一种向大型水合物反应器连续注液的装置 【技术领域】
本发明涉及天然气水合物开采技术， 尤其涉及一种向大型水合物反应器连续注液的装置。 技术背景 天然气水合物是在一定条件 ( 合适的压力、 温度、 气体饱和度、 水的盐度和 pH 值 等 ) 下由水和天然气组成的类冰的笼形结晶化合物， 其遇火即可燃烧， 俗称 “可燃冰” ， 在自 然界中存在的水合物绝大部分是甲烷水合物。一般说来， 从水合物分解得到的甲烷是水合 物体积的 160 多倍， 其以固态形式存在的天然气总量是地球上煤、 石油等化石燃料的 2 倍， 所以天然气水合物成了 21 世纪最重要的战略资源。此外， 甲烷含碳量少于煤或石油， 甲烷 产生的二氧化碳仅仅是煤的一半， 是一种比较清洁的能源。
运用能量平衡条件等计算表明， 在假设无能量损失的情况下， 从水合物气体中获 得的能量是分解水合物能量的 15.5 倍， 因此开采天然气水合物具有一定的商业价值， 是各 发达国家争相研究的前沿热点， 但是由于天然气水合物的开采面临着经济和技术上的可行 性问题， 天然气水合物的开发技术目前主要处于实验研究阶段。
天然气水合物开采的思路基本上是首先将蕴藏于沉积物中的天然气水合物进行 分解， 然后加以利用。当前提出的方法主要有以下三类 ： (1) 热力开采法， 主要是将蒸汽、 热 水、 热盐水或其它热流体从地面泵入天然气水合物储层， 或采用火驱法、 利用地热等诸多方 法促使储层温度上升而达到水合物分解的目的 ； (2) 化学剂开采法， 主要是利用一些化学 剂， 诸如盐水、 甲醇、 乙醇、 乙二醇、 丙三醇等来改变水合物形成的相平衡条件， 降低水合物 稳定温度， 以达到分解的目的 ； (3) 降压开采法， 主要是通过降低压力而引起天然气水合物 稳定的相平衡曲线的移动， 从而促使天然气水合物分解。
目前， 研究天然气水合物有效、 快速、 经济的开采方法， 为大规模开采天然气水合 物提供理论依据， 是缓解与日俱增的能源压力的有效途径。
发明内容 本发明的目的是提供一种向大型水合物反应器连续注液的装置。
为达到以上目的， 本发明采取了以下技术方案 ：
本发明的主要创新之处在于 ： 使用由一组中间容器 11 组成的容器组， 所述中间容 器 11 采用活塞式设计， 向中间容器 11 输入溶液后， 通过工作液体推动中间容器 11 内的活 塞往复运动， 使溶液注入大型水合物反应器 12 中。
本发明自动注液装置包括由一组中间容器 11 组成的容器组， 大型水合物反应器 12， 液体容器 13， 平流泵 14， 加热器 15， 加液泵 16， 工作液容器 17， 计算机 18 及与之配套使 用的电磁阀或气动阀或电动阀 ； 中间容器 11 采用活塞式设计 ； 液体容器 13 通过管道及阀 门连通至中间容器 11 的下层进液口， 并经平流泵 14 及配套阀门通过管道连通至大型水合 物反应器 12 ； 工作液容器 17 经加液泵 16 通过管道连通至中间容器 11 的上层进液口 ； 各中
间容器 11 的下层出液口通过阀门及管道互相连通， 各中间容器 11 的上层出液口通过阀门 及管道互相连通并通过管道经加热器 15 及配套阀门连通至大型水合物反应器 12 ； 计算机 18 控制供液流速和注液量以及配套阀门的自动切换。
配套使用的阀门包括电磁阀或气动阀或电动阀。
所述中间容器 11 为一设有内腔的封闭性容器， 内腔中设有活塞 5， 顶部和底部分 别由上法兰 3 和下法兰 8 固定， 活塞 5 松紧可根据压力大小来调节， 从而减小阻力系数和提 高密封性能， 避免活塞 5 受压过程中的脉冲现象 ； 顶部 4 通过上层进液口 1 进液和出液口 1 出液， 底部 7 通过下层出液口 9 出液和下层进液口 10 进液， 上、 下进液口和出液口均由配套 阀门控制开闭， 内壁 6 粗糙度高， 密封件采用石墨橡胶组合密封形式。
液体容器 13 用于盛放驱动活塞 5 移动的溶液。工作液容器 17 用于盛放需要注入 大型水合物反应器 12 的溶液。加液泵 16 流量大、 耐腐蚀， 但流速不稳定， 可以驱动中间容 器 11 内的活塞 5， 但达不到大型水合物反应器加液要求的高压 ( 一般不低于 5MPa)。平流 泵 14 流量范围为 0 ～ 250ml/min， 压力范围 0 ～ 20MPa， 流速均匀但不耐腐蚀和高温。平流 泵 14、 加液泵 16 的启停、 流速， 以及电磁阀的开关均由计算机 18 程序控制。为减小加热器 15 的热损失， 加热器 15 周围采用保温隔热材料， 热溶液输送线路用保温材料包裹， 加热器 15 出口安装旁通阀。 本装置可实现一般溶液 ( 如去离子水、 蒸馏水等非腐蚀性溶液 ) 和化学剂溶液 ( 如甲醇、 乙二醇等腐蚀性的溶液 ) 在常温和高温条件下自动连续注入大型水合物反应器 12。
本发明装置使用时， 首先将腐蚀性溶液注入到中间容器 11 内活塞上部， 打开相应 电磁阀， 启动加液泵 16， 腐蚀性溶液推动活塞在中间容器 11 内下降， 当活塞达到底部时加 液完成， 停加液泵 16， 关闭相应电磁阀。打开相应电磁阀， 启动平流泵 14， 当压力大于或等 于反应器 12 内压力时开启相应电磁阀， 活塞随着平流泵 14 注入液体而上升， 从而驱动中间 容器 11 内的具有化学剂溶液进入大型水合物反应器 12 ； 同时， 计算活塞移动的距离， 当活 塞移动距离达到全部可移动距离的 70％～ 80％时， 即活塞接近中间容器 11 内部顶端而没 有接触时， 通过计算机 18 程序控制自动停止平流泵 14， 关闭相应电磁阀。然后采用上述方 法经过中间容器 11 向大型水合物反应器 12 注液。同时， 打开相应电磁阀， 启动加液泵 16， 将腐蚀性溶液注入到中间容器 11 内活塞上部， 直到活塞达到底部， 中间容器 11 恢复到初始 时刻的状态， 关闭相应电磁阀。以此类推， 各中间容器 11 逐个使用， 保证连续自动注液过程 一直进行。
综上所述， 本装置可以针对大型水合物反应器 12 耐高压、 耐腐蚀性以及供液稳定 等要求， 综合利用加液泵耐腐蚀性和平流泵耐高压、 注液稳定的优点， 避免加液泵供液不稳 定和平流泵易腐蚀性等缺点， 设计一组中间容器， 满足向大型水合物反应器 12 连续自动供 液的要求。
本发明具有如下技术效果 ：
(1) 为大型水合物反应器提供了一个供液平台， 为实现水合物热力法、 化学剂法等 开采提供了安全、 必要和有效的操作条件， 为天然气水合物的实际开采过程中的工程设计 提供参考 ；
(2) 本装置可以实现一般溶液 ( 如去离子水、 蒸馏水等非腐蚀性溶液 ) 和化学剂溶
液 ( 如甲醇、 乙二醇等腐蚀性的溶液 ) 在常温和高温条件下自动连续注入大型水合物反应 器。
(3) 本装置针对大型水合物反应器耐高压、 耐腐蚀性以及供液稳定等要求， 综合利 用加液泵耐腐蚀性和平流泵耐高压、 注液稳定的优点， 避免加液泵供液不稳定和平流泵易 腐蚀性等缺点， 设计一组中间容器， 并且通过计算机程序控制供液流速和注液量以及电磁 阀 ( 或气动阀或电动阀 ) 等的自动切换， 对大型水合物反应器实现连续自动供液。 附图说明
图 1 是本发明装置的中间容器剖面结构示意图。
附图标记说明 ： 1、 上层进液口， 2、 上层出液口， 3、 上法兰， 4、 中间容器顶部， 5、 活 塞， 6、 内壁， 7、 中间容器底部， 8、 下法兰， 9、 下层出液口， 10、 下层进液口
图 2 是发明装置的流程设计示意图。
附图标记说明 ： 11、 中 间 容 器， 12、 大 型 水 合 物 反 应 器， 13、 液 体 容 器， 14、 平流 泵， 15、 加 热 器， 16、 加 液 泵， 17、 工 作 液 容 器， 18、 计 算 机， 手 动 阀 门 V01...V15 ； 电磁阀 P01...P08。 具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步说明 ：
如图 1 所示， 中间容器 11 采用活塞式设计， 材料选用耐腐蚀的不锈钢等材质， 体积 为 2 ～ 10L， 耐压范围为 5 ～ 40MPa， 由 2 ～ 6 个中间容器 11 组成中间容器组。中间容器顶 部 4 通过上层进液口 1 进液和出液口 2 出液， 中间容器底部 7 通过下层出液口 9 出液和下 层进液口 10 进液， 上、 下进液口和出液口均由电磁阀 ( 或气动阀或电动阀 ) 等控制， 与计算 机 18 相连时可实现自动控制， 壁厚有一定的压力余量， 内壁 6 粗糙度高， 密封件采用石墨橡 胶组合密封形式， 顶部和底部分别由上法兰 3 和下法兰 8 固定， 且活塞 5 松紧可根据压力大 小来调节， 从而减小阻力系数和提高密封性能， 避免活塞 5 受压过程中的脉冲现象。
如图 2 所示， 本装置包括中间容器组， 液体容器 13， 平流泵 14， 加热器 15， 加液泵 16， 工作液容器 17， 计算机 18， 手动阀门 V01...V15 ； 电磁阀 P01...P08。结合图 1， 化学剂 溶液进出中间容器过程如下 ： 液体容器 13 用于盛放驱动活塞 5 移动的化学剂溶液。工作液 容器 17 用于盛放需要注入大型水合物反应器 12 的溶液。将化学剂溶液经过上层进液口 1 注入到中间容器内活塞上部， 启动加液泵后， 活塞 5 从中间容器顶部 4 到中间容器底部 7 移 动， 中间容器底部 7 中的溶液从下层出液口 9 流出， 当活塞到达底部时， 腐蚀性溶液填满中 间容器， 停加液泵 16， 启动平流泵 14， 溶液从下层进液口 10 泵入， 当压力大于或等于反应器 内压力时开启相应电磁阀， 活塞 5 随着平流泵 14 注入液体而上升， 从而驱动中间容器 11 内 的具有化学剂溶液经上层出液口 2 进入大型水合物反应器 ； 同时， 计算活塞移动的距离， 当 活塞移动距离达到全部可移动距离的 70％～ 80％时， 即活塞 5 接近中间容器顶部 4 而没有 接触时， 通过计算机 18 程序控制自动停止平流泵 14。以此类推， 各中间容器 11 逐个使用， 保证连续自动注液过程一直进行。
一般大型水合物反应器 12 耐压范围为 5 ～ 40MPa， 内腔容积为 50 ～ 500L， 其化学 剂用量约为 4 ～ 300L。实施例 1
向大型水合物反应器注入一般溶液
采用图 2 所示的供液装置， 一般溶液从液体容器 (13) 经过平流泵 (14) 导出， 该平 流泵可以控制流速 (0-250ml/min) 和注液时间， 根据流速等要求， 可以增设平流泵 1-3 台 等。关闭阀门 V03、 V04、 V15， 去离子水等可经由阀门 V01、 V02 直接进入大型水合物反应器 (12)， 如需要对一般溶液进行加热， 关闭阀门 V02、 V15， 经由阀门 V01、 V03、 V04， 开启蒸汽发 生器等加热器 (15) 将温度加热到指定温度， 开旁通阀， 待温度达到指定要求， 关旁通阀， 注 热线路开通， 则可以实现自动连续供液 ；
实施例 2
利用单一中间容器向大型水合物反应器注入一般溶液
采用图 2 所示的供液装置， 先打开阀门 V05 和 V09、 V13， 启动加液泵 16， 液体推动 活塞在中间容器内下降， 当活塞达到底部， 加一般溶液 ( 如蒸馏水等 ) 完成， 停加液泵 (16)， 关闭阀门 V05 和 V09、 V13， 打开阀门 V14、 V15、 V02， 关闭阀门 V01、 V03、 V04 等其他阀门， 打 开电磁阀 ( 或气动阀或电动阀 )P05， 启动平流泵 14， 当压力大于或等于大型水合物反应器 12 内压力时开启与中间容器 11-1 相连的电磁阀 ( 或气动阀或电动阀 )P01， 中间容器 11-1 内部的活塞随着平流泵 14 泵入液体而上升， 从而活塞上层一般溶液进入大型水合物反应 器 12 ； 同时， 计算活塞移动的距离， 当活塞移动距离达到全部可移动距离的 70％～ 80％时， 即活塞接近中间容器 11-1 内部顶端而没有接触时， 关闭电磁阀 P01， P05。同时， 打开电磁 阀 V05 和 V09、 V13， 启动加液泵 16， 将腐蚀性溶液注入到中间容器 11-1 内活塞上部， 直到活 塞达到底部， 停加液泵 16， 关闭电磁阀 V05 和 V09、 V13， 中间容器 11-1 恢复到初始时刻的状 态。 实施例 3
利用中间容器组向大型水合物反应器连续注入化学剂溶液
采用图 2 所示的供液装置， 先打开阀门 V05 和 V09、 V13， 启动加液泵 16， 液体推动 活塞在中间容器内下降， 当活塞达到底部， 加化学剂溶液 ( 如甲醇等 ) 完成， 停加液泵 16， 关 闭阀门 V05 和 V09、 V13， 打开阀门 V14、 V15、 V02， 关闭阀门 V01、 V03、 V04 等其他阀门， 打开 电磁阀 ( 或气动阀或电动阀 )P05， 启动平流泵 14， 当压力大于或等于大型水合物反应器 12 内压力时开启与中间容器 11-1 相连的电磁阀 ( 或气动阀或电动阀 )P01， 中间容器 11-1 内 部的活塞随着平流泵 14 泵入液体而上升， 化学剂溶液从活塞上层进入大型水合物反应器 12 ； 同时， 计算活塞移动的距离， 当活塞移动距离达到全部可移动距离的 70％～ 80％时， 即 活塞接近中间容器 11-1 内部顶端而没有接触时， 关闭电磁阀 P01， P05。还可以采用上述方 法经过中间容器 11-2 等向大型水合物反应器 12 注液。同时， 打开电磁阀 V05 和 V09、 V13， 启动加液泵 16， 将腐蚀性溶液注入到中间容器 11-1 内活塞上部， 直到活塞达到底部， 中间 容器 11-1 恢复到初始时刻的状态， 关闭电磁阀 V05 和 V09、 V13。若需要化学剂溶液量比较 大， 可以串联 2-6 个中间容器 11， 通过计算机 18 控制上下电磁阀 ( 或气动阀或电动阀 )， 以 此类推， 各中间容器 11 逐个使用， 保证自动注液过程连续进行。
实施例 4
向大型水合物反应器连续注入高温溶液 ( 一般溶液或化学剂溶液 )
采用图 2 所示的供液装置， 先打开阀门 V05 和 V09、 V13， 启动加液泵 16， 液体推动
活塞在中间容器内下降， 当活塞达到底部， 加一般溶液或化学剂溶液 ( 如盐水等 ) 完成， 停 加液泵 16， 关闭阀门 V05 和 V09、 V13， 打开阀门 V14、 V15、 V02， 关闭阀门 V01、 V03、 V04 等其 他阀门， 打开电磁阀 ( 或气动阀或电动阀 )P05， 启动平流泵 14， 当压力大于或等于大型水合 物反应器 12 内压力时开启与中间容器 11-1 相连的电磁阀 ( 或气动阀或电动阀 )P01， 中间 容器 11-1 内部的活塞随着平流泵 14 泵入液体而上升， 从而活塞上层一般溶液或化学剂溶 液进入大型水合物反应器 12 ； 同时， 计算活塞移动的距离， 当活塞移动距离达到全部可移 动距离的 70％～ 80％时， 即活塞接近中间容器 11-1 内部顶端而没有接触时， 关闭电磁阀 P01， P05。关闭 V02， 打开 V03、 V04， 开启加热器 15， 将温度加热到指定温度， 开旁通阀， 待温 度达到指定要求， 关旁通阀， 注一般溶液或化学剂溶液路线开通， 还可以采用上述方法经过 中间容器 11-2 等向大型水合物反应器 12 注液。同时， 打开电磁阀 V05 和 V09、 V13， 启动加 液泵 16， 将一般溶液或化学剂溶液补充到中间容器 11-1 内活塞上部， 直到活塞达到底部， 停加液泵 16， 关闭电磁阀 V05 和 V09、 V13， 中间容器 11-1 恢复到初始时刻的状态。若需要 一般溶液或化学剂溶液量比较大， 可以同时串联 2-6 个中间容器 11， 通过计算机 18 控制上 下电磁阀 ( 或气动阀或电动阀 )， 以此类推， 各中间容器 11 逐个使用， 保证自动注液过程连 续进行。