器109电信号综合处理输出，一方面由导线传输到A/D转化模块14，A/D转化模块14将模拟量转化为数字量经数据线传输到计算机15，在计算机15预先编写的程序中显示煤体温度并记录实时温度。
如图3所示，所述聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置11包括水平热管式真空管110、与所述水平热管式真空管110相连的抛物槽式聚光器111、曲柄连杆单轴跟踪器113和遮光箱体116，曲柄连杆单轴跟踪器113位于所述抛物槽式聚光器111的下方并用于调整抛物槽式聚光器111随太阳光转动，以便更好的吸收太阳能，在计算机程序中设定煤体105的加热温度，当煤体105温度低于设定温度时，在天气良好，09:00～17:00时间段内，电磁继电器16由温度采集模块13控制给电磁铁119通电，将遮光箱体116沿轨道114推至轨道右端，电磁铁119吸引遮光箱体116底部的铁片118，水平热管式真空管110在太阳照射下工作，抛物槽式聚光器111在曲柄连杆单轴跟踪器113的作用下迎着随太阳光转动，聚集太阳能到水平热管式真空管110，水平热管式真空管110的工作介质(水)蒸发成水蒸气，携带热量进入水平热管冷凝段120，水平热管冷凝段120内工作介质(水)冷却冷凝成液体将热量传递到煤体105，加热煤体105，水平热管冷凝段120上的肋片121强化换热，当煤体105温度达到设定温度时，计算机15程序发出数字信号经A/D转化模块14处理传入温度采集模块13，由温度采集模块13控制电磁继电器16开关断开，电磁铁119断电，电磁铁119与铁片118分离，遮光箱体116在弹簧117的作用下回到初始位置，与遮光板115闭合，聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置11停止工作。
如图4所示，本发明的太阳能储能装置12包括储油箱130、与所述储油箱130相连的太阳能集热器129、与所述太阳能集热器129相连的保温箱128、位于同一侧的两个端部分别与所述保温箱128的出液端和储油箱130的进液端连接的蛇形管126、位于所述蛇形管126的另一端的吸热板124、以及穿过所述吸热板124和蛇形管126的水平热管，该水平热管分为水平热管冷凝段120、水平热管绝热段122和水平热管蒸发段123，如上所述，所述水平热管绝热段122位于右压头106的中心孔中，所述水平热管蒸发段123沿所述蛇形管的长度方向设置，煤体的中心孔内设置有螺旋状凹槽，所述水平热管冷凝段120装在煤体的中心孔内。其中，水平热管位于吸热板124中心，蛇形管126围绕水平热管平铺于吸热板上，吸热板124位于真空管内部用于吸收太阳能，将太阳能转化为热能，加热水平热管蒸发段123，高温导热油进入蛇形管126，将热量传递给吸热板124，加热水平热管蒸发段123。在阴天或17:00到第二天9:00之间，电磁继电器16由温度采集模块13控制给泵127-1通电，保温箱128内的高温导热油经泵127-1进入蛇形管126，高温导热油经吸热板124加热水平热管蒸发段123后经蛇形管出口进入储油箱130，蛇形管126的进出口管道与玻璃管125密封，吸热板124和玻璃管125构成水平热管式真空管，阳光充足时，储油箱130内导热油进入太阳能集热器129内加热，加热后的高温导热油在泵127-2作用下进入保温箱128内，煤体105加热到设定温度后进行标准解吸时间(一般为24h)，打开第三阀门6-2、第一阀门6-4，解吸气体由出气孔103-1排出，并由量筒8测量解吸气量。解吸实验结束后，关闭第一阀门6-4，打开第二阀门6-3通过真空泵9进行对实验设备进行抽真空，以备下次实验开始。
由于太阳能加热与电加热和蒸汽加热相比，太阳能普遍，不受地域条件限制，是最清洁能源其中一个、无污染，开发潜能巨大、是可以开发的最大能源，并且可再生、用之不竭的特点，本发明利用太阳能加热煤层促进煤层气解吸，将大大提升低渗透储层煤层气注热开采的经济性。
本发明的太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置具有太阳能加热煤体，三轴加载能力和温度控制功能，可以实现煤体在不同温度、不同应力组合条件下低渗透储层煤层气解吸渗流性能参数的测量，为低渗透煤矿煤层气资源的开采和综合利用提供新的技术途径；另外，本发明的实验装置结构简单、操作方便、性能可靠、成本低。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置，其特征在于，包括：
三轴加压装置，用于对其内部的煤体进行加压；
聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置，与所述三轴加压装置连接，用于将收集的太阳能传导给所述三轴加压装置并对其内部的煤体进行加热；
太阳能储能装置，与所述聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置连接，用于将太阳能进行存储并在所述聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置停止对三轴加压装置提供能量时，将存储的能量传递给所述三轴加压装置并对其内部的煤体进行加热；
控制装置，与所述三轴加压装置、聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置和太阳能储能装置连接，用于选择所述聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置和太阳能储能装置中的其中一个向所述三轴加压装置提供能量。
2.如权利要求1所述的太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置，其特征在于，所述三轴加压装置包括套筒、分别位于所述套筒左右两侧的左压头和右压头、位于所述左压头左侧的左压帽、位于所述右压头右侧的右压帽、位于所述左压帽和左压头之间的活塞、位于所述活塞和左压帽之间的挡板、以及位于所述套筒内部且包裹在套筒内的煤体外侧的热缩管。
3.如权利要求2所述的太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置，其特征在于，所述套筒的侧面设有围压加载孔；
所述左压帽的外侧边缘设有轴压加载孔；
所述右压头边缘设有用于向煤体施加气压的进气孔。
4.如权利要求1所述的太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置，其特征在于，所述聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置包括水平热管式真空管、与所述水平热管式真空管相连的抛物槽式聚光器、位于所述抛物槽式聚光器下方并用于调整抛物槽式聚光器随太阳光转动的曲柄连杆单轴跟踪器、以及用于遮挡所述抛物槽式聚光器的遮光箱体；
所述抛物槽式聚光器用于聚集太阳能到所述水平热管式真空管。
5.如权利要求4所述的太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置，其特征在于，所述聚光型水平热管式真空管太阳能集热装置的底端配置有轨道，所述轨道上远离所述抛物槽式聚光器的一端设有电磁铁，所述遮光箱体的底部设有铁片，通过所述电磁铁和铁片的相互吸引将所述遮光箱体沿所述轨道移动到轨道的远离所述抛物槽式聚光器的一端；
所述轨道的另一端和遮光箱体之间还设有弹簧，用于当电磁铁断电时将所述遮光箱体拉到所述抛物槽式聚光器的上方。
6.如权利要求1所述的太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置，其特征在于，所述太阳能储能装置包括储油箱、与所述储油箱相连的太阳能集热器、与所述太阳能集热器相连的保温箱、位于同一侧的两个端部分别与所述保温箱的出液端和储油箱的进液端连接的蛇形管、位于所述蛇形管的另一端的吸热板、以及穿过所述吸热板和蛇形管的水平热管；
所述水平热管分为水平热管冷凝段、水平热管绝热段和水平热管蒸发段，所述水平热管蒸发段沿所述蛇形管的长度方向设置；
所述水平热管冷凝段上设置有用于强化换热的肋片，煤体的中心孔内设置有螺旋状凹槽，所述水平热管冷凝段装在煤体的中心孔内。
7.如权利要求2所述的太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置，其特征在于，所述控制装置包括热电偶传感器、与所述热电偶传感器电连接的温度采集模块、A/D转换模块、电磁继电器，所述热电偶传感器位于所述右压头的不同径向距离处，并伸入到所述煤体中；
所述温度采集模块输出端与A/D转换模块和电磁继电器电连接，所述A/D转换模块通过数据线连入计算机。
8.如权利要求2所述的太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置，其特征在于，所述左压头和右压头的台阶处装有压垫，所述左压头和右压头的侧表面装有压紧螺母，所述压紧螺母的内壁设置有锥形面，所述左压头和右压头通过螺纹分别与压紧螺母螺纹连接，所述压紧螺母挤压垫片变形将所述热缩管两端固定在左压头和右压头上。
9.如权利要求3所述的太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置，其特征在于，还包括压力加载装置，该压力加载装置包括手动试压泵、气囊稳压器、气瓶和高压调节阀；
所述手动试压泵通过第一六通阀分别通过所述围压加载孔和轴压加载孔施加围压和轴压，当围压、轴压达到设定值时，关闭手动试压泵；
所述气瓶通过高压调节阀利用第二六通阀由所述进气孔加载孔隙压力，气体压力由所述高压调节阀调节并稳压。
10.如权利要求2所述的太阳能热管加热煤层气解吸渗流实验装置，其特征在于，所述左压头中心与活塞中心设有同轴设置的出气孔，所述出气孔通过控制阀连接有真空泵和量筒；所述量筒用于测量解吸气量。
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