天然氣水合物保壓轉移裝置的壓力維持系統

陳家旺，張永雷，孫瑜霞，劉方蘭，肖 波，耿雪樵

（1.浙江大學 海洋學院，浙江 舟山 316021；2.國土資源部廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510075）

天然氣水合物保壓轉移裝置的壓力維持系統

陳家旺1，張永雷1，孫瑜霞1，劉方蘭2，肖 波2，耿雪樵2

（1.浙江大學 海洋學院，浙江 舟山 316021；2.國土資源部廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510075）

天然氣水合物在轉移到檢測裝置的過程中，壓力會發生較大波動，導致結構的不穩定而分解。天然氣水合物樣品保壓轉移裝置能夠維持樣品的高壓環境，并將其轉移到其他壓力容器。文中主要介紹了轉移裝置及壓力維持系統的工作原理，利用AMESim軟件對保壓轉移裝置的壓力維持系統進行建模，分析了不同預充壓力的蓄能器對壓力變化的響應，最后通過樣品的轉移實驗驗證壓力維持系統的有效性，同時得出球閥的關閉對樣品的壓力影響最大的結論。

樣品轉移；壓力維持；AMESim仿真；蓄能器；泵；球閥

天然氣水合物穩定存在于一定的低溫高壓條件下，當壓力降低或溫度升高時，天然氣水合物組分會全部或大部分分解[1]，造成對水合物重要性質研究的困難。目前國內外保壓取樣技術已經比較成熟[2-4]，它可以保持水合物的原位壓力，并將其從海底提取至常溫常壓的海面，而不會產生天然氣水合物分解，可以提供天然氣水合物的最小擾動樣品。但以上研究都重在將天然氣水合物從海底保壓取樣，如何將取得的樣品在維持壓力的情況下切割為任意小段，并保壓轉移至實驗室做進一步分析，國內研究則涉及較少。如何實現天然氣水合物的保壓轉移以便與檢測分析裝置無縫對接，是天然氣水合物的裝備研究的新方向。

我國的天然氣水合物保壓取樣技術已經可以成功取得長達14 m的柱狀樣品[5]，但是保壓轉移技術卻未有進展和突破。由于取得的少量寶貴樣品沒有后續的壓力維持手段，只能卸壓至常壓處理，結果損壞了其原有結構。天然氣水合物保壓轉移裝置能最大程度的保持天然氣水合物的理化性質，為準確完成水合物原位特性的綜合分析提供條件，其中的關鍵技術是壓力維持技術。天然氣水合物的切割、分離、轉移的全過程中維持原位壓力，是保持天然氣水合物穩定的關鍵。該技術的實現將推動我國天然氣水合物的研究發展，為深入研究乃至開采天然氣水合物提供技術支撐，并可有效推廣至其他深海樣品調查項目。

1 轉移裝置

如圖1所示，與保壓取樣器對接的天然氣水合物樣品保壓轉移裝置[6]主要由抓手單元、切割單元、壓力維持系統、壓力容器4部分組成。抓手單元要實現往復運動及樣品管切割位置的控制和樣品管的抓取及釋放。抓手的前進后退由絲杠螺母機構實現，在螺母上固定抓手，電機驅動絲杠使螺母軸向運動。由于抓取到樣品管后，抓手與樣品管就無相對運動，可通過絲杠螺母機構的動力源來獲取絲杠轉動圈數，計算抓手移動位置，在行進的過程中通過上位機來實現樣品管的位置控制。抓手仿照人類手指，利用繞固定軸轉動的頂桿在力矩作用下可開可合，開時抓取，合時釋放。切割單元主要實現對樣品管進行切割分段，切割動作通過刀片繞樣品管做圓周運動切割，它由外部電機來驅動。進刀動作通過手動旋轉外圈螺釘來推動刀片徑向移動。

圖1 天然氣水合物樣品保壓轉移裝置

2 壓力維持系統

在整個轉移過程中，抓手的前后運動、切割等都會造成樣品壓力的波動。天然氣水合物樣品保壓轉移裝置的技術指標要求樣品轉移過程中壓力維持穩定，壓力波動小于20%。所以壓力維持系統的性能直接影響到樣品轉移的保壓效果。結合轉移裝置的容腔體積的大小及操作需要，壓力維持系統采用了液壓泵和蓄能器共同保壓的方式[7]，原理圖如圖2所示。

圖2 壓力維持系統原理圖

轉移樣品前，樣品管是卡緊在取樣器中的。手動打壓泵在取樣器的一端制造高壓使樣品管與取樣器脫離，這樣抓手就可以自由移動樣品管。高壓泵能快速為天然氣水合物轉移裝置內充壓，并通過溢流閥長時間地維持裝置的高壓環境。蓄能器能快速吸收脈沖及壓力波動，減弱裝置內壓力波動。截止閥用于控制管路開閉，從而配合天然氣水合物轉移裝置操作。天然氣水合物樣品保壓轉移裝置充分利用液壓泵和蓄能器各自的壓力響應特性，始終將樣品的壓力控制在160～240 bar之間。

3 AMESim仿真

3.1 建模

壓力維持系統保壓性能主要由液壓泵、蓄能器和溢流閥等關鍵元件的性能決定。液壓泵的排量和溢流閥的開啟壓力等參數容易確定，但蓄能器的預充壓力等參數一般按經驗選取。AMESim軟件可對壓力維持系統進行高級建模和仿真，來研究蓄能器對壓力變化的壓力響應特性[8-9]。壓力維持系統建模如圖3所示，對比圖2，左右兩端的容腔、活塞、彈簧和質量塊結構分別代表取樣器和天然氣水合物保壓轉移裝置。3、4是線性信號源，用來控制球閥的開閉。

圖3 保壓轉移裝置模型

3.2 壓力仿真

3.2.1 蓄能器的預充壓力對壓力維持系統的影響在仿真模型中增添一個階躍的壓力信號，模擬在轉移過程中不同預充壓力的蓄能器受到的壓力沖擊時的響應特征，有利于在工程實際中選擇合適的蓄能器。在AMESim軟件中，設置蓄能器的預充壓力為80～240 bar，容積為6.3 L，得到仿真結果如圖4所示[10-11]。對比無蓄能器時的壓力曲線，蓄能器可以有效減小壓力沖擊下的系統峰值壓力。當蓄能器預充壓力小于系統穩定工作壓力200 bar時，隨著蓄能器預充壓力的提高，消減壓力波動幅值的能力增強，蓄能器響應速度變快。當蓄能器預充壓力大于200 bar時，蓄能器減弱壓力波動幅值的能力變弱。綜合以上規律，壓力維持系統的蓄能器的預充壓力可選160～180 bar。

圖4 蓄能器-轉移裝置壓力變化曲線

3.2.2 液壓泵對壓力維持系統的影響分析 由于壓力維持系統正常工作時的溢流閥的開啟壓力與水合物的原位壓力相同。將泵的流量分別設置為20 L/min，40 L/min，…，100 L/min，得到在不同泵流量下轉移裝置的壓力變化曲線如圖5所示。

圖5 泵-轉移裝置壓力變化曲線

從圖5中可以看出，隨著泵流量從20 L/min增大到100 L/min，轉移裝置壓力上升曲線變陡，壓力上升速度加快。但在實際操作過程中，如果加壓速度過快，假如溢流閥開啟壓力設置不當，會導致天然氣水合物轉移裝置內的壓力過高，導致危險，因此應根據需要選擇合適流量的高壓泵。

4 保壓轉移實驗

4.1 轉移過程

天然氣水合物樣品保壓轉移裝置工作過程如圖6所示，當保壓取樣器與保壓轉移裝置對接，利用壓力維持系統往裝置容腔內快速充水打壓；待裝置整體壓力達到200 bar，抓手開始運動去抓取樣品管，將樣品管移動到合適位置即可開始切割；切下小段樣品管后，將剩余的樣品管推回到取樣器，然后將取樣器與保壓轉移裝置分離；抓手再將切割下來的樣品管推回到壓力筒內；裝有樣品管的壓力筒就可以直接拿到X射線CT測試室進行測試。

圖6 轉移過程

4.2 保壓轉移實驗

為了驗證壓力維持系統的有效性，本文對樣品轉移的全過程進行了實驗研究，如圖7所示，取樣器全長5.7 m，轉移裝置全長3.5 m，壓力維持系統集成在臺架上。選用的蓄能器容積為6.3 L，預充壓力為180 bar。得到各工作階段的壓力曲線如圖8～圖9和圖11所示。

圖7 保壓轉移實驗

圖8 抓手前進與脫管

圖9 抓手返回與切割

圖10 球閥關閉改善對比

圖11 樣品轉移

由圖8可以看出，在前2 000 s，抓手在裝置腔體內前進造成的壓力最大波動在15 bar左右。之后，由于突然的脫管動作，裝置內壓力出現大的震蕩，最大壓力可達225 bar。但壓力變化仍在控制的范圍內。從圖9的壓力波動曲線看出，在前800 s，抓手抓著樣品管后退，裝置壓力變化也很小，但在切割樣品管的時候，壓力出現最大幅度約為25 bar的波動。但此波動有可能是由于壓力傳感器離切割部位距離較近，刀片旋轉造成水流對傳感器造成的影響。

在轉移樣品到壓力筒階段，由于球閥自身結構的原因，在壓力筒與轉移裝置對接后,球閥打開時，裝置容腔內的壓力會迅速減小，甚至出現超過40 bar的波動。為改善這一狀況，在球閥打開前，將用于裝樣品的壓力筒的壓力加到220 bar（而不是原來的200 bar），利用給球閥兩端的容腔增加壓差來減小球閥接通后壓力變化的最大值。如圖11所示，在有壓差和無壓差時，從球閥打開時壓力的變化曲線可知，在沒有增加壓差時，裝置內壓力瞬間壓力會下降至140 bar左右；增加壓差后，壓力最小值約為170 bar，有效改善了球閥打開導致的壓力波動。運用此方法，樣品轉移到壓力筒中，圧力曲線如圖10所示，在約550 s時，打開球閥，裝置壓力下降到170 bar左右。

綜合樣品的整個轉移過程，壓力維持系統能將天然氣水合物轉移過程中的壓力波動維持在20%內，滿足設計目標。

5 結語

天然氣水合物樣品轉移裝置目的是將帶壓巖心樣品轉移到檢測裝置中進行原位分析。通過AMESim軟件建模仿真和實驗，可以得到以下結論：

（1）天然氣水合物樣品轉移裝置的壓力維持系統采用液壓泵和蓄能器的保壓方式能將壓力波動控制在20%以內，實現較好的保壓效果。此保壓方式可有效用于更多的保壓研究項目；

（2）在樣品整個轉移過程中，球閥的打開對裝置容腔內的壓力影響最大，但通過增加球閥兩端壓差的方法能減小壓力波動幅值；

（3）在樣品轉移過程中，抓手的運動、切割動作造成的壓力波動相對較小；

（4）蓄能器參數的選取可通過建模仿真實現。壓力維持系統的蓄能器的預充壓力宜在160～180 bar范圍。

[1]ZhangY，Li X S，Chen ZY，et al.Methane hydrate dissociation by depressurization in sediments with different hydrate Saturations in cubic hydrate simulator[J].EnergyProcedia，2014，61：990-994．

[2]AbeggF，HohnbergH J，Pape T，et al.Development and application ofpressure-core-samplingsystems for the investigation ofgas and gas-hydrate-bearingsediments[J].Deep Sea Research Part I Oceanographic Research Papers，2008，55(11)：1590-1599．

[3]RothwellRG，RackFR.Newtechniquesinsedimentcoreanalysis：anintroduction[J].GeologicalSociety，London，SpecialPublications，2006，267(1)：1-29．

[4]ZhaoJ，ChengC，SongY，et al.Heat transfer analysis ofmethane hydrate sediment dissociation in a closed reactor bya thermal method [J].Energies，2012，5(5)：1292-1308．

[5]Chen J W，Fan W，Bingham B，et al.A long gravity-piston corer developed for seafloor gas hydrate coring utilizing an in situpressure -retained method[J].Energies，2013，6(7)：3353-3372．

[6]Junbo liu，Jiawang Chen，Fanglan Liu，et al.Development of one pressure core transfer device for one long gravity-piston pressureretained corer[C]//IEEE，2014．

[7]劉潤強，王娜，王海艷．常見的幾種保壓回路分析及其故障排除[J].科協論壇，2013(09)：34-35．

[8]付永領，祁曉野．AMESim系統建模和仿真實例教程[M].北京：北京航天航空出版社，2011．

[9]梁全，蘇齊瑩．液壓系統AMESim計算機仿真指南[M].北京：機械工業出版社，2014．

[10]金學良．基于AMESim的液壓抗沖擊系統設計與仿真[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2011．

[11]何海洋，俞科云，陳國琳，等．蓄能器-泵系統壓力緩沖仿真與試驗[J].艦船科學技術，2011(07)：55-58．

Study on the Pressure Maintaining System of the Pressure Core Transfer Device for Natural Gas Hydrate

CHEN Jia-wang1,ZHANG Yong-lei1,SUN Yu-xia1,LIU Fang-lan2,XIAO Bo2,GENG Xue-qiao2
1.Ocean College,Zhejiang University,Zhoushan 316021,Zhejiang Province,China; 2.Guangzhou Marine Geological Survey,Ministry of Land and Resources,Guangzhou 510075,Guangdong Province,China

The pressure of natural gas hydrate will substantially fluctuate when being transferred to a detection device,resulting in unstable structure and decomposition of natural gas hydrate.The pressure core transfer device for natural gas hydrate can maintain the sample under high pressure environment,and transmit it to other pressure vessels.This paper mainly introduces the the working principle of the transfer device and pressuremaintaining system,and uses AMESim software to model for pressure-maintaining system,and then analyzes the pressure response of the accumulator with different precharge pressures.Finally,the effectiveness of the pressure-maintaining system is validated through sample transfer experiments on the prototype.It is concluded that the closing of the ball valve has the most significant impact on the sample's pressure.

sample transfer;pressure maintaining;AMESim simulation;accumulator;pump;ball valve

P751

A

1003-2029（2017）02-0023-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.004

2017-01-04

國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2013AA092503）

陳家旺（1978-），男，副教授，主要從事海洋技術裝備研究。E-mail：arwang@zju.edu.cn