CN110319896A - 海底烃类天然气流量测量装置、系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明海底测量的技术领域，更具体地，涉及海底烃类天然气流量测量装置、系统及方法，包括与气泡收集装置连接的气体收集室、与气体收集室连通设置的阀门以及用于指示液位变化的第一液位电极、第二液位电极，阀门、第一液位电极设于气体收集室的顶部，第二液位电极设于气体收集室的底部。本发明向上渗漏的天然气通过气泡收集装置进入到定量容积的气体收集室内，气体收集室内的海水被向下排除，当液面到达第二液位电极的位置时，控制阀门打开，气体收集室内的气体被排空同时气体收集室内的海水液面上升，如此循环测得海底烃类天然气流量，不仅能够用于浅海海底天然气渗漏原位流量在线测量，而且能够用于深海海底天然气渗漏原位流量在线测量。
Description
技术领域
本发明涉及海底测量的技术领域，更具体地，涉及海底烃类天然气流量测量装置、系统及方法。
背景技术
每年通过海底冷泉天然气渗漏释放到海洋水体及大气中的甲烷的数量是非常惊人的，初步的估计为大于10Tg(1012g)每年，而甲烷是强烈的温室效应气体，其温室效应是相同质量二氧化碳的20倍以上，如此巨大数量的甲烷是全球气候变化的一个重要影响因子。因此，对海底冷泉天然气渗漏速率在线原位探测具有重要的经济价值和科学意义。目前，在国内有关海底冷泉天然气渗漏原位流量在线测量装置的研究已经开展起来，中国科学院广州地球化学研究所现已成功研制出两套海底冷泉天然气渗漏原位流量在线测量装置，填补了我国在该领域的空白，然而研制成功的这两套装置由于材料、元器件等限制很难用于深海观测，且流量测量结果误差较大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供海底烃类天然气流量测量装置、系统及方法，采用液位电极探头指示液位变化测定海底天然气渗漏流量，不仅能用于浅海海底冷泉天然气渗漏原位流量在线测量，而且能用于深海海底冷泉天然气渗漏原位流量在线测量。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种海底烃类天然气流量测量装置，包括与气泡收集装置连接的气体收集室、与气体收集室连通设置的阀门以及用于指示气体收集室内液位变化的第一液位电极、第二液位电极，所述阀门设于气体收集室的顶部，所述第一液位电极设于气体收集室的顶部，第二液位电极设于气体收集室的底部，所述气体收集室设有排水口。
本发明的海底烃类天然气流量测量装置，向上渗漏的天然气通过气泡收集装置进入到定量容积的气体收集室内，气体收集室内的海水被向下排除，当液面到达第二液位电极的位置时，控制阀门打开，气体收集室内的气体被排空同时气体收集室内的海水液面上升，如此循环。本发明采用排水集气法测量海底烃类天然气流量，不仅能够用于浅海海底天然气渗漏原位流量在线测量，而且能够用于深海海底天然气渗漏原位流量在线测量，循环测量可有效减小流量的测量误差。
进一步地，所述第一液位电极与第二液位电极结构相同，包括一体设置且内部连通设有腔体的固定座及连接杆，所述连接杆穿过气体收集室与固定件连接，所述腔体内设有信号连接的探针及线缆，所述探针的一端伸入气体收集室内设置。探针用于探测气体收集室内液位变化，线缆用于传输探针探测的数据；探针及线缆通过固定座、连接杆及固定件固定在气体收集室的壁体上，固定连接的稳定性好，能够适用于深海环境的监测。
进一步地，所述固定座的端面与气体收集室内部接触设置，所述固定座的端面设有沟槽，所述沟槽内设有密封圈。密封圈的设置一方面增加固定座与气体收集室之间的连接稳定性，一方面改善固定座与气体收集室之间的密封性，保证深海环境的工作稳定性。
进一步地，所述连接杆外壁设有外螺纹，所述固定件内设有与外螺纹配合的内螺纹。采用螺纹连接便于探针及线缆的安装与拆卸，且具有较好的连接稳定性。
进一步地，所述探针为两组，两组探针平行设置。两组探针同时探测气体收集室内液位变化，有效减小测量误差。
进一步地，所述腔体内填充有密封材料。在腔体内灌注密封材料，能够有效保证气体收集室的密封性能及探针、线缆的连接稳定性。
进一步地，所述线缆设有第一输出端和第二输出端，所述第一输出端接地设置，所述第二输出端连接于电阻的一端，电阻的另一端连接电源，所述第二输出端还连接有与检测控制芯片连接的电压检测端。
进一步地，所述电阻的阻值R按下式计算：
Vil/R0＝(Vcc-Vil)/R
式中，R0为海水导通电阻阻值，Vil为低电平输入电压电压值，Vcc为电源输入电压电压值。
本发明还提供了一种海底烃类天然气流量测量系统，包括检测控制芯片及如上所述的海底烃类天然气流量测量装置，所述第一液位电极、第二液位电极连接于检测控制芯片的输入端，所述阀门连接于检测控制芯片的输出端，所述检测控制芯片连接有存储模块。
本发明的海底烃类天然气流量测量系统，检测控制芯片接收第一液位电极及第二液位电极探知的液位信号，并根据接收的液位信号向阀门发送控制信号，并将阀门动作次数及动作时间存储在存储模块，测试人员根据阀门动作次数、动作时间，基于排水集气的原理计算天然气流量。本发明不仅能够用于浅海海底天然气渗漏原位流量在线测量，而且能够用于深海海底天然气渗漏原位流量在线测量，且能够有效减小流量的测量误差。
本发明还提供了一种海底烃类天然气流量测量方法，包括以下步骤：
S10.向上渗漏的天然气通过气泡收集装置进入到气体收集室中，气体收集室内海水向下排除；
S20.当步骤S10中海水的液面下降至第二液位电极的位置时，控制打开阀门，气体收集室内的气体被排空，同时气体收集室内海水液面上升至第一液位电极的位置；
S30.控制阀门关闭，向上渗漏的天然气再次进入到气体收集装置中进行下一次气体收集；
S40.循环步骤S10～S30，阀门打开一次数据记录仪记录一次，同时记录阀门打开时的时间，获得阀门打开的次数和阀门打开时的时间；
S50.通过步骤S40中阀门打开的次数和阀门打开时的时间，计算获得总的天然气流量值，根据记录的阀门打开的时间间隔，获得阀门打开间隔内天然气平均流量值。
本发明的海底烃类天然气流量测量方法，采用排水集气法测量海底烃类天然气流量，不仅能够用于浅海海底天然气渗漏原位流量在线测量，而且能够用于深海海底天然气渗漏原位流量在线测量，循环测量可有效减小流量的测量误差。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用排水集气法测量海底烃类天然气流量，不仅能够用于浅海海底天然气渗漏原位流量在线测量，而且能够用于深海海底天然气渗漏原位流量在线测量，循环测量可有效减小流量的测量误差。
附图说明
图1为海底烃类天然气流量测量装置的结构示意图；
图2为第一液位电极及第二液位电极的结构示意图；
图3为第一液位电极及第二液位电极的应用电路连接示意图；
图4为海底烃类天然气流量测量系统的原理图；
附图中：100-气体收集室；200-阀门；300-第一液位电极；400-第二液位电极；401-腔体；402-固定座；403-连接杆；404-固定件；405-探针；406-线缆；407-沟槽；408-密封圈；409-外螺纹；410-密封材料；411-第一输出端；412-第二输出端；413-电阻；414-电压检测端；500-检测控制芯片；600-存储模块。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例一
如图1至图3所示为本发明的海底烃类天然气流量测量装置的实施例，包括与气泡收集装置连接的气体收集室100、与气体收集室100连通设置的阀门200以及用于指示气体收集室100内液位变化的第一液位电极300、第二液位电极400，所述阀门200设于气体收集室100的顶部，所述第一液位电极300设于气体收集室100的顶部，第二液位电极400设于气体收集室100的底部，气体收集室100设有排水口。本实施例中的阀门200为耐压水下电磁阀，第一液位电极300、第二液位电极400为深海环境液位电极，适用于深海环境的天然气流量测量。
本实施例在实施时，向上渗漏的天然气通过气泡收集装置进入到定量容积的气体收集室100内，气体收集室100内的海水被向下排除，当液面到达第二液位电极400的位置时，控制阀门200打开，气体收集室100内的气体被排空同时气体收集室100内的海水液面上升，如此循环，基于排水集气法测量海底烃类天然气测量，适用于深海天然气渗漏原位流量在线测量。
如图2所示，所述第一液位电极300与第二液位电极400结构相同，包括一体设置且内部连通设有腔体401的固定座402及连接杆403，所述连接杆403穿过气体收集室100与固定件404连接，所述腔体401内设有信号连接的探针405及线缆406，所述探针405的一端伸入气体收集室100内设置。探针405用于探测气体收集室100内液位变化，线缆406用于传输探针405探测的数据，本实施例中固定座402为螺栓座，连接杆403为螺栓，固定件404为螺母，且螺栓上的外螺纹409与螺母的内螺纹匹配，以便于探针405及线缆406的安装与拆卸，且具有较好的连接稳定性。
为了增加固定座402与气体收集室100之间的连接稳定性，改善固定座402与气体收集室100连接处的密封性能，本实施例固定座402的端面与气体收集室100内部接触设置，固定座402的端面设有沟槽407，并在沟槽407内设置密封圈408。本实施例的沟槽407为O型槽，密封圈408为O型密封圈408，但其是为了易于取得原料、易于加工而做的优选，并不作为局限性的规定。
为了保证液位探测的准确性，减小测量误差：本实施例的探针405为两组，线缆406的一端与探针405信号连接，另一端设有第一输出端411和第二输出端412，第一输出端411接地设置，第二输出端412连接于电阻413R的一端，电阻413R的另一端连接电源，第二输出端412还连接有与检测控制芯片500连接的电压检测端414；且探针405、线缆406通过在腔体401内灌注密封材料410固定在腔体401内。本实施例的密封材料410可为硫化胶，但其是为了获得较好的密封性能和灌注操作性而做的优选，并不作为局限性的规定。
其中，电阻413的阻值R可按下式计算：
Vil/R0＝(Vcc-Vil)/R
式中，R0为海水导通电阻阻值，Vil为低电平输入电压电压值，Vcc为电源输入电压电压值。
本实施例中采用常用的TTL电平标准，当控制芯片输入电压Vcc为5V时，其要求的高电平输入电压Vih≥2V，低电平输入电压Vil≤0.8V。在此，假设海水导通电阻为100KΩ，此时要求输入标志海水导通的低电平为0.8V，设与海水串联的电阻，则有：0.8V/100KΩ＝(5-0.8)V/R。
由计算可得R＝525KΩ，因此，只要串入一个大于525KΩ的电阻413，即可满足要求。对于Vcc为3.3V以及对于CMOS电平，亦能找到比较合理的串联电阻，完全可以满足液位检测的要求。
实施例二
如图4所示为本发明的海底烃类天然气流量测量系统的实施例，包括检测控制芯片500及如实施例一所述的海底烃类天然气流量测量装置，所述第一液位电极300、第二液位电极400连接于检测控制芯片500的输入端，所述阀门200连接于检测控制芯片500的输出端，所述检测控制芯片500连接有存储模块600。
本实施例在实施时，检测控制芯片500接收第一液位电极300及第二液位电极400探知的液位信号，并根据接收的液位信号向阀门200发送控制信号，并将阀门200动作次数及动作时间存储在存储模块600，测试人员根据阀门200动作次数、动作时间，基于排水集气的原理计算天然气流量。
实施例三
本实施例为本发明的海底烃类天然气流量测量方法的实施例，包括以下步骤：
S10.向上渗漏的天然气通过气泡收集装置进入到气体收集室100中，气体收集室100内海水向下排除；
S20.当步骤S10中海水的液面下降至第二液位电极400的位置时，控制打开阀门200，气体收集室100内的气体被排空，同时气体收集室100内海水液面上升至第一液位电极300的位置；
S30.控制阀门200关闭，向上渗漏的天然气再次进入到气体收集装置中进行下一次气体收集；
S40.循环步骤S10～S30，阀门200打开一次数据记录仪记录一次，同时记录阀门200打开时的时间，获得阀门200打开的次数和阀门200打开时的时间；
S50.通过步骤S40中阀门200打开的次数和阀门200打开时的时间，计算获得总的天然气流量值，根据记录的阀门200打开的时间间隔，获得阀门200打开间隔内天然气平均流量值。
经过以上步骤，采用排水集气法测量得到海底烃类天然气流量，不仅能够用于浅海海底天然气渗漏原位流量在线测量，而且能够用于深海海底天然气渗漏原位流量在线测量，循环测量可有效减小流量的测量误差。
显然，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.海底烃类天然气流量测量装置，其特征在于，包括与气泡收集装置连接的气体收集室(100)、与气体收集室(100)连通设置的阀门(200)以及用于指示气体收集室(100)内液位变化的第一液位电极(300)、第二液位电极(400)，所述阀门(200)设于气体收集室(100)的顶部，所述第一液位电极(300)设于气体收集室(100)的顶部，第二液位电极(400)设于气体收集室(100)的底部，所述气体收集室(100)设有排水口。
2.根据权利要求1所述的海底烃类天然气流量测量装置，其特征在于，所述第一液位电极(300)与第二液位电极(400)结构相同，包括一体设置且内部连通设有腔体(401)的固定座(402)及连接杆(403)，所述连接杆(403)穿过气体收集室(100)与固定件(404)连接，所述腔体(401)内设有信号连接的探针(405)及线缆(406)，所述探针(405)的一端伸入气体收集室(100)内设置。
3.根据权利要求2所述的海底烃类天然气流量测量装置，其特征在于，所述固定座(402)的端面与气体收集室(100)内部接触设置，所述固定座(402)的端面设有沟槽(407)，所述沟槽(407)内设有密封圈(408)。
4.根据权利要求2所述的海底烃类天然气流量测量装置，其特征在于，所述连接杆(403)外壁设有外螺纹(409)，所述固定件(404)内设有与外螺纹(409)配合的内螺纹。
5.根据权利要求2至4任一项所述的海底烃类天然气流量测量装置，其特征在于，所述探针(405)为两组，两组探针(405)平行设置。
6.根据权利要求5所述的海底烃类天然气流量测量装置，其特征在于，所述腔体(401)内填充有密封材料(410)。
7.根据权利要求5所述的海底烃类天然气流量测量装置，其特征在于，所述线缆(406)设有第一输出端(411)和第二输出端(412)，所述第一输出端(411)接地设置，所述第二输出端(412)连接于电阻(413)的一端，电阻(413)的另一端连接电源，所述第二输出端(412)还连接有与检测控制芯片(500)连接的电压检测端(414)。
8.根据权利要求7所述的海底烃类天然气流量测量装置，其特征在于，所述电阻(413)的阻值R按下式计算：
Vil/R0＝(Vcc-Vil)/R
式中，R0为海水导通电阻阻值，Vil为低电平输入电压电压值，Vcc为电源输入电压电压值。
9.海底烃类天然气流量测量系统，其特征在于，包括检测控制芯片(500)及如权利要求1至8任一项所述的海底烃类天然气流量测量装置，所述第一液位电极(300)、第二液位电极(400)连接于检测控制芯片(500)的输入端，所述阀门(200)连接于检测控制芯片(500)的输出端，所述检测控制芯片(500)连接有存储模块(600)。
10.海底烃类天然气流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10.向上渗漏的天然气通过气泡收集装置进入到气体收集室(100)中，气体收集室(100)内海水向下排除；
S20.当步骤S10中海水的液面下降至第二液位电极(400)的位置时，控制打开阀门(200)，气体收集室(100)内的气体被排空，同时气体收集室(100)内海水液面上升至第一液位电极(300)的位置；
S30.控制阀门(200)关闭，向上渗漏的天然气再次进入到气体收集装置中进行下一次气体收集；
S40.循环步骤S10～S30，阀门(200)打开一次数据记录仪记录一次，同时记录阀门(200)打开时的时间，获得阀门(200)打开的次数和阀门(200)打开时的时间；
S50.通过步骤S40中阀门(200)打开的次数和阀门(200)打开时的时间，计算获得总的天然气流量值，根据记录的阀门(200)打开的时间间隔，获得阀门(200)打开间隔内天然气平均流量值。
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