一种混合供气式可视天然气水合物实验系统
阅读说明：本技术 一种混合供气式可视天然气水合物实验系统 (Mixed gas supply type visual natural gas hydrate experiment system ) 是由 敬加强 张兴堂 孙杰 付斌 石运亮 王海燕 杨航 程原招 郭雨莹 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种混合供气式可视天然气水合物实验系统,该系统主要包括单组分气瓶、数据采集器、计算机、气体流量计、气体增压泵、真空泵、控制柜、配气罐、加液桶、注入泵、高压反应釜、循环水浴箱、调压阀、各类传感器以及管路配套阀门,可分为混合供气单元、抽真空单元、数据采集与自动化控制单元以及水合物实验单元。其中,混合供气单元用于配置多组分高压混合气；抽真空单元用于对系统进行抽真空作业；数据采集与自动化控制单元用于实时监测各传感器参数并远程操控泵和搅拌器；水合物实验单元用于进行水合物实验。本发明可实现多组分气体输入、水合物生成可视化以及气体或液体实验材料取样等功能并可开展多种天然气水合物实验。(The invention relates to a mixed gas supply type visual natural gas hydrate experimental system which mainly comprises a single-component gas cylinder, a data acquisition unit, a computer, a gas flowmeter, a gas booster pump, a vacuum pump, a control cabinet, a gas distribution tank, a liquid adding barrel, an injection pump, a high-pressure reaction kettle, a circulating water bath box, a pressure regulating valve, various sensors and pipeline matched valves. The mixing gas supply unit is used for configuring multi-component high-pressure mixed gas; the vacuumizing unit is used for vacuumizing the system; the data acquisition and automation control unit is used for monitoring parameters of each sensor in real time and remotely controlling the pump and the stirrer; the hydrate experiment unit is used for carrying out hydrate experiments. The invention can realize the functions of multi-component gas input, hydrate generation visualization, gas or liquid experimental material sampling and the like and can develop various natural gas hydrate experiments.)
技术领域
本发明涉及一种混合供气式可视天然气水合物实验系统，属能源与化工领域。
背景技术
天然气水合物是近年能源与化工领域研究的一大热点。一方面，深水天然气水合物储量巨大，开发前景广阔，被认为是未来主要的替代能源，天然水合物的开采及其浆液输送得到了学界的广泛关注；另一方面，随着混输工艺在油气集输领域得到越来越广泛的应用，低温高压条件下生成的天然气水合物成为了阻碍管道正常输送的一大难题，需要对可能产生的管堵进行防治。然而，无论是针对天然气水合物开采、抑制还是浆液输送的研究都基于天然气水合物基本生成或分解机理，故采用实验方法探究天然气水合物的基本特性至关重要。尽管目前已有了多种天然气水合物实验系统，但随着学界研究的不断深入，现有系统已无法满足科研需要，存在输入气质组分单一、缺乏可视化、气体或液体实验材料难以取样等问题，并且自动化和数字化水平较低，实验设备操控及数据记录颇为繁琐。
发明内容
本发明的目的是：为满足当前学界需求，进一步开展天然气水合物研究，提供一种能够实现多组分气体输入、水合物生成可视化以及气体或液体实验材料取样的一种混合供气式可视天然气水合物实验系统。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种混合供气式可视天然气水合物实验系统，该系统主要包括单组分气瓶、数据采集器、计算机、气体流量计、气体增压泵、真空泵、控制柜、配气罐、加液桶、注入泵、高压反应釜、循环水浴箱、调压阀、各类传感器以及管路配套阀门，可分为混合供气单元、抽真空单元、数据采集与自动化控制单元以及水合物实验单元。
所述混合供气单元包括甲烷气瓶、第一单组分气瓶、第二单组分气瓶、第三单组分气瓶、甲烷气瓶开关阀、第一气瓶开关阀、第二气瓶开关阀、第三气瓶开关阀、第一压力传感器、第一调压阀、第一气体流量计、气体增压泵、第一进气阀、配气罐、第二进气阀、第二调压阀、第二气体流量计，用于配置多组分高压混合气，可实现单组分气体充入过程的实时计量和压力监测，单组分气体增压，混合气体充入过程的实时计量以及混合气体调压。
所述抽真空单元包括真空泵和真空阀，用于对系统进行抽真空作业。
所述数据采集与自动化控制单元包括数据采集器、计算机、控制柜，用于实时监测各传感器参数并远程操控泵和搅拌器，可实现各传感器参数的实时记录与导出。
所述水合物实验单元包括加液桶、注入泵、进液阀、高压反应釜、循环水浴箱，用于进行水合物实验，可实现反应釜底部注液、釜内各参数监测以及温度调节。
进一步地，所述甲烷气瓶出口连接甲烷气瓶开关阀，第一至第三单组分气瓶出口分别连接第一至第三气瓶开关阀，后经管路依次连接第一压力传感器、第一调压阀、第一气体流量计、气体增压泵、第一进气阀、配气罐、第二进气阀、第二调压阀、第二气体流量计、反应釜顶部入口，以实现“单组分气体输入—高压混合气配置—混合气输入反应釜”整套混合供气流程。
进一步地，所述配气罐顶部设有第一放空阀、第二压力传感器、第一温度传感器、第一搅拌器，可实现对充入气体的实时温度与压力监测，并可通过第一放空阀进行罐内气体放空与气体取样。
进一步地，所述第一搅拌器下部连接置于配气罐罐体中的第一搅拌叶桨，可对充入气体的混合搅拌。
进一步地，所述真空泵出气口连通大气，进气口连接真空阀一端，真空阀另一端三通连接至第二进气阀与第二气体流量计之间管路，可实现对配气罐和高压反应釜的整体或单独抽真空作业。
进一步地，所述高压反应釜釜顶设有反应釜顶盖、第二放空阀、第二搅拌器、第三压力传感器、第二温度传感器，釜身设有反应釜可视窗，釜底设有放液阀与第三温度传感器，釜体外侧设有反应釜水浴夹层，可实现对釜内压力、顶部气体温度、底部液体温度的实时监测以及釜内水合物生长情况的实时观测，可通过第二放空阀进行釜内气体放空与气体取样，还可通过放液阀进行废液放出和液体取样。
进一步地，所述第二搅拌器上部连接反应釜外的转速传感器与扭矩传感器，下部连接置于反应釜釜体中的第二搅拌叶桨，可实时监测搅拌器转速和所受扭矩，并对釜中的气体液体进行混合搅拌。
进一步地，所述加液桶底部出口经管路依次连接注入泵、反应釜底部入口，可实现实验液体注入。
进一步地，所述循环水浴箱进、出口管路连接至反应釜水浴夹层，可实现高压反应釜温度调节。
进一步地，所述数据采集器与第一压力传感器、第一气体流量计、第二压力传感器、第一温度传感器、第二气体流量计、转速传感器、扭矩传感器、第三压力传感器、第二温度传感器、第三温度传感器电连接，可实现对系统各仪表的实时数据采集。
进一步地，所述计算机与数据采集器电连接，可实时记录采集参数并导出数据。
进一步地，所述控制柜与气体增压泵、真空泵、第一搅拌器、注入泵、第二搅拌器电连接，可控制设备开闭及运行参数。
本发明具有以下有益效果：(1)可自行配制实验用高压混合气，开展多组分气体介质下的水合物实验，更贴近实际研究工况；(2)数字化与自动化水平较高，可实现设备的远程控制和监测参数的实时记录，操作简便；(3)实现了高压反应釜的可视化，可直接观测水合物生长形貌的动态变化；(4)设置多处气体液体取样口，便于实验材料取样进而从微观角度探究水合物基本特性。
附图说明
图1是本发明一种混合供气式可视天然气水合物实验系统的结构框图。
图2是本发明一种混合供气式可视天然气水合物实验系统的结构示意图。
图中：0-1.混合供气单元、0-2.抽真空单元、0-3.数据采集与自动化控制单元、0-4.水合物实验单元、1.甲烷气瓶、2.第一单组分气瓶、3.第二单组分气瓶、4.第三单组分气瓶、5.甲烷气瓶开关阀、6.第一气瓶开关阀、7.第二气瓶开关阀、8.第三气瓶开关阀、9.第一压力传感器、10.第一调压阀、11.数据采集器、12.计算机、13.第一气体流量计、14.气体增压泵、15.真空泵、16.控制柜、17.第一进气阀、18.真空阀、19.第一放空阀、20.第一搅拌器、21.配气罐、22.第一搅拌叶桨、23.第二压力传感器、24.第一温度传感器、25.加液桶、26.第二进气阀、27.注入泵、28.第二调压阀、29.第二气体流量计、30.进液阀、31.第二放空阀、32.第二搅拌器、33.转速传感器、34.扭矩传感器、35.反应釜可视窗、36.第二搅拌叶桨、37.高压反应釜、38.放液阀、39.反应釜顶盖、40.第三压力传感器、41.第二温度传感器、42.反应釜水浴夹层、43.第三温度传感器、44.循环水浴箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
实施例1：系统各单元结构及功能实施方案
如图1和图2所示，本发明一种混合供气式可视天然气水合物实验系统可分为混合供气单元0-1、抽真空单元0-2、数据采集与自动化控制单元0-3以及水合物实验单元0-4。混合供气单元0-1与水合物实验单元0-4连接，单向传输高压混合气；混合供气单元0-1、水合物实验单元0-4与抽真空单元0-2连接，单向抽取空气；混合供气单元0-1、水合物实验单元0-4、抽真空单元0-2与数据采集与自动化控制单元0-3连接，双向传输电信号，进行仪表参数采集和设备控制。
混合供气单元0-1包括甲烷气瓶1、第一单组分气瓶2、第二单组分气瓶3、第三单组分气瓶4、甲烷气瓶开关阀5、第一气瓶开关阀6、第二气瓶开关阀7、第三气瓶开关阀8、第一压力传感器9、第一调压阀10、第一气体流量计13、气体增压泵14、第一进气阀17、配气罐21、第二进气阀26、第二调压阀28、第二气体流量计29，用于配置多组分高压混合气，可实现单组分气体充入过程的实时计量和压力监测，单组分气体增压，混合气体充入过程的实时计量以及混合气体调压。
抽真空单元包括真空泵15和真空阀18，用于对系统进行抽真空作业。
数据采集与自动化控制单元包括数据采集器11、计算机12、控制柜16，用于实时监测各传感器参数并远程操控泵和搅拌器，可实现各传感器参数的实时记录与导出。
水合物实验单元包括加液桶25、注入泵27、进液阀30、高压反应釜37、循环水浴箱44，用于进行水合物实验，可实现反应釜底部注液、釜内各参数监测以及温度调节。
实施例2：甲烷混合气水合物生成—分解基本实验方案
步骤1：实验前管路抽真空设备操作：检查系统连接情况，并确认设备未运行状态下各管路阀门是否均处于关闭状态。确认无误后，打开真空阀18、第二进气阀26、第二调压阀28，同时紧闭第一进气阀17、第一放空阀19、进液阀30、第二放空阀31、放液阀38以及反应釜顶盖39。然后通过控制柜16启动真空泵15，观察第二压力传感器23和第三压力传感器40示数，直至达到真空泵15额定抽取压力且真空泵15出气口不出现白色气雾，关闭真空泵15与真空阀18。若始终不能达到真空泵15额定抽取压力，则应检查系统气密性。
步骤2：配置高压混合气计算：根据实验设计工况，确定明显大于实验压力的高压混合气压力P，基于理想气体状态方程，估算配气罐21中气体的物质的量N，计算式如下：
PV＝NRT
式中，P为高压混合气压力，Pa；V为配气罐21体积，m3；N为气体的物质的量，mol；R为摩尔气体常数，取8.314J/(mol·K)；T为第一温度传感器24监测温度，K。
基于实验用气组分设计，确定各单组分气混合比例，进而确定所需的各单组分气体的物质的量，计算式如下：
N＝n1+n2+...+ni
式中，ni为某单组分气体的物质的量，mol。
设定第一调压阀10调压后的压力P’，使其小于气瓶出口压力P0，而尽量大于高压混合气压力P。确定P’后，基于带有压缩因子的理想气体状态方程计算应充入的调压后气体体积V’，计算式如下：
P'V'＝niZRT
式中：P’为第一调压阀10调压后的压力，Pa；V’为应充入的调压后气体体积，m3；Z为压缩因子，无量纲，对于单组分气体可通过查表获得。
设备操作：关闭步骤一中打开的第二进气阀26、第二调压阀28，然后打开甲烷气瓶开关阀5，自数据采集器11或计算机12观测第一压力传感器9示数，确定气瓶压力P0。打开第一调压阀10，设定第一调压阀10出口压力P’，缓慢打开第一进气阀17，关注第一气体流量计13累计流量读数，直至达到应充入的调压后气体体积V’，迅速关闭第一进气阀17，依次关闭甲烷气瓶开关阀5和第一调压阀10，单组分气体充气完成。后续重复上述步骤于不同单组分气瓶，依次按实验用气配比充入各单组分气体，如P’小于P，则应启动气体增压泵14，使单组分气体顺利充入配气罐21。充气完成后，再次检查各单组分气瓶开关阀5～8、第一调压阀10以及第一进气阀17是否关闭，确认无误后打开第一搅拌器20，通过第一搅拌叶桨22混合搅拌配气罐21内气体，搅拌结束后关闭第一搅拌器20，高压混合气配置完成。
步骤3：开展水合物生成实验设备操作：向加液桶25中加入过量实验液体，并记录当前体积V1，打开进液阀30，对于粘度较低的实验液体可采用真空自吸的方式进液，若因粘度较大，真空自吸较慢，可启动注入泵27加液，加液过程时刻注意加液桶25液面高度，及时关闭注入泵27与进液阀30并记录加液后桶内液体体积V2，使加液前后桶内液体体积之差V1-V2等于实验液体用量ΔV，加液完成。
根据实验工况设置循环水浴箱44制冷温度，开启水浴循环，直至第三温度传感器43温度显示接近循环水浴温度且基本不再变化。
打开第二进气阀26，缓慢打开第二调压阀28至实验工况压力，通过数据采集器11或计算机12观测第三压力传感器40示数，当压力达到实验工况后，关闭第二进气阀26和第二调压阀28，并记录第二气体流量计29累计流量。打开第二搅拌器32并根据实验工况设定转速，开启计算机12数据记录功能，设置记录点位时间间隔，水合物生成实验开始进行。随水合物生成实验的不断进行，反应釜内压力逐渐降低，温度先降低后因水合物生成放热有所上升，再因循环水浴制冷温度继续降低，当第三压力传感器40与第三温度传感器43基本保持不变时，视为水合物生成实验结束，实验过程中水合物生长形貌的动态变化可通过反应釜可视窗35进行观测。实验结束后，可导出计算机12记录数据，并用U盘拷贝备份。
步骤4：开展水合物分解实验
水合物生成实验结束后，可根据研究需要，决定是否开展水合物分解实验，如无需开展，可转至步骤5：设备清理，如需开展则为保证高压反应釜37中充入的气体分子物质的量不变，通常采用升温分解水合物的方法进行水合物分解实验。
设备操作：根据实验工况设置循环水浴箱44制热温度，开启水浴循环。同时，开启计算机12数据记录功能，设置记录点位时间间隔，水合物分解实验开始进行。随高压反应釜温度不断上升，水合物开始分解，釜内压力逐渐上升，当第三温度传感器43接近循环水浴温度且基本不再变化，第三压力传感器40示数基本保持不变时，视为水合物分解实验结束，实验过程中水合物分解形貌的动态变化可通过反应釜可视窗35进行观测。实验结束后，可导出计算机12记录数据，并用U盘拷贝备份。
步骤5：设备清理设备操作：确认配气罐21剩余混合气下次实验是否继续使用。若需继续使用，则确认第一进气阀17、第一放空阀19以及第二进气阀26是否紧闭，避免混合气泄露；若无需使用，则通过第一放空阀19将剩余混合气放空。需要注意的是，若混合气组分含有有毒或易燃易爆气体，应将第一放空阀19连接至充气袋收集废气，以便后续妥善处理，不应直接放空。
通过第二放空阀31放出高压反应釜37中的实验废气，与配气罐21放空相同，若混合气组分含有有毒或易燃易爆气体，应将第二放空阀31连接至充气袋收集废气。放空完成后，将放液阀38连接至废液桶，打开放液阀38放出实验废液，若废液中存在较大水合物块难以放出，可通过循环水浴箱44升温分解，并持续放液，放液结束后关闭放液阀38。
若需进一步清理高压反应釜37，可在高压反应釜37内废气及废液完全放出后，通过拆卸反应釜顶盖39进行内部清扫。
配气罐21及高压反应釜37清理完成后，再次检查各设备是否停止，各阀门是否关闭。
实施例3：高压反应釜单独抽真空作业
若实验开展需继续使用上次实验的剩余混合气，则应对高压反应釜37进行单独抽真空。先检查第二进气阀26、第二放空阀31、放液阀38及反应釜顶盖39是否紧闭，确认无误后打开真空阀18及第二减压阀28，启动真空泵15开始抽真空，直至达到真空泵15额定抽取压力且真空泵15出气口不出现白色气雾，关闭真空泵15、真空阀18以及第二调压阀28，高压反应釜单独抽真空作业结束。
实施例4：高压混合气及高压反应釜中气体液体取样
高压混合气取样：可将设于配气罐21顶部的第一放空阀19连接上采气袋，并缓慢打开第一放空阀19进行取样；
反应釜气体取样：可将设于高压反应釜37顶部的第二放空阀31连接上采气袋，并缓慢打开第二放空阀31进行取样；
反应釜液体取样：可将可将设于高压反应釜37底部的放液阀38连接上取样瓶，并缓慢打开放液阀38进行取样。
实施例5：基于水合物生成—分解基本实验方案的其他实验方案
(1)水合物抑制剂评价实验方案：将水合物抑制剂加入实验液体中，通过设置空白对照组，抑制剂不同浓度对照组，按实施例2步骤1、2、3、5和实施例2进行实验，以不同组中高压反应釜温度、压力和搅拌器扭矩随时间的变化情况进行分析对比，进而评价水合物抑制剂作用效果。
(2)蜡晶析出对水合物生成的影响作用实验方案：在高温条件下将少量石蜡融入实验液体中，通过设置空白对照组，不同含蜡量对照组，按实施例2步骤1、2、3、5和实施例2进行实验，以不同组中高压反应釜温度、压力和搅拌器扭矩随时间的变化情况进行分析对比，进而分析蜡晶析出对水合物生成的影响作用。
综上所述，本实验系统可实现多组分气体输入、水合物生成可视化以及气体或液体实验材料取样等功能并可开展多种天然气水合物实验，有助于进一步拓展天然气水合物实验的广度和深度，满足当前学界对天然气水合物的研究需要。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。