一种水合物分解过程等效比热实时无损计算的装置及方法

本发明属于天然气水合物开采，具体为一种水合物分解过程等效比热实时无损计算的装置及方法。

背景技术：

1、天然气水合物是由水分子和甲烷等小分子气体组成的非化学计量的笼型晶状混合物，具有分布广、储量大、能量密度高的特点，有潜力成为常规化石能源的替代能源；标准状态下，1m3的天然气水合物可释放出约164m3的天然气和0.8m3的水，其能量密度是常规天然气的2到5倍、煤的10倍。我国南海海域和青藏高原冻土层埋藏大量天然气水合物，根据其资源类型及赋存状态，结合地质条件，初步预测我国海域天然气水合物资源量约800亿吨油当量。若能将其商业化开采，并大量使用，提高其在我国能源消费中的份额，对环境保护和可持续发展都有重大意义。

2、目前水合物开采还存在着产气效率较低、生产过程出砂、井口下沉、甲烷泄露、水合物的二次生成以及结冰等问题。为了解决这些问题，对水合物开采过程进行实验研究和数值模拟研究是必要的。传统的传热研究主要是考虑材料的热容、热导率等的影响，然而通过水合物的研究发现，开采过程中存在相变，如水合物的二次生成以及冰的生成，这大大的影响产气效率。含有相变的传热研究是目前水合物开发的一大难点。水合物的二次生成以及冰的生成会产生相变潜热的变化，相变潜热对温度场有严重影响。且在实验中，热量的测量和计算存在一定困难，若只把外热源作为影响水合物分解的唯一热量，将影响温度场的预测精度。而相变潜热与物质比热可以等效成一个参数——等效比热，等效比热作为水合物分解过程中热量研究的重要参数，为水合物的数值模拟和实地开采过程中相变潜热的描述和热量计算有重要意义。

3、鉴于以上原因，现有的针对水合物开采过程中含相变传热研究存在的不足主要是：(1)缺乏一种水合物分解过程等效比热实时无损计算的装置；(2)缺乏研究水合物开采过程中等效比热变化的实验方法。可见，给出能够克服上述不足的技术方法，实现水合物分解过程等效比热的实时无损计算，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种水合物分解过程等效比热实时无损计算的装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种水合物分解过程等效比热实时无损计算的装置，包括可视扁平反应釜、无损高精度相态识别系统、进气进液及排气排液系统、计算机；

4、所述可视扁平反应釜外形为一扁平长方体，其第二长边与最短边的长度之比大于20，因此其可看作二维平面；可视扁平反应釜的前侧开有一个可视窗口，可视窗口使用蓝宝石等可视耐压材料，除可视窗口之外的部分的材料则为耐压不锈钢；可视扁平反应釜内部装有数个的可拆卸的模拟多孔介质圆柱体，可视扁平反应釜置于恒温箱中，可视扁平反应釜与进气进液及排气排液系统连接；

5、所述进气进液及排气排液系统主要由进气管、进液管、排气管、排液管、泵、真空泵、增压泵、阀门和背压阀组成，进气管、进液管、排气管和排液管作为流体在各装置之间流动的通道，泵起到输送流体的作用，真空泵用于反应前将可视扁平反应釜抽成真空，增压泵用于流体增压，控制天然气进入可视扁平反应釜并达到指定压力，阀门的作用是控制流体流动情况，背压阀在安全压力下排出废气和废液。

6、进气进液及排气排液系统的具体连接方式：储液罐的进料管路连通可视扁平反应釜，其上依次设置有储液罐阀门、泵和反应釜进液阀门；二氧化碳气瓶的进料管路连通可视扁平反应釜，其上依次设置有二氧化碳气瓶减压阀门、增压泵和反应釜进气阀门；可视扁平反应釜上还设置有真空泵阀门、反应釜排气阀门、反应釜排液阀门，真空泵阀门上连接有真空泵；可视扁平反应釜通过无损高精度相态识别系统连接计算机。

7、所述无损高精度相态识别系统主要由多个高速摄像机组成，高速摄像机通过可视扁平反应釜的可视窗口进行拍摄，高速摄像机对一个单元区域进行精准拍摄；高速摄像机实时上传采集图片至计算机，高速摄像机交错相间排列，拍摄采集的单元区域作为已知单元区域，未采集的单元区域数据作为未知单元区域。

8、所述计算机接收无损高精度相态识别系统实时上传的照片，并采用以灰度值判断的图像分割方法分析该单元区域中的相态分布，计算机通过已知单元区域的数据进行插值计算得到未知单元区域的相态数据，计算机根据分析得到的相态分布实时计算出可视扁平反应釜内的等效平均比热场，并实时显示在计算机显示器上，等效平均比热场由

9、

10、进行计算，式中ce为沉积物的等效体积比热kj/(m3·k)，为沉积物的等效平均体积比热kj/(m3·k)，ta和tb分别为不同时刻体系的温度，ta为前一时刻，tb为后一时刻，ρh为水合物的密度kg/m3，nh为水合物的体积分数，lh为水合物的潜热kj/kg，水合物生成放出潜热，潜热为负值，水合物分解吸收潜热，潜热为正值，ρi为冰的密度kg/m3，ni为冰的体积分数，li为冰的潜热kj/kg，水凝固成冰放出潜热，潜热为负值，冰融化成水吸收潜热，潜热为正值，ρα为第α项物质的密度kg/m3，nα为第α项物质的体积分数，cα为第α项物质的质量比热kj/(kg·k)，α＝s、w、g、h、i，分别代表沉积物颗粒、水、气体、水合物、冰。

11、一种水合物分解过程等效比热实时无损计算的方法，包括以下步骤：

12、(1)在实验开始之前打开真空泵阀门使用真空泵将可视扁平反应釜抽成真空，打开反应釜进气阀门和二氧化碳气瓶减压阀门，利用增压泵控制二氧化碳进入可视扁平反应釜，打开储液罐阀门与反应釜进液阀门，利用泵控制水进入可视扁平反应釜，控制恒温箱调整可视扁平反应釜温度到平衡温度以下，用以形成水合物，在实验完毕后在安全压力下通过反应釜排气阀门与反应釜排液阀门排出废气和废液；

13、(2)调节恒温箱使得可视扁平反应釜温度升高到相平衡温度以上，促进可视扁平反应釜中水合物进行分解反应；

14、(3)当水合物开始分解，无损高精度相态识别系统通过可视窗口实时拍摄可视扁平反应釜内的情况并将图片上传至计算机进行图像识别，计算机利用灰度图识别相态，并计算每个已知单元区域的沉积物颗粒、水、气体、水合物、冰在已知单元区域内所占的体积分数，未采集的未知单元区域的各相体积分数，由相邻左右已知单元区域的各相体积分数的值，每一相的体积分数分别通过线性插值的方法获得，在一些优选的实施方式中，可以利用相邻所有的采集的已知单元区域的各相体积分数，通过largrange、newton、hermite和三次样条插值等获得精度更高的未采集未知单元区域内的各相体积分数，由此获得全部区域的各相体积分数；

15、(4)利用公式

16、实时计算出每个单元的等效平均比热，得到整个区域的等效比热场并显示在计算机显示屏上；

17、(5)水合物分解完毕后，通过反应釜排气阀门和反应釜排液阀门在安全压力下排出气体和液体。

18、本发明中一种水合物分解过程等效比热实时无损计算的方法其原理：恒温箱通过导热的方式向反应釜中均匀供给热量，促使水合物分解，内部热对流可忽略。通过无损高精度相态识别系统获得采集的已知单元区域的实时各组分体积分数，对未采集的未知单元区域的体积分数采用插值计算获得，由此计算所有单元的水合物沉积物的等效比热，方法实现了水合物分解过程中等效比热场的实时无损计算。

19、本发明的有益效果：本发明提出了一种水合物分解过程等效比热实时无损计算的装置及方法，综合考虑了相变潜热与物质比热对等效比热的影响，为真实的水合物沉积物体系的等效比热计算提供了技术支撑。该方法环保经济、装置清晰可视，实现了水合物分解过程中等效比热场的实时无损计算。