一種模擬可燃冰流化開采立管多相流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于海底可燃冰開采輸送技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種模擬可燃冰流化開采立管多相流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源消耗增長迅猛，目前我國石油總消耗占世界石油總消耗量的十分之一，成為世界上最大的能源消耗國。能源安全問題十分突出，因此研究開發(fā)新能源已成為當(dāng)下的首要任務(wù)。可燃冰作為一種新型綠色能源，其開發(fā)運(yùn)用已受到世界各國的廣泛關(guān)注。
[0003]可燃冰，又稱天然氣水合物，是天然氣和水在低溫高壓環(huán)境下形成的一種類冰狀固體，存在于海底淺表地層和永久凍土層內(nèi)。其中，海底淺表地層中可燃冰的儲(chǔ)量約占總儲(chǔ)量的80%。目前對可燃冰的可采方法主要有熱激法、減壓法等。熱激法是通過引入一定的熱源對水合物進(jìn)行加熱，使其分解產(chǎn)生氣體的方法。這種方法熱能損失大，效率低；減壓法是指通過采取一定措施將環(huán)境壓力降低到水合物的分解壓力，從而分解形成氣體的方法，此方法相對經(jīng)濟(jì)，在凍土區(qū)使用較多。而海底淺表地層可燃冰極不穩(wěn)定，易氣化分解造成海底地質(zhì)災(zāi)害及其他次生災(zāi)害。針對這一特征，學(xué)者們提出了固態(tài)流化開采方法。
[0004]固態(tài)流化開采法是一種原位原態(tài)、密閉流化、氣液固多相舉升的開采方法。此方法安全可靠，既不需要像加熱或降壓法那樣消耗大量的能源和投入復(fù)雜的管柱、工具，又避免了氣體分解可能引發(fā)的安全隱患。
[0005]但固體流化開采立管中，可燃冰會(huì)因壓力、溫度的改變發(fā)生相變，從而使得立管內(nèi)流體呈現(xiàn)氣、液、固三態(tài)，流動(dòng)變得十分復(fù)雜。目前，關(guān)于考慮相變的氣液固三相流動(dòng)研究甚少，更罕見相關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決【背景技術(shù)】所提出的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種一體化、可循環(huán)操作的模擬可燃冰固態(tài)流化開采立管多相流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置及方法。
[0007]—種模擬可燃冰流化開采立管多相流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置由供氣系統(tǒng)、可燃冰生成破碎一體化裝置、水循環(huán)系統(tǒng)、注砂裝置以及分離回收系統(tǒng)組成。供氣系統(tǒng)由儲(chǔ)氣瓶、壓縮機(jī)、高壓氣罐組成。儲(chǔ)氣瓶及高壓氣罐頂部分別安裝有儲(chǔ)氣瓶壓力表和高壓氣罐壓力表，儲(chǔ)氣瓶為壓縮機(jī)提供氣源，兩者之間通過管路連接，并于管路上設(shè)有儲(chǔ)氣瓶閥門。氣體經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入高壓氣罐，壓縮機(jī)與高壓氣罐之間管路上安裝罐間止回閥。高壓氣罐出氣管路與可燃冰生成破碎一體化裝置相連，管路上依次安裝高壓氣罐調(diào)節(jié)閥和注氣止回閥。
[0008]可燃冰生成破碎一體化裝置分上、中、下三層。上層為冷凝箱，用于給流入冷凝箱的氣體降溫，使其凝結(jié)成冰。冷凝箱上安有冷凝箱壓力表和冷凝箱溫度計(jì)，以監(jiān)測箱內(nèi)壓力、溫度。冷凝箱下部設(shè)對開隔板，可燃冰生成階段為關(guān)閉狀態(tài)。冷凝箱頂部裝有三根電動(dòng)螺桿鉆，待可燃冰生成后，啟動(dòng)電動(dòng)螺桿鉆，可實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)破碎，將可燃冰破碎成冰粒。可燃冰生成破碎一體化裝置中層為二次破碎室，上層破碎后的冰粒通過打開的對開隔板落入中層二次破碎室，二次破碎室底部為冰粒濾網(wǎng)，緊貼冰粒濾網(wǎng)的上部安裝有二次破碎滾輪。通過二次破碎滾輪的研磨，使大冰粒變成小冰粒，從而穿過冰粒濾網(wǎng)到達(dá)下層。下層底部設(shè)有斜坡式冰粒稱重計(jì)，用于稱量待加至實(shí)驗(yàn)管路的冰?？傊亓俊ｍ樦７Q重計(jì)的斜坡末端開設(shè)有底部出口。
[0009]注砂裝置為一砂箱，砂箱頂部設(shè)加砂口，并裝有加砂口閥門。砂箱底部為斜坡式砂粒稱重計(jì)，用于稱重加入的砂?？傊亓浚逼履┒碎_設(shè)出砂口。
[0010]可燃冰生成破碎一體化裝置出口及砂箱出口通過Y型匯管與冰砂混合腔連接，兩支管上分別安有注冰閥和注砂閥。打開注冰閥和注砂閥，冰粒和砂粒均可在重力作用下，沿著斜坡滾入冰砂混合腔。
[0011]冰砂混合腔上游為供水管路，由水栗通過管路抽吸水庫中的水供給冰砂混合腔，水栗與冰砂混合腔之間依次安裝有水流調(diào)節(jié)閥和水流流量計(jì)。
[0012]冰砂混合腔出口設(shè)有管路調(diào)節(jié)閥，其下游連接實(shí)驗(yàn)測試立管，立管底端入口安有立管入口壓力表和立管入口溫度計(jì)，立管中部安裝有立管跨中溫度計(jì)和立管跨中壓力表，立管頂端出口安裝有立管出口壓力表和立管出口溫度計(jì)。立管表面開有等間距對稱的可視透明視窗。高速攝像機(jī)通過透明視窗可拍攝立管內(nèi)多相流動(dòng)形態(tài)。
[0013]立管出口連接一級(jí)氣分離箱，一級(jí)氣分離箱入口設(shè)有分離擋板，多相流流入一級(jí)氣分離箱后碰撞分離擋板加速分離，氣相從上端出口流出，液固相由底端錐形出口流入一級(jí)氣分離箱下方的二級(jí)水分離箱。二級(jí)水分離箱的中部設(shè)有一傾斜放置的固體顆粒濾網(wǎng)，水可穿過濾網(wǎng)，流入水回收管，至水庫回收。水庫、水栗、供水管路、立管、一級(jí)氣分離箱、二級(jí)水分離箱、水回收管構(gòu)成了水循環(huán)系統(tǒng)。
[0014]經(jīng)過固體顆粒濾網(wǎng)攔截的固體顆粒進(jìn)入二級(jí)水分離箱右下方的三級(jí)冰分離箱。三級(jí)冰分離箱為內(nèi)外層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為冰砂分離室，外層為熱水流動(dòng)通道。熱水入口設(shè)于底部右下端，安裝有熱水入口閥門，熱水出口設(shè)于頂部左上端，安裝有熱水出口閥門，外層頂部安裝有熱水箱溫度計(jì)。熱水為內(nèi)層冰砂分離室提供熱量，促使冰粒氣化。內(nèi)層頂部連有氣體回注管，并安裝有排氣閥，內(nèi)層底部設(shè)有排砂口，安裝有排砂閥。一級(jí)氣分離箱和三級(jí)冰分離箱頂部連接有氣體回注管，用于將氣體回注至可燃冰生成破碎一體化裝置。氣體回注管與注氣止回閥下游注氣管以直角三通管連接，氣體回注管上安裝有氣體回注管閥門。
[0015]—種模擬可燃冰流化開采立管多相流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置可以提供模擬可燃冰流化開采立管多相流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法，分為可燃冰生成破碎、加砂混合、立管舉升測試、回收循環(huán)四個(gè)階段。
[0016]可燃冰生成破碎階段為實(shí)驗(yàn)提供待舉升的可燃冰冰粒。首先，關(guān)閉儲(chǔ)氣瓶閥門、氣體回注管閥門、可燃冰生成破碎一體化裝置中部的對開隔板、注冰閥，觀察儲(chǔ)氣瓶壓力表，確保儲(chǔ)氣瓶內(nèi)有足量的天然氣，若沒有則需更換儲(chǔ)氣瓶；然后，打開儲(chǔ)氣瓶閥門和罐間止回閥，啟動(dòng)壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮機(jī)加壓后的氣體流入高壓氣罐，觀察高壓氣罐壓力表，待高壓氣罐內(nèi)壓力升至預(yù)設(shè)壓力后，打開高壓氣罐調(diào)節(jié)閥和注氣止回閥。高壓氣體進(jìn)入可燃冰生成破碎一體化裝置上層冷凝箱，觀察冷凝箱壓力表，待其數(shù)值與高壓氣罐壓力表數(shù)值相同時(shí)，關(guān)閉高壓氣罐調(diào)節(jié)閥；啟動(dòng)冷凝箱對箱內(nèi)氣體進(jìn)行降溫，觀察冷凝箱溫度計(jì)和冷凝箱壓力表，待它們達(dá)到可燃冰生成的溫度和壓力條件后，冷凝箱內(nèi)天然氣會(huì)凝結(jié)成可燃冰。當(dāng)冷凝箱內(nèi)氣體全部凝結(jié)成冰后，啟動(dòng)電動(dòng)螺桿鉆，將冷凝箱內(nèi)可燃冰初步破碎；打開對開隔板，使初步破碎的可燃冰塊落在中層冰粒濾網(wǎng)上；啟動(dòng)二次破碎滾輪，使其在冰粒濾網(wǎng)上來回研磨可燃冰塊，經(jīng)研磨后的冰粒穿過冰粒濾網(wǎng)落入下層冰粒稱重計(jì)上，記錄待加入的冰?？傊亓?。
[0017]加砂混合階段為實(shí)驗(yàn)提供冰砂混合物。首先，關(guān)閉注砂閥，打開加砂口閥門，往砂箱加入足量的砂粒；砂粒落在砂箱底部砂粒稱重計(jì)上，記錄待加入的砂?？傊亓俊Ｈ缓?，關(guān)閉水流調(diào)節(jié)閥和管路調(diào)節(jié)閥，打開注冰閥和注砂閥，讓冰粒和砂粒落入冰砂混合腔。打開水流調(diào)節(jié)閥，啟動(dòng)水栗，往冰砂混合腔供水，使冰砂混合物得以攪拌混勻。
[0018]立管舉升測試階段為實(shí)驗(yàn)測試的核心部分。在合適的位置布置高速攝像機(jī)，并啟動(dòng)記錄；打開管路調(diào)節(jié)閥，水流攜帶冰砂混合物進(jìn)入立管；實(shí)時(shí)記錄水流流量計(jì)、立管入口溫度計(jì)、立管入口壓力表、立管跨中溫度計(jì)、立管跨中壓力表、立管出口壓力表、立管出口溫度計(jì)讀數(shù)；待冰砂混合物全部攜帶出立管后，停止高速攝像機(jī)的記錄。
[0019]回收循環(huán)階段實(shí)現(xiàn)氣液固三相分離和回收利用。關(guān)閉排砂閥，打開排氣閥。從立管出口流出的多相流首先進(jìn)入一級(jí)氣分離箱，撞擊分離擋板后，氣體從上端出口流出，液固相由底端錐形出口流入二級(jí)水分離箱。固相被固體顆粒濾網(wǎng)攔截，水則穿過固體顆粒濾網(wǎng)流入水回收管，至水庫回收利用。保持水栗運(yùn)行，使實(shí)驗(yàn)管路和固體顆粒濾網(wǎng)得到充分沖洗。被攔截的固相顆粒沿著斜置的固體顆粒濾網(wǎng)落入三級(jí)冰分離箱，打開熱水入口閥門和熱水出口閥門，使熱水在三級(jí)冰分離箱外層熱水流動(dòng)通道中流動(dòng)，為內(nèi)層冰砂分離室提供熱量，促使冰粒氣化，可燃冰粒氣化后進(jìn)入氣體回注管。打開氣體回注管閥門，可使一級(jí)氣分離箱和三級(jí)冰分離箱頂部回收的氣體經(jīng)氣體回注管回注至可燃冰生成破碎一體化裝置。待可燃冰粒全部氣化后，打開排砂閥，回收砂粒，重新注至砂箱。最后，關(guān)閉水栗，停止水循環(huán)。
[0020]上述三級(jí)冰分離箱外層頂部安裝有熱水箱溫度計(jì)，觀察其讀數(shù)，可檢查熱水流動(dòng)通道中的熱水溫度是否合適。
[0021]實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，由立管入