一种模拟可燃冰流化开采立管多相流动的实验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于海底可燃冰开采输送技术领域，具体涉及一种模拟可燃冰流化开采立管多相流动的实验装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着我国经济的高速发展，能源消耗增长迅猛，目前我国石油总消耗占世界石油总消耗量的十分之一，成为世界上最大的能源消耗国。能源安全问题十分突出，因此研究开发新能源已成为当下的首要任务。可燃冰作为一种新型绿色能源，其开发运用已受到世界各国的广泛关注。
[0003]可燃冰，又称天然气水合物，是天然气和水在低温高压环境下形成的一种类冰状固体，存在于海底浅表地层和永久冻土层内。其中，海底浅表地层中可燃冰的储量约占总储量的80%。目前对可燃冰的可采方法主要有热激法、减压法等。热激法是通过引入一定的热源对水合物进行加热，使其分解产生气体的方法。这种方法热能损失大，效率低；减压法是指通过采取一定措施将环境压力降低到水合物的分解压力，从而分解形成气体的方法，此方法相对经济，在冻土区使用较多。而海底浅表地层可燃冰极不稳定，易气化分解造成海底地质灾害及其他次生灾害。针对这一特征，学者们提出了固态流化开采方法。
[0004]固态流化开采法是一种原位原态、密闭流化、气液固多相举升的开采方法。此方法安全可靠，既不需要像加热或降压法那样消耗大量的能源和投入复杂的管柱、工具，又避免了气体分解可能引发的安全隐患。
[0005]但固体流化开采立管中，可燃冰会因压力、温度的改变发生相变，从而使得立管内流体呈现气、液、固三态，流动变得十分复杂。目前，关于考虑相变的气液固三相流动研究甚少，更罕见相关的实验装置。
【发明内容】
[0006]为解决【背景技术】所提出的问题，本发明的目的在于提供一种一体化、可循环操作的模拟可燃冰固态流化开采立管多相流动的实验装置及方法。
[0007]—种模拟可燃冰流化开采立管多相流动的实验装置由供气系统、可燃冰生成破碎一体化装置、水循环系统、注砂装置以及分离回收系统组成。供气系统由储气瓶、压缩机、高压气罐组成。储气瓶及高压气罐顶部分别安装有储气瓶压力表和高压气罐压力表，储气瓶为压缩机提供气源，两者之间通过管路连接，并于管路上设有储气瓶阀门。气体经压缩机压缩后进入高压气罐，压缩机与高压气罐之间管路上安装罐间止回阀。高压气罐出气管路与可燃冰生成破碎一体化装置相连，管路上依次安装高压气罐调节阀和注气止回阀。
[0008]可燃冰生成破碎一体化装置分上、中、下三层。上层为冷凝箱，用于给流入冷凝箱的气体降温，使其凝结成冰。冷凝箱上安有冷凝箱压力表和冷凝箱温度计，以监测箱内压力、温度。冷凝箱下部设对开隔板，可燃冰生成阶段为关闭状态。冷凝箱顶部装有三根电动螺杆钻，待可燃冰生成后，启动电动螺杆钻，可实现钻进破碎，将可燃冰破碎成冰粒。可燃冰生成破碎一体化装置中层为二次破碎室，上层破碎后的冰粒通过打开的对开隔板落入中层二次破碎室，二次破碎室底部为冰粒滤网，紧贴冰粒滤网的上部安装有二次破碎滚轮。通过二次破碎滚轮的研磨，使大冰粒变成小冰粒，从而穿过冰粒滤网到达下层。下层底部设有斜坡式冰粒称重计，用于称量待加至实验管路的冰粒总重量。顺着冰粒称重计的斜坡末端开设有底部出口。
[0009]注砂装置为一砂箱，砂箱顶部设加砂口，并装有加砂口阀门。砂箱底部为斜坡式砂粒称重计，用于称重加入的砂粒总重量，斜坡末端开设出砂口。
[0010]可燃冰生成破碎一体化装置出口及砂箱出口通过Y型汇管与冰砂混合腔连接，两支管上分别安有注冰阀和注砂阀。打开注冰阀和注砂阀，冰粒和砂粒均可在重力作用下，沿着斜坡滚入冰砂混合腔。
[0011]冰砂混合腔上游为供水管路，由水栗通过管路抽吸水库中的水供给冰砂混合腔，水栗与冰砂混合腔之间依次安装有水流调节阀和水流流量计。
[0012]冰砂混合腔出口设有管路调节阀，其下游连接实验测试立管，立管底端入口安有立管入口压力表和立管入口温度计，立管中部安装有立管跨中温度计和立管跨中压力表，立管顶端出口安装有立管出口压力表和立管出口温度计。立管表面开有等间距对称的可视透明视窗。高速摄像机通过透明视窗可拍摄立管内多相流动形态。
[0013]立管出口连接一级气分离箱，一级气分离箱入口设有分离挡板，多相流流入一级气分离箱后碰撞分离挡板加速分离，气相从上端出口流出，液固相由底端锥形出口流入一级气分离箱下方的二级水分离箱。二级水分离箱的中部设有一倾斜放置的固体颗粒滤网，水可穿过滤网，流入水回收管，至水库回收。水库、水栗、供水管路、立管、一级气分离箱、二级水分离箱、水回收管构成了水循环系统。
[0014]经过固体颗粒滤网拦截的固体颗粒进入二级水分离箱右下方的三级冰分离箱。三级冰分离箱为内外层结构，内层为冰砂分离室，外层为热水流动通道。热水入口设于底部右下端，安装有热水入口阀门，热水出口设于顶部左上端，安装有热水出口阀门，外层顶部安装有热水箱温度计。热水为内层冰砂分离室提供热量，促使冰粒气化。内层顶部连有气体回注管，并安装有排气阀，内层底部设有排砂口，安装有排砂阀。一级气分离箱和三级冰分离箱顶部连接有气体回注管，用于将气体回注至可燃冰生成破碎一体化装置。气体回注管与注气止回阀下游注气管以直角三通管连接，气体回注管上安装有气体回注管阀门。
[0015]—种模拟可燃冰流化开采立管多相流动的实验装置可以提供模拟可燃冰流化开采立管多相流动的实验方法，分为可燃冰生成破碎、加砂混合、立管举升测试、回收循环四个阶段。
[0016]可燃冰生成破碎阶段为实验提供待举升的可燃冰冰粒。首先，关闭储气瓶阀门、气体回注管阀门、可燃冰生成破碎一体化装置中部的对开隔板、注冰阀，观察储气瓶压力表，确保储气瓶内有足量的天然气，若没有则需更换储气瓶；然后，打开储气瓶阀门和罐间止回阀，启动压缩机，经压缩机加压后的气体流入高压气罐，观察高压气罐压力表，待高压气罐内压力升至预设压力后，打开高压气罐调节阀和注气止回阀。高压气体进入可燃冰生成破碎一体化装置上层冷凝箱，观察冷凝箱压力表，待其数值与高压气罐压力表数值相同时，关闭高压气罐调节阀；启动冷凝箱对箱内气体进行降温，观察冷凝箱温度计和冷凝箱压力表，待它们达到可燃冰生成的温度和压力条件后，冷凝箱内天然气会凝结成可燃冰。当冷凝箱内气体全部凝结成冰后，启动电动螺杆钻，将冷凝箱内可燃冰初步破碎；打开对开隔板，使初步破碎的可燃冰块落在中层冰粒滤网上；启动二次破碎滚轮，使其在冰粒滤网上来回研磨可燃冰块，经研磨后的冰粒穿过冰粒滤网落入下层冰粒称重计上，记录待加入的冰粒总重量。
[0017]加砂混合阶段为实验提供冰砂混合物。首先，关闭注砂阀，打开加砂口阀门，往砂箱加入足量的砂粒；砂粒落在砂箱底部砂粒称重计上，记录待加入的砂粒总重量。然后，关闭水流调节阀和管路调节阀，打开注冰阀和注砂阀，让冰粒和砂粒落入冰砂混合腔。打开水流调节阀，启动水栗，往冰砂混合腔供水，使冰砂混合物得以搅拌混匀。
[0018]立管举升测试阶段为实验测试的核心部分。在合适的位置布置高速摄像机，并启动记录；打开管路调节阀，水流携带冰砂混合物进入立管；实时记录水流流量计、立管入口温度计、立管入口压力表、立管跨中温度计、立管跨中压力表、立管出口压力表、立管出口温度计读数；待冰砂混合物全部携带出立管后，停止高速摄像机的记录。
[0019]回收循环阶段实现气液固三相分离和回收利用。关闭排砂阀，打开排气阀。从立管出口流出的多相流首先进入一级气分离箱，撞击分离挡板后，气体从上端出口流出，液固相由底端锥形出口流入二级水分离箱。固相被固体颗粒滤网拦截，水则穿过固体颗粒滤网流入水回收管，至水库回收利用。保持水栗运行，使实验管路和固体颗粒滤网得到充分冲洗。被拦截的固相颗粒沿着斜置的固体颗粒滤网落入三级冰分离箱，打开热水入口阀门和热水出口阀门，使热水在三级冰分离箱外层热水流动通道中流动，为内层冰砂分离室提供热量，促使冰粒气化，可燃冰粒气化后进入气体回注管。打开气体回注管阀门，可使一级气分离箱和三级冰分离箱顶部回收的气体经气体回注管回注至可燃冰生成破碎一体化装置。待可燃冰粒全部气化后，打开排砂阀，回收砂粒，重新注至砂箱。最后，关闭水栗，停止水循环。
[0020]上述三级冰分离箱外层顶部安装有热水箱温度计，观察其读数，可检查热水流动通道中的热水温度是否合适。
[0021]实验结束后，由立管入