CN112213236B - 一种水合物固态流化开采模拟高压可视化监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水合物固态流化开采模拟高压可视化监测装置，由制备釜5、循环泵7、制冷管34、调压器10、辅助管道33、真空泵9、高压可视化监测管组30、图像采集分析仪31、计算机1、控制柜2组成，所述制备釜出口连接第一阀门，第二阀门通过循环泵连接制冷管；第三阀门分别与调压器及第四阀门连接，调压器通过辅助管道连接高压可视化监测管组，第四阀门连接真空泵；可视化监测管组包括金属保护筒体、有机可视管、法兰、密封圈、可视窗口、刻度尺；所述计算机、控制柜连接压力传感器、温度传感器、图像采集分析仪等。本发明能够对模拟开采过程的流速、流态、相含量、压力及温度参数实时监测、采集及存储，为研究天然气水合物流动规律提供保障。

Description

一种水合物固态流化开采模拟高压可视化监测装置
技术领域
本发明涉及一种高压可视化监测管道，特别是涉及一种水合物固态流化开采模拟高压可视化监测装置。
背景技术
天然气水合物是由水和天然气在高压、低温环境下生成的非化学计量性笼状晶体，是一种高密度、高热值的非常规能源，水合物主要分布在陆地永久冻土区和海洋深水环境，总量达到7.6×1018m3，碳含量相当于全球已探明化石能源（包括煤、石油和常规天然气等）含碳总量的2倍，其中海洋天然气水合资源量约为陆地冻土带资源量的一百倍，海洋天然气水合物的开采备受关注，天然气水合物被普遍认为将是21世纪最有潜力的接替能源，同时也是目前尚未开发的储量最大的新能源。
目前天然气水合物开采方式包括降压法、注热法、注化学试剂法及固态流化开采方法等，其中，固态流化开采是有望解决世界海洋浅层非成岩水合物合理开发的革命性技术之一。固态流化开采的技术思路是：利用水合物在海底温度和压力相对稳定的条件下，采用采掘装置以固态形式开发水合物矿体，将含有水合物的沉积物粉碎成细小颗粒后，再与海水混合，采用封闭管道输送至海洋平台，尔后将其在海上平台进行后期处理和加工。随着天然气水合物固态流化开采相关研究的深入，与之配套实验装置的研发显得尤为重要。在固态流化开采模拟实验过程中，天然气水合物浆体在管道流动过程中随着温度、压力的改变导致水合物浆体的相含量随之发生改变，此外，由于流体流速及相含量发生变化，流体在管道内的流体流态也在发生变化，因此，在固态流化开采模拟实验过程中相含量监测及流体流态研究是现阶段科技攻关的重点，但现有技术中缺乏能够有效监测相含量及流体流态变化规律的高压装置，导致无法通过高压可视化管道对相含量及流体变化规律进行深入研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水合物固态流化开采模拟高压可视化监测装置，该装置原理可靠，操作简便，能够对模拟开采过程的流速、流态、相含量、压力及温度参数进行实时监测、采集及存储，为天然气水合物流动规律的研究提供有力保障。
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。
一种水合物固态流化开采模拟高压可视化监测装置，包括管道流动模拟子系统、高压可视管道监测子系统、数据采集及控制子系统。
所述管道流动模拟子系统包括制备釜、第一阀门、第二阀门、循环泵、制冷管、制冷控制机组、第三阀门、调压器、辅助管道、管道加热器、第四阀门、真空泵。
所述制备釜出口连接第一阀门，第一阀门分别与第二阀门及第三阀门连接，第二阀门通过循环泵连接制冷管，制冷管连接制冷控制机组；制冷管两端分别有第一压力传感器、第一温度传感器及第二温度传感器、第二压力传感器；第三阀门分别与调压器及第四阀门连接，调压器通过辅助管道连接可视管组，管道加热器安装在辅助管道上，第四阀门连接真空泵。
所述高压可视管道监测子系统包括高压可视化监测管组、温度传感器组、压力传感器组、图像采集分析仪等。
所述高压可视化监测管组包括金属保护筒体、有机可视管、法兰、密封圈、可视窗口、刻度尺，有机可视管位于金属保护筒体内，金属保护筒体两端与法兰通过螺纹连接，有机可视管两端与法兰通过密封圈密封，金属保护筒体设置有可视窗口，通过可视窗口可观测有机可视管内的流体流态，可视窗口的两侧激光雕刻刻度尺；法兰上设置两个安装口，分别安装管道温度传感器组和管道压力传感器组，用于监测有机可视管流道的温度和压力；高压可视管组还通过安装架设置图像采集分析仪。
所述数据采集及控制子系统包括计算机、控制柜、第一压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第二压力传感器、管道压力传感器组及管道温度传感器组、图像采集分析仪。
相较于现有技术，本发明的有益效果如下：
（1）通过设置金属保护筒体和有机可视管联合使用，可使高压可视化监测短接管组更能耐高压且便于观测内部流态；
（2）通过在可视窗口两侧设置刻度尺，便于刻度尺监测水合物颗粒粒径；
（3）通过设置法兰与金属保护筒体螺纹连接，便于更换和保养有机可视管；
（4）利用现代自动化技术实现了参数采集及实验流程的全自动化控制。
附图说明
图1是本发明一种水合物固态流化开采模拟高压可视化监测装置的结构示意图。
图2是高压可视化监测管组的结构示意图。
图3是高压可视化监测管组的剖面图。
图中：1.计算机，2.控制柜，3.第一阀门，4.第二阀门，5.制备釜，6.第三阀门，7.循环泵，8.第四阀门，9.真空泵，10.调压器，11、15.压力传感器，12、14.温度传感器，13.管道加热器，16.管道压力传感器组，17.管道温度传感器组，18.制冷控制机组，19.第五阀门，20.第六阀门，21.有机可视管流道，22.刻度尺，23.可视窗口，24、25.安装口，26.法兰，27.密封圈，28.金属保护筒体，29.有机可视管，30.高压可视化监测管组，31.图像采集分析仪，32.安装架，33.辅助管道，34.制冷管。
具体实施方式
下面根据附图和实例进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。
参见图1。
一种水合物固态流化开采模拟高压可视化监测装置，由制备釜5、第一阀门3、第二阀门4、循环泵7、制冷管34、制冷控制机组18、第三阀门6、调压器10、辅助管道33、管道加热器13、第四阀门8、真空泵9、高压可视化监测管组30、管道温度传感器组17、管道压力传感器组16、图像采集分析仪31、计算机1、控制柜2组成。
所述制备釜5出口连接第一阀门3，第一阀门分别与第二阀门4及第三阀门6连接，第二阀门通过循环泵7连接制冷管34，制冷管连接高压可视化监测管组30；制冷管两端分别有压力传感器（11、15）、温度传感器（12、14），高压可视化监测管组安装管道压力传感器组16、管道温度传感器组17；第三阀门分别与调压器10及第四阀门8连接，调压器通过辅助管道33连接高压可视化监测管组，辅助管道安装管道加热器13，第四阀门连接真空泵9。
所述制冷管连接制冷控制机组18，制冷控制机组设有第五阀门19、第六阀门20，第六阀门连接制冷管的入口，制冷管出口连接第五阀门。
参见图2、图3。
所述高压可视化监测管组30包括金属保护筒体28、有机可视管29、法兰26、密封圈27、可视窗口23、刻度尺22、有机可视管流道21，有机可视管位于金属保护筒体内，金属保护筒体两端与法兰通过螺纹连接，有机可视管两端与法兰通过密封圈密封，金属保护筒体设置可视窗口，可视窗口的两侧有刻度尺；法兰上设置两个安装口24、25，分别安装管道温度传感器组17和管道压力传感器组16，用于监测有机可视管流道21的温度和压力；所述高压可视化监测管组设置安装架32，用以安装图像采集分析仪31。
所述计算机1与控制柜2连接，所述压力传感器、温度传感器、管道压力传感器组、管道温度传感器组、图像采集分析仪均连接控制柜。
实施例1
通过计算机下达抽真空指令，计算机下达指令给控制柜，控制柜控制关闭第一阀门及开启相关阀门，然后启动真空泵，开始对整个实验装置进行抽真空操作，当达到实验设定真空度后，准备过程完成。
固态流化相含量及流态变化规律实验过程：（1）实验管道温度控制。实验操作人员通过计算机下达启动水合物分解规律实验指令，计算机下达指令给控制柜，控制柜控制启动制冷控制机组、同时开启相关阀门，使管道内温度直至达到实验设定温度；（2）水合物浆体转输至有机可视管流道。计算机控制开启相关阀门，同时启动循环泵，使制备釜内的水合物浆体转输至辅助管道及高压可视化监测短接管组形成的循环管道内，当水合物浆体转输完成后，关闭第一阀门；（3）水合物浆体相含量及流态规律测定。循环泵驱动水合物浆体在辅助管道及高压可视化监测短接管组形成的循环管道内循环流动，循环流动的过程中，水合物浆体流经高压可视化监测短接管组时，图像采集分析系统透过可视窗口监测有机可视管流道内流经的水合物浆体的流态及气液固三相的各相相含量，通过图像采集分析系统采集的水合物颗粒与刻度尺对比数据，测定水合物颗粒的粒径，实验过程中的管道内的压力控制由调压器完成，可开展不同温度、压力及流速条件下水合物流动规律及分解规律实验研究。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、ROM、RAM等。

Claims (1)

1.一种水合物固态流化开采模拟高压可视化监测装置，由制备釜（5）、第一阀门（3）、第二阀门（4）、循环泵（7）、制冷管（34）、第三阀门（6）、调压器（10）、辅助管道（33）、管道加热器（13）、第四阀门（8）、真空泵（9）、高压可视化监测管组（30）、图像采集分析仪（31）、计算机（1）、控制柜（2）组成，其特征在于，所述制备釜（5）出口连接第一阀门（3），第一阀门分别与第二阀门（4）及第三阀门（6）连接，第二阀门通过循环泵（7）连接制冷管（34），制冷管连接高压可视化监测管组（30）；制冷管两端分别有压力传感器（11、15）、温度传感器（12、14），高压可视化监测管组安装管道压力传感器组（16）、管道温度传感器组（17），所述制冷管连接制冷控制机组（18），制冷控制机组设有第五阀门（19）、第六阀门（20），第六阀门连接制冷管的入口，制冷管出口连接第五阀门；第三阀门分别与调压器（10）及第四阀门（8）连接，调压器通过辅助管道（33）连接高压可视化监测管组，辅助管道安装管道加热器（13），第四阀门连接真空泵（9）；所述高压可视化监测管组（30）包括金属保护筒体（28）、有机可视管（29）、法兰（26）、密封圈（27）、可视窗口（23）、刻度尺（22）、有机可视管流道（21），有机可视管位于金属保护筒体内，金属保护筒体两端与法兰通过螺纹连接，有机可视管两端与法兰通过密封圈密封，金属保护筒体设置可视窗口，可视窗口的两侧有刻度尺；所述高压可视化监测管组安装图像采集分析仪(31)；所述计算机（1）与控制柜（2）连接，所述压力传感器、温度传感器、管道压力传感器组、管道温度传感器组、图像采集分析仪均连接控制柜；固态流化相含量及流态变化规律实验过程：
实验管道温度控制，实验操作人员通过计算机下达启动水合物分解规律实验指令，计算机下达指令给控制柜，控制柜控制启动制冷控制机组、同时开启相关阀门，使管道内温度直至达到实验设定温度；
水合物浆体转输至有机可视管流道，计算机控制开启相关阀门，同时启动循环泵，使制备釜内的水合物浆体转输至辅助管道及高压可视化监测短接管组形成的循环管道内，当水合物浆体转输完成后，关闭第一阀门；
水合物浆体相含量及流态规律测定，循环泵驱动水合物浆体在辅助管道及高压可视化监测短接管组形成的循环管道内循环流动，循环流动的过程中，水合物浆体流经高压可视化监测短接管组时，图像采集分析系统透过可视窗口监测有机可视管流道内流经的水合物浆体的流态及气液固三相的各相相含量，通过图像采集分析系统采集的水合物颗粒与刻度尺对比数据，测定水合物颗粒的粒径，实验过程中的管道内的压力控制由调压器完成，可开展不同温度、压力及流速条件下水合物流动规律及分解规律实验研究。
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