CN105547913A - 天然气水合物储气密度测试装置及其测试方法 - Google Patents

天然气水合物储气密度测试装置及其测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种天然气测试装置及其测试方法，具体为天然气水合物储气密度测试装置及其测试方法，包括水合物反应***、注气及气体循环***、注液及液体循环***、稳压缓冲***；还包括差压变送器，稳压缓冲罐上部空间气体通过气连通阀与差压变送器连接，稳压缓冲罐下部液体通过液连通阀与差压变送器连接，气连通阀和液连通阀之间安装有平衡阀；稳压缓冲罐通过补水阀与水箱连接，通过补气阀与反应釜连接。该装置和方法消除了实验过程中动态波动变化的温压条件对气体流量测量带来的影响，保证实验初始时刻与实验结束时刻温压条件的一致性，通过补水的体积等效为消耗的气体的体积，降低了现有流量计测量过程中存在的累计误差。

Description

天然气水合物储气密度测试装置及其测试方法
技术领域
本发明涉及一种天然气测试装置及其测试方法，具体为天然气水合物储气密度测试装置及其测试方法。
背景技术
天然气水合物，是由小分子烃类(主要是CH4)与水分子在低温和高压条件下依靠范德华力形成的一种笼型晶体物质。理论上，1m3的天然气水合物可释放164m3标准状态CH4和0.8m3的水。全球天然气水合物中蕴藏的甲烷量约为1.8-2.1x1016m3，相当于全球已发现的煤、石油、天然气等化石燃料的两倍多。
水合物技术在能源气储运、混合气分离、温室气体捕获、海水淡化以及蓄冷等领域有着广泛的应用前景，实现水合物快速合成是水合物商业化应用的前提，目前水合物快速合成还存在以下几个方面的问题：(1)生成速度慢，(2)储气密度低。因此，实现天然气水合物快速合成及高密度的储气是天然气水合物大规模商业化应用的关键。
在水合物生成的实验研究过程中，需要对天然气水合物的储气密度进行测试，对循环回路中天然气的气体流量进行检测，而传统的气体流量的测量已不能满足该实验测试的需要，主要存在的问题如下：(1)由于气体的体积是温度和压力的函数，受介质温度、压力的变化影响.(2)气体流量测量的动态性能有待改善，许多气体流量计的响应速度已无法满足生产要求，且温压补偿问题有待进一步解决以提高测量精度，(3)气体微小流量测量过程中存在泄露，间接测量质量流量需要测量压力，温度密度等参数，使得流量计的部件较多，从而增加了成本，降低了精度，提高了故障率。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种基于稳压补水操作***的新型天然气水合物储气密度测试方法，该方法主要优势在于不涉及中间变化过程，消除了温压变化对气体流量测量带来的较大影响，且操作简单、可靠易实现。
具体技术方案为：
天然气水合物储气密度测试装置，包括水合物反应***、注气及气体循环***、注液及液体循环***、稳压缓冲***；
水合物反应***，包括反应釜，提供水合物制备与存储空间，通过制冷机组控制内部水和反应介质的温度，反应釜内部增设三种水合物快速合成装置，釜体中间架设搅拌器，釜顶架设喷淋器及釜底安装鼓泡器，釜体安装有压力指示器P-105、温度指示器T-105、差压式液位计L-102及电阻传感器C-101，反应釜***安装有夹套换热器，换热器内部设有导流槽，由制冷机组通过进水阀门V-401和出水阀门V-402对反应釜内的温度进行调节控制；
注气及气体循环***，包括气瓶，气瓶上安装有检测气瓶压力的压力计P-106、截止阀V-101、压力计P-101、温度计T-101、截止阀V-103，主进气管路安装有压力计P-102、温度计T-102、气体循环泵、调节阀CV-105、压力计P-104、温度计T-104、调节阀CV-108、流量计F-2、截止阀V-110，出气管道上安有排空阀V-104，出气管道通过阀门V-112与反应釜连接，同时还连接流量计F-103和截止阀V-111，旁路调节管路上安有调节阀CV-109、流量计F-101；
注液及液体循环***，包括水箱、截止阀V-201、柱塞泵、注液管路上安有调节阀CV-204、截止阀V-205、截止阀V-210，液体循环主管路上安有调节阀CV-206、温度计T-201、压力计P-201、液体循环泵、调节阀CV-208、温度计T-202、压力计P-202、流量计F-202、调节阀CV-209、旁路调节管路上安有流量计F-201、流量调节阀CV-207；
稳压缓冲***，包括稳压缓冲罐，稳压缓冲罐上部空间充注气体，一侧通过截止阀V-102与气瓶相连，另一侧通过截止阀V-106与进气管路相连，同时通过截止阀V-301、压力计P-301与真空泵联接，实现对整个回路抽真空操作；稳压缓冲罐下部注水，一侧通过截止阀V-202、压力计P-203与水箱和进液管路相连，另一侧联接排空阀V-203，同时稳压缓冲罐上安有温度计T-103、压力计P-103、差压式液位计L-101及安全阀V-107，稳压缓冲罐***安装有夹套换热器，换热器内部设有导流槽，由制冷机组通过进水阀门V-403和出水阀门V-404对反应釜内的温度进行调节控制；
还包括差压变送器，所述的稳压缓冲罐上部空间气体通过气连通阀与差压变送器连接，稳压缓冲罐下部液体通过液连通阀与差压变送器连接，气连通阀和液连通阀之间安装有平衡阀；稳压缓冲罐通过补水阀与水箱连接，通过补气阀与反应釜连接。
天然气水合物储气密度测试装置的测试方法，包括以下步骤：
(1)实验开始前准备阶段，注气及注液作业操作过程中，将气循环管路与液循环管路分别注满气体与液体；
(2)水位调节作业过程中，调节阀门V-112和截止阀V-210，通过天然气将反应釜水位压低至合适水位，通过差压式液位计L-101记录此时的液位H1，并同时记录此时的温度T1和压力P1，关闭排水阀V-210，调节截止阀V-103和排空阀V-203，通过天然气将稳压缓冲罐水位压低至合适水位，通过差压式液位计L-102记录此时的液位H2，关闭截止阀V-103及排空阀V-203；
(3)定压实验过程中，随着反应进行，水合物不断生成，***内的压力逐渐降低，为稳定***中的压力，并打开截止阀V-106、调节阀CV-108、截止阀V-110，关闭截止阀V-205，然后打开柱塞泵，截止阀V-201，截止阀V-202，使水箱中的水进入稳压缓冲罐，利用气体的可压缩性，随着气循环回路中的气体进一步被压缩，回路中的压力值不断增大，当压力指示器P-105检测到实验压力达到要求时，依次关闭截止阀V-106、截止阀V-110、截止阀V-202，关闭柱塞泵，压力指示器P-203显示柱塞泵的压力值，压力指示器P-103显示稳压缓冲罐的压力值；
(4)实验结束后，使反应釜内的压力和温度与步骤(2)中记录的压力及温度保持一致，记录稳压缓冲罐此时的液位H‘2，保证实验开始时刻与实验结束时刻反应釜内的气体处于同一个温压条件下；
(5)实验过程中，待反应釜内部的液体水全部转换为水合物时结束实验操作，认为初始反应釜内液态水体积即为实验结束时标准状态下水合物的生成体积；
(6)差压变送器液位测试，实验初始阶段，稳压缓冲罐内充注液体水位高度为h1，测试过程为：
(a)首先开启平衡阀，目的在于保护差压变送器以免两端压差过大而失效，接着开启气连通阀和液连通阀，待两阀门开启后，缓慢关闭平衡阀；
(b)通过差压变送器测定两端压差为ΔP1，则：
ΔP1＝ρgg[H-h1]+ρLgh1
得h1＝(ΔP1-ρggH)/[(ρL-ρg)g]
ρg—天然气的密度；/L—液态水的密度；
H—气连通阀与液连通阀间高度；
随着反应的持续进行，反应釜内部的压力逐渐降低，为保证实验在定压操作条件下进行，开启补水阀对稳压缓冲罐进行补水，利用气体的可压缩性，将稳压缓冲罐内的气体压缩增压，通过补气阀注入到反应釜内，实现补水稳压操作；实验过程中持续不断的补水进气作业，至实验结束后稳压缓冲罐内水位高度达到了h2，测试过程同理：
首先开启平衡阀，接着开启气连通阀和液连通阀，待两阀门开启后，缓慢关闭平衡阀；通过差压变送器测定两端压差为ΔP2，则：
ΔP2＝ρgg[H-h2[+ρLgh2
得h2＝(ΔP2-ρggH)/[(ρL-ρg)g]；
(7)水合物储气密度计算
水合物储气性能以一定条件下的储气密度或含气率ρv来表示，计量以标准状况下水合物的储气密度为计量基准；
ρ v = P 1 V 1 T 0 T 1 P 0 S 1 H 1
公式中参数表示含义如下：水合物生成过程中，反应釜内部压力逐渐下降，为保证实验压力保持不变，通过补水作业将稳压缓冲罐内的气体压入到反应釜内部容器中参与水和反应，保证初始状态及终了状态反应釜内的温压条件一致，通过稳压缓冲罐向反应釜内注水的体积等效为实验过程中消耗的天然气气体的体积，记为在温度T1压力P1条件下反应釜内消耗的气体体积为V1；标准状态P0、T0下反应釜内消耗的天然气气体体积V0；S1反应釜内腔横截面面积，H1实验初始状态反应釜内液位高度；
其中，反应釜内消耗的气体体积为V1：
V1＝S2·(H‘2-H2)
S2—稳压缓冲罐内腔横截面面积；
H2—初始状态稳压缓冲罐水位高度。
本发明提供的天然气水合物储气密度测试装置及其测试方法，消除了实验过程中动态波动变化的温压条件对气体流量测量带来的影响，同时，对于微小气体流量的测量，方法基于补水稳压操作***，利用气体的可压缩性，保证实验初始时刻与实验结束时刻温压条件的一致性，通过补水的体积等效为消耗的气体的体积，大大降低了现有流量计测量过程中存在的累计误差，提高了精度，且操作简单可靠易实现。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的局部结构示意图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施方式。如图1和图2所示，天然气水合物储气密度测试装置，包括水合物反应***、注气及气体循环***、注液及液体循环***、稳压缓冲***；
水合物反应***，包括反应釜，提供水合物制备与存储空间，通过制冷机组控制内部水和反应介质的温度，反应釜内部增设三种水合物快速合成装置，釜体中间架设搅拌器，釜顶架设喷淋器及釜底安装鼓泡器，釜体安装有压力指示器P-105、温度指示器T-105、差压式液位计L-102及电阻传感器C-101，反应釜***安装有夹套换热器，换热器内部设有导流槽，由制冷机组通过进水阀门V-401和出水阀门V-402对反应釜内的温度进行调节控制；
注气及气体循环***，包括气瓶，气瓶上安装有检测气瓶压力的压力计P-106、截止阀V-101、压力计P-101、温度计T-101、截止阀V-103，主进气管路安装有压力计P-102、温度计T-102、气体循环泵、调节阀CV-105、压力计P-104、温度计T-104、调节阀CV-108、流量计F-2、截止阀V-110，出气管道上安有排空阀V-104，出气管道通过阀门V-112与反应釜连接，同时还连接流量计F-103和截止阀V-111，旁路调节管路上安有调节阀CV-109、流量计F-101；
注液及液体循环***，包括水箱、截止阀V-201、柱塞泵、注液管路上安有调节阀CV-204、截止阀V-205、截止阀V-210，液体循环主管路上安有调节阀CV-206、温度计T-201、压力计P-201、液体循环泵、调节阀CV-208、温度计T-202、压力计P-202、流量计F-202、调节阀CV-209、旁路调节管路上安有流量计F-201、流量调节阀CV-207；
稳压缓冲***，包括稳压缓冲罐2，稳压缓冲罐2上部空间充注气体，一侧通过截止阀V-102与气瓶相连，另一侧通过截止阀V-106与进气管路相连，同时通过截止阀V-301、压力计P-301与真空泵联接，实现对整个回路抽真空操作；稳压缓冲罐2下部注水，一侧通过截止阀V-202、压力计P-203与水箱和进液管路相连，另一侧联接排空阀V-203，同时稳压缓冲罐2上安有温度计T-103、压力计P-103、差压式液位计L-101及安全阀V-107，稳压缓冲罐2***安装有夹套换热器，换热器内部设有导流槽，由制冷机组通过进水阀门V-403和出水阀门V-404对反应釜内的温度进行调节控制；
还包括差压变送器7，所述的稳压缓冲罐2上部空间气体通过气连通阀4与差压变送器7连接，稳压缓冲罐2下部液体通过液连通阀5与差压变送器7连接，气连通阀4和液连通阀5之间安装有平衡阀6；稳压缓冲罐2通过补水阀1与水箱连接，通过补气阀3与反应釜连接。
天然气水合物储气密度测试装置的测试方法，包括以下步骤：
(1)实验开始前准备阶段，注气及注液作业操作过程中，将气循环管路与液循环管路分别注满气体与液体；
(2)水位调节作业过程中，调节阀门V-112和截止阀V-210，通过天然气将反应釜水位压低至合适水位，通过差压式液位计L-101记录此时的液位H1，并同时记录此时的温度T1和压力P1，关闭排水阀V-210，调节截止阀V-103和排空阀V-203，通过天然气将稳压缓冲罐2水位压低至合适水位，通过差压式液位计L-102记录此时的液位H2，关闭截止阀V-103及排空阀V-203；
(3)定压实验过程中，随着反应进行，水合物不断生成，***内的压力逐渐降低，为稳定***中的压力，并打开截止阀V-106、调节阀CV-108、截止阀V-110，关闭截止阀V-205，然后打开柱塞泵，截止阀V-201，截止阀V-202，使水箱中的水进入稳压缓冲罐2，利用气体的可压缩性，随着气循环回路中的气体进一步被压缩，回路中的压力值不断增大，当压力指示器P-105检测到实验压力达到要求时，依次关闭截止阀V-106、截止阀V-110、截止阀V-202，关闭柱塞泵，压力指示器P-203显示柱塞泵的压力值，压力指示器P-103显示稳压缓冲罐2的压力值；
(4)实验结束后，使反应釜内的压力和温度与步骤(2)中记录的压力及温度保持一致，记录稳压缓冲罐2此时的液位H‘2，保证实验开始时刻与实验结束时刻反应釜内的气体处于同一个温压条件下；
(5)实验过程中，待反应釜内部的液体水全部转换为水合物时结束实验操作，认为初始反应釜内液态水体积即为实验结束时标准状态下水合物的生成体积；
(6)差压变送器液位测试，实验初始阶段，稳压缓冲罐2内充注液体水位高度为h1，测试过程为：
(a)首先开启平衡阀6，目的在于保护差压变送器7以免两端压差过大而失效，接着开启气连通阀4和液连通阀5，待两阀门开启后，缓慢关闭平衡阀6；
(b)通过差压变送器7测定两端压差为ΔP1，则：
ΔP1＝ρgg[H-h1]+ρLgh1
得h1＝(ΔP1-ρggH)/[(ρL-ρg)g]
ρg—天然气的密度；ρL—液态水的密度；
H—气连通阀4与液连通阀5间高度；
随着反应的持续进行，反应釜内部的压力逐渐降低，为保证实验在定压操作条件下进行，开启补水阀1对稳压缓冲罐2进行补水，利用气体的可压缩性，将稳压缓冲罐2内的气体压缩增压，通过补气阀3注入到反应釜内，实现补水稳压操作；实验过程中持续不断的补水进气作业，至实验结束后稳压缓冲罐2内水位高度达到了h2，测试过程同理：
首先开启平衡阀6，接着开启气连通阀4和液连通阀5，待两阀门开启后，缓慢关闭平衡阀6；通过差压变送器7测定两端压差为ΔP2，则：
ΔP2＝ρgg[H-h2]+ρLgh2
得h2＝(ΔP2-ρggH)/[(ρL-ρg)g]；
(7)水合物储气密度计算
水合物储气性能以一定条件下的储气密度或含气率ρv来表示，计量以标准状况下水合物的储气密度为计量基准；
ρ v = P 1 V 1 T 0 T 1 P 0 S 1 H 1
公式中参数表示含义如下：水合物生成过程中，反应釜内部压力逐渐下降，为保证实验压力保持不变，通过补水作业将稳压缓冲罐2内的气体压入到反应釜内部容器中参与水和反应，保证初始状态及终了状态反应釜内的温压条件一致，通过稳压缓冲罐2向反应釜内注水的体积等效为实验过程中消耗的天然气气体的体积，记为在温度T1压力P1条件下反应釜内消耗的气体体积为V1；标准状态P0、T0下反应釜内消耗的天然气气体体积V0；S1反应釜内腔横截面面积，H1实验初始状态反应釜内液位高度；
其中，反应釜内消耗的气体体积为V1：
V1＝S2·(H‘2-H2)
S2—稳压缓冲罐内腔横截面面积；
H2—初始状态稳压缓冲罐水位高度。

Claims (2)

1.天然气水合物储气密度测试装置，其特征在于：包括水合物反应***、注气及气体循环***、注液及液体循环***、稳压缓冲***；
水合物反应***，包括反应釜，提供水合物制备与存储空间，通过制冷机组控制内部水和反应介质的温度，反应釜内部增设三种水合物快速合成装置，釜体中间架设搅拌器，釜顶架设喷淋器及釜底安装鼓泡器，釜体安装有压力指示器P-105、温度指示器T-105、差压式液位计L-102及电阻传感器C-101，反应釜***安装有夹套换热器，换热器内部设有导流槽，由制冷机组通过进水阀门V-401和出水阀门V-402对反应釜内的温度进行调节控制；
注气及气体循环***，包括气瓶，气瓶上安装有检测气瓶压力的压力计P-106、截止阀V-101、压力计P-101、温度计T-101、截止阀V-103，主进气管路安装有压力计P-102、温度计T-102、气体循环泵、调节阀CV-105、压力计P-104、温度计T-104、调节阀CV-108、流量计F-2、截止阀V-110，出气管道上安有排空阀V-104，出气管道通过阀门V-112与反应釜连接，同时还连接流量计F-103和截止阀V-111，旁路调节管路上安有调节阀CV-109、流量计F-101；
注液及液体循环***，包括水箱、截止阀V-201、柱塞泵、注液管路上安有调节阀CV-204、截止阀V-205、截止阀V-210，液体循环主管路上安有调节阀CV-206、温度计T-201、压力计P-201、液体循环泵、调节阀CV-208、温度计T-202、压力计P-202、流量计F-202、调节阀CV-209、旁路调节管路上安有流量计F-201、流量调节阀CV-207；
稳压缓冲***，包括稳压缓冲罐(2)，稳压缓冲罐(2)上部空间充注气体，一侧通过截止阀V-102与气瓶相连，另一侧通过截止阀V-106与进气管路相连，同时通过截止阀V-301、压力计P-301与真空泵联接，实现对整个回路抽真空操作；稳压缓冲罐(2)下部注水，一侧通过截止阀V-202、压力计P-203与水箱和进液管路相连，另一侧联接排空阀V-203，同时稳压缓冲罐(2)上安有温度计T-103、压力计P-103、差压式液位计L-101及安全阀V-107，稳压缓冲罐(2)***安装有夹套换热器，换热器内部设有导流槽，由制冷机组通过进水阀门V-403和出水阀门V-404对反应釜内的温度进行调节控制；
还包括差压变送器(7)，所述的稳压缓冲罐(2)上部空间气体通过气连通阀(4)与差压变送器(7)连接，稳压缓冲罐(2)下部液体通过液连通阀(5)与差压变送器(7)连接，气连通阀(4)和液连通阀(5)之间安装有平衡阀(6)；稳压缓冲罐(2)通过补水阀(1)与水箱连接，通过补气阀(3)与反应釜连接。
2.根据权利要求1所述的天然气水合物储气密度测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)实验开始前准备阶段，注气及注液作业操作过程中，将气循环管路与液循环管路分别注满气体与液体；
(2)水位调节作业过程中，调节阀门V-112和截止阀V-210，通过天然气将反应釜水位压低至合适水位，通过差压式液位计L-101记录此时的液位H1，并同时记录此时的温度T1和压力P1，关闭排水阀V-210，调节截止阀V-103和排空阀V-203，通过天然气将稳压缓冲罐(2)水位压低至合适水位，通过差压式液位计L-102记录此时的液位H2，关闭截止阀V-103及排空阀V-203；
(3)定压实验过程中，随着反应进行，水合物不断生成，***内的压力逐渐降低，为稳定***中的压力，并打开截止阀V-106、调节阀CV-108、截止阀V-110，关闭截止阀V-205，然后打开柱塞泵，截止阀V-201，截止阀V-202，使水箱中的水进入稳压缓冲罐(2)，利用气体的可压缩性，随着气循环回路中的气体进一步被压缩，回路中的压力值不断增大，当压力指示器P-105检测到实验压力达到要求时，依次关闭截止阀V-106、截止阀V-110、截止阀V-202，关闭柱塞泵，压力指示器P-203显示柱塞泵的压力值，压力指示器P-103显示稳压缓冲罐(2)的压力值；
(4)实验结束后，使反应釜内的压力和温度与步骤(2)中记录的压力及温度保持一致，记录稳压缓冲罐(2)此时的液位H‘2，保证实验开始时刻与实验结束时刻反应釜内的气体处于同一个温压条件下；
(5)实验过程中，待反应釜内部的液体水全部转换为水合物时结束实验操作，认为初始反应釜内液态水体积即为实验结束时标准状态下水合物的生成体积；
(6)差压变送器液位测试，实验初始阶段，稳压缓冲罐(2)内充注液体水位高度为h1，测试过程为：
(a)首先开启平衡阀(6)，目的在于保护差压变送器(7)以免两端压差过大而失效，接着开启气连通阀(4)和液连通阀(5)，待两阀门开启后，缓慢关闭平衡阀(6)；
(b)通过差压变送器(7)测定两端压差为ΔP1，则：
ΔP1＝ρgg[H-h1]+ρLgh1
得h1＝(ΔP1-ρggH)/[(ρL-ρg)g]
ρg—天然气的密度；ρL—液态水的密度；
H—气连通阀(4)与液连通阀(5)间高度；
随着反应的持续进行，反应釜内部的压力逐渐降低，为保证实验在定压操作条件下进行，开启补水阀(1)对稳压缓冲罐(2)进行补水，利用气体的可压缩性，将稳压缓冲罐(2)内的气体压缩增压，通过补气阀(3)注入到反应釜内，实现补水稳压操作；实验过程中持续不断的补水进气作业，至实验结束后稳压缓冲罐(2)内水位高度达到了h2，测试过程同理：
首先开启平衡阀(6)，接着开启气连通阀(4)和液连通阀(5)，待两阀门开启后，缓慢关闭平衡阀(6)；通过差压变送器(7)测定两端压差为ΔP2，则：
ΔP2＝ρgg[H-h2]+ρLgh2
得h2＝(ΔP2-ρggH)/[(ρL-ρg)g]；
(7)水合物储气密度计算
水合物储气性能以一定条件下的储气密度或含气率ρv来表示，计量以标准状况下水合物的储气密度为计量基准；
ρ v = P 1 V 1 T 0 T 1 P 0 S 1 H 1
公式中参数表示含义如下：水合物生成过程中，反应釜内部压力逐渐下降，为保证实验压力保持不变，通过补水作业将稳压缓冲罐(2)内的气体压入到反应釜内部容器中参与水和反应，保证初始状态及终了状态反应釜内的温压条件一致，通过稳压缓冲罐(2)向反应釜内注水的体积等效为实验过程中消耗的天然气气体的体积，记为在温度T1压力P1条件下反应釜内消耗的气体体积为V1；标准状态P0、T0下反应釜内消耗的天然气气体体积V0；S1反应釜内腔横截面面积，H1实验初始状态反应釜内液位高度；
其中，反应釜内消耗的气体体积为V1：
V1＝S2·(H‘2-H2)
S2—稳压缓冲罐内腔横截面面积；
H2—初始状态稳压缓冲罐水位高度。
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