专利名称：一种向大型水合物反应器连续注液的装置的制作方法
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。
背景技术：
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，流速均勻但不耐腐蚀和高温。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
o(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。
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。
具体实施例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。
权利要求
一种向大型水合物反应器连续自动注液的装置，其特征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。
2.如权利要求1所述的向大型水合物反应器连续自动注液的装置，其特征在于该自 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；其中液体容器(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；液体容器(13)用于盛放驱动 中间容器(11)内活塞移动的溶液，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。
3.如权利要求1或2所述的向大型水合物反应器连续自动注液的装置，其特征在于 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(2)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。
全文摘要
本发明公开了一种向大型水合物反应器连续注液的装置，包括中间容器组，液体容器，平流泵，加热器，加液泵，工作液容器，计算机，电磁阀等。本装置可以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，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。本装置可利用计算机程序控制平流泵、加液泵的启停、流速，以及电磁阀的开关，满足连续自动供液的要求。
文档编号B01J3/02GK101850223SQ20101016095
公开日2010年10月6日 申请日期2010年4月23日 优先权日2010年4月23日
发明者张郁, 李刚, 李小森, 李清平, 杨波, 陈朝阳 申请人:中国科学院广州能源研究所