多孔介质中天然气水合物二维模拟实验装置.docx

多孔介质中天然气水合物二维模拟实验装置 赵仕俊 1 , 徐建辉 2 , 陈琳 3(1.中国石油大学(华东)石油仪器仪表研究所，山东 东营 257061; 2.中国石油大学(华东)信息与控制工程学院，山东 东营 257061;3.中国石油大学(华东)计算机与通信工程学院，山东 东营 257061)摘 要:本文介绍了一种天然气水合物模拟实验装置，该装置能模拟多孔介质中天然气水合物的生成和分解过程，能够通过测量平板内探针的电容判断水合物的状态变化。实践证明，该装置工作稳定可靠，性能符合实验要求。 关键词:天然气水合物;电容;平板模型;数据采集中图分类号:tp23文献标识码:b文章编号:1003-7241（2006）09-0065-04a two-dimensioned experimental apparatus of natural gashydrate in a porous mediumzhao shi-jun1,xu jian-hui2, chen lin3(1.petrolium instrument research institute, university of petroleum china, dongying 257061,china; 2.college of information and control engineering, university of petroleum china, dongying 257061,china; 3.college ofcomputer and communication engineering,university of petroleum china, dongying 257061,china)abstract: this paper introduces a gas-hydrate simulation experiment al apparat us, which can simulat e the process of for mation and exploitation of the natural gas hydrate and can judge the state change of gas hydr ate by measur ing the elect rodes capacitance in the plat model. the experim ent shows that the apparatus is stable and reli able.key words:natural gas-hydr ate;capaci tance; plat model ;data acquisition1引言天然气水合物是一种由水和天然气（主要是甲烷）在高压和比，它不易开采和运输，世界上至今还没有完美的开采方案，而研究天然气水合物的开采方法已迫在眉睫，尽快开展室内外天然 气水合物分解、合成方法和开采方法的研究工作刻不容缓。为了 研究建立天然气水合物的成藏理论，提出寻找天然气水合物的有 效开采方法，对天然气水合物的开采提供关键技术，最终为我国 天然气水合物的勘探、开发和利用提供理论依据和技术支撑，就需要专用的天然气水合物模拟实验装置。低温条件下形成的笼形类冰态固体物质1。外貌极似冰雪，点火即可燃烧，故又称之为“可燃冰”。它在自然界分布非常广泛，海 底以下0到1500米深的大陆架或北极等地的永久冻土带都有可能 存在。从能源的角度看，天然气水合物可视为被高度压缩的天然 气资源，每立方米能分解释放出160180标准立方米的天然气。 迄今为止，在世界各地的海洋及大陆地层中，已探明的天然气水 合物储量已相当于全球传统能源储量的两倍以上。我国南海海底 含有巨大的天然气水合物带，能源总量估计相当于中国石油总量 的一半，天然气水合物是迄今为止所知的最具价值的海底矿产资 源，其巨大的资源量和诱人的开发利用前景已经使之成为新世纪 的战略储备能源2。但是天然气水合物埋藏于海底的岩石中，和石油、天然气相2 实验装置工作原理及实验流程2.1 工作原理形成天然气水合物需要两个必备条件: 一是低温，二是高 压。由于天然气水合物形成前后介电常数差异很大，因此可通过 测量平板模型内的电容来判定平板内是否生成水合物3。多孔介质中天然气水合物模拟实验装置的主体: 平板模型（二维模型），如图1 所示，它由两块正方形平板构成，大小尺寸（实验要求的有效尺寸）相同，实验过程中要求平行放置。两平收稿日期:2006-03-10techniques of automation & appications | 65仪器仪表与检测技术 自动化技术与应用 2006 年第 25 卷第 9 期 in dus trumentati on and mea sureme nt 板间介质（以下简称介质）:两板间填沙，注水、天然气。上盖板均匀放置25支温度传感器，用来测量平板内不同区域的温度，下 盖板均匀布置25支电容探针，用来测量平板内不同区域的电容， 通过数据采集处理，可完成在多孔介质中天然气水合物的生成和分解实验。头密封。3.2 计量单元包括电容传感器矩阵(由25支钽丝探针构成，插入平板模型 内部)、电阻传感器矩阵(由25支铂电阻温度传感器构成，插入平 板模型内部)、三个压力传感器测量入口、出口和中间井的压力。3.3 数据采集控制单元数据采集控制单元包括传感器、板卡端子板、数据采集卡、 计算机、数字量i/o 卡、继电器控制板卡，如图3 所示:图1 平板模型2.2 实验流程实验的过程是这样的，首先在平板模型中装填石英砂，往平 板模型中注入一定量的水和天然气，然后对平板模型进行升压和 降温，直到生成水合物。生成后，可采用降压开采、升温开采、 注化学试剂三种开采方法对其进行开采，开采过程中，需要对产 出的气、液进行分离。在整个实验过程中，要实时记录、保存实 验数据（包括电容、压力、温度、注入液、气的流量以及产出液、气的流量等）。实验装置流程图如图2 所示:图3 数据采集处理单元数据采集卡及端子板分别采用研华公司的 pci-1713 、 pcld-880，主要采集26 个温度信号、3 个压力信号、2 个流量信 号;数字量 i/o 卡及继电器控制板卡分别采用研华公司的 pci-1753 pcld-785。数据采集过程: 温度、压力、流量信号经 pcld-880端子板送入计算机内的数据采集卡pci-1713，经计算 机处理后并送出显示;根据用户选定的控制方式，通过数字量i/o 板卡 pci-1753 输出控制命令驱动继电器板 pcld-785 工作， 保证某一时刻分布在平板模型上两探针组成的电容传感器(5行5 列，共300个测量点)可被电容测试仪采集，同时通过rs232总线 送入计算机处理。3.4 工作液供给单元供液装置的功能主要是提供稳定的高压液流。供液是由一 台平流泵完成，流量范围09.99ml/min，压力范围:020mpa。 配套相应的中间容器组、流量计和管路阀门等，中间容器组包括 三个活塞式中间容器，耐压 25mpa，容积 1l。3.5 天然气供给单元天然气供给单元由以下组件构成:减压器、过滤塞、单向阀、 放空阀、截止阀、入口流量控制器。该部分主要功能:控制实验 所用气压;计量入口气量。高压气瓶内的天然气压力很高，需经过减压器减压后才能 满足实验要求;携带杂质的天然气会对流量控制器造成损坏，需 要经过过滤塞过滤后才能进入气体流量控制器被计量;截止阀的 作用是防止高压气体直接流过流量控制器;单向阀是为了避免液 体进入流量控制器对其造成损害。3.6 出口计量单元出口计量单元由气液分离器、气体流量计、储液瓶和天平组 成。当气液进入气液分离器后由气体和液体密度不同的原故自行 发生分离，分离后的气体经过气体流量计被计量;而液体则顺着图2 实验流程图做生成实验时，封堵出水出气口，气瓶内的天然气经过减 压、过滤、稳压、气体流量计后注入平板内;水通过电子天平称 量，由平流泵经中间容器注入平板模型内，平板模型内的温度由 恒温箱控制;做开采实验时，封堵注水注气口，采用不同的开采 方法对水合物进行开采，开采出来的天然气经过分离器分离后由气体流量计计量，水则由电子天平计量。3硬件设计该装置主要包括:平板模型、计量单元、数据采集控制单元、工作液供给单元、天然气供给单元、出口计量单元等六大部分。3.1 平板模型如图 1 所示,上、下两盖板间有效尺寸:320 320mm，耐压10mpa，耐温 -20c-200c。填砂厚度（两平板间距离）: 20 mm，板间加中间垫块，保持板间距离不变且各处均匀。模拟井（注气注水口）:5个，位于上盖板平板中心及四角，不用时可用堵66 | techniques of automation & applications仪器仪表与检测技术自动化技术与应用 2006 年第 25 卷第 9 期 in dus trumentati on and mea sureme nt 管线流入天平上的储液瓶被天平所计量。帮助信息模块主要是给用户提供一些帮助。这个模块包括版权说明、操作指南、系统流程图等。4.6 退出系统模块执行退出系统模块，屏幕上弹出一对话框，选择确认后，计 算机停止应用软件的执行，返回到系统状态下。4软件设计本软件是用 visual basic 6.0 在 windows xp 下编写的。vb 是可视化的、面向对象的、由事件驱动的结构化高级程序设计语言4。vb引入了控件的概念，并把这些控件模块化，用户可 根据自己的需要控制控件的外观、工作方法，这样就可以像在画 板上一样，随意点几下鼠标，按一下按钮就可以轻松完成原来相 当复杂的工作。在天然气水合物二维开采模拟实验装置应用软件 的设计中采用了结构化、模块化的程序设计方法，程序结构清 晰，模块功能明确。4.1 软件结构本软件分为系统初始化模块、开始实验、帮助信息、退出系 统、数据处理模块五大模块。它的结构框图如图4 所示:5 实验数据分析实验过程:先在平板模型内铺干沙,注水使平板模型内水达到 饱和;然后注天然气使平板内压力达到6mpa;最后调节恒温箱温 度使平板内的温度为3c。降温过程的温度曲线和注气过程的压力曲线如图5(1)、图5(2)所示。图 5 水合物生成前温度、压力实时曲线图中横坐标表示第n 次测量或者时间，时间值的换算方法: 时间=第n次测量采集周期(步长)。采集周期是指一组探针两 次采集的时间间隔（此次实验为72 秒，亦称步长），如第10次测 量的时间为:10 72=720秒;纵坐标代表对应的温度、压力值。 当压力升到 6mpa、温度降到 3c 并趋于稳定时，关闭进气 阀门，保持平板内的温度为3c，并重新进行数据采集。以下是在天然气水合物生成的过程中所采集的数据。 图6(1)是在天然气水合物在生成过程中入口、出口的压力曲线;图6(2)、图6(3)、图6(4)是三组电容探针在平板内压力达到6mpa，温度为 3c 的过程中电容值变化的实时曲线。 横坐标表示第n次测量或者时间(n步长)，纵坐标代表对应的压力、电容值。图4 软件结构框图4.2 软件基本工作过程软件系统在工作前,应该先做一些准备工作,比如打开实验装 置电源开关、检查管线连接是否可靠等。确定无误后，开始运行 软件。首先要进行系统自检，然后输入实验过程中需要的参数， 进行传感器零点校正和线性校正，经系统确认后，进入实验测试 阶段，数据采集模块开始对各种信号进行采集、存储，并实时显 示在屏幕上。4.3 系统初始化模块系统初始化模块包括系统自检、参数设置和传感器校正三 个小模块。执行系统自检模块，可以在实验前检查各路数据是否 显示正确，天平、流量计是否处于正常工作状态。参数设置模块 主要是对实验中的技术参数和绘图参数进行设置。传感器校正模 块中用户可以对实验装置中的各种传感器进行零点校正和线性校 正。4.4 数据管理模块执行此模块，系统进入实验状态，开始对实验过程中的各种 数据进行采集，采集的数据实时显示在屏幕上，并保存在数据库 中，以便以后对数据进行分析;同时在屏幕上绘制压力、电容、温 度、流量等参数随时间变化的曲线。4.5 帮助信息模块图6 水合物生成过程中压力、电容实时曲线结论:（1）在水合物生成的过程中，由图6(1)可以看出入口压力略 高于出口压力，这是因为入口处天然气含量充足更容易生成水合 物，从而堵塞了入口而导致压力升高。（2）三组探针的电容值均由开始的数千pf经过一段时间的(下转第87页)techniques of automation & appications | 67经验交流自动化技术与应用 2006 年第 25 卷第 9 期 te chn ical co mmu nica tio ns 好。采样调节就是对电动调节阀进行间歇性调节，可采取2小时调节一次的方法，这要视供热系统的规模大小而定。系统越大， 调节间隔应愈长，这样可以充分反映延时的影响。给定值选择:供水温度给定值为室外温度的折线函数（折线利用easyprog软件的累加功能块,进行失水量的累加,瞬时热量和累计热量的运算。为换热站的成本考核提供依据。7.6 显示操作功能rtu 配 6”触屏,温度的控制及泵的启停在触屏上完成,还 可以显示曲线及工艺流程图以及电动机的状态，并对现场设备进行就地控制。图6 温度曲线8结束语通过在热网换热站的运行表明,充分发挥了凯迪恩 kdn-k3函数）。根据哈尔滨市采暖期的特点,根据不同的时间段(如白天和夜间不同,冬季和春季不同,热负荷过大时和热负荷过小时不同)设 置多条曲线,根据 plc 内部的时钟或者调度指令进行选择。7.2 自动补水控制根据二次网回水点定压值,利用pid算法,回水压力反馈值和 设定值进行比较,自动调节补水变频器的转速,达到补水定压的目 的。7.3 保护功能当 rtu 检测到过滤器压差过大或供水温度过高时发出警报 信号,出于安全因素,强制pidff功能块手动输出0%,关闭电动调 节阀。7.4 软水箱水位控制当软水箱水位过低时,自动停止补水泵运行,防止抽干水箱, 电机过载。7.5 运算功能系列plc强大的控制运算功能,良好的网络开放性能,i/o扩展能力高,性价比高等特点,取得了良好的运行效果,达到了整个热网 的自动控制及经济运行的控制目标。参考文献:1 凯迪恩网站.2 陆耀庆. 实用供热空调设计手册m.北京: 中国建筑工业 出版社.3 张统. 给排水工艺及工程方案设计m.北京:中国建筑工 业出版社.作者简介:王学财（1970-），男，哈尔滨天翔自动化工程有限公司, 主要从事城市供热工作。(上接第67页)过渡达到比较稳定的数十 pf，变化了二个数量级。可以初步判 断平板内有水合物生成，事实上，在实验完毕后打开平板模型也 证实了水合物的生成。（3）三组探针达到稳定电容值的时间并不一致。第一、二、 三组分别是在第48 次、第55 次、第52 次达到稳定，可见在平板 内不同的区域生成水合物的速度并不相同。（4）三组探针电容初始值略有差异。这是因为同探针的位置 及探针本身造成的，尤其是在注入井