CN110387276B - 一种喷射式页岩气水合物浆液快速合成装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种喷射式页岩气水合物浆液快速合成装置及方法，属于天然气水合物应用技术领域。安装微孔隔离板，一方面不同反应室可同时反应，另一方面上级反应室的水合物颗粒可为下级反应提供结晶中心，水合物反应器等效为两个反应器串联与并联；反应室设置两个喷射器，通过流量控制阀控制管路水量，形成周期性水流喷射；水合物反应器内设置搅动器、导向器、滑动线及滑轮，通过反应室周期性水流喷射，可实现双向螺旋式搅动。本发明提供了一种喷射式页岩气水合物浆液快速合成方法，通过遗传模糊控制算法控制系统的压力、温度、气液流量及阀门开度，结合系统双向螺旋式搅动，实现水合物浆液快速合成，为页岩气集输系统提供一种天然气输送新途径。

Description

一种喷射式页岩气水合物浆液快速合成装置及方法

技术领域

本发明涉及一种喷射式页岩气水合物浆液快速合成装置及方法，属于天然气水合物应用技术领域。

背景技术

页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气，其主要成分为甲烷。页岩气田集输流程为：页岩气井通过采气管线输至多井井场，经过预处理后，距离集气站较远井组通过集气支线与集气干线相连接，输至集气站进行最终处理，距离集气站较近的井组则直接进入集气站。

由于页岩气开发具有生产初期压降快、稳产产量低、在低压阶段生产时间长等特点，其地面工程在规划设计时也具有区别于常规气田的特殊性与难点。例如，页岩气管网储运技术中存在的“地面集输设计规模难确”、“低压单井倒灌”、“新接入气井影响管网运行稳定性”、“后期增压开采”等问题。

为避免不同生产阶段内页岩气田集输系统出现上述的问题，可通过天然气水合物储运技术进行页岩气的集输与处理。该技术是近年来一项新兴发展的技术，1m³水合物储存150～180m³天然气，其核心思想是利用水和天然气在高压低温下形成固态的水合物，利用水合物的自保护效性，令水合物在低温常压下长期储存并运输。由于该技术具有工艺简单，生产成本较低，合成及储运工艺不需要很苛刻的压力和温度条件、良好的自我储存能力、自保护效应强及稳定性高等优点，使其相对于管道运输、LNG、CNG、ANG等储运技术更加具有优势。

但目前水合物储运天然气的技术还不够完善，水合物生成效率不高，如何高效生成水合物成为一大难题。针对该问题国内外已就一系列技术问题作了大量的开发研究：

专利“一种制造天然气水合物的方法”，2013105580668，公开公告号CN103571557A，提出了一种由三段构成的多段式鼓泡反应器，气、水在下段管内流动和反应，壳侧提供冷量在反应管内形成冷阱移除反应热。目前从单纯采用的鼓泡法作为强化手段的生成实验结果来看，水合物的生成速率较低，距工业生产距离较大。

专利“复合式水合物制备用反应器”，201711176893.5，公开公告号CN 107875991A，在壳体内设置喷淋结构、鼓泡结构和搅拌结构，喷淋结构和鼓泡结构相对而设，搅拌结构设置于壳体内中下部，以解决水合物生成效率低的问题，但搅拌器动力消耗和叶轮大小的5次方成正比，要将反应器运用到工业生产当中时无法简单地放大，否则会带来较大的能量消耗。

专利“一种基于脉冲式注水与连续喷雾的水合物浆生成方法与系统”，201910074051.1，公开公告号CN 109675498 A，该水合物浆合成系统通过反应器上层连续喷雾增加气液接触面积，下层脉冲式注水增强流体扰动，但反应器内气液混合物难以获得足够的扰动，体系的传质、传热过程慢，流程生产效率不高。

为此，设计一种喷射式页岩气水合物浆液快速合成装置及方法，以实现天然气水合物连续、快速、高效制备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种喷射式页岩气水合物浆液快速合成装置及方法，结合国内外页岩气生产特点特殊性，综合分析其地面工程的规划设计与生产运行中面临的挑战与难点，设计一种喷射式页岩气水合物浆液快速合成装置，以解决水合物反应器内气液混合物间扰动弱、生产速率低、流程生产效率不高等问题，为页岩气集输系统提供一种天然气输送新途径。

本发明主要解决以下问题：

(1)设计喷射单元，每个反应室设置两个喷射器，通过流量控制阀实现周期性水流喷射，为旋流搅动单元提供动力。

(2)设计旋流搅动单元，在水流喷射作用下，导向器带动搅动器进行螺旋轴向搅动运动，相邻反应室内搅动器在滑动线带动下进行反方向的螺旋轴向搅动运动。

(3)反应室顶部安装两组弧形雾化喷淋器，将水以水雾形式喷入反应系统，底部设置两组鼓泡器，页岩气以鼓泡方式进行反应系统，以增大气液接触面积。

(4)提出一种喷射式页岩气水合物浆液快速合成方法，将水合物生成速率修正计算值与水合物生成速率设定值进行对比，通过遗传模糊控制算法对系统压力、温度、气液流量及阀门开度进行控制，实现水合物浆液高效、快速合成。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种喷射式页岩气水合物浆液快速合成装置，包括雾化喷淋单元、喷射单元、鼓泡单元、水合反应单元、旋流搅动单元、排液单元、数据监测控制单元；

所述雾化喷淋单元、喷射单元位于水合反应单元顶部，所述鼓泡单元位于水合反应单元底部，所述水合反应单元内部设有旋流搅动单元，通过数据监测控制单元控制水合反应单元生产参数，生成的水合物浆液通过排液单元排出；

所述雾化喷淋单元包括第一进液管101、第一雾化喷淋器201、第二雾化喷淋器202、第三雾化喷淋器203、第四雾化喷淋器204，所述喷射单元包括第二进液管102、第三进液管103、第一喷射器301、第二喷射器302、第三喷射器303、第四喷射器304，所述的鼓泡单元包括进气管4、第一鼓泡器501、第二鼓泡器502、第三鼓泡器503、第四鼓泡器504，所述水合反应单元包括水合物反应器6、微孔隔离板7、外筒81、保温夹层82、冷剂进液管9、冷剂出液管10，所述旋流搅动单元包括第一螺旋导轨111、第二螺旋导轨112、第一导向器121、第二导向器122、第一搅动器131、第二搅动器132、第三搅动器133、第四搅动器134，第一滑动线141、第二滑动线142、第三滑动线143、第四滑动线144、第一滑轮145、第二滑轮146、第三滑轮147，所述排液单元包括浆液外排管15，所述数据监测控制单元包括数据采集模块、数据传输模块、数据处理模块、数据储存模块、参数控制模块；

所述水合物反应器6外部依次设有外筒81、保温夹层82，下部通过保温夹层82与冷剂进液管9连接，上部通过保温夹层82与冷剂出液管10连接，顶部设有第一进液管101、第二进液管102、第三进液管103，底部设有进气管4，内部安装的微孔隔离板7将水合物反应器6分为左反应室、右反应室，所述的第一进液管101与第一雾化喷淋器201、第二雾化喷淋器202、第三雾化喷淋器203、第四雾化喷淋器204连接，所述的第二进液管102与第一喷射器301、第二喷射器302连接，所述的第三进液管103与第三喷射器303、第四喷射器304连接，所述的进气管4与第一鼓泡器501、第二鼓泡器502、第三鼓泡器503、第四鼓泡器504连接，所述的第一导向器121位于左反应室，安装在第一螺旋导轨111上，上部设有第一搅动器131，下部设有第二搅动器132，通过第一滑动线141与第二滑轮146连接，所述的第二导向器122位于右反应室，安装在第二螺旋导轨112上，上部设有第三搅动器133，下部设有第四搅动器134，通过第四滑动线144与第三滑轮147连接，所述的第一滑轮145通过第二滑动线142与第二滑轮146连接，通过第三滑动线143与第三滑轮147连接，所述右反应室上部设有浆液外排管15。

进一步的，所述的第一雾化喷淋器201是一根弧形的喷淋管，所述喷淋管设有若干直径为2～5mm的微孔，其圆心角度为30°～80°；

所述第二雾化喷淋器202、第三雾化喷淋器203、第四雾化喷淋器204是与第一雾化喷淋器201的规格大小完全相同的喷淋器。

进一步的，所述的第一雾化喷淋器201与第二雾化喷淋器202安装在左反应室，二者间的夹角为30°～60°，所述的第三雾化喷淋器203与第四雾化喷淋器204安装在右反应室，二者间的夹角为30°～60°。

进一步的，所述的第一喷射器301由进液支管311、进液喷头312组成，所述的进液支管311上设有两个进液喷头312，所述进液喷头312设有3个10～15mm的喷嘴；

所述第二喷射器302、第三喷射器303、第四喷射器304是与第一喷射器301的规格大小完全相同的喷射器。

进一步的，所述的第一喷射器301与第二喷射器302安装在左反应室，二者间的夹角为30°～60°所述的第三喷射器303与第四喷射器304安装在右反应室，二者间的夹角为30°～60°。

进一步的，所述的第一鼓泡器501与第二鼓泡器502安装在左反应室，二者间的夹角为30°～60°，所述的第三鼓泡器503与第四鼓泡器504安装在右反应室，二者间的夹角为30°～60°。

进一步的，所述的第一导向器121、第二导向器122与水平方向的夹角为-5°～5°。

进一步的，所述的第一搅动器131是内径、外径同步减小的螺旋状搅动器；

所述第二搅动器132、第三搅动器133、第四搅动器134是与第一搅动器131规格大小完全相同的搅动器。

一种喷射式页岩气水合物浆液快速合成方法，具体包括以下步骤；

S1、气流量分配：经集气管线汇集的页岩气通过进气管4均匀分配至第一鼓泡器501、第二鼓泡器502、第三鼓泡器503、第四鼓泡器504，以鼓泡形式进入水合物反应器6；

S2、水量分配：储液箱中的水经水泵增压后，通过第一流量分配阀对进入第一进液管101的水量分配，通过控制第二流量分配阀、第三流量分配阀的启闭操作，控制水流在第二进液管102、第三进液管103的流向；

S3、水雾喷射：进入第一进液管101的水均匀分配至第一雾化喷淋器201、第二雾化喷淋器202、第三雾化喷淋器203、第四雾化喷淋器204，并以水雾形式进入水合物反应器6；

S4、水流喷射：开启第二流量分配阀，关闭第三流量分配阀，水泵增压后的水进入第二进液管102，通过第一喷射器301、第二喷射器302以水流方式喷射进入水合反应单元，关闭第二流量分配阀，开启第三流量分配阀，水泵增压后的水进入第三进液管103，通过第三喷射器303、第四喷射器304以水流方式喷射进入水合反应单元；

S5、双向搅动：当第一喷射器301、第二喷射器302喷射水流至第一导向器121，第一搅动器131、第二搅动器132随第一导向器121沿第一螺旋导轨111进行旋转式的向下运动，在第三滑动线143、第四滑动线144的向上拉力下，第三搅动器133、第四搅动器134随第二导向器122沿第二螺旋导轨112进行旋转式的向上运动，同样的当第三喷射器303、第四喷射器304喷射水流至第二导向器122，第三搅动器133、第四搅动器134进行旋转式的向下运动，第一搅动器131、第二搅动器132进行旋转式的向上运动；

S6、水合物浆液制备：通过参数控制模块，将水合反应单元的压力、温度、过冷度参数控制在水合物生成条件以下，页岩气与水通过传热传质作用生成水合物浆液；

S7、参数采集：通过压力传感器、温度传感器、气液流量传感器及阀门开度传感器将水合反应过程的压力、温度、气液流量、阀门开度参数输送至数据处理模块；

S8、水合物生成速率、生成量计算：基于水合物动力学模型CSMHyK，进行页岩气水合物的生成速率、生成量预测，结合天然气纯组分的水合热及反应系统的温度参数变化情况，对页岩气水合物的生成速率、生成量进行修正计算，得到实际的水合物生成速率与生成量；

γ_s＝α·γ

M_s＝γ_s·V·ΔT

式中γ——CSMHyK模型计算的水合物生成速率，kg/(m³.s)；

γ_s——水合物实际生成速率，kg/(m³.s)；

α——生成速率修正系数；

M_s——水合物实际生成量，kg；

ΔT——页岩气进行水合反应时间，s；

ΔH_t——CSMHyK模型计算的理论水合热，kJ/s；

ΔH——根据页岩气组成计算的理论水合热，kJ/mol；

V——反应器容积，m³；

ΔH_s——水合物反应器实际放热量，包括外部冷剂与水的吸热量两部分，kJ/mol；

S9、反应参数控制：将实际的水合物生成速率值与系统设定的水合物生成速率值进行比较，当实际值大于系统设定值时，将此时的压力、温度、气液流量、阀门开度及水合物生成速率参数储存在数据储存模块，作为参数控制系统设定值备选方案，当实际值小于系统设定值时，采用遗传模糊控制方法对系统的压力、温度、气液流量及阀门开度进行控制，使系统的压力、温度及系统的搅动速率保持在水合物浆液快速合成条件下。

进一步的，步骤S9中所述的遗传模糊控制方法具体包括以下步骤；

a1、系统输入和输出量的模糊集合论域划分：采用常用的二维模糊控制系统，以偏差e和偏差变化率e_c为输入变量，以控制量u为输出变量，设定模糊控制器的输入变量e、e_c和输出变量u的论域均为[-6，6]；

a2、量化因子、比例因子确定：根据系统输入和输出量的基本论域及模糊集合论域，确定输入参数的量化因子、输出参数的比例因子；

a3、模糊控制规则建立：将输入、输出变量均划分为7个模糊子集{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，分别对应负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，根据sugeno模糊模型制定出49条模糊控制规则；

a4、模糊控制规则改进：将偏差e划分为4个等级，在不同等级引入一个调整因子，组成4因子自适应模糊控制器，控制输出量u为；

式中，u表示控制输出量，e是量化后的变量偏差，e_c是量化后的变量偏差变化率，α₁、α₂、α₃、α₄为调整因子，0≦α₁≦α₂≦α₃≦α₄≦1；

a5、基于遗传算法的调整因子寻优：包括调整因子编码、种群适应度评价、遗传操作及解码操作；

a51、调整因子编码：采用二进制编码方法，将待优化参数α₁、α₂、α₃、α₄采用4个长度为10位的二进制编码串来表示，并依次连接，组成一个长度为40位的二进制编码串；

a52、种群适应度评价：计算随机生成初始种群中的个体适应度值，并按照由大到小的顺序进行排列；

式中，F表示适应度函数，t表示采样时间，︱e_(t)︱表示偏差的绝对值；

a53、遗传操作：通过确定式选择、单点交叉、基本位变异三种方法进行遗传选择、交叉、变异操作，计算个体的适应度值，判断是否需要引入新个体替换掉适应度值低的个体，直至满足进化终止规则后输出最优调整因子；

a54、解码操作：根据解码公式，对遗传算法寻优计算出的最优调整因子进行解码操作；

式中，α_i为调整因子，i值取1、2、3、4，u_min表示控制输出量下限值，u_max表示控制输出量上限值，b_j表示第j个基因位的值，n表示二进制编码长度；

a6、变量模糊化：根据输入变量偏差e和偏差变化率e_c及量化因子，计算出偏差e和偏差变化率e_c在基本论域上的量化等级n_i，通过三角形隶属度函数确定与量化等级n_i对应的模糊集合；

a7、模糊推理及反模糊化：按照Sum-Product推理法进行模糊推理，计算出输出控制模糊量，采用重心法将输出控制模糊量转化为精确量，最后将精确量与比例因子相乘，输出确定的控制信号u；

式中，y是输出控制模糊量转化后的精确量，w_i是输入变量对第i条规格的匹配度，u_i(x)是推理出的输出控制模糊量。

该发明的有益效果在于：

(1)每个反应室设置两个喷射器，通过流量控制阀进行周期性水流喷射控制，为旋流搅动单元提供动力，可减少典型水合物反应系统中的动力消耗，实现水合物工业化生产。

(2)在水流喷射作用下，导向器、滑动线带动左右反应室内的搅动器进行正向、反向的螺旋轴向搅动运动，结合系统中的微孔隔离板设计，可强化不同反应室间的流体扰动作用，增强系统的传热、传质作用。

(3)反应室顶部安装两组弧形雾化喷淋器，水以水雾形式喷入反应系统，底部设置两组鼓泡器，页岩气以鼓泡方式进行反应系统，可增大气液接触面积，提高水合物生成速率。

(4)提出一种喷射式页岩气水合物浆液快速合成方法，采用遗传模糊控制算法进行系统压力、温度、气液流量及阀门开度控制，以满足水合物生成过程中的压力、温度及过冷度等要求，实现水合物浆液高效、快速合成。

附图说明

图1是本发明实施例中页岩气水合物浆液快速合成工艺流程图。

图2是本发明实施例中页岩气水合物浆液快速合成装置的结构示意图。

图3是本发明实施例中页岩气水合物浆液快速合成装置的俯视图。

图4是本发明实施例中页岩气水合物浆液快速合成装置的“A-A”视图。

图5是本发明实施例中旋流搅动器的结构示意图。

图6是本发明实施例中旋流搅动单元的工作原理图。

图7是本发明实施例中遗传模糊控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

实施例

本实施例中，图1是本发明实施例中页岩气水合物浆液快速合成工艺流程图，图2是本发明实施例中页岩气水合物浆液快速合成装置的结构示意图。页岩气水合物浆液快速合成装置包括雾化喷淋单元、喷射单元、鼓泡单元、水合反应单元、旋流搅动单元、排液单元、数据监测控制单元，所述数据监测控制单元包括数据采集模块、数据传输模块、数据处理模块、数据储存模块、参数控制模块。

所述雾化喷淋单元、喷射单元位于水合反应单元顶部，所述鼓泡单元位于水合反应单元底部，所述水合反应单元内部设有旋流搅动单元，通过数据监测控制单元控制水合反应单元生产参数，生成的水合物浆液通过排液单元排出。

页岩气水合物浆液快速合成工艺流程为：页岩气井通过采气管线输至井丛平台，经过除砂撬CSQ进行除砂处理后，通过集气汇管汇合后以鼓泡形式进入水合物反应器，储水罐CSG中水增压后一部分通过第一流量分配阀V1进入雾化喷淋单元以水雾的形式进入水合物反应器，一部分水通过第二流量分配阀V2、第三流量分配阀V3的启闭状态进入喷射单元以水流喷射方式进入水合物反应器。数据采集模块通过数据传输模块将系统压力、温度、气液流量、阀门开启状态等信息传输至数据处理模块，根据页岩气水合物浆液快速合方法，进行水合物生成速率、生成量计算，相关参数及计算结果储存在数据储存模块，在参数控制模块水合物反应器压力、温度、过冷度控制，当其满足水合反应条件，页岩气与水在水合物反应器FYQ中快速生成水合物浆液，并通过水合物浆液分离器FLQ3进行浆液脱水稠化后进入浆液槽车CC，快速转运至终端用气点，通过卸车工艺卸载后储存在储罐CG中，经汽化器QHQ气化后供城市管网调峰使用。

图3是本发明实施例中页岩气水合物浆液快速合成装置的俯视图，图4是本发明实施例中页岩气水合物浆液快速合成装置的“A-A”视图。如图2～图4所示，所述雾化喷淋单元包括第一进液管101、第一雾化喷淋器201、第二雾化喷淋器202、第三雾化喷淋器203、第四雾化喷淋器204，所述喷射单元包括第二进液管102、第三进液管103、第一喷射器301、第二喷射器302、第三喷射器303、第四喷射器304，所述的鼓泡单元包括进气管4、第一鼓泡器501、第二鼓泡器502、第三鼓泡器503、第四鼓泡器504，所述水合反应单元包括水合物反应器6、微孔隔离板7、外筒81、保温夹层82、冷剂进液管9、冷剂出液管10，所述旋流搅动单元包括第一螺旋导轨111、第二螺旋导轨112、第一导向器121、第二导向器122、第一搅动器131、第二搅动器132、第三搅动器133、第四搅动器134，第一滑动线141、第二滑动线142、第三滑动线143、第四滑动线144、第一滑轮145、第二滑轮146、第三滑轮147，所述排液单元包括浆液外排管15，所述数据监测控制单元包括数据采集模块、数据传输模块、数据处理模块、数据储存模块、参数控制模块；

所述水合物反应器6外部依次设有外筒81、保温夹层82，下部通过保温夹层82与冷剂进液管9连接，上部通过保温夹层82与冷剂出液管10连接，顶部设有第一进液管101、第二进液管102、第三进液管103，底部设有进气管4，内部安装的微孔隔离板7将水合物反应器6分为左反应室、右反应室，所述的第一进液管101与第一雾化喷淋器201、第二雾化喷淋器202、第三雾化喷淋器203、第四雾化喷淋器204连接，所述的第二进液管102与第一喷射器301、第二喷射器302连接，所述的第三进液管103与第三喷射器303、第四喷射器304连接，所述的进气管4与第一鼓泡器501、第二鼓泡器502、第三鼓泡器503、第四鼓泡器504连接，所述的第一导向器121位于左反应室，安装在第一螺旋导轨111上，上部设有第一搅动器131，下部设有第二搅动器132，通过第一滑动线141与第二滑轮146连接，所述的第二导向器122位于右反应室，安装在第二螺旋导轨112上，上部设有第三搅动器133，下部设有第四搅动器134，通过第四滑动线144与第三滑轮147连接，所述的第一滑轮145通过第二滑动线142与第二滑轮146连接，通过第三滑动线143与第三滑轮147连接，所述右反应室上部设有浆液外排管15。

如图2所示，一方面，水合物反应器6的左反应室、右反应室在一定程度上相当于并联两个水合物反应器，页岩气以鼓泡形式进入左、右反应室，水以水雾形式进入左、右反应室，在一定的温度、压力条件下两个反应室同时进行水合反应。另一方面，水合物反应器6的左反应室、右反应室在一定程度上相当于串联两个水合物反应器，左反应室生成的水合物颗粒通过微孔进入右反应室，为右反应室的水合反应提供结晶中心，右反应室生成的水合物颗粒通过微孔进入左反应室，为左反应室的水合反应提供结晶中心。

如图2、图3所示，所述的第一雾化喷淋器201是一根弧形的喷淋管，所述喷淋管设有若干直径为2～5mm的微孔，其圆心角度为30°～80°。所述第二雾化喷淋器202、第三雾化喷淋器203、第四雾化喷淋器204是与第一雾化喷淋器201的规格大小完全相同的喷淋器。所述的第一喷射器301由进液支管311、进液喷头312组成，所述的进液支管311上设有两个进液喷头312，所述进液喷头312设有3个10～15mm的喷嘴。第二喷射器302、第三喷射器303、第四喷射器304是与第一喷射器301的规格大小完全相同的喷射器。

所述的第一雾化喷淋器201与第二雾化喷淋器202安装在左反应室，二者间的夹角为30°～60°，第三雾化喷淋器203与第四雾化喷淋器204安装在右反应室，二者间的夹角为30°～60°。所述的第一喷射器301与第二喷射器302安装在左反应室，二者间的夹角为30°～60°所述的第三喷射器303与第四喷射器304安装在右反应室，二者间的夹角为30°～60°。

如图4所示，所述的第一鼓泡器501与第二鼓泡器502安装在左反应室，二者间的夹角为30°～60°，所述的第三鼓泡器503与第四鼓泡器504安装在右反应室，二者间的夹角为30°～60°。

一种页岩气水合物浆液快速合成方法具体包括以下步骤；

S1、气流量分配：经集气管线汇集的页岩气通过进气管4均匀分配至第一鼓泡器501、第二鼓泡器502、第三鼓泡器503、第四鼓泡器504，以鼓泡形式进入水合物反应器6；

S2、水量分配：储液箱中的水经水泵增压后，通过第一流量分配阀对进入第一进液管101的水量分配，通过控制第二流量分配阀、第三流量分配阀的启闭操作，控制水流在第二进液管102、第三进液管103的流向；

S3、水雾喷射：进入第一进液管101的水均匀分配至第一雾化喷淋器201、第二雾化喷淋器202、第三雾化喷淋器203、第四雾化喷淋器204，并以水雾形式进入水合物反应器6；

S4、水流喷射：开启第二流量分配阀，关闭第三流量分配阀，水泵增压后的水进入第二进液管102，通过第一喷射器301、第二喷射器302以水流方式喷射进入水合反应单元，关闭第二流量分配阀，开启第三流量分配阀，水泵增压后的水进入第三进液管103，通过第三喷射器303、第四喷射器304以水流方式喷射进入水合反应单元；

S5、双向搅动：当第一喷射器301、第二喷射器302喷射水流至第一导向器121，第一搅动器131、第二搅动器132随第一导向器121沿第一螺旋导轨111进行旋转式的向下运动，在第三滑动线143、第四滑动线144的向上拉力下，第三搅动器133、第四搅动器134随第二导向器122沿第二螺旋导轨112进行旋转式的向上运动，同样的当第三喷射器303、第四喷射器304喷射水流至第二导向器122，第三搅动器133、第四搅动器134进行旋转式的向下运动，第一搅动器131、第二搅动器132进行旋转式的向上运动；

S6、水合物浆液制备：通过参数控制模块，将水合反应单元的压力、温度、过冷度参数控制在水合物生成条件以下，页岩气与水通过传热传质作用生成水合物浆液；

S7、参数采集：通过压力传感器、温度传感器、气液流量传感器及阀门开度传感器将水合反应过程的压力、温度、气液流量、阀门开度参数输送至数据处理模块；

S8、水合物生成速率、生成量计算：基于水合物动力学模型CSMHyK，进行页岩气水合物的生成速率、生成量预测，结合天然气纯组分的水合热及反应系统的温度参数变化情况，对页岩气水合物的生成速率、生成量进行修正计算，得到实际的水合物生成速率与生成量；

γ_s＝α·γ

M_s＝γ_s·V·ΔT

式中γ——CSMHyK模型计算的水合物生成速率，kg/(m³.s)；

γ_s——水合物实际生成速率，kg/(m³.s)；

α——生成速率修正系数；

M_s——水合物实际生成量，kg；

ΔT——页岩气进行水合反应时间，s；

ΔH_t——CSMHyK模型计算的理论水合热，kJ/s；

ΔH——根据页岩气组成计算的理论水合热，kJ/mol；

V——反应器容积，m³；

ΔH_s——水合物反应器实际放热量，包括外部冷剂与水的吸热量两部分，kJ/mol；

S9、反应参数控制：将实际的水合物生成速率值与系统设定的水合物生成速率值进行比较，当实际值大于系统设定值时，将此时的压力、温度、气液流量、阀门开度及水合物生成速率参数储存在数据储存模块，作为参数控制系统设定值备选方案，当实际值小于系统设定值时，采用遗传模糊控制方法对系统的压力、温度、气液流量及阀门开度进行控制，使系统的压力、温度及系统的搅动速率保持在水合物浆液快速合成条件下。

图5是本发明实施例中遗传模糊控制框图，其控制流程为：将传感器或变送器检测被控参数实际值y₁与系统监控参数设定值y₀进行比较，得到偏差e及偏差变化率e_c，根据模糊集合论域，确定输入参数的量化因子k_e、k_ec，根据模糊控制规则进行模糊推理确定控制量u，通过执行机构调节被控对象的被控参数。

在控制流程中的模糊控制规则中引入调整因子，采用遗传算法对调整因子进行寻优计算，形成一种遗传模糊控制方法，所述的遗传模糊控制方法具体包括以下步骤；

a1、系统输入和输出量的模糊集合论域划分：采用常用的二维模糊控制系统，以偏差e和偏差变化率e_c为输入变量，以控制量u为输出变量，设定模糊控制器的输入变量e、e_c和输出变量u的论域均为[-6，6]；

a2、量化因子、比例因子确定：根据系统输入和输出量的基本论域及模糊集合论域，确定输入参数的量化因子、输出参数的比例因子；

a3、模糊控制规则建立：将输入、输出变量均划分为7个模糊子集{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，分别对应负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，根据sugeno模糊模型制定出49条模糊控制规则；

a4、模糊控制规则改进：将偏差e划分为4个等级，在不同等级引入一个调整因子，组成4因子自适应模糊控制器，控制输出量u为；

式中，u表示控制输出量，e是量化后的变量偏差，e_c是量化后的变量偏差变化率，α₁、α₂、α₃、α₄为调整因子，0≦α₁≦α₂≦α₃≦α₄≦1；

a5、基于遗传算法的调整因子寻优：包括调整因子编码、种群适应度评价、遗传操作及解码操作；

a51、调整因子编码：采用二进制编码方法，将待优化参数α₁、α₂、α₃、α₄采用4个长度为10位的二进制编码串来表示，并依次连接，组成一个长度为40位的二进制编码串；

a52、种群适应度评价：计算随机生成初始种群中的个体适应度值，并按照由大到小的顺序进行排列；

式中，F表示适应度函数，t表示采样时间，︱e_(t)︱表示偏差的绝对值；

a53、遗传操作：通过确定式选择、单点交叉、基本位变异三种方法进行遗传选择、交叉、变异操作，计算个体的适应度值，判断是否需要引入新个体替换掉适应度值低的个体，直至满足进化终止规则后输出最优调整因子；

a54、解码操作：根据解码公式，对遗传算法寻优计算出的最优调整因子进行解码操作；

式中，α_i为调整因子，i值取1、2、3、4，u_min表示控制输出量下限值，u_max表示控制输出量上限值，b_j表示第j个基因位的值，n表示二进制编码长度；

a6、变量模糊化：根据输入变量偏差e和偏差变化率e_c及量化因子，计算出偏差e和偏差变化率e_c在基本论域上的量化等级n_i，通过三角形隶属度函数确定与量化等级n_i对应的模糊集合；

a7、模糊推理及反模糊化：按照Sum-Product推理法进行模糊推理，计算出输出控制模糊量，采用重心法将输出控制模糊量转化为精确量，最后将精确量与比例因子相乘，输出确定的控制信号u；

式中，y是输出控制模糊量转化后的精确量，w_i是输入变量对第i条规格的匹配度，u_i(x)是推理出的输出控制模糊量。

图6是本发明实施例中旋流搅动器的结构示意图。如图2、图6所示，所述的第一导向器121、第二导向器122与水平方向的夹角为-5°～5°。所述的第一搅动器131是内径、外径同步减小的螺旋状搅动器，第二搅动器132、第三搅动器133、第四搅动器134是与第一搅动器131规格大小完全相同的搅动器。

图7是本发明实施例中旋流搅动单元的工作原理图，如图所示，左反应室中的第一喷射器、第二喷射器喷射水流，右反应室中的第三喷射器、第四喷射器不工作，水流冲击在第一导向器上，第一搅动器、第二搅动器随第一导向器沿第一螺旋导轨向下做螺旋轴向运动，从b2位置点移动移动至b5位置点，第一滑动线逐渐变长，第四滑动线逐渐变短，第三搅动器、第四搅动器随第二导向器沿第二螺旋导轨向上做螺旋轴向运动，从c5位置点移动移动至c2位置点。左反应室的螺旋搅动器向下的做螺旋轴向运动，右反应室中的螺旋搅动器向上的做螺旋轴向运动，通过中间设置的微孔隔离板，流体间的扰动作用进一步强化。

同理，当右反应室中的第三喷射器、第四喷射器喷射水流，左反应室中的第一喷射器、第二喷射器不工作，左反应室的螺旋搅动器向上的做螺旋轴向运动，右反应室中的螺旋搅动器向下的做螺旋轴向运动。

以上所述是本发明的优选实施方式，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润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种喷射式页岩气水合物浆液快速合成装置，其特征在于：包括雾化喷淋单元、喷射单元、鼓泡单元、水合反应单元、旋流搅动单元、排液单元、数据监测控制单元；

所述雾化喷淋单元、喷射单元位于水合反应单元顶部，所述鼓泡单元位于水合反应单元底部，所述水合反应单元内部设有旋流搅动单元，通过数据监测控制单元控制水合反应单元生产参数，生成的水合物浆液通过排液单元排出；

所述雾化喷淋单元包括第一进液管(101)、第一雾化喷淋器(201)、第二雾化喷淋器(202)、第三雾化喷淋器(203)、第四雾化喷淋器(204)，所述喷射单元包括第二进液管(102)、第三进液管(103)、第一喷射器(301)、第二喷射器(302)、第三喷射器(303)、第四喷射器(304)，所述的鼓泡单元包括进气管(4)、第一鼓泡器(501)、第二鼓泡器(502)、第三鼓泡器(503)、第四鼓泡器(504)，所述水合反应单元包括水合物反应器(6)、微孔隔离板(7)、外筒(81)、保温夹层(82)、冷剂进液管(9)、冷剂出液管(10)，所述旋流搅动单元包括第一螺旋导轨(111)、第二螺旋导轨(112)、第一导向器(121)、第二导向器(122)、第一搅动器(131)、第二搅动器(132)、第三搅动器(133)、第四搅动器(134)，第一滑动线(141)、第二滑动线(142)、第三滑动线(143)、第四滑动线(144)、第一滑轮(145)、第二滑轮(146)、第三滑轮(147)，所述排液单元包括浆液外排管(15)，所述数据监测控制单元包括数据采集模块、数据传输模块、数据处理模块、数据储存模块、参数控制模块；

所述水合物反应器(6)外部依次设有外筒(81)、保温夹层(82)，下部通过保温夹层(82)与冷剂进液管(9)连接，上部通过保温夹层(82)与冷剂出液管(10)连接，顶部设有第一进液管(101)、第二进液管(102)、第三进液管(103)，底部设有进气管(4)，内部安装的微孔隔离板(7)将水合物反应器(6)分为左反应室、右反应室，所述的第一进液管(101)与第一雾化喷淋器(201)、第二雾化喷淋器(202)、第三雾化喷淋器(203)、第四雾化喷淋器(204)连接，所述第二进液管(102)与第一喷射器(301)、第二喷射器(302)连接，所述的第三进液管(103)与第三喷射器(303)、第四喷射器(304)连接，所述的进气管(4)与第一鼓泡器(501)、第二鼓泡器(502)、第三鼓泡器(503)、第四鼓泡器(504)连接，所述的第一导向器(121)位于左反应室，安装在第一螺旋导轨(111)上，上部设有第一搅动器(131)，下部设有第二搅动器(132)，通过第一滑动线(141)与第二滑轮(146)连接，所述的第二导向器(122)位于右反应室，安装在第二螺旋导轨(112)上，上部设有第三搅动器(133)，下部设有第四搅动器(134)，通过第四滑动线(144)与第三滑轮(147)连接，所述的第一滑轮(145)通过第二滑动线(142)与第二滑轮(146)连接，通过第三滑动线(143)与第三滑轮(147)连接，所述右反应室上部设有浆液外排管(15)；

所述的第一雾化喷淋器(201)是一根弧形的喷淋管，所述喷淋管设有若干直径为2～5mm的微孔，其圆心角度为30°～80°；

所述第二雾化喷淋器(202)、第三雾化喷淋器(203)、第四雾化喷淋器(204)是与第一雾化喷淋器(201)的规格大小完全相同的喷淋器；

所述的第一雾化喷淋器(201)与第二雾化喷淋器(202)安装在左反应室，二者间的夹角为30°～60°，所述的第三雾化喷淋器(203)与第四雾化喷淋器(204)安装在右反应室，二者间的夹角为30°～60°；

所述的第一喷射器(301)由进液支管(311)、进液喷头(312)组成，所述的进液支管(311)上设有两个进液喷头(312)，所述进液喷头(312)设有3个10～15mm的喷嘴；

所述第二喷射器(302)、第三喷射器(303)、第四喷射器(304)是与第一喷射器(301)的规格大小完全相同的喷射器。

2.根据权利要求1所述的喷射式页岩气水合物浆液快速合成装置，其特征在于：所述的第一喷射器(301)与第二喷射器(302)安装在左反应室，二者间的夹角为30°～60°所述的第三喷射器(303)与第四喷射器(304)安装在右反应室，二者间的夹角为30°～60°。

3.根据权利要求1所述的喷射式页岩气水合物浆液快速合成装置，其特征在于：所述的第一鼓泡器(501)与第二鼓泡器(502)安装在左反应室，二者间的夹角为30°～60°，所述的第三鼓泡器(503)与第四鼓泡器(504)安装在右反应室，二者间的夹角为30°～60°。

4.根据权利要求1所述的喷射式页岩气水合物浆液快速合成装置，其特征在于：所述的第一导向器(121)、第二导向器(122)与水平方向的夹角为-5°～5°。

5.根据权利要求1所述的喷射式页岩气水合物浆液快速合成装置，其特征在于：所述的第一搅动器(131)是内径、外径同步减小的螺旋状搅动器；

所述第二搅动器(132)、第三搅动器(133)、第四搅动器(134)是与第一搅动器(131)规格大小完全相同的搅动器。

6.一种喷射式页岩气水合物浆液快速合成方法，根据权利要求1至5任一项所述的一种喷射式页岩气水合物浆液快速合成装置实现，其特征在于，它包括以下步骤；

S1、气流量分配：经集气管线汇集的页岩气通过进气管(4)均匀分配至第一鼓泡器(501)、第二鼓泡器(502)、第三鼓泡器(503)、第四鼓泡器(504)，以鼓泡形式进入水合物反应器(6)；

S2、水量分配：储液箱中的水经水泵增压后，通过第一流量分配阀对进入第一进液管(101)的水量分配，通过控制第二流量分配阀、第三流量分配阀的启闭操作，控制水流在第二进液管(102)、第三进液管(103)的流向；

S3、水雾喷射：进入第一进液管(101)的水均匀分配至第一雾化喷淋器(201)、第二雾化喷淋器(202)、第三雾化喷淋器(203)、第四雾化喷淋器(204)，并以水雾形式进入水合物反应器(6)；

S4、水流喷射：开启第二流量分配阀，关闭第三流量分配阀，水泵增压后的水进入第二进液管(102)，通过第一喷射器(301)、第二喷射器(302)以水流方式喷射进入水合反应单元，关闭第二流量分配阀，开启第三流量分配阀，水泵增压后的水进入第三进液管(103)，通过第三喷射器(303)、第四喷射器(304)以水流方式喷射进入水合反应单元；

S5、双向搅动：当第一喷射器(301)、第二喷射器(302)喷射水流至第一导向器(121)，第一搅动器(131)、第二搅动器(132)随第一导向器(121)沿第一螺旋导轨(111)进行旋转式的向下运动，在第三滑动线(143)、第四滑动线(144)的向上拉力下，第三搅动器(133)、第四搅动器(134)随第二导向器(122)沿第二螺旋导轨(112)进行旋转式的向上运动，同样的当第三喷射器(303)、第四喷射器(304)喷射水流至第二导向器(122)，第三搅动器(133)、第四搅动器(134)进行旋转式的向下运动，第一搅动器(131)、第二搅动器(132)进行旋转式的向上运动；

S6、水合物浆液制备：通过参数控制模块，将水合反应单元的压力、温度、过冷度参数控制在水合物生成条件以下，页岩气与水通过传热传质作用生成水合物浆液；

S7、参数采集：通过压力传感器、温度传感器、气液流量传感器及阀门开度传感器将水合反应过程的压力、温度、气液流量、阀门开度参数输送至数据处理模块；

S8、水合物生成速率、生成量计算：基于水合物动力学模型CSMHyK，进行页岩气水合物的生成速率、生成量预测，结合天然气纯组分的水合热及反应系统的温度参数变化情况，对页岩气水合物的生成速率、生成量进行修正计算，得到实际的水合物生成速率与生成量；

γ_s＝α·γ

M_s＝γ_s·V·ΔT

式中γ——CSMHyK模型计算的水合物生成速率，kg/(m³.s)；

γ_s——水合物实际生成速率，kg/(m³.s)；

α——生成速率修正系数；

M_s——水合物实际生成量，kg；

ΔT——页岩气进行水合反应时间，s；

ΔH_t——CSMHyK模型计算的理论水合热，kJ/s；

ΔH——根据页岩气组成计算的理论水合热，kJ/mol；

V——反应器容积，m³；

ΔH_s——水合物反应器实际放热量，包括外部冷剂与水的吸热量两部分，kJ/mol；

S9、反应参数控制：将实际的水合物生成速率值与系统设定的水合物生成速率值进行比较，当实际值大于系统设定值时，将此时的压力、温度、气液流量、阀门开度及水合物生成速率参数储存在数据储存模块，作为参数控制系统设定值备选方案，当实际值小于系统设定值时，采用遗传模糊控制方法对系统的压力、温度、气液流量及阀门开度进行控制，使系统的压力、温度及系统的搅动速率保持在水合物浆液快速合成条件下。

7.根据权利要求6所述的喷射式页岩气水合物浆液快速合成方法，其特征在于：步骤S9中所述的遗传模糊控制方法具体包括以下步骤；

a1、系统输入和输出量的模糊集合论域划分：采用常用的二维模糊控制系统，以偏差e和偏差变化率e_c为输入变量，以控制量u为输出变量，设定模糊控制器的输入变量e、e_c和输出变量u的论域均为[-6，6]；

a2、量化因子、比例因子确定：根据系统输入和输出量的基本论域及模糊集合论域，确定输入参数的量化因子、输出参数的比例因子；

a3、模糊控制规则建立：将输入、输出变量均划分为7个模糊子集{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，分别对应负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，根据sugeno模糊模型制定出49条模糊控制规则；

a4、模糊控制规则改进：将偏差e划分为4个等级，在不同等级引入一个调整因子，组成4因子自适应模糊控制器，控制输出量u为；

式中，u表示控制输出量，e是量化后的变量偏差，e_c是量化后的变量偏差变化率，α₁、α₂、α₃、α₄为调整因子，0≦α₁≦α₂≦α₃≦α₄≦1；

a5、基于遗传算法的调整因子寻优：包括调整因子编码、种群适应度评价、遗传操作及解码操作；

a51、调整因子编码：采用二进制编码方法，将待优化参数α₁、α₂、α₃、α₄采用4个长度为10位的二进制编码串来表示，并依次连接，组成一个长度为40位的二进制编码串；

a52、种群适应度评价：计算随机生成初始种群中的个体适应度值，并按照由大到小的顺序进行排列；

式中，F表示适应度函数，t表示采样时间，︱e_(t)︱表示偏差的绝对值；

a53、遗传操作：通过确定式选择、单点交叉、基本位变异三种方法进行遗传选择、交叉、变异操作，计算个体的适应度值，判断是否需要引入新个体替换掉适应度值低的个体，直至满足进化终止规则后输出最优调整因子；

a54、解码操作：根据解码公式，对遗传算法寻优计算出的最优调整因子进行解码操作；

式中，α_i为调整因子，i值取1、2、3、4，u_min表示控制输出量下限值，u_max表示控制输出量上限值，b_j表示第j个基因位的值，n表示二进制编码长度；

a6、变量模糊化：根据输入变量偏差e和偏差变化率e_c及量化因子，计算出偏差e和偏差变化率e_c在基本论域上的量化等级n_i，通过三角形隶属度函数确定与量化等级n_i对应的模糊集合；

a7、模糊推理及反模糊化：按照Sum-Product推理法进行模糊推理，计算出输出控制模糊量，采用重心法将输出控制模糊量转化为精确量，最后将精确量与比例因子相乘，输出确定的控制信号u；

式中，y是输出控制模糊量转化后的精确量，w_i是输入变量对第i条规格的匹配度，u_i(x)是推理出的输出控制模糊量。