CN110793980A - 一种复合馈入式微波强化非常规天然气解吸的试验装置及试验方法 - Google Patents

一种复合馈入式微波强化非常规天然气解吸的试验装置及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合馈入式微波强化非常规天然气解吸的试验装置及试验方法，通过波导‑天线复合馈入式微波作用于试样，解决微波对试样辐射不均匀问题，改善微波辐射效果；该装置包括波导‑天线复合馈入式微波系统、气体吸附解吸系统；波导‑天线复合馈入式微波系统包括微波智能调节器、微波发生器、波导管、石英玻璃和微波天线；气体吸附解吸系统包括耐高压气体吸附解吸罐等。控水组件可模拟在不同含水饱和度煤岩体中非常规天然气的吸附解吸情况；耐高压气体吸附解吸罐可模拟不同压力气体在煤岩体中的吸附解吸过程；控制微波智能调节器，可模拟恒定微波功率作用下试样的气体解吸情况，也可以模拟恒定温度下试样的气体解吸情况。

Description

一种复合馈入式微波强化非常规天然气解吸的试验装置及试 验方法
技术领域
本发明涉及一种复合馈入式微波强化非常规天然气解吸的试验装置及试验方法，尤其涉及一种可控复合馈入式微波辐射和模拟试样含水的试验装置，属于非常规天然气解吸试验技术。
背景技术
预抽煤层瓦斯是矿井瓦斯灾害防治、抽采煤层瓦斯和减少矿区温室气体排放的有效方法之一。据统计，我国72％的煤矿所开采的煤层都是低渗透煤层，占瓦斯含量90％以上的吸附瓦斯在瓦斯抽采过程中难以解吸，造成了煤层瓦斯抽采率普遍偏低，使得低渗透煤层瓦斯抽采成为了煤矿瓦斯灾害防治中急需解决的技术难题。
近年来，以可控源微波辐射法等为代表的通过促进煤层瓦斯解吸与扩散来提高煤层瓦斯抽采率的物理场激励法得到了广泛关注。虽然微波技术在煤矿的磨矿、浮选、煤热解等领域已有应用；但其在煤层瓦斯强化抽采领域的应用，尚处于理论探索阶段。为了探索与研究微波辐射下含水分煤岩体的气体解吸与扩散规律，迫切需要一种微波强化煤岩体气体解吸的试验装置。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种复合馈入式微波强化非常规天然气解吸的试验装置及试验方法，是一种可以将微波高效馈入煤岩体的“波导-天线”复合馈入式微波试验装置，并能够对气体解吸过程、微波参量、温度进行自动监测控制；该装置在实现微波高效馈入煤岩体的同时，还可模拟研究微波对含水分煤岩体中气体解吸的影响，探索微波辐射下气体解吸的影响因素和规律，为非常规天然气微波激励技术的现场应用提供理论依据与技术支撑。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种复合馈入式微波强化非常规天然气解吸的试验装置，包括气体吸附解吸系统、波导-天线复合馈入式微波系统和测量控制系统；
所述气体吸附解吸系统包括耐高压气体吸附解吸罐、耐压管路、真空泵、集气瓶、注气瓶和废气收集瓶，在耐高压气体吸附解吸罐上设置有连通内腔的注水孔和进出气孔，耐压管路包括一条主管路和三条支管路，主管路的一端与进出气孔密封连接，主管路的另一端同时连通三条支管路的一端，三条支管路的另一端分别连通废气收集瓶、集气瓶和注气瓶；
在耐压管路的主管路上设置有放空阀和压力计Ⅰ，在连接废气收集瓶的支管路上设置有真空泵、真空阀和真空计和阀门Ⅲ，在连接集气瓶的支管路上设置有阀门Ⅰ、冷却罐和气体流量计，冷却罐放入冷水槽中，在连接注气瓶的支管路上设置有阀门Ⅱ和压力计Ⅱ；
所述波导-天线复合馈入式微波系统包括石英玻璃、微波天线、波导管、微波发生器和微波智能调节器，通过微波智能调节器调节微波发生器产生的微波参量，微波发生器产生的微波通过微波天线传导；石英玻璃覆盖在耐高压气体吸附解吸罐罐盖的外表面，并与耐高压气体吸附解吸罐的内腔密封连接，微波天线的一端与微波发生器连接，另一端穿过石英玻璃从耐高压气体吸附解吸罐罐盖上的天线孔伸入耐高压气体吸附解吸罐的内腔，耐高压气体吸附解吸罐的内腔、波导管和石英玻璃的轴线在同一条直线上，且所有微波天线环绕该直线均匀分布；石英玻璃可将波导管中的微波在竖直方向均匀馈入耐高压气体吸附解吸罐，同时微波天线可将微波发生器产生的微波导入试样的周向，实现试样的立体均匀辐射；
所述测量控制系统包括监测控制器、温度传感器、真空计、气体流量计和压力计，温度传感器设置在耐高压气体吸附解吸罐的内腔；温度传感器、气体流量计和微波智能调节器均与监测控制器信号连通。监测控制器对整个试验装置和系统进行监测和控制；温度传感器对耐高压气体吸附解吸罐中的温度进行监测；气体流量计对试样解吸出的气体进行测量；压力计对注气过程管道中的气体压力进行监测；真空计对真空泵进行气体抽排时的真空度进行监测。
本案中，注气瓶为试样提供吸附气体；真空泵用于抽采耐压管路及耐高压气体吸附解吸罐中的空气；冷却罐用于降低从耐高压气体吸附解吸罐排出的气体温度；注水槽用于向耐高压气体吸附解吸罐中注水，使试样含水，模拟试样的含水条件；废气收集瓶用于收集从管道和耐高压气体吸附解吸罐中抽出的空气，以及试验中产生的废弃气体。
具体的，还包括微波盒体、降温风扇和高压转化器，微波发生器、降温风扇和高压转化器均安装在微波盒体内，波导管的一端穿过微波盒体与微波发生器连接，另一端与耐高压气体吸附解吸罐罐盖连接。降温风扇用于降低微波发生器工作时的温度；高压转化器用于调节微波发生器的电压；微波智能调节器用于自动调节微波功率；波导管用于传导微波发生器产生的微波。
具体的，还包括注水槽，注水槽通过注水管道与注水孔连通，在注水管道上设置有阀门Ⅳ。
一种基于复合馈入式微波强化非常规天然气解吸的试验装置的试验方法，包括如下步骤：
(a)将注水管道、温度传感器和耐压管路分别通过注水孔、信号孔和进出气孔与耐高压气体吸附解吸罐的内腔接通；
(b)将试样放入耐高压气体吸附解吸罐的内腔，在耐高压气体吸附解吸罐的盖口处涂抹密封胶后盖上罐盖，使用紧固螺丝固定；
(c)首先，取下注气瓶，在其接口上连接一台气泵，打开阀门Ⅱ并保持其他阀门关闭，开启气泵向耐高压气体吸附解吸罐内注入同试验吸附瓦斯相同压力的空气；关闭阀门Ⅱ，通过观察压力计Ⅰ指数是否有变化，保证装置的气密性完好后取下气泵，换上注气瓶；然后，打开真空阀和阀门Ⅲ并保持其他阀门关闭，开启真空泵排出耐高压气体吸附解吸罐、试样和耐压管路中的气体到废气收集瓶(15)；最后，关闭真空阀和真空泵和阀门Ⅲ；
(d)打开真空计和阀门Ⅳ，向耐高压气体吸附解吸罐中注入预定体积的水，然后关闭真空计和阀门Ⅳ；该步骤的目的是模拟微波作用下含水分煤岩体的气体解吸规律，在不考虑煤岩体含水环境时，可省略此步骤；
(e)打开阀门Ⅱ和甲烷注气瓶的开关，向耐高压气体吸附解吸罐注入试验气体，使试样吸附气体24至48小时；在试样充分吸附试验气体后，关闭阀门Ⅱ和注气瓶的开关，打开放空阀并保持其它阀门关闭，待管路中气体排空后关闭放空阀；
(f)在监测控制器上设定试验程序：
当设定恒定功率对试样进行微波辐射时，开启微波发生器，按照恒定功率对试样进行微波辐射，打开阀门Ⅰ，通过气体流量计记录试验气体解吸量的变化，当气体解吸量小于2ml/min时，即认为解吸停止，关闭微波发生器；
当设定恒定温度范围对试样进行微波辐射时，开启微波发生器，对试样进行微波辐射，打开阀门Ⅰ，通过气体流量计记录试验气体解吸量的变化，当达到试验温度范围，温度传感器将信号传递到监测控制器后，监测控制器通过试验程序作用于微波智能调节器从而自动调节微波功率，使试验温度保持在试验温度范围，当气体解吸量小于2ml/min时，即认为解吸停止，关闭微波发生器，关闭阀门Ⅰ；
(g)由监测控制器对已获取试验数据进行后处理并导出，分析微波辐射下试样的气体解吸规律。
有益效果：本发明提供的复合馈入式微波强化非常规天然气解吸的试验装置及试验方法，具有如下优势：1、该试验装置可开展不同微波功率、含水饱和度、温度范围和气体吸附压力条件下试样的气体解吸试验；2、该试验装置可通过石英玻璃、天线将微波复合馈入到耐高压气体吸附解吸罐中，使试样所受微波辐射均匀，改善微波辐射效果，提高微波作用效率；3、该试验装置可实现微波辐射下含水分煤岩体的气体解吸规律的研究；4、该试验装置通过控制微波智能调节器，既可实现对恒定微波功率下试样的气体解吸过程进行研究，也可模拟恒定温度下试样中气体解吸规律。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中包括：1-耐高压气体吸附解吸罐；2-温度传感器；3-耐压管；4-真空阀；5-真空计；6-真空泵；7-监测控制器；8-集气瓶；9-气体流量计；10-冷却罐；11-阀门Ⅰ；12-注气瓶；13-压力计Ⅱ；14-阀门Ⅱ；15-废气集气瓶；16-阀门Ⅲ；17-微波智能调节器；18-放空阀；19-信号孔；20-进出气孔；21-高压转化器；22-降温风扇；23-微波发生器；24-波导管；25-石英玻璃；26-注水槽；27-阀门Ⅳ；28-紧固螺丝；29-注水孔；30-微波天线；31-试样；32-压力计Ⅰ；33-微波盒体；34-注水管道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种复合馈入式微波强化非常规天然气解吸的试验装置，包括气体吸附解吸系统、波导-天线复合馈入式微波系统和测量控制系统。
所述气体吸附解吸系统包括耐高压气体吸附解吸罐1、耐压管路3、真空泵6、集气瓶8、注气瓶12和废气收集瓶15，在耐高压气体吸附解吸罐1上设置有连通内腔的注水孔29和进出气孔20，水槽26通过注水管道34与注水孔29连通，在注水管道34上设置有阀门Ⅳ27；耐压管路3包括一条主管路和三条支管路，主管路的一端与进出气孔20密封连接，主管路的另一端同时连通三条支管路的一端，三条支管路的另一端分别连通废气收集瓶15、集气瓶8和注气瓶12；
在耐压管路3的主管路上设置有放空阀18和压力计Ⅰ32，废气收集瓶15的支管路上设置有真空泵6、真空阀4、真空计5和阀门Ⅲ16，在连接集气瓶8的支管路上设置有阀门Ⅰ11、冷却罐10和气体流量计9，在连接注气瓶12的支管路上设置有阀门Ⅱ14和压力计Ⅱ13；
所述波导-天线复合馈入式微波系统包括石英玻璃25、微波天线30、波导管24、微波发生器23和微波智能调节器17，通过微波智能调节器17调节微波发生器23产生的微波参量，微波发生器23产生的微波通过微波天线30传导；石英玻璃25覆盖在耐高压气体吸附解吸罐1罐盖的外表面，并与耐高压气体吸附解吸罐1的内腔密封连接，微波天线30的一端与微波发生器23连接，另一端穿过石英玻璃25从耐高压气体吸附解吸罐1罐盖上的天线孔伸入耐高压气体吸附解吸罐1的内腔，耐高压气体吸附解吸罐1的内腔、波导管24和石英玻璃25的轴线在同一条直线上，且所有微波天线30环绕该直线均匀分布；微波发生器23、降温风扇22和高压转化器21均安装在微波盒体33内，波导管24的一端穿过微波盒体33与微波发生器23连接，另一端与耐高压气体吸附解吸罐1罐盖上的石英玻璃25连接。
所述测量控制系统包括监测控制器7、温度传感器2、真空计5、气体流量计9和压力计13，温度传感器2设置在耐高压气体吸附解吸罐1的内腔；温度传感器2、气体流量计9和微波智能调节器17均与监测控制器7信号连通。
一种基于复合馈入式微波强化非常规天然气解吸的试验装置的试验方法，包括如下步骤：
(a)连接试验管路及各种信号线
将注水管道34、温度传感器2和耐压管路3分别通过注水孔29、信号孔19和进出气孔20与耐高压气体吸附解吸罐1的内腔接通。
(b)放置试样
将试样31放入耐高压气体吸附解吸罐1的内腔，在耐高压气体吸附解吸罐1的盖口处涂抹密封胶后盖上罐盖，使用紧固螺丝28固定。
(c)检查试验装置密封性
首先，取下注气瓶12，在其接口上连接一台气泵，打开阀门Ⅱ14并保持其他阀门关闭，开启气泵向耐高压气体吸附解吸罐1内注入同试验吸附瓦斯相同压力的空气；关闭阀门Ⅱ14，通过观察压力计Ⅰ32指数是否有变化，保证装置的气密性完好后取下气泵，换上注气瓶12；然后，打开真空阀4阀门Ⅲ16并保持其他阀门关闭，开启真空泵6排出耐高压气体吸附解吸罐1、试样31和耐压管路3中的气体到废气收集瓶15；最后，关闭真空阀4、真空泵6和阀门Ⅲ16。
(d)打开真空计5和阀门Ⅳ27，向耐高压气体吸附解吸罐1中注入预定体积的水，然后关闭真空计5和阀门Ⅳ27；该步骤的目的是模拟微波作用下含水分煤岩体的气体解吸规律，在不考虑煤岩体含水环境时，可省略此步骤。
(e)打开阀门Ⅱ14和注气瓶12的开关，向耐高压气体吸附解吸罐1注入试验气体，使试样31吸附气体24至28小时；在试样31充分吸附试验气体后，关闭阀门Ⅱ14和注气瓶12的开关，打开放空阀18并保持其它阀门关闭，待管路中气体排空后关闭放空阀18。
(f)在监测控制器7上设定试验程序
当设定恒定功率对试样31进行微波辐射时，开启微波发生器23，按照恒定功率对试样31进行微波辐射，打开阀门Ⅰ11，通过气体流量计9记录试验气体解吸量的变化，当气体解吸量小于2ml/min时，即认为解吸停止，关闭微波发生器23。
当设定恒定温度范围对试样31进行微波辐射时，开启微波发生器23，对试样31进行微波辐射，打开阀门Ⅰ11，通过气体流量计9记录试验气体解吸量的变化，当达到试验温度范围，温度传感器2将信号传递到监测控制器7后，监测控制器7通过试验程序作用于微波智能调节器17从而自动调节微波功率，使试验温度保持在试验温度范围，当气体解吸量小于2ml/min时，即认为解吸停止，关闭微波发生器23，关闭阀门Ⅰ11。
(g)试验结束
由监测控制器7对已获取试验数据进行后处理并导出，分析微波辐射下试样的气体解吸规律。
以上所述仅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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种复合馈入式微波强化非常规天然气解吸的试验装置，其特征在于：包括气体吸附解吸系统、波导-天线复合馈入式微波系统和测量控制系统；
所述气体吸附解吸系统包括耐高压气体吸附解吸罐(1)、耐压管路(3)、真空泵(6)、集气瓶(8)、注气瓶(12)和废气收集瓶(15)，在耐高压气体吸附解吸罐(1)上设置有连通内腔的注水孔(29)和进出气孔(20)，耐压管路(3)包括一条主管路和三条支管路，主管路的一端与进出气孔(20)密封连接，主管路的另一端同时连通三条支管路的一端，三条支管路的另一端分别连通废气收集瓶(15)、集气瓶(8)和注气瓶(12)；
在耐压管路(3)的主管路上设置有放空阀(18)和压力计Ⅰ(32)，在连接废气收集瓶(15)的支管路上设置有真空泵(6)、真空阀(4)、真空计(5)和阀门Ⅲ(16)，在连接集气瓶(8)的支管路上设置有阀门Ⅰ(11)、冷却罐(10)和气体流量计(9)，在连接注气瓶(12)的支管路上设置有阀门Ⅱ(14)和压力计Ⅱ(13)；
所述波导-天线复合馈入式微波系统包括石英玻璃(25)、微波天线(30)、波导管(24)、微波发生器(23)和微波智能调节器(17)，通过微波智能调节器(17)调节微波发生器(23)产生的微波参量，微波发生器(23)产生的微波通过微波天线(30)传导；石英玻璃(25)覆盖在耐高压气体吸附解吸罐(1)罐盖的外表面，微波天线(30)的一端与微波发生器(23)连接，另一端穿过石英玻璃(25)从耐高压气体吸附解吸罐(1)罐盖上的天线孔伸入耐高压气体吸附解吸罐(1)的内腔，耐高压气体吸附解吸罐(1)的内腔、波导管(24)和石英玻璃(25)的轴线在同一条直线上，且所有微波天线(30)环绕该直线均匀分布；
所述测量控制系统包括监测控制器(7)、温度传感器(2)、真空计(5)、气体流量计(9)和压力计(13)，温度传感器(2)设置在耐高压气体吸附解吸罐(1)的内腔；温度传感器(2)、气体流量计(9)和微波智能调节器(17)均与监测控制器(7)信号连通。
2.根据权利要求1所述的复合馈入式微波强化非常规天然气解吸的试验装置，其特征在于：还包括微波盒体(33)、降温风扇(22)和高压转化器(21)，微波发生器(23)、降温风扇(22)和高压转化器(21)均安装在微波盒体(33)内，波导管(24)的一端穿过微波盒体(33)与微波发生器(23)连接，另一端与耐高压气体吸附解吸罐(1)罐盖处的石英玻璃(25)连接。
3.根据权利要求1所述的复合馈入式微波强化非常规天然气解吸的试验装置，其特征在于：还包括注水槽(26)，注水槽(26)通过注水管道(34)与注水孔(29)连通，在注水管道(34)上设置有阀门Ⅳ(27)。
4.一种基于复合馈入式微波强化非常规天然气解吸的试验装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
(a)将注水管道(34)、温度传感器(2)和耐压管路(3)分别通过注水孔(29)、信号孔(19)和进出气孔(20)与耐高压气体吸附解吸罐(1)的内腔接通；
(b)将试样(31)放入耐高压气体吸附解吸罐(1)的内腔，在耐高压气体吸附解吸罐(1)的盖口处涂抹密封胶后盖上罐盖，使用紧固螺丝(28)固定；
(c)首先，取下注气瓶(12)，在其接口上连接一台气泵，打开阀门Ⅱ(14)并保持其他阀门关闭，开启气泵向耐高压气体吸附解吸罐(1)内注入同试验吸附瓦斯相同压力的空气；关闭阀门Ⅱ(14)，通过观察压力计Ⅰ(32)指数是否有变化，保证装置的气密性完好后取下气泵，换上注气瓶(12)；然后，打开真空阀(4)和阀门Ⅲ(16)并保持其他阀门关闭，开启真空泵(6)排出耐高压气体吸附解吸罐(1)、试样(31)和耐压管路(3)中的气体到废气收集瓶(15)；最后，关闭真空阀(4)、真空泵(6)和阀门Ⅲ(16)；
(d)打开真空计(5)和阀门Ⅳ(27)，向耐高压气体吸附解吸罐(1)中注入预定体积的水，然后关闭真空计(5)和阀门Ⅳ(27)；
(e)打开阀门Ⅱ(14)和注气瓶(12)的开关，向耐高压气体吸附解吸罐(1)注入试验气体，使试样(31)吸附气体24至28小时；在试样(31)充分吸附试验气体后，关闭阀门Ⅱ(14)和注气瓶(12)的开关，打开放空阀(18)并保持其它阀门关闭，待管路中气体排空后关闭放空阀(18)；
(f)在监测控制器(7)上设定试验程序：
当设定恒定功率对试样(31)进行微波辐射时，开启微波发生器(23)，按照恒定功率对试样(31)进行微波辐射，打开阀门Ⅰ(11)，通过气体流量计(9)记录试验气体解吸量的变化，当气体解吸量小于2ml/min时，即认为解吸停止，关闭微波发生器(23)；
当设定恒定温度范围对试样(31)进行微波辐射时，开启微波发生器(23)，对试样(31)进行微波辐射，打开阀门Ⅰ(11)，通过气体流量计(9)记录试验气体解吸量的变化，当达到试验温度范围，温度传感器(2)将信号传递到监测控制器(7)后，监测控制器(7)通过试验程序作用于微波智能调节器(17)从而自动调节微波功率，使试验温度保持在试验温度范围，当气体解吸量小于2ml/min时，即认为解吸停止，关闭微波发生器(23)，关闭阀门Ⅰ(11)；
(g)由监测控制器(7)对已获取试验数据进行后处理并导出，分析微波辐射下试样的气体解吸规律。
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