CN110658330B - 一种能源耦合模拟开采天然气水合物的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能源耦合模拟开采天然气水合物的装置，包括储液罐、抽液泵、第一阀门、反应釜、增压泵、压力传感器、真空泵、热交换排管、排气阀门、锅炉模拟器、汽轮机模拟器、发电机、气瓶、抽气泵、第二阀门及废液罐及注气管，该装置能够模拟热电厂冷却需要和天然气水合物开采的热激发耦合。
Description
技术领域
本发明属于天然气水合物开发模拟技术领域，涉及一种能源耦合模拟开采天然气水合物的装置。
背景技术
天然气水合物是一种蕴含巨大价值的潜在能源，资源潜力大，成功开采利用可以有效地缓解能源紧张，作为战略储备能源收到专家学者的高度重视。我国已在南海成功地进行了连续抽采，显示了较好的开发可行性。
天然气水合物的形成需要一定的温度、压力和气源等条件，主要分布在海底，我国目前已知的富集区位于青藏高原、祁连山、深海地区，地质资料程度差，勘探程度较低。天然气水合物开采过程中常遇到地层垮塌沉陷，大规模泄漏等现象，水合气藏温压变化快，气流不稳定，开发难度较大。一种有效的开发方式为地层升温，采用热激发开采法是直接对天然气水合物储层进行加热，使天然气水合物层的温度超过其平衡温度，从而促使天然气水合物分解为水与天然气，从而进行开发，这种方式需要大量的能源，而燃气电厂在发电的过程中高温蒸汽也需要借助冷却塔等来降温以便高效率地发电。两者若能结合可以起到较好的能量耦合，天然气水合物分解产生的CH4还可以作为燃气锅炉的燃料，目前尚未开展相关的研究工作，相关的模拟装置和机理还有待于进一步研究，目前热激发实验未能很好的解决利用效率低、只能局部加热的问题。
因此，有必要形成一种能源耦合模拟开采天然气水合物的装置及系统。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种能源耦合模拟开采天然气水合物的装置，该装置能够模拟热电厂冷却需要和天然气水合物开采的热激发耦合。
为达到上述目的，本发明所述的能源耦合模拟开采天然气水合物的装置包括储液罐、抽液泵、第一阀门、反应釜、增压泵、压力传感器、真空泵、热交换排管、排气阀门、锅炉模拟器、汽轮机模拟器、发电机、气瓶、抽气泵、第二阀门及废液罐及注气管；
反应釜位于恒温箱内，储液罐经抽液泵及第一阀门与反应釜相连通，反应釜内设置有加压活塞，增压泵经压力传感器与加压活塞相连接，真空泵与反应釜相连通，热交换排管位于反应釜内，反应釜内填充有若干不同直径的透明玻璃球，热交换排管淹没于透明玻璃球内；
反应釜的顶部开口分为两路，其中一路与排气阀门相连通，另一路与锅炉模拟器相连通，热交换排管的顶部开口与汽轮机模拟器的出口相连通，汽轮机模拟器的入口与锅炉模拟器的出口相连通，锅炉模拟器的入口与热交换排管的底部开口相连通；汽轮机模拟器与发电机相连接；
气瓶的出口经抽气泵分为两路，其中一路经第二阀门与废液罐相连通，另一路与注气管的下端相连通，注气管的上端自反应釜的底部插入于反应釜内，注气管上位于反应釜内的部分的侧面开设有通孔。
储液罐依次经第一导管、抽液泵、第二导管、第一流量计、第一阀门及第三导管与反应釜相连通。
第三导管连通有稳压阀。
增压泵依次经第一金属杆、压力传感器及第二金属杆与加压活塞相连接。
真空泵通过第四导管与反应釜相连通。
第二阀门经第五导管及排液管与废液罐相连通，其中，排液管插入于所述废液罐内。
气瓶依次经第三阀门、第六导管、第二流量计、第七导管、抽气泵、第八导管及第四阀门与注气管及第二阀门相连通。
汽轮机模拟器的入口经第九导管与锅炉模拟器的出口相连通；
热交换排管的顶部开口依次经第三流量计、第五阀门及第十导管与汽轮机模拟器的出口相连通；
锅炉模拟器经第十一导管与热交换排管的底部开口相连通；
反应釜的顶部开口分为两路，其中一路与排气阀门相连通，另一路依次经第十二导管、第四流量计及第六阀门与锅炉模拟器相连通。
汽轮机模拟器的输出轴经连杆与发电机相连接，发电机的输出端连接有电线。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的能源耦合模拟开采天然气水合物的装置在具体操作时，使用不同直径的透明玻璃球来模拟实际地层状态，使用热激发法实现循环注热，在真实模拟地层条件的基础上进行水合物生成的模拟，再模拟热激发法开采天然气水合物，产生的CH4气体作为发电燃料，可形成自生能量和燃料系统，从而将天然气水合物热激发开发方式与燃气热电厂所需冷却结合起来，实现模拟热电厂冷却需要和天然气水合物开采的热激发耦合的目的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为储液罐、2为第一导管、3为抽液泵、4为第二导管、5为第一流量计、6为第一阀门、7为第三导管、8为稳压阀、9为反应釜、10为增压泵、11为第一金属杆、12为压力传感器、13为第二金属杆、14为加压活塞、15为真空泵、16为第四导管、17为透明玻璃球、18为第二阀门、19为第五导管、20为排液管、21为废液罐、22为气瓶、23为第三阀门、24为第六导管、25为第二流量计、26为第七导管、27为抽气泵、28为第八导管、29为第四阀门、30为注气管、31为恒温箱、32为锅炉模拟器、33为第九导管、34为汽轮机模拟器、35为第十导管、36为第五阀门、37为第三流量计、38为热交换排管、39为第十一导管、40为第十二导管、41为第四流量计、42为第六阀门、43为连杆、44为发电机、45为电线、46为排气阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的能源耦合模拟开采天然气水合物的装置包括储液罐1、抽液泵3、第一阀门6、反应釜9、增压泵10、压力传感器12、真空泵15、热交换排管38、排气阀门46、锅炉模拟器32、汽轮机模拟器34、发电机44、气瓶22、抽气泵27、第二阀门18、废液罐21及注气管30；反应釜9位于恒温箱31内，储液罐1经抽液泵3及第一阀门6与反应釜9相连通，反应釜9内设置有加压活塞14，增压泵10经压力传感器12与加压活塞14相连接，真空泵15与反应釜9相连通，热交换排管38位于反应釜9内，反应釜9内填充有若干不同直径的透明玻璃球17，热交换排管38淹没于透明玻璃球17内；反应釜9的顶部开口分为两路，其中一路与排气阀门46相连通，另一路与锅炉模拟器32相连通，热交换排管38的顶部开口与汽轮机模拟器34的出口相连通，汽轮机模拟器34的入口与锅炉模拟器32的出口相连通，锅炉模拟器32的入口与热交换排管38的底部开口相连通；汽轮机模拟器34与发电机44相连接；气瓶22的出口经抽气泵27分为两路，其中一路经第二阀门18与废液罐21相连通，另一路与注气管30的下端相连通，注气管30的上端自反应釜9的底部插入于反应釜9内，注气管30上位于反应釜9内的部分的侧面开设有通孔。
储液罐1依次经第一导管2、抽液泵3、第二导管4、第一流量计5、第一阀门6及第三导管7与反应釜9相连通，第三导管7连通有稳压阀8。
增压泵10依次经第一金属杆11、压力传感器12及第二金属杆13与加压活塞14相连接；真空泵15通过第四导管16与反应釜9相连通；第二阀门18经第五导管19及排液管20与废液罐21相连通，其中，排液管20插入于所述废液罐21内。
气瓶22依次经第三阀门23、第六导管24、第二流量计25、第七导管26、抽气泵27、第八导管28及第四阀门29与注气管30及第二阀门18相连通；汽轮机模拟器34的入口经第九导管33与锅炉模拟器32的出口相连通；汽轮机模拟器34的输出轴经连杆43与发电机44相连接，发电机44的输出端连接有电线45。
热交换排管38的顶部开口依次经第三流量计37、第五阀门36及第十导管35与汽轮机模拟器34的出口相连通；锅炉模拟器32经第十一导管39与热交换排管38的底部开口相连通；反应釜9的顶部开口分为两路，其中一路与排气阀门46相连通，另一路依次经第十二导管40、第四流量计41及第六阀门42与锅炉模拟器32相连通。
储液罐1内盛有蒸馏水，气瓶22中装有CH4气体；各流量计的量程均为1000ml/min，精度为0.1ml/min，耐压50MPa；反应釜9的底部可以装入不同直径的透明玻璃球17，根据实际地质资料模拟不同地层，并便于天然气水合生产与分解观察；反应釜9的下部开视窗，恒温箱31为透明耐高压材质，以便于观察实验进展；压力传感器12的量程为0-50MPa，测量精度均为0.1MPa；注气管30伸入反应釜9部分的四周开有通孔，使气体和水充分混合；稳压阀8可以稳定反应釜9内部的压力，并防止反应釜9内部压力过大，稳压阀8的稳压范围为0-50MPa。
本发明的操作步骤为：
1)检测系统各部件是否完好无损；
2)将根据实验设计不同直径的透明玻璃球17按排列方式放入反应釜9的底部，通过恒温箱31设置恒温水浴箱的温度；
3)通过真空泵15使反应釜9中达到真空状态；
4)打开第一阀门6及抽液泵3，向反应釜9中注入蒸馏水；
5)根据实验设计打开第三阀门23和抽气泵27，向反应釜9中缓慢注入CH4气体；
6)根据实验设计通过增压泵10向反应釜9中加压，通过视窗观察天然气水合物成长实验反应过程，产生的天然气水合物气体进入到锅炉模拟器32中燃烧，以产生热蒸汽，多余的天然气水合物气体可以通过排气阀门46排出；
7)关闭第二阀门18，打开锅炉模拟器32，使锅炉模拟器32中产生的热蒸汽通过第九导管33带动汽轮机模拟器34转动，再通过连杆43带动发电机44发电，热蒸汽又通过第十导管35进入第五阀门36中冷凝后进入第三流量计37再流入锅炉模拟器32；天然气水合物分解产生的CH4通过第十二导管40进入锅炉模拟器32中作为燃料，通过控制流速，模拟开采天然气水合的可行性，研究控制因素；
8)分解实验结束后，打开第二阀门18排出废液，关闭所有仪器；
9)实验后处理，拆卸系统各实验仪器，清洗管路与设备；
10)实验后处理，拆卸系统各实验仪器，清洗管路与设备。
本发明克服了目前无法在实验室条件下模拟热激发法开采天然气水合物的缺点。利用实验室手段，在真实模拟地层条件的基础上进行水合物生成的模拟，再模拟热激发法开采天然气水合物，产生的CH4气体作为发电燃料，可形成自生能量和燃料系统。本发明创新性地使用不同直径的透明玻璃球17来模拟实际地层状态，使用热激发法实现循环注热，并将天然气水合物热激发开发方式与燃气热电厂所需冷却结合起来，并实现了水合物燃料利用，形成了新的利用思路和途径，具有较好的经济性和环保型。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明的实施范围，所以其等同组件的置换，或依本发明保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本发明涵盖的范畴。
Claims (5)
1.一种能源耦合模拟开采天然气水合物的装置，其特征在于，包括储液罐(1)、抽液泵(3)、第一阀门(6)、反应釜(9)、增压泵(10)、压力传感器(12)、真空泵(15)、热交换排管(38)、排气阀门(46)、锅炉模拟器(32)、汽轮机模拟器(34)、发电机(44)、气瓶(22)、抽气泵(27)、第二阀门(18)、废液罐(21)、恒温箱(31)及注气管(30)；
反应釜(9)位于恒温箱(31)内，储液罐(1)经抽液泵(3)及第一阀门(6)与反应釜(9)相连通，反应釜(9)内设置有加压活塞(14)，增压泵(10)经压力传感器(12)与加压活塞(14)相连接，真空泵(15)与反应釜(9)相连通，热交换排管(38)位于反应釜(9)内，反应釜(9)内填充有若干不同直径的透明玻璃球(17)，热交换排管(38)淹没于透明玻璃球(17)内；
反应釜(9)的顶部开口分为两路，其中一路与排气阀门(46)相连通，另一路与锅炉模拟器(32)相连通，热交换排管(38)的顶部开口与汽轮机模拟器(34)的出口相连通，汽轮机模拟器(34)的入口与锅炉模拟器(32)的出口相连通，锅炉模拟器(32)的入口与热交换排管(38)的底部开口相连通；汽轮机模拟器(34)与发电机(44)相连接；
气瓶(22)的出口经抽气泵(27)分为两路，其中一路经第二阀门(18)与废液罐(21)相连通，另一路与注气管(30)的下端相连通，注气管(30)的上端自反应釜(9)的底部插入于反应釜(9)内，注气管(30)上位于反应釜(9)内的部分的侧面开设有通孔；
储液罐(1)依次经第一导管(2)、抽液泵(3)、第二导管(4)、第一流量计(5)、第一阀门(6)及第三导管(7)与反应釜(9)相连通；
第三导管(7)连通有稳压阀(8)；
气瓶(22)依次经第三阀门(23)、第六导管(24)、第二流量计(25)、第七导管(26)、抽气泵(27)、第八导管(28)及第四阀门(29)与注气管(30)及第二阀门(18)相连通；
汽轮机模拟器(34)的入口经第九导管(33)与锅炉模拟器(32)的出口相连通；
热交换排管(38)的顶部开口依次经第三流量计(37)、第五阀门(36)及第十导管(35)与汽轮机模拟器(34)的出口相连通；
锅炉模拟器(32)经第十一导管(39)与热交换排管(38)的底部开口相连通；
反应釜(9)的顶部开口分为两路，其中一路与排气阀门(46)相连通，另一路依次经第十二导管(40)、第四流量计(41)及第六阀门(42)与锅炉模拟器(32)相连通。
2.根据权利要求1所述的能源耦合模拟开采天然气水合物的装置，其特征在于，增压泵(10)依次经第一金属杆(11)、压力传感器(12)及第二金属杆(13)与加压活塞(14)相连接。
3.根据权利要求1所述的能源耦合模拟开采天然气水合物的装置，其特征在于，真空泵(15)通过第四导管(16)与反应釜(9)相连通。
4.根据权利要求3所述的能源耦合模拟开采天然气水合物的装置，其特征在于，第二阀门(18)经第五导管(19)及排液管(20)与废液罐(21)相连通，其中，排液管(20)插入于所述废液罐(21)内。
5.根据权利要求1所述的能源耦合模拟开采天然气水合物的装置，其特征在于，汽轮机模拟器(34)的输出轴经连杆(43)与发电机(44)相连接，发电机(44)的输出端连接有电线(45)。
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