專利名稱：含水合物相變的固-液-氣多相流動實驗裝置與測試方法
技術領域：
本發明涉及多相流動實驗裝置與測試方法，尤其涉及一種含水合物相變的固-液-氣多相流動實驗裝置與測試方法。
背景技術：
天然氣水合物是甲烷和水在高壓和低溫條件下形成的類冰固體化合物。水合物沉積物廣泛分布于陸地凍土環境與海洋、湖泊等深水地層環境。我國在南海北部陸坡和祁連山凍土區分別取得了水合物沉積物樣品，證實了我國水合物具有很大開采潛力的戰略能源。目前，國際上提出的水合物開采方式有降壓法、注熱法、置換法、固體挖掘法、絞吸法等。固體挖掘法和絞吸法是水合物儲量高但常規注熱法或降壓法開采難度大的水合物地層的有效開采方法。這兩種方法均涉及將固體水合物沉積物通過管道輸送到開采平臺的環節，在這個流動過程中水合物會發生相變，同時氣-液-固由于密度不同而逐漸分離。因此，這又是一個新型的包含相變、傳熱傳質、多相流動的科學問題。國際上針對這種實驗裝置與測試方法尚未見報道。
發明內容
本發明針對現有技術的水合物固體法開采固-液-氣多相輸送的要求,提出一種管道中含水合物相變的固-液-氣多相流動實驗裝置與測試方法，以解決含相變的多相流動的實驗模擬與測試的問題。為了解決上述問題，本發明提供一種含水合物相變的固-液-氣多相流動實驗裝置，包括:水合物沉積物顆粒粉碎機、混合倉、回收倉、混合物提升管道、氣液固多相豎直輸送管道、水力注入系統、測試系統和控制處理系統，其中，所述水合物沉積物顆粒粉碎機與混合倉相連，用于將水合物沉積物粉碎成顆粒；所述水力注入系統與混合倉相連，用于按照預定的壓力或速度向所述混合倉注入熱水；所述混合倉與混合物提升管道相連，用于將水合物沉積物顆粒與熱水的摻混；所述混合物提升管道與氣液固多相豎直輸送管道相連，用于將水合物沉積物顆粒與水的混合物提升到管道中流動；所述氣液固多相豎直輸送管道與回收倉相連，用于提升水、水合物、氣的多相混合物，并使得沉積物向下部沉積；所述回收倉用于回收氣液固多相豎直輸送管道流動中沉積下來的沉積物；所述測試系統分別與氣液固多相豎直輸送管道、混合物提升管道和混合倉相連，用于測試管道內的粒子速度、溫度場、溫度、壓力等數據，以及混合倉內溫度和壓力數據，并將得到的數據反饋至控制處理系統；所述控制處理系統分別與水合物沉積物顆粒粉碎機、水力注入系統和測試系統相連，用于控制所述水合物沉積物顆粒粉碎機和水力注入系統，并接收和處理測試系統采集到的數據。優選地，上述實驗裝置還具有以下特點:所述測試系統包括粒子成像測速(PIV)測試系統、高速紅外測試系統、壓力測試傳感器和溫度測試傳感器，其中，所述PIV測試系統與氣液固多相豎直輸送管道相連,用于測試氣液固多相豎直輸送管道中多相流動過程中微小顆粒的速度；所述高速紅外測試系統與氣液固多相豎直輸送管道相連，用于測試管道中各相與各個位置的溫度分布；所述壓力測試傳感器為多個，分別位于氣液固多相豎直輸送管道、混合物提升管道和混合倉，用于測試管道和混合倉內的壓力演化數據；所述溫度測試傳感器為多個，分別位于氣液固多相豎直輸送管道、混合物提升管道和混合倉，用于測試管道和混合倉內的溫度演化數據。優選地，上述實驗裝置還具有以下特點: 所述水合物沉積物顆粒粉碎機將水合物沉積物切割粉碎成直徑為0_15mm大小的顆粒。優選地，上述實驗裝置還具有以下特點:所述混合倉可承受壓力30MPa，溫度-30-300°C。優選地，上述實驗裝置還具有以下特點:所述混合物提升管道和氣液固多相豎直輸送管道的直徑均為5-40cm。優選地，上述實驗裝置還具有以下特點:所述壓力測試傳感器測量壓力的范圍為0_30MPa ；所述溫度測試傳感器測量溫度的范圍為-30-300°C。為了解決上述問題，本發明還提供一種如上所述的實驗裝置的測試方法，包括:用水合物沉積物顆粒粉碎機將水合物沉積物試樣粉碎成預定大小的小顆粒，然后輸送至混合倉內；水力注入系統按照預定的壓力或者速度注入熱水，與水合物沉積物顆粒進行摻混攪拌，在其過程中溫度測試傳感器和壓力測試傳感器分別測試溫度和壓力的變化情況，反饋給控制處理系統；混合倉內充滿混合物后，提升混合物至混合物提升管道，并實時監測管道內溫度壓力分布數據；混合物提升到一定高度，轉入氣液固多相豎直輸送管道，在其中實現沉積物的分離且沉積到回收倉內以及氣、水合物、水的輸送提升，并采用PIV測試系統、高速紅外測試系統、溫度測試傳感器和壓力測試傳感器分別實時監測流動速度、流場的溫度場、定點的溫度和壓力分布，同時獲得氣體流動前緣、固體沉積物沉積前緣、水合物流動前緣的數據；控制處理系統分析管道中含水合物相變的氣-液-固多相流動過程的溫度場、壓力場、速度場的分布的基本數據，繪制相關圖形和輸出分析文件。本發明提供一種管道中含水合物相變的氣-液-固多相流動實驗裝置與測試方法，可以實驗模擬水合物沉積物固體顆粒和熱水的混合物由管道向上輸送的物理過程，又能夠測試水合物相變規律、氣/液/固流動特征、多組分分離參數等，為水合物開采提供科學依據和技術支持。本發明在水合物開采方面提供新的實驗系統和測試技術，在傳熱傳質、多相流動控制等工程與技術領域也具有潛在的應用價值。
圖1是本發明實施例的管道中含水合物相變的氣-液-固多相流動實驗裝置示意圖。
具體實施例方式下文中將結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互任意組合。如圖1所示，本發明的管道中含水合物相變的氣-液-固多相流動實驗裝置包括:水合物沉積物顆粒粉碎機1、混合倉2、回收倉4、混合物提升管道3、氣液固多相豎直輸送管道5、水力注入系統8、測試系統和控制處理系統11，其中，水合物沉積物顆粒粉碎機I與混合倉2相連，可采用一般的冰粉碎機，用于將水合物沉積物粉碎成顆粒，顆粒直徑為0-15mm。水力注入系統8與混合倉2相連，用于按照預定的壓力或速度(恒速或恒壓)向所述混合倉注入熱水。 混合倉2與混合物提升管道3相連，可承受壓力30MPa，溫度-30-300°C，尺寸根據實驗模擬尺度確定，用于將水合物沉積物顆粒與熱水的摻混。混合物提升管道3與氣液固多相豎直輸送管道5相連，直徑5-40cm，用于將水合物沉積物顆粒與水的混合物提升到混合物提升管道3中流動。氣液固多相豎直輸送管道5與回收倉4相連，直徑5-40cm，用于提升水、水合物、氣的多相混合物，并使得沉積物向下部沉積。回收倉4用于回收氣液固多相豎直輸送管道5流動中沉積下來的沉積物。測試系統分別與氣液固多相豎直輸送管道5、混合物提升管道3和混合倉2相連，用于測試管道內的粒子速度、溫度場、溫度、壓力等數據，以及混合倉內溫度和壓力數據，并將得到的數據反饋至控制處理系統11。該測試系統包括PIV (粒子成像測速)測試系統9、高速紅外測試系統10、壓力測試傳感器6和溫度測試傳感器7，其中，所述PIV測試系統9與氣液固多相豎直輸送管道5相連,用于測試氣液固多相豎直輸送管道5中多相流動過程中微小顆粒的速度。所述高速紅外測試系統10與氣液固多相豎直輸送管道5相連，用于測試氣液固多相豎直輸送管道5中各相與各個位置的溫度分布。所述壓力測試傳感器6為多個，分別位于氣液固多相豎直輸送管道5、混合物提升管道3和混合倉2，用于測試管道和混合倉3內的壓力演化數據。所述溫度測試傳感器7為多個，分別位于氣液固多相豎直輸送管道5、混合物提升管道3和混合倉2，用于測試管道和混合倉內的溫度演化數據。控制處理系統11分別與水合物沉積物顆粒粉碎機1、水力注入系統8和測試系統相連，用于控制粉碎、水力注入與提升過程，并采集和處理溫度、壓力、紅外、粒子速度等數據。測試方法如下:(I)用水合物沉積物顆粒粉碎機I將室內合成的水合物沉積物試樣粉碎成預定大小的小顆粒，然后輸送至混合倉2內；(2)水力注入系統按照預定的壓力或者速度注入熱水(100°C以內)，與水合物沉積物顆粒按照一定比例進行摻混攪拌，在其過程中溫度測試傳感器7和壓力測試傳感器6分別測試溫度和壓力的變化情況，反饋給控制處理系統11 ;(3)混合倉2內充滿混合物后，提升混合物至混合物提升管道3，并實時監測管道內溫度壓力分布數據；(4)混合物提升到一定高度，轉入氣液固多相豎直輸送管道5，在其中實現沉積物的分離且沉積到回收倉4內以及氣、水合物、水的輸送提升，并采用PIV測試系統9、高速紅外測試系統10、溫度測試傳感器7和壓力測試傳感器6分別實時監測流動速度、流場的溫度場、定點的溫度和壓力分布，同時獲得氣體流動前緣、固體沉積物沉積前緣、水合物流動前緣的數據；(5)控制處理系統11分析管道中含水合物相變的氣-液-固多相流動過程的溫度場、壓力場、速度場的分布的基本數據，繪制相關圖形和輸出分析文件。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種含水合物相變的固-液-氣多相流動實驗裝置，其特征在于，包括:水合物沉積物顆粒粉碎機、混合倉、回收倉、混合物提升管道、氣液固多相豎直輸送管道、水力注入系統、測試系統和控制處理系統，其中， 所述水合物沉積物顆粒粉碎機與混合倉相連，用于將水合物沉積物粉碎成顆粒； 所述水力注入系統與混合倉相連，用于按照預定的壓力或速度向所述混合倉注入熱水； 所述混合倉與混合物提升管道相連，用于將水合物沉積物顆粒與熱水的摻混； 所述混合物提升管道與氣液固多相豎直輸送管道相連，用于將水合物沉積物顆粒與水的混合物提升到管道中流動； 所述氣液固多相豎直輸送管道與回收倉相連，用于提升水、水合物、氣的多相混合物，并使得沉積物向下部沉積； 所述回收倉用于回收氣 液固多相豎直輸送管道流動中沉積下來的沉積物； 所述測試系統分別與氣液固多相豎直輸送管道、混合物提升管道和混合倉相連，用于測試管道內的粒子速度、溫度場、溫度、壓力等數據，以及混合倉內溫度和壓力數據，并將得到的數據反饋至控制處理系統； 所述控制處理系統分別與水合物沉積物顆粒粉碎機、水力注入系統和測試系統相連，用于控制所述水合物沉積物顆粒粉碎機和水力注入系統，并接收和處理測試系統采集到的數據。
2.如權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于， 所述測試系統包括粒子成像測速(PIV)測試系統、高速紅外測試系統、壓力測試傳感器和溫度測試傳感器，其中， 所述PIV測試系統與氣液固多相豎直輸送管道相連，用于測試氣液固多相豎直輸送管道中多相流動過程中微小顆粒的速度； 所述高速紅外測試系統與氣液固多相豎直輸送管道相連，用于測試管道中各相與各個位置的溫度分布； 所述壓力測試傳感器為多個，分別位于氣液固多相豎直輸送管道、混合物提升管道和混合倉，用于測試管道和混合倉內的壓力演化數據； 所述溫度測試傳感器為多個，分別位于氣液固多相豎直輸送管道、混合物提升管道和混合倉，用于測試管道和混合倉內的溫度演化數據。
3.如權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于， 所述水合物沉積物顆粒粉碎機將水合物沉積物切割粉碎成直徑為0-15mm大小的顆粒。
4.如權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于， 所述混合倉可承受壓力30MPa，溫度-30-300°C。
5.如權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于， 所述混合物提升管道和氣液固多相豎直輸送管道的直徑均為5-40cm。
6.如權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于， 所述壓力測試傳感器測量壓力的范圍為0-30MPa ； 所述溫度測試傳感器測量溫度的范圍為-30-300°C。
7.一種如權利要求1 6所述的實驗裝置的測試方法，包括: 用水合物沉積物顆粒粉碎機將水合物沉積物試樣粉碎成預定大小的小顆粒，然后輸送至混合倉內； 水力注入系統按照預定的壓力或者速度注入熱水，與水合物沉積物顆粒進行摻混攪拌，在其過程中溫度測試傳感器和壓力測試傳感器分別測試溫度和壓力的變化情況，反饋給控制處理系統； 混合倉內充滿混合物后，提升混合物至混合物提升管道，并實時監測管道內溫度壓力分布數據； 混合物提升到一定高度，轉入氣液固多相豎直輸送管道，在其中實現沉積物的分離且沉積到回收倉內以及氣、水合物、水的輸送提升，并采用PIV測試系統、高速紅外測試系統、溫度測試傳感器和壓力測試傳感器分別實時監測流動速度、流場的溫度場、定點的溫度和壓力分布，同時獲得氣體流動前緣、固體沉積物沉積前緣、水合物流動前緣的數據； 控制處理系統分析管道中含水合物相變的氣-液-固多相流動過程的溫度場、壓力場、速度場的分布的基本數據，繪制相關圖 形和輸出分析文件。
全文摘要
本發明公開一種含水合物相變的固-液-氣多相流動實驗裝置與測試方法，包括水合物沉積物顆粒粉碎機、混合倉、回收倉、混合物提升管道、氣液固多相豎直輸送管道、水力注入系統、測試系統和控制處理系統。本發明可以實驗模擬水合物沉積物固體顆粒和熱水的混合物由管道向上輸送的物理過程，又能夠測試水合物相變規律、氣/液/固流動特征、多組分分離參數等，為水合物開采提供科學依據和技術支持。本發明在水合物開采方面提供新的實驗系統和測試技術，在傳熱傳質、多相流動控制等工程與技術領域也具有潛在的應用價值。
文檔編號G01N33/00GK103185772SQ20131001347
公開日2013年7月3日 申請日期2013年1月15日 優先權日2013年1月15日
發明者張旭輝, 魯曉兵 申請人:中國科學院力學研究所