高低溫高壓吸附解吸試驗裝置的制造方法
【專利摘要】高低溫高壓吸附解吸試驗裝置，包括充氣系統、脫氣系統、吸附系統、解吸系統、溫度控制系統和數據采集系統，充氣系統包括甲烷充氣單元和氦氣充氣單元，脫氣系統包括真空泵、真空容器、真空計，溫度控制系統包括高溫單元和低溫單元，吸附系統包括高溫吸附單元和低溫吸附單元，解吸系統包括氣排水計量裝置、電子天平和解吸氣體流量計，數據采集系統包括計算機和控制單元。本實用新型試驗操作簡便、試驗精度高，能夠分別模擬高溫條件和低溫條件不同壓力下的吸附解吸試驗，并實現試驗數據實時精確自動采集，為研究煤體瓦斯吸附解吸規律，提供更加可靠的數據基礎，對瓦斯的高效抽采及利用具有重要的現實意義。
【專利說明】
高低溫高壓吸附解吸試驗裝置
技術領域
[0001]本實用新型屬于瓦斯吸附解吸試驗裝置技術領域，尤其涉及一種高低溫高壓吸附解吸試驗裝置。
【背景技術】
[0002]煤層氣產生于成煤過程中，主要以吸附狀態儲存于煤層中。隨著煤層開采深度的加大，含瓦斯煤層的微孔隙、低滲透、高吸附的賦存特征越來越顯現出來。在煤與瓦斯共采過程中，瓦斯難以抽采所導致的煤礦安全事故及能源浪費問題困擾著煤礦的生產。因此模擬深部煤層儲存環境，進行吸附解吸實驗，探尋煤層吸附瓦斯機理，對深部煤層瓦斯災害防治和煤層氣的勘探與開發有重要的理論意義。
[0003]煤層的瓦斯含量是礦井生產和科研的重要基礎資料，其取值的準確性對于瓦斯涌出量預測、瓦斯地質評價、煤礦瓦斯綜合治理以及綜合利用具有重要意義。但在瓦斯含量測定過程中，鉆孔取樣使煤樣溫度升高，煤芯瓦斯放散速度加快，造成瓦斯含量測定值偏低。目前，冷凍取樣法成為瓦斯含量準確測定的一個新的技術途徑，因此，低溫環境下煤的瓦斯吸附解吸特性的研究就尤為重要。同時，甲烷的臨界溫度-82.6°C，臨界壓力4.5MPa。在臨界點附近，甲烷有很強的可壓縮性，適當增加壓力可使它的密度接近一般液體，此時甲烷的密度、粘度、溶解度、熱容量、介電常數等性質發生劇烈的變化。因此研究甲烷在該環境條件下的相態變化及吸附解吸特性，對瓦斯的高效抽采及利用具有重要的現實意義。
[0004]目前，已公開的專利文獻“煤的高壓等溫吸附實驗裝置”(CN202502025U)、“變壓條件下煤樣瓦斯吸附解吸實驗裝置”(CN203705293U)、“一種瓦斯吸附解吸試驗裝置”(CN103033442A)等，都采用的是水浴加熱方式，不能進行低于室溫環境的實驗；“一種高溫高壓吸附解吸裝置及其使用方法”(CN104062204A)采用硅油為介質的恒溫油槽加熱方式，實驗環境惡劣，操作復雜，同樣不能進行低溫下的吸附解吸實驗。并且上述裝置自動化程度較低，可承受的壓力范圍小，氣密性不足，能同時進行的實驗樣品量少，實驗效率低。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型為了解決現有技術中的不足之處，提供了一種試驗操作簡便、試驗精度高、試驗數據精確，能夠自動采集數據并且試驗效率高的高低溫高壓吸附解吸試驗裝置。
[0006]為解決上述技術問題，本實用新型采用如下技術方案:高低溫高壓吸附解吸試驗裝置，包括充氣系統、脫氣系統、吸附系統、解吸系統、溫度控制系統和數據采集系統；
[0007]充氣系統包括甲烷充氣單元和氦氣充氣單元，甲烷充氣單元包括高壓甲烷氣瓶、甲烷儲氣罐和第一五通閥，高壓甲烷氣瓶和甲烷儲氣罐之間通過高壓管連通，高壓甲烷氣瓶和甲烷儲氣罐之間的高壓管上沿甲烷氣體流通方向依次串聯設有第一氣體減壓閥和高壓氣體增壓栗，第一五通閥包括第一閥體，第一閥體上設有第一接口、第二接口、第三接口、第四接口和第五接口，閥體上設有與第一至第五接口相對應的五個接口開關，甲烷儲氣罐通過高壓管與第四接口連接;氦氣充氣單元包括高壓氦氣瓶和第二氣體減壓閥，高壓氦氣瓶通過高壓管與第二接口連接，第二氣體減壓閥設置在高壓氦氣瓶與第二接口之間的高壓管上；
[0008]脫氣系統包括真空栗、真空容器、真空計和第二五通閥，第二五通閥包括第二閥體，第二閥體上設有第六接口、第七接口、第八接口、第九接口和第十接口，第二閥體上設有與第六至第十接口相對應的五個接口開關，真空栗通過高壓管與真空容器連接，真空計設在真空容器上，真空容器通過高壓管與第三接口連接，第一五通閥的第一接口與第二五通閥的第八接口通過高壓管連接，第一五通閥的第五接口與第二五通閥的第九接口通過高壓管連接；
[0009]溫度控制系統包括高溫單元和低溫單元，高溫單元包括高溫恒溫箱和設在高溫恒溫箱上的第一控制面板，第一控制面板上設有第一溫控儀、第一電源開關、加熱開關、指示燈開關和由加熱開關控制的加熱器;低溫單元包括低溫恒溫箱和設在低溫恒溫箱上的第二控制面板，第二控制面板上設有第二溫控儀、第二電源開關、制冷開關和由制冷開關控制的制冷單元；
[0010]吸附系統包括高溫吸附單元和低溫吸附單元，高溫吸附單元包括設置在高溫恒溫箱內的第一氣體緩沖罐和若干煤樣罐，第一氣體緩沖罐和每個煤樣罐分別通過連接管并聯設置在第一接口與第八接口之間的高壓管上，第一接口與第八接口之間的高壓管上沿氣體流通方向依次串聯設有第一氣動閥和第一壓力傳感器，第一氣體緩沖罐上設有第一溫度傳感器和第二壓力傳感器，第一氣體緩沖罐上連接的連接管上設有第二氣動閥，每個煤樣罐上分別設有第二溫度傳感器和第三壓力傳感器，每個煤樣罐上連接的連接管上分別設有第三氣動閥；
[0011]低溫吸附單元包括設置在低溫恒溫箱內的第二氣體緩沖罐和若干煤樣罐，第二氣體緩沖罐和每個煤樣罐分別通過連接管并聯設置在第五接口和第九接口之間的高壓管上，第五接口與第九接口之間的高壓管上沿氣體流通方向依次串聯設有第四氣動閥和第四壓力傳感器，第二氣體緩沖罐上設有第三溫度傳感器和第五壓力傳感器，第二氣體緩沖罐上連接的連接管上設有第五氣動閥，每個煤樣罐上分別設有第四溫度傳感器和第六壓力傳感器，每個煤樣罐上連接的連接管上分別設有第六氣動閥；
[0012]解吸系統包括氣排水計量裝置、電子天平和若干并聯在一起的解吸氣體流量計，各解吸氣體流量計的量程互不相同，每個解吸氣體流量計分別通過高壓管與第七接口連接，每個解吸氣體流量計與第七接口之間的高壓管上分別設有第七氣動閥；
[0013]氣排水計量裝置包括儲水容器、排水管和集水容器，儲水容器上端通過高壓管與第六接口連接，儲水容器與第六接口之間的高壓管上設有第八氣動閥，排水管一端與儲水容器底部連通，排水管另一端與集水容器頂部連通，集水容器放置在電子天平上，第十接口上連接有排空管，排空管上設有第九氣動閥。
[0014]數據采集系統包括計算機和控制單元，控制單元包括第三控制面板，第三控制面板上設有壓力巡檢儀、溫度巡檢儀、流量計顯示器、用于控制第二電源開關的低溫恒溫箱開關、用于控制第一電源開關的高溫恒溫箱開關，以及用于控制壓力巡檢儀和溫度巡檢儀的第三電源開關，計算機控制連接第一氣體減壓閥、第二氣體減壓閥、第一五通閥、第二五通閥及第一至第九氣動閥。
[0015]高溫吸附單元內所述煤樣罐為五個，分別為第一煤樣罐、第二煤樣罐、第三煤樣罐、第四煤樣罐和第五煤樣罐，低溫吸附單元內所述煤樣罐為五個，分別為第六煤樣罐、第七煤樣罐、第八煤樣罐、第九煤樣罐和第十煤樣罐。
[0016]解吸系統內所述解吸氣體流量計為三個，分別為第一解吸氣體流量計、第二解吸氣體流量計和第三解吸氣體流量計，第一解吸氣體流量計的量程為0-2000ml/min，第二解吸氣體流量計的量程為0-500ml/min，第三解吸氣體流量計的量程為0-100ml/min;所述流量計顯示器為三個，分別為與第一解吸氣體流量計、第二解吸氣體流量計、第三解吸氣體流量計相對應的第一流量計顯示器、第二流量計顯示器、第三流量計顯示器。
[0017]采用上述技術方案，本實用新型具有如下優點:
[0018]1、本實用新型的高低溫高壓吸附解吸試驗裝置包括充氣系統、脫氣系統、吸附系統、解吸系統、溫度控制系統和數據采集系統，充氣系統包括甲烷充氣單元和氦氣充氣單元，甲烷充氣單元利用高壓甲烷氣瓶先通過第一氣體減壓閥減壓，再經高壓氣體增壓栗將甲烷氣體壓力調節到試驗所需的壓力，并將設定好壓力值的甲烷氣體充入到甲烷儲氣罐內，由甲烷儲氣罐向吸附系統中提供預定壓力值的甲烷氣體，氦氣充氣單元利用高壓氦氣瓶經第二氣體減壓閥減壓處理后通入吸附系統中，用于標定各個煤樣罐的自由空間體積；脫氣系統采用真空栗對吸附系統進行脫氣處理，確保試驗過程中只有甲烷氣體參與到試驗中，從而排除其他氣體對試驗結果的干擾;溫度控制系統利用高溫單元結合吸附系統內的高溫吸附單元模擬高溫環境下的甲烷吸附解吸試驗，并利用低溫單元結合吸附系統內的低溫吸附單元模擬低溫環境下的甲烷吸附解吸試驗；
[0019]2、本實用新型的解吸系統采用三個不同量程的解吸氣體流量計以及氣排水計量裝置，在解吸試驗初期采用第一解吸氣體流量計進行計量，隨著解吸氣體的流量降低，依次采用第二解吸氣體流量計、第三解吸氣體流量計以及氣排水計量裝置進行計量，在整個解吸試驗過程中，通過計算機根據解吸氣體流量的大小自動控制接口切換，并且實時自動采集數據，有效地提高了試驗精度，并且降低了操作難度，試驗操作簡便，有效提高試驗效率；
[0020]3、本實用新型的高低溫高壓吸附解吸試驗裝置采用低溫單元可提供-100°C的低溫環境，為研究甲烷在低溫環境下的吸附解吸特性和模擬甲烷的超臨界吸附提供了試驗條件；
【附圖說明】
[0021]圖1是本實用新型的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0022]如圖1所示，本實用新型的高低溫高壓吸附解吸試驗裝置，包括充氣系統、脫氣系統、吸附系統、解吸系統、溫度控制系統和數據采集系統。
[0023]充氣系統包括甲烷充氣單元和氦氣充氣單元，甲烷充氣單元包括高壓甲烷氣瓶1、甲烷儲氣罐2和第一五通閥，高壓甲烷氣瓶I和甲烷儲氣罐2之間通過高壓管3連通，高壓甲烷氣瓶I和甲烷儲氣罐2之間的高壓管3上沿甲烷氣體流通方向依次串聯設有第一氣體減壓閥4和高壓氣體增壓栗5，第一五通閥包括第一閥體6，第一閥體6上設有第一接口 7、第二接口 8、第三接口 9、第四接口 10和第五接口 11，第一閥體6上設有與第一至第五接口 7、8、9、10、11相對應的五個接口開關(五通閥為現有常規部件，其具體結構不再詳述)，甲烷儲氣罐2通過高壓管3與第四接口 10連接;氦氣充氣單元包括高壓氦氣瓶12和第二氣體減壓閥13，高壓氦氣瓶12通過高壓管3與第二接口 8連接，第二氣體減壓閥13設置在高壓氦氣瓶12與第二接口 8之間的高壓管3上。
[0024]脫氣系統包括真空栗14、真空容器15、真空計16和第二五通閥，第二五通閥包括第二閥體17，第二閥體17上設有第六接口 18、第七接口 19、第八接口 20、第九接口 21和第十接口 22，第二閥體17上設有與第六至第十接口 18、19、20、21、22相對應的五個接口開關，
[0025]真空栗14通過高壓管3與真空容器15連接，真空計16設在真空容器15上，真空容器15通過高壓管3與第三接口 9連接，第一五通閥的第一接口 7與第二五通閥的第八接口 20通過高壓管3連接，第一五通閥的第五接口 11與第二五通閥的第九接口 21通過高壓管3連接。
[0026]溫度控制系統包括高溫單元和低溫單元，高溫單元包括高溫恒溫箱23和設在高溫恒溫箱23上的第一控制面板24，第一控制面板24上設有第一溫控儀25、第一電源開關26、加熱開關27、指示燈開關28和由加熱開關27控制的加熱器;低溫單元包括低溫恒溫箱29和設在低溫恒溫箱29上的第二控制面板30，第二控制面板30上設有第二溫控儀31、第二電源開關32、制冷開關33和由制冷開關33控制的制冷單元；高溫單元和低溫單元中各部分均為現有常規技術，圖未示加熱器和制冷單元。高溫恒溫箱23的溫度設置范圍為20°C至80°C，高溫恒溫箱23正面設計有帶觀察窗的旋式單開門，工作室內裝有射線燈，箱體外表面噴塑，內表面采用不銹鋼材料，循環方式為熱風對流循環，并使用第一溫控儀25調節溫度，為試驗提供所需的恒溫環境;低溫恒溫箱29采用三級自動復疊循環制冷機組制冷，可提供-100°C至20°C的試驗環境，箱體外表面噴塑，內表面采用不銹鋼材料，內四壁設有制冷蒸發器，內部階梯支架用于放置低溫吸附室，采用臥式結構確保超低溫狀態溫度保持恒定。
[0027]吸附系統包括高溫吸附單元和低溫吸附單元，高溫吸附單元包括設置在高溫恒溫箱23內的第一氣體緩沖罐34和若干煤樣罐，第一氣體緩沖罐34和每個煤樣罐分別通過連接管83并聯設置在第一接口 7與第八接口 20之間的高壓管3上，第一接口 7與第八接口 20之間的高壓管3上沿氣體流通方向依次串聯設有第一氣動閥35和第一壓力傳感器36，第一氣體緩沖罐34上設有第一溫度傳感器37和第二壓力傳感器38，第一氣體緩沖罐34上連接的連接管83上設有第二氣動閥39，每個煤樣罐上分別設有第二溫度傳感器40和第三壓力傳感器41，每個煤樣罐上連接的連接管83上分別設有第三氣動閥42。
[0028]低溫吸附單元包括設置在低溫恒溫箱29內的第二氣體緩沖罐43和若干煤樣罐，第二氣體緩沖罐43和每個煤樣罐分別通過連接管83并聯設置在第五接口 11和第九接口 21之間的高壓管3上，第五接口 11與第九接口 21之間的高壓管3上沿氣體流通方向依次串聯設有第四氣動閥44和第四壓力傳感器45，第二氣體緩沖罐43上設有第三溫度傳感器46和第五壓力傳感器47，第二氣體緩沖罐43上連接的連接管83上設有第五氣動閥48，每個煤樣罐上分別設有第四溫度傳感器49和第六壓力傳感器50，每個煤樣罐上連接的連接管83上分別設有第六氣動閥51。
[0029]解吸系統包括氣排水計量裝置、電子天平52和若干并聯在一起的解吸氣體流量計，各解吸氣體流量計的量程互不相同，每個解吸氣體流量計分別通過高壓管3與第七接口19連接，每個解吸氣體流量計與第七接口 19之間的高壓管3上分別設有第七氣動閥53。
[0030]氣排水計量裝置包括儲水容器54、排水管55和集水容器56，儲水容器54上端通過高壓管3與第六接口 18連接，儲水容器54與第六接口 18之間的高壓管3上設有第八氣動閥57，排水管55—端與儲水容器54底部連通，排水管55另一端與集水容器56頂部連通，集水容器56放置在電子天平52上，第十接口 22上連接有排空管58，排空管58上設有第九氣動閥59。
[0031]數據采集系統包括計算機60和控制單元，控制單元包括第三控制面板61，第三控制面板61上設有壓力巡檢儀62、溫度巡檢儀63、流量計顯示器、用于控制第二電源開關32的低溫恒溫箱開關64、用于控制第一電源開關26的高溫恒溫箱開關65，以及用于控制壓力巡檢儀62和溫度巡檢儀63的第三電源開關66，計算機控制連接第一氣體減壓閥4、第二氣體減壓閥13、第一五通閥、第二五通閥及第一至第九氣動閥35、39、42、44、48、51、53、57、59。計算機60采用DelPhi編程，具有氣體參數轉化、數據分析功能，儀器工作流程顯示在界面上，可實現人機對話，操作人員設定好參數后，計算機可以自動采集所有壓力、溫度、流量，并經處理生成原始數據報表、分析報表以及曲線圖。
[0032]高壓甲烷氣瓶I內充入的甲烷氣體為市售甲烷標準氣，體積為40L/瓶，純度299.99%，高壓氦氣瓶12內充入的氦氣為市售標準氦氣，壓力為15MPa，體積為40L/瓶，高壓管3的耐壓值在50MPa以上。
[0033]高溫吸附單元內所述煤樣罐為五個，分別為第一煤樣罐67、第二煤樣罐68、第三煤樣罐69、第四煤樣罐70和第五煤樣罐71，低溫吸附單元內所述煤樣罐為五個，分別為第六煤樣罐72、第七煤樣罐73、第八煤樣罐74、第九煤樣罐75和第十煤樣罐76。
[0034]解吸系統內所述解吸氣體流量計為三個，分別為第一解吸氣體流量計77、第二解吸氣體流量計78和第三解吸氣體流量計79，第一解吸氣體流量計77的量程為0-2000ml/min，第二解吸氣體流量計78的量程為0-500ml/min，第三解吸氣體流量計79的量程為0-100ml/min;所述流量計顯示器為三個，分別為與第一解吸氣體流量計77、第二解吸氣體流量計78、第三解吸氣體流量計79相對應的第一流量計顯示器80、第二流量計顯示器81、第三流量計顯示器82。
[0035]其中，真空栗14、真空容器15、真空計16、高壓氣體增壓栗5、氣體減壓閥、氣動閥、五通閥、溫度傳感器、壓力傳感器、高溫恒溫箱23、低溫恒溫箱29和解吸氣體流量計等均為本領域現有常規技術，其具體結構不再詳述。
[0036]高低溫高壓吸附解吸試驗裝置的試驗方法依次包括以下步驟:
[0037](I)在井下采掘工作面上鉆取塊狀新鮮煤樣，進行嚴密封裝后送至地面實驗室，將新鮮煤樣粉碎、篩分成不同的粒度，分別選取相應粒度的煤樣進行工業分析、真密度和視密度等參數的測定；
[0038](2)檢查試驗裝置確保試驗裝置連接可靠，打開第二氣體減壓閥13、第一接口 7、第二接口 8、第五接口 11、第一氣動閥35、第二氣動閥39、第三氣動閥42、第四氣動閥44、第五氣動閥48和第六氣動閥51，將氦氣充入第一氣體緩沖罐34、第二氣體緩沖罐43及第一至第十煤樣罐67、68、69、70、71、72、73、74、75、76，檢查試驗裝置的氣密性確保試驗裝置氣密性良好，然后關閉所有氣體減壓閥、氣動閥及接口 ；打開第一接口 7、第三接口 9和第五接口 11，打開第一氣動閥35、第二氣動閥39、第三氣動閥42、第四氣動閥44、第五氣動閥48和第六氣動閥51，啟動真空栗14對高溫吸附單元和低溫吸附單元進行脫氣處理，直到真空計16壓力顯示20Pa以下三個小時以上，然后關閉真空栗14和所有氣體減壓閥、氣動閥及接口，將電子天平52放置在排空管58處，將集水容器56放置在電子天平52上并注入水，將排空管58的出口端伸入到集水容器56水面以下，記錄下電子天平52的示數gl，打開第八接口 20和第十接口22，打開第九氣動閥59，集水容器56內的水流入并填充第一氣動閥35與第八接口 20之間的高壓管3，記錄下電子天平52的示數82^1與0的差值所對應的水的體積即為第一氣動閥35與第八接口 20之間的高壓管3的體積，依次打開第二氣動閥39和第一至第五煤樣罐67、68、69,70、71上的第三氣動閥42，每次打開相應氣動閥后待電子天平52的示數穩定后，記錄此時電子天平52的示數并關閉該氣動閥，分別測得流入水的質量，得出第一氣體緩沖罐34和第一至第五煤樣罐67、68、69、70、71的體積，關閉所有接口及氣動閥，然后打開第九接口 21和第十接口 22，打開第九氣動閥59，集水容器56內的水流入并填充第四氣動閥44與第九接口 21之間的高壓管3，記錄下電子天平52的示數，計算出第四氣動閥44與第九接口 21之間的高壓管3的體積，然后依次打開第五氣動閥48和第六至第十煤樣罐72、73、74、75、76上的第六氣動閥51，每次打開相應氣動閥后待電子天平52的示數穩定后，記錄此時電子天平52的示數并關閉該氣動閥，分別測得流入水的質量，得出第二氣體緩沖罐43和第六至第十煤樣罐 72、73、74、75、76 的體積；
[0039](3)在第一至第十煤樣罐67、68、69、70、71、72、73、74、75、76內裝填煤樣，通過第一溫控儀25控制加熱器設定高溫恒溫箱23內的試驗溫度，通過第二溫控儀31控制制冷單元設定低溫恒溫箱29內的試驗溫度，高溫恒溫箱23溫度設置范圍為20°C至80°C，低溫恒溫箱29溫度設置范圍為-100°C至20°C，打開第一接口 7、第三接口 9和第五接口 11，打開第一至第六氣動閥35、39、42、44、48、51，關閉其余接口和氣動閥，啟動真空栗14對高溫吸附單元和低溫吸附單元進行脫氣處理，直到真空計16壓力顯示20Pa以下并保持三個小時以上，然后關閉真空栗14和所有氣動閥及接口，打開第一接口 7和第二接口 8，打開第一氣動閥35，開啟高壓氦氣瓶12，高壓氦氣經第二氣體減壓閥13減壓處理后進入高溫吸附單元的高壓管3內，待第一壓力傳感器36不數穩定后，關閉第一氣動閥35，依次打開第一至第五煤樣罐67、68、69、70、71上的第三氣動閥42，每次打開第三氣動閥42后待相應煤樣罐上的第三壓力傳感器41示數和第一壓力傳感器36的示數一致時，關閉該煤樣罐上的第三氣動閥42并記錄下該煤樣罐上的第三壓力傳感器41的示數，并且再次打開第一氣動閥35，開啟高壓氦氣瓶12，高壓氦氣經第二氣體減壓閥13減壓處理后進入高溫吸附單元的高壓管3內，待第一壓力傳感器36示數穩定后，關閉第一氣動閥35，從而得出第一至第五煤樣罐67、68、69、70、71的自由空間體積;關閉第一接口 7，打開第五接口 11，打開第四氣動閥44，開啟高壓氦氣瓶12，高壓氦氣經第二氣體減壓閥13減壓處理后進入低溫吸附單元的高壓管3內，待第四壓力傳感器45示數穩定后，關閉第四氣動閥44，依次打開第六至第十煤樣罐72、73、74、75、76上的第六氣動閥51，每次打開第六氣動閥51后待相應煤樣罐上的第六壓力傳感器50示數和第四壓力傳感器45的示數一致時，關閉該煤樣罐上的第六氣動閥51并記錄下該煤樣罐上的第六壓力傳感器50的示數，并且再次打開第四氣動閥44，開啟高壓氦氣瓶12，高壓氦氣經第二氣體減壓閥13減壓處理后進入低溫吸附單元的高壓管3內，待第四壓力傳感器45示數穩定后，關閉第四氣動閥44，從而得出第六至第十煤樣罐72、73、74、75、76的自由空間體積，關閉所有氣動閥和接口；
[0040](4)打開第一接口 7、第三接口 9和第五接口 11，打開第一氣動閥35、第三氣動閥42、第四氣動閥44和第六氣動閥51，啟動真空栗14對高溫吸附單元和低溫吸附單元進行脫氣處理，直到真空計16壓力顯示20Pa以下并保持三個小時以上，然后關閉真空栗14和所有氣動閥及接口，開啟高壓甲烷氣瓶I，高壓甲烷氣經第一氣體減壓閥4減壓處理后再經高壓氣體增壓栗5增壓到試驗前由試驗人員確定的預定吸附壓力值儲存在甲烷儲氣罐2內，打開第一接口 7和第四接口 10，打開第一氣動閥35和第二氣動閥39，將預定吸附壓力值的甲烷氣體充入第一氣體緩沖罐34及其連接的高壓管3內，待第一壓力傳感器36和第二壓力傳感器38的示數穩定后，關閉第一氣動閥35和第二氣動閥39，然后記錄下此時第一壓力傳感器36的示數，依次打開第一至第五煤樣罐67、68、69、70、71上的第三氣動閥42，每次打開一個第三氣動閥42后待相應煤樣罐上的第三壓力傳感器41示數與第一壓力傳感器36的示數相對穩定后，關閉該煤樣罐上的第三氣動閥42，并記錄此時該煤樣罐上的第三壓力傳感器41的示數并關閉該第三氣動閥42，保持七個小時，使煤樣充分吸附達到平衡，記錄此時該煤樣罐上的第三壓力傳感器41的示數，并且打開第二氣動閥39，待第一壓力傳感器36和第二壓力傳感器38的示數穩定后，關閉第二氣動閥39，從而分別計算出充入第一至第五煤樣罐67、68、69、70、71內的甲烷氣體體積及游離狀態下的甲烷氣體體積，最終得到第一至第五煤樣罐67、68、69、70、71內吸附甲烷氣體體積;關閉第一接口 7，打開第五接口 11，打開第四氣動閥44和第五氣動閥48，將預定吸附壓力值的甲烷氣體充入第二氣體緩沖罐43及其連接的高壓管3內，待第四壓力傳感器45和第五壓力傳感器47的示數穩定后，關閉第四氣動閥44和第五氣動閥48，然后記錄下此時第四壓力傳感器45的示數，依次打開第六至第十煤樣罐72、73、74、75、76上的第六氣動閥51，每次打開一個第六氣動閥51后待相應煤樣罐上的第六壓力傳感器50示數與第四壓力傳感器45的示數相對穩定后，關閉該煤樣罐上的第六氣動閥51，并記錄此時該煤樣罐上的第六壓力傳感器50的示數并關閉該第六氣動閥51，保持七個小時，使煤樣充分吸附達到平衡，記錄此時該煤樣罐上的第六壓力傳感器50的示數，并且打開第五氣動閥48，待第四壓力傳感器45和第六壓力傳感器50的示數穩定后，關閉第五氣動閥48，從而分別計算出充入第六至第十煤樣罐72、73、74、75、76內的甲烷氣體體積及游離狀態下的甲烷氣體體積，最終得到第六至第十煤樣罐72、73、74、75、76內吸附甲烷氣體體積，關閉所有氣動閥和接口 ；
[0041](5)步驟(3)和步驟(4)為吸附甲烷氣體體積測量方法，使用該方法測量吸附甲烷氣體體積前，由試驗人員確定該方法中高溫吸附單元和低溫吸附單元中第一氣體緩沖罐34和第二氣體緩沖罐43的N個預定吸附壓力值，N為小于10的正整數，使用吸附甲烷氣體體積測量方法進行N次步驟(3)和步驟(4)，在最低的預定吸附壓力值條件下，采用所述吸附甲烷氣體體積測量方法進行操作，得到第一至第十煤樣罐67、68、69、70、71、72、73、74、75、76內吸附的甲烷氣體體積，然后通過高壓氣體增壓栗5將第一氣體緩沖罐34和第二氣體緩沖罐43的壓力值增高到下一預定吸附壓力值;在下一預定吸附壓力值的條件下重得進行步驟
(3)和步驟(4)，直到N次步驟(3)和步驟(4)的操作完成后，得到N個預定吸附壓力值下的第一至第十煤樣罐67、68、69、70、71、72、73、74、75、76內吸附的甲烷氣體體積；
[0042](6 )打開第一接口 7、第三接口 9和第五接口 11，打開第一氣動閥35、第三氣動閥42、第四氣動閥44和第六氣動閥51，啟動真空栗14對高溫吸附單元和低溫吸附單元進行脫氣處理，直到真空計16壓力顯示20Pa以下并保持三個小時以上，然后關閉真空栗14和所有氣動閥及接口，開啟高壓甲烷氣瓶I，高壓甲烷氣經第一氣體減壓閥4減壓處理后再經高壓氣體增壓栗5增壓到試驗前由試驗人員確定的預定解吸壓力值儲存在甲烷儲氣罐2內，打開第一接口 7和第四接口 10，打開第一氣動閥35和第二氣動閥39，將預定解吸壓力值的甲烷氣體充入第一氣體緩沖罐34及其連接的高壓管3內，待第一壓力傳感器36和第二壓力傳感器38的示數穩定后，關閉第一氣動閥35和第二氣動閥39，然后記錄下此時第一壓力傳感器36的示數，依次打開第一至第五煤樣罐67、68、69、70、71上的第三氣動閥42，每次打開一個第三氣動閥42后待相應煤樣罐上的第三壓力傳感器41示數與第一壓力傳感器36的示數相對穩定后，關閉該煤樣罐上的第三氣動閥42，并記錄此時該煤樣罐上的第三壓力傳感器41的示數并關閉該第三氣動閥42，保持七個小時，使煤樣充分吸附達到平衡，記錄此時該煤樣罐上的第三壓力傳感器41的示數，并且打開第二氣動閥39，待第一壓力傳感器36和第二壓力傳感器38的示數穩定后，關閉第二氣動閥39，從而分別計算出充入第一至第五煤樣罐67、68、69、70、71內的甲烷氣體體積及游離狀態下的甲烷氣體體積，最終得到第一至第五煤樣罐67、68、69、70、71內吸附甲烷氣體體積;關閉第一接口 7，打開第五接口 11，打開第四氣動閥44和第五氣動閥48，將預定解吸壓力值的甲烷氣體充入第二氣體緩沖罐43及其連接的高壓管3內，待第四壓力傳感器45和第五壓力傳感器47的示數穩定后，關閉第四氣動閥44和第五氣動閥48，然后記錄下此時第四壓力傳感器45的示數，依次打開第六至第十煤樣罐72、73、74、75、76上的第六氣動閥51，每次打開一個第六氣動閥51后待相應煤樣罐上的第六壓力傳感器50示數與第四壓力傳感器45的示數相對穩定后，關閉該煤樣罐上的第六氣動閥51，并記錄此時該煤樣罐上的第六壓力傳感器50的示數并關閉該第六氣動閥51，保持七個小時，使煤樣充分吸附達到平衡，記錄此時該煤樣罐上的第六壓力傳感器50的示數，并且打開第五氣動閥48，待第四壓力傳感器45和第六壓力傳感器50的示數穩定后，關閉第五氣動閥48，從而分別計算出充入第六至第十煤樣罐72、73、74、75、76內的甲烷氣體體積及游離狀態下的甲烷氣體體積，最終得到第六至第十煤樣罐72、73、74、75、76內吸附甲烷氣體體積，關閉所有氣動閥和接口，煤樣達到吸附平衡后，打開第六接口 18、第七接口 19、第八接口 20、第十接口 22和第九氣動閥59，依次打開第一至第五煤樣罐67、68、69、70、71上的第三氣動閥42，分別對第一至第五煤樣罐67、68、69、70、71內游離狀態下的甲烷氣體進行排空，每次打開一個第三氣動閥42后待相應煤樣罐上的第三壓力傳感器41示數為零時，關閉第九氣動閥59，采用計算機60自動控制第一解吸氣體流量計77、第二解吸氣體流量計78、第三解吸氣體流量計79上的第七氣動閥53以及第八氣動閥57，首先選取第一解吸氣體流量計77，當甲烷氣體流量大于450ml/min時，計算機60控制將第一解吸氣體流量計77上的第七氣動閥53打開，通過第一解吸氣體流量計77測得解吸出的甲烷氣體體積，當甲烷氣體流量在80ml/min-450ml/min之間時，計算機60將第二解吸氣體流量計78上的第七氣動閥53打開，通過第二解吸氣體流量計78測得解吸出的甲燒氣體體積，當甲燒氣體流量在20ml/min-80ml/min之間時，計算機60將第三解吸氣體流量計79上的第七氣動閥53打開，通過第三解吸氣體流量計79測得解吸出的甲烷氣體體積，當甲烷氣體流量小于20ml/min，計算機60將第八氣動閥57打開，通過氣排水計量裝置測得解吸出的甲烷氣體體積，從而測得第一至第五煤樣罐67、68、69、70、71內解吸出的甲烷氣體體積;然后關閉第八接口 20，打開第九接口 21和第九氣動閥59，依次打開第六至第十煤樣罐72、73、74、75、76上的第六氣動閥51，分別對第六至第十煤樣罐72、73、74、75、76內游離狀態下的甲烷氣體進行排空，每次打開一個第六氣動閥51后待相應煤樣罐上的第六壓力傳感器50示數為零時，關閉第九氣動閥59，采用計算機60自動控制第一解吸氣體流量計77、第二解吸氣體流量計78、第三解吸氣體流量計79上的第七氣動閥53以及第八氣動閥57，通過第一解吸氣體流量計77、第二解吸氣體流量計78、第三解吸氣體流量計79和氣排水計量裝置，測得第六至第十煤樣罐72、73、74、75、76內解吸出的甲烷氣體體積，整個解吸過程中計算機60實時采集瞬時流量和累積流量，并生成數據報表及曲線；
[0043](7)步驟(6)為解吸甲烷氣體體積測量方法，使用該方法測量解吸甲烷氣體體積前，由試驗人員確定該方法中高溫吸附單元和低溫吸附單元中第一氣體緩沖罐34和第二氣體緩沖罐43的N個預定解吸壓力值，N為小于10的正整數，使用解吸甲烷氣體體積測量方法進行N次步驟(6)，在最低的預定解吸壓力值條件下，采用所述解吸甲烷氣體體積測量方法進行操作，得到第一至第十煤樣罐67、68、69、70、71、72、73、74、75、76內解吸出的甲烷氣體體積，然后通過高壓氣體增壓栗5將第一氣體緩沖罐34和第二氣體緩沖罐43的壓力值增高到下一預定解吸壓力值;在下一預定解吸壓力值的條件下重得進行步驟(6)，直到N次步驟
(6)的操作完成后，得到~個預定解吸壓力值下的第一至第十煤樣罐67、68、69、70、71、72、73、74、75、76內吸附的甲烷氣體體積。
[0044]本實施例并非對本實用新型的形狀、材料、結構等作任何形式上的限制，凡是依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本實用新型技術方案的保護范圍。
【主權項】
1.高低溫高壓吸附解吸試驗裝置，其特征在于:包括充氣系統、脫氣系統、吸附系統、解吸系統、溫度控制系統和數據采集系統； 充氣系統包括甲烷充氣單元和氦氣充氣單元，甲烷充氣單元包括高壓甲烷氣瓶、甲烷儲氣罐和第一五通閥，高壓甲烷氣瓶和甲烷儲氣罐之間通過高壓管連通，高壓甲烷氣瓶和甲烷儲氣罐之間的高壓管上沿甲烷氣體流通方向依次串聯設有第一氣體減壓閥和高壓氣體增壓栗，第一五通閥包括第一閥體，第一閥體上設有第一接口、第二接口、第三接口、第四接口和第五接口，閥體上設有與第一至第五接口相對應的五個接口開關，甲烷儲氣罐通過高壓管與第四接口連接;氦氣充氣單元包括高壓氦氣瓶和第二氣體減壓閥，高壓氦氣瓶通過高壓管與第二接口連接，第二氣體減壓閥設置在高壓氦氣瓶與第二接口之間的高壓管上； 脫氣系統包括真空栗、真空容器、真空計和第二五通閥，第二五通閥包括第二閥體，第二閥體上設有第六接口、第七接口、第八接口、第九接口和第十接口，第二閥體上設有與第六至第十接口相對應的五個接口開關，真空栗通過高壓管與真空容器連接，真空計設在真空容器上，真空容器通過高壓管與第三接口連接，第一五通閥的第一接口與第二五通閥的第八接口通過高壓管連接，第一五通閥的第五接口與第二五通閥的第九接口通過高壓管連接； 溫度控制系統包括高溫單元和低溫單元，高溫單元包括高溫恒溫箱和設在高溫恒溫箱上的第一控制面板，第一控制面板上設有第一溫控儀、第一電源開關、加熱開關、指示燈開關和由加熱開關控制的加熱器;低溫單元包括低溫恒溫箱和設在低溫恒溫箱上的第二控制面板，第二控制面板上設有第二溫控儀、第二電源開關、制冷開關和由制冷開關控制的制冷單元； 吸附系統包括高溫吸附單元和低溫吸附單元，高溫吸附單元包括設置在高溫恒溫箱內的第一氣體緩沖罐和若干煤樣罐，第一氣體緩沖罐和每個煤樣罐分別通過連接管并聯設置在第一接口與第八接口之間的高壓管上，第一接口與第八接口之間的高壓管上沿氣體流通方向依次串聯設有第一氣動閥和第一壓力傳感器，第一氣體緩沖罐上設有第一溫度傳感器和第二壓力傳感器，第一氣體緩沖罐上連接的連接管上設有第二氣動閥，每個煤樣罐上分別設有第二溫度傳感器和第三壓力傳感器，每個煤樣罐上連接的連接管上分別設有第三氣動閥； 低溫吸附單元包括設置在低溫恒溫箱內的第二氣體緩沖罐和若干煤樣罐，第二氣體緩沖罐和每個煤樣罐分別通過連接管并聯設置在第五接口和第九接口之間的高壓管上，第五接口與第九接口之間的高壓管上沿氣體流通方向依次串聯設有第四氣動閥和第四壓力傳感器，第二氣體緩沖罐上設有第三溫度傳感器和第五壓力傳感器，第二氣體緩沖罐上連接的連接管上設有第五氣動閥，每個煤樣罐上分別設有第四溫度傳感器和第六壓力傳感器，每個煤樣罐上連接的連接管上分別設有第六氣動閥； 解吸系統包括氣排水計量裝置、電子天平和若干并聯在一起的解吸氣體流量計，各解吸氣體流量計的量程互不相同，每個解吸氣體流量計分別通過高壓管與第七接口連接，每個解吸氣體流量計與第七接口之間的高壓管上分別設有第七氣動閥； 氣排水計量裝置包括儲水容器、排水管和集水容器，儲水容器上端通過高壓管與第六接口連接，儲水容器與第六接口之間的高壓管上設有第八氣動閥，排水管一端與儲水容器底部連通，排水管另一端與集水容器頂部連通，集水容器放置在電子天平上，第十接口上連接有排空管，排空管上設有第九氣動閥。2.根據權利要求1所述的高低溫高壓吸附解吸試驗裝置，其特征在于:數據采集系統包括計算機和控制單元，控制單元包括第三控制面板，第三控制面板上設有壓力巡檢儀、溫度巡檢儀、流量計顯示器、用于控制第二電源開關的低溫恒溫箱開關、用于控制第一電源開關的高溫恒溫箱開關，以及用于控制壓力巡檢儀和溫度巡檢儀的第三電源開關，計算機控制連接第一氣體減壓閥、第二氣體減壓閥、第一五通閥、第二五通閥及第一至第九氣動閥。3.根據權利要求1或2所述的高低溫高壓吸附解吸試驗裝置，其特征在于:高溫吸附單元內所述煤樣罐為五個，分別為第一煤樣罐、第二煤樣罐、第三煤樣罐、第四煤樣罐和第五煤樣罐，低溫吸附單元內所述煤樣罐為五個，分別為第六煤樣罐、第七煤樣罐、第八煤樣罐、第九煤樣罐和第十煤樣罐。4.根據權利要求3所述的高低溫高壓吸附解吸試驗裝置，其特征在于:解吸系統內所述解吸氣體流量計為三個，分別為第一解吸氣體流量計、第二解吸氣體流量計和第三解吸氣體流量計，第一解吸氣體流量計的量程為0_2000ml/min，第二解吸氣體流量計的量程為O-500ml/min，第三解吸氣體流量計的量程為0-100ml/min;所述流量計顯示器為三個，分別為與第一解吸氣體流量計、第二解吸氣體流量計、第三解吸氣體流量計相對應的第一流量計顯示器、第二流量計顯示器、第三流量計顯示器。
【文檔編號】G01N7/14GK205449727SQ201620225147
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月23日
【發明人】田宣, 于世洋, 段昕均, 陳攀, 任培良, 王超
【申請人】河南理工大學