CN105445437A - 一种天然气水合物颗粒合成及气液固三相流动的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种天然气水合物颗粒合成及气液固三相流动的实验装置，由分离器、压缩机、泵、聚焦光束反射测量仪、颗粒录影显微镜、混合器、水合物颗粒制备罐、测试管段、高速摄像仪、高压气瓶、注水口、阀门、流量计、伽马相分率仪、可视窗、恒温水浴、温度计、压力表、差压传感器组成；在水合物颗粒制备罐中安装有可上下移动、转速可调的破碎刀片，可开关的三种不同孔隙度筛网，能将水合物打碎成细小颗粒并控制打入到气液固混合器的颗粒粒径，实现测试管段中含不同初始粒径的水合物颗粒的气液固三相流动实验。本发明克服了现有装置不能测试指定粒径的天然气水合物颗粒在管流下的粒径变化速率和运动特征的问题，具有结构简单，操作方便的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然气水合物颗粒合成及气液固三相流动的实验装置，涉及到天然气水合物开发、储存和输送领域。
背景技术
天然气水合物是由水分子和甲烷、乙烷、丙烷等轻烃分子在低温、高压条件下形成的非化学计量性的白色笼状晶体，遇火可以燃烧，俗称“可燃冰”。全球天然气水合物资源丰富，大量存在于陆地永久冻土带和深水沉积层中。目前反映海底天然气水合物资源量的合理范围为1×1015～3×1015m3，其所含有机碳总量超过所有已发现的油气藏资源总和。开发海洋天然气水合物资源将是解决未来能源短缺问题的有效途径。海洋天然气水合物的一种开采方式为固体开采法，即在海底将水合物打碎成颗粒，再通过气力或水力将颗粒提升到处理平台。从海底表面或深水沉积层中开采出的水合物颗粒主要通过管道进行输送。在深水天然气水合物输送管道中，受沿线流体流动和大范围变化的温度、压力的影响，气液固三相组成、水合物颗粒粒径等参数会不断变化，而且这些参数的变化又反过来影响管道内的状态参量。因此，在管道的实际运行过程中，准确预测管道内气液固三相流动的物性参数和状态参量对管道的安全运行是十分重要的。在此情况下，需要利用室内实验环路研究不同粒径的水合物颗粒在管道中的发展过程。
气液固三相含量和水合物颗粒粒径是影响管道内多相流动状态的重要因素。目前的含天然气水合物的多相流动实验都是在管道内生成天然气水合物，这类装置能够测试不同温度、压力条件下伴随天然气水合物生长、分解的多相流动参数，但是不能合成指定粒径分布的水合物颗粒，因此不能研究一定粒径的颗粒从进入管道流动体系以后的整个变化过程。为了更加准确的模拟深水天然气水合物固体颗粒在提升管内的流动过程，测定水合物颗粒的粒径变化规律，就需要设计相应的实验装置，能够制备一定粒径的水合物颗粒，并使其在管道中流动。
发明内容
本发明的目的是：为了提供一种能够合成一定粒径的天然气水合物颗粒并测试其在气液固三相管流状态下发展过程的实验装置，可有效测定水合物颗粒粒径变化规律和气液固三相流动的状态参量。
一种天然气水合物颗粒合成及气液固三相流动的实验装置，由分离器1、压缩机2、泵3、聚焦光束反射测量仪(FBRM)4、颗粒录影显微镜(PVM)5、混合器6、水合物颗粒制备罐7、水平测试管段8、倾斜测试管段9、垂直下降测试管段10、高速摄像仪11、高压气瓶G1和G2、注水口W1和W2、阀门F1到F12、流量计FM1到FM7、伽马相分率仪DM1到DM4、可视窗V1到V6、恒温水浴WB1到WB4、温度计T1到T5、压力表P1到P5、差压传感器DP1到DP3组成。
高压气瓶G1、注水口W1与分离器1相连，FM1测量从高压气瓶G1通入分离器1的气体流量，FM2测量从注水口W1流入分离器1的液体流量。分离器1对高压气瓶G1放出的气体和注水口W1来的液体具有缓冲作用。分离器1放置在恒温水浴WB1中，从而可以控制分离器内流体的温度。分离器1上部与压缩机2相连，气相经过压缩机2和流量计FM3到达混合器6；分离器1底部与泵3相连，液相从分离器1底部出来经过泵3、流量计FM4、伽马相分率仪DM1、FBRM4、PVM5到达混合器6。混合器6与水合物颗粒制备罐7相连。水合物制备罐7与高压气瓶G2及注水口W2相连，FM5和FM6分别测量从高压气瓶G2和注水口流入水合物制备罐的气体和液体的流量。水合物制备罐7中包含固体破碎刀片7a，筛网前搅拌叶片7b，三种由大到小不同孔隙度的筛网7c、7b、7e。筛网前搅拌叶片7b用于搅动含水合物颗粒的液固混合物，防止在筛网前形成堵塞。水平测试管段8与混合器6相连，倾斜测试管段9与水平测试管段8相连，垂直下降测试管段10与倾斜测试管段9和分离器1相连。倾斜测试管段9包含90°倾斜段9a、60°倾斜段9b、30°倾斜段9c和旁通段。水平测试管段8和垂直下降测试管段10分别放置在恒温水浴套管WB3和WB4里面。气液固三相流体流经水平测试管段8、倾斜测试管段9和垂直下降测试管段10以后进入分离器1，分离出的液相和固相混合物通过分离器1底部的管道流经泵3和流量计FM4、伽马相分率仪DM1、FBRM4、PVM5。FBRM4用于测量水合物颗粒的粒径分布，PVM5用于观测水合物颗粒的形态。温度计和压力表用于测量该装置关键部位的温度和压力值；差压传感器用于记录各测试段的压力损失；高速摄像仪用于记录气液固三相流动形态；伽马相分率仪用于测试各相在管道横截面上的比例。
所述一种天然气水合物颗粒合成及气液固三相流动的实验装置，其中：所述三种孔隙度的筛网7c、7b、7e可以开关，以控制流入混合器的水合物颗粒粒径。
所述一种天然气水合物颗粒合成及气液固三相流动的实验装置，其中：倾斜测试管段9a、9b、9c可以通过开关阀门F9、F10、F11、F12进行自由切换，并且在倾斜段安装可视窗和伽马相分率仪，可以观测气液固三相流流型的变化规律。
本发明由于采取以上技术方案，可以达到以下有益效果：
(1)水合物制备罐7中安装有固体破碎刀片7a，可以通过控制刀片转速来控制水合物颗粒的破碎程度，刀片可以上下移动，从而实现制备罐底部和顶部水合物的破碎；
(2)水合物制备罐7中安装可开关的不同孔隙度的筛网7c、7b、7e，可以通过控制筛网的开关来控制进入测试管段的水合物颗粒的粒径；
(3)倾斜测试管段9中设置有不同倾角的管道，可以通过阀门F9、F10、F11、F12的开关实现某一倾角管段的工作或多个倾角管段的同时工作；
(4)由泵6到混合器6的管道上安装有流量计FM4、伽马相分率仪DM1、FBRM4、PVM5，可以实现液固两相流体流量、密度、水合物颗粒粒径和形态的测试；
(5)可视窗的部分采用玻璃钢，在保证管道承压能力的同时，还可以观察管道内气相和液相的体积比例，以及水合物颗粒的运动特征。
附图说明
图1是本发明一种天然气水合物颗粒合成及气液固三相流动的实验装置的结构示意图。
图中：1.分离器，2.压缩机，3.泵，4.聚焦光束反射测量仪(FBRM)，5.颗粒录影显微镜(PVM)，6.混合器，7.水合物颗粒制备罐，8.水平测试管段，9.倾斜测试管段，10.垂直下降测试管段，11.高速摄像仪，G.高压气瓶，W.注水口，F.阀门，FM.流量计，DM.伽马相分率仪，V.可视窗，WB.恒温水浴，T.温度计，P.压力表，DP.差压传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施方式。
本发明一种天然气水合物颗粒合成及气液固三相流动的实验装置，包括：分离器1、压缩机2、泵3、聚焦光束反射测量仪(FBRM)4、颗粒录影显微镜(PVM)5、混合器6、水合物颗粒制备罐7、水合物破碎刀片7a、筛网前搅拌器7b、不同孔隙度的筛网7c到7e、水平测试管段8、倾斜测试管段9、90°倾角测试管段9a、60°倾角测试管段9b、30°倾角测试管段9c、垂直下降测试管段10、高速摄像仪11、高压气瓶G1和G2、注水口W1和W2、阀门F1到F12、流量计FM1到FM7、伽马相分率仪DM1到DM4、可视窗V1到V6、恒温水浴WB1到WB4、温度计T1到T5、压力表P1到P5、差压传感器DP1到DP3。
具体实施方式为：
第一步：打开恒温水浴WB1、WB2、WB3、WB4；
第二步：打开注水口W1、阀门F8、阀门F12，向测试管段通入一定量水以后关闭注水口W1；
第三步：打开注水口W2，向水合物制备罐中通入一定量水以后关闭注水口W2；
第四步：打开阀门F4，向水合物制备罐中通入天然气；
第五步：待水合物合成以后，打开破碎刀片7a，将固体水合物打碎成细小颗粒；
第六步：打开筛网前搅拌器7b，打开阀门F7，打开筛网7c，向测试管段通入一定量水合物颗粒之后，关闭阀门F4和阀门F7，关停水浴WB2；
第七步：打开阀门F1和压缩机2，待测试管道压力达到实验设定值以后，关闭阀门F1；
第八步：打开泵3，收集记录所有温度计、压力表、差压传感器、流量计、伽马分相仪、FBRM、PVM的数据；
第九步：打开阀门F11，关闭阀门F12；
第十步：通过可视窗V1、V4、V5、V6观察并记录多相流流型；
第十一步：打开高速摄像仪11，记录气液固三相流流动过程；
第十二步：停泵3，关压缩机2，水浴WB1、WB3、WB4升温，促使测试管路中的水合物分解；
第十三步：关停水浴WB1、WB3、WB4，打开阀门F3排除管路和分离器中的液体、打开阀门F2对天然气进行放空；
第十四步：实验测试结束。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种天然气水合物颗粒合成及气液固三相流动的实验装置，由分离器(1)、压缩机(2)、泵(3)、聚焦光束反射测量仪(FBRM)(4)、颗粒录影显微镜(PVM)(5)、混合器(6)、水合物颗粒制备罐(7)、水平测试管段(8)、倾斜测试管段(9)、垂直下降测试管段(10)、高速摄像仪(11)、高压气瓶(G)、注水口(W)、阀门(F)、流量计(FM)、伽马相分率仪(DM)、可视窗(V)、恒温水浴(WB)、温度计(T)、压力表(P)、差压传感器(DP)组成；其特征在于所述水合物颗粒制备罐(7)可以合成天然气水合物颗粒；改变破碎刀片(7a)的转速和位置，可以将水合物制备罐(7)中的所有固体水合物打碎成细小颗粒；通过改变水合物颗粒制备罐(7)上安装的可开关的不同孔隙度的筛网(7c)、(7d)、(7e)的工作状态，可以控制进入混合器(6)的水合物颗粒的粒径。
2.根据权利要求1所述的一种天然气水合物颗粒合成及气液固三相流动的实验装置，其特征在于倾斜测试管段(9)设置有90°、60°、30°三种不同倾角的测试管段(9a)、(9b)、(9c)，可以通过开关阀门(F9)、(F10)、(F11)、(F12)进行自由切换。
3.根据权利要求1所述的一种天然气水合物颗粒合成及气液固三相流动的实验装置，其特征在于水平测试管段前、倾斜测试管段中、垂直下降测试管段上下分别安装的可视窗(V1)到(V6)，其材质为玻璃钢。
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