[发明专利]天然气水合物储气密度测试装置及其测试方法

权利要求书

1.天然气水合物储气密度测试装置，其特征在于：包括水合物反应系统、注气及气体循环系统、注液及液体循环系统、稳压缓冲系统；

水合物反应系统，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，釜体安装有第一零五压力指示器(P-105)、第一零五温度指示器(T-105)、第一零一差压式液位计(L-101)及第一零一电阻传感器(C-101)，反应釜外围安装有夹套换热器，换热器内部设有导流槽，由制冷机组通过第四零一进水阀门(V-401)和第四零二进水阀门(V-402)对反应釜内的温度进行调节控制；

注气及气体循环系统，包括气瓶，气瓶上安装有检测气瓶压力的第一零六压力计(P-106)、第一零一截止阀(V-101)、第一零一压力计(P-101)、第一零一温度计(T-101)、第一零三截止阀(V-103)，主进气管路安装有第一零二压力计(P-102)、第一零二温度计(T-102)、气体循环泵、第一零五调节阀(CV-105)、第一零四压力计(P-104)、第一零四温度计(T-104)、第一零八调节阀(CV-108)、第二流量计(F-2)、第一一零截止阀(V-110)，出气管道上安有第一零四排空阀(V-104)，出气管道通过第一一二阀门(V-112)与反应釜连接，同时还连接第一零三流量计(F-103)和第一一一截止阀(V-111)，旁路调节管路上安有第一零九调节阀(CV-109)、第一零一流量计(F-101)；

注液及液体循环系统，包括水箱、第二零一截止阀(V-201)、柱塞泵、注液管路上安有第二零四调节阀(CV-204)、第二零五截止阀(V-205)、第二一零截止阀(V-210)，液体循环主管路上安有第二零六调节阀(CV-206)、第二零一温度计(T-201)、第二零一压力计(P-201)、液体循环泵、第二零八调节阀(CV-208)、第二零二温度计(T-202)、第二零二压力计(P-202)、第二零二流量计(F-202)、第二零九调节阀(CV-209)、旁路调节管路上安有第二零一流量计(F-201)、第二零七流量调节阀(CV-207)；

稳压缓冲系统，包括稳压缓冲罐(2)，稳压缓冲罐(2)上部空间充注气体，一侧通过第一零二截止阀(V-102)与气瓶相连，另一侧通过第一零六截止阀(V-106)与进气管路相连，同时通过第三零一截止阀(V-301)、第三零一压力计(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，一侧通过第二零二截止阀(V-202)、第二零三压力计(P-203)与水箱和进液管路相连，另一侧联接第二零三排空阀(V-203)，同时稳压缓冲罐(2)上安有第一零三温度计(T-103)、第一零三压力计(P-103)、第一零二差压式液位计(L-102)及第一零七安全阀(V-107)，稳压缓冲罐(2)外围安装有夹套换热器，换热器内部设有导流槽，由制冷机组通过第四零三进水阀门(V-403)和第四零四出水阀门(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，调节第一一二阀门(V-112)和第二一零截止阀(V-210)，通过天然气将反应釜水位压低至合适水位，通过第一零一差压式液位计(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，关闭第二一零截止阀(V-210)，调节第一零三截止阀(V-103)和第二零三排空阀(V-203)，通过天然气将稳压缓冲罐(2)水位压低至合适水位，通过第一零二差压式液位计(L-102)记录此时的液位H₂，关闭第一零三截止阀(V-103)及第二零三排空阀(V-203)；

(3)定压实验过程中，随着反应进行，水合物不断生成，系统内的压力逐渐降低，为稳定系统中的压力，并打开第一零六截止阀(V-106)、第一零八调节阀(CV-108)、第一一零截止阀(V-110)，关闭第二零五截止阀(V-205)，然后打开柱塞泵，第二零一截止阀(V-201)，第二零二截止阀(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，当第一零五压力指示器(P-105)检测到实验压力达到要求时，依次关闭第一零六截止阀(V-106)、第一一零截止阀(V-110)、第二零二截止阀(V-202)，关闭柱塞泵，压力指示器(P-203)显示柱塞泵的压力值，第一零三压力计(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，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＝ρ_gg[H-h₁]+ρ_Lgh₁

得h₁＝(ΔP₁-ρ_ggH)/[(ρ_L-ρ_g)g]

ρ_g-天然气的密度；ρ_L-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＝ρ_gg[H-h₂]+ρ_Lgh₂

得h₂＝(ΔP₂-ρ_ggH)/[(ρ_L-ρ_g)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ρ_v来表示，计量以标准状况下水合物的储气密度为计量基准；

ρv=P1V1T0T1P0S1H1]]>

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；

H2'—实验结束时稳压缓冲罐水位高度。