高低溫高壓吸附解吸試驗裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于瓦斯吸附解吸試驗裝置技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高低溫高壓吸附解吸試驗裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]煤層氣產(chǎn)生于成煤過程中，主要以吸附狀態(tài)儲存于煤層中。隨著煤層開采深度的加大，含瓦斯煤層的微孔隙、低滲透、高吸附的賦存特征越來越顯現(xiàn)出來。在煤與瓦斯共采過程中，瓦斯難以抽采所導(dǎo)致的煤礦安全事故及能源浪費問題困擾著煤礦的生產(chǎn)。因此模擬深部煤層儲存環(huán)境，進行吸附解吸實驗，探尋煤層吸附瓦斯機理，對深部煤層瓦斯災(zāi)害防治和煤層氣的勘探與開發(fā)有重要的理論意義。
[0003]煤層的瓦斯含量是礦井生產(chǎn)和科研的重要基礎(chǔ)資料，其取值的準確性對于瓦斯涌出量預(yù)測、瓦斯地質(zhì)評價、煤礦瓦斯綜合治理以及綜合利用具有重要意義。但在瓦斯含量測定過程中，鉆孔取樣使煤樣溫度升高，煤芯瓦斯放散速度加快，造成瓦斯含量測定值偏低。目前，冷凍取樣法成為瓦斯含量準確測定的一個新的技術(shù)途徑，因此，低溫環(huán)境下煤的瓦斯吸附解吸特性的研究就尤為重要。同時，甲烷的臨界溫度-82.6°C，臨界壓力4.5MPa。在臨界點附近，甲烷有很強的可壓縮性，適當增加壓力可使它的密度接近一般液體，此時甲烷的密度、粘度、溶解度、熱容量、介電常數(shù)等性質(zhì)發(fā)生劇烈的變化。因此研究甲烷在該環(huán)境條件下的相態(tài)變化及吸附解吸特性，對瓦斯的高效抽采及利用具有重要的現(xiàn)實意義。
[0004]目前，已公開的專利文獻“煤的高壓等溫吸附實驗裝置”(CN202502025U)、“變壓條件下煤樣瓦斯吸附解吸實驗裝置”(CN203705293U)、“一種瓦斯吸附解吸試驗裝置”(CN103033442A)等，都采用的是水浴加熱方式，不能進行低于室溫環(huán)境的實驗；“一種高溫高壓吸附解吸裝置及其使用方法”(CN104062204A)采用硅油為介質(zhì)的恒溫油槽加熱方式，實驗環(huán)境惡劣，操作復(fù)雜，同樣不能進行低溫下的吸附解吸實驗。并且上述裝置自動化程度較低，可承受的壓力范圍小，氣密性不足，能同時進行的實驗樣品量少，實驗效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供了一種試驗操作簡便、試驗精度高、試驗數(shù)據(jù)精確，能夠自動采集數(shù)據(jù)并且試驗效率高的高低溫高壓吸附解吸試驗裝置。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:高低溫高壓吸附解吸試驗裝置，包括充氣系統(tǒng)、脫氣系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、解吸系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；
充氣系統(tǒng)包括甲烷充氣單元和氦氣充氣單元，甲烷充氣單元包括高壓甲烷氣瓶、甲烷儲氣罐和第一五通閥，高壓甲烷氣瓶和甲烷儲氣罐之間通過高壓管連通，高壓甲烷氣瓶和甲烷儲氣罐之間的高壓管上沿甲烷氣體流通方向依次串聯(lián)設(shè)有第一氣體減壓閥和高壓氣體增壓栗，第一五通閥包括第一閥體，第一閥體上設(shè)有第一接口、第二接口、第三接口、第四接口和第五接口，閥體上設(shè)有與第一至第五接口相對應(yīng)的五個接口開關(guān)，甲烷儲氣罐通過高壓管與第四接口連接;氦氣充氣單元包括高壓氦氣瓶和第二氣體減壓閥，高壓氦氣瓶通過高壓管與第二接口連接，第二氣體減壓閥設(shè)置在高壓氦氣瓶與第二接口之間的高壓管上；
脫氣系統(tǒng)包括真空栗、真空容器、真空計和第二五通閥，第二五通閥包括第二閥體，第二閥體上設(shè)有第六接口、第七接口、第八接口、第九接口和第十接口，第二閥體上設(shè)有與第六至第十接口相對應(yīng)的五個接口開關(guān)，真空栗通過高壓管與真空容器連接，真空計設(shè)在真空容器上，真空容器通過高壓管與第三接口連接，第一五通閥的第一接口與第二五通閥的第八接口通過高壓管連接，第一五通閥的第五接口與第二五通閥的第九接口通過高壓管連接；
溫度控制系統(tǒng)包括高溫單元和低溫單元，高溫單元包括高溫恒溫箱和設(shè)在高溫恒溫箱上的第一控制面板，第一控制面板上設(shè)有第一溫控儀、第一電源開關(guān)、加熱開關(guān)、指示燈開關(guān)和由加熱開關(guān)控制的加熱器;低溫單元包括低溫恒溫箱和設(shè)在低溫恒溫箱上的第二控制面板，第二控制面板上設(shè)有第二溫控儀、第二電源開關(guān)、制冷開關(guān)和由制冷開關(guān)控制的制冷單元；
吸附系統(tǒng)包括高溫吸附單元和低溫吸附單元，高溫吸附單元包括設(shè)置在高溫恒溫箱內(nèi)的第一氣體緩沖罐和若干煤樣罐，第一氣體緩沖罐和每個煤樣罐分別通過連接管并聯(lián)設(shè)置在第一接口與第八接口之間的高壓管上，第一接口與第八接口之間的高壓管上沿氣體流通方向依次串聯(lián)設(shè)有第一氣動閥和第一壓力傳感器，第一氣體緩沖罐上設(shè)有第一溫度傳感器和第二壓力傳感器，第一氣體緩沖罐上連接的連接管上設(shè)有第二氣動閥，每個煤樣罐上分別設(shè)有第二溫度傳感器和第三壓力傳感器，每個煤樣罐上連接的連接管上分別設(shè)有第三氣動閥；
低溫吸附單元包括設(shè)置在低溫恒溫箱內(nèi)的第二氣體緩沖罐和若干煤樣罐，第二氣體緩沖罐和每個煤樣罐分別通過連接管并聯(lián)設(shè)置在第五接口和第九接口之間的高壓管上，第五接口與第九接口之間的高壓管上沿氣體流通方向依次串聯(lián)設(shè)有第四氣動閥和第四壓力傳感器，第二氣體緩沖罐上設(shè)有第三溫度傳感器和第五壓力傳感器，第二氣體緩沖罐上連接的連接管上設(shè)有第五氣動閥，每個煤樣罐上分別設(shè)有第四溫度傳感器和第六壓力傳感器，每個煤樣罐上連接的連接管上分別設(shè)有第六氣動閥；
解吸系統(tǒng)包括氣排水計量裝置、電子天平和若干并聯(lián)在一起的解吸氣體流量計，各解吸氣體流量計的量程互不相同，每個解吸氣體流量計分別通過高壓管與第七接口連接，每個解吸氣體流量計與第七接口之間的高壓管上分別設(shè)有第七氣動閥；
氣排水計量裝置包括儲水容器、排水管和集水容器，儲水容器上端通過高壓管與第六接口連接，儲水容器與第六接口之間的高壓管上設(shè)有第八氣動閥，排水管一端與儲水容器底部連通，排水管另一端與集水容器頂部連通，集水容器放置在電子天平上，第十接口上連接有排空管，排空管上設(shè)有第九氣動閥；
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括計算機和控制單元，控制單元包括第三控制面板，第三控制面板上設(shè)有壓力巡檢儀、溫度巡檢儀、流量計顯示器、用于控制第二電源開關(guān)的低溫恒溫箱開關(guān)、用于控制第一電源開關(guān)的高溫恒溫箱開關(guān)，以及用于控制壓力巡檢儀和溫度巡檢儀的第三電源開關(guān)，計算機控制連接第一氣體減壓閥、第二氣體減壓閥、第一五通閥、第二五通閥及第一至第九氣動閥。
[0007]高溫吸附單元內(nèi)所述煤樣罐為五個，分別為第一煤樣罐、第二煤樣罐、第三煤樣罐、第四煤樣罐和第五煤樣罐，低溫吸附單元內(nèi)所述煤樣罐為五個，分別為第六煤樣罐、第七煤樣罐、第八煤樣罐、第九煤樣罐和第十煤樣罐。
[0008]解吸系統(tǒng)內(nèi)所述解吸氣體流量計為三個，分別為第一解吸氣體流量計、第二解吸氣體流量計和第三解吸氣體流量計，第一解吸氣體流量計的量程為0-2000ml/min，第二解吸氣體流量計的量程為0-500ml/min，第三解吸氣體流量計的量程為0-100ml/min;所述流量計顯示器為三個，分別為與第一解吸氣體流量計、第二解吸氣體流量計、第三解吸氣體流量計相對應(yīng)的第一解吸氣體流量計、第二解吸氣體流量計、第三解吸氣體流量計。
[0009]本發(fā)明的目的還在于提供一種高低溫高壓吸附解吸試驗裝置的試驗方法，分別模擬高溫條件和低溫條件不同壓力下的吸附解吸試驗，并實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)實時精確自動采集，為研究煤體瓦斯吸附解吸規(guī)律，提供更加可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對瓦斯的高效抽采及利用具有重要的現(xiàn)實意義。
[0010]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的高低溫高壓吸附解吸試驗裝置的試驗方法依次包括以下步驟:
(I)在井下采掘工作面上鉆取塊狀新鮮煤樣，進行嚴密封裝后送至地面實驗室，將新鮮煤樣粉碎、篩分成不同的粒度，分別選取相應(yīng)粒度的煤樣進行真密度和視密度的測定；
(2)檢查試驗裝置確保試驗裝置連接可靠，打開第二氣體減壓閥、第一接口、第二接口、第五接口、第一氣動閥、第二氣動閥、第三氣動閥、第四氣動閥、第五氣動閥和第六氣動閥，將氦氣充入第一氣體緩沖罐、第二氣體緩沖罐及第一至第十煤樣罐，檢查試驗裝置的氣密性確保試驗裝置氣密性良好，然后關(guān)閉所有氣體減壓閥、氣動閥及接口；打開第一接口、第三接口和第五接口，打開第一氣動閥、第二氣動閥、第三氣動閥、第四氣動閥、第五氣動閥和第六氣動閥，啟動真空栗對高溫吸附單元和低溫吸附單元進行脫氣處理，直到真空計壓力顯示20Pa以下三個小時以上，然后關(guān)閉真空栗和所有氣體減壓閥、氣動閥及接口，將電子天平放置在排空管處，將集水容器放置在電子天平上并注入水，將排空管的出口端伸入到集水容器水面以下，記錄下電子天平的示數(shù)gl，打開第八接口和第十接口，打開第九氣動閥，集水容器內(nèi)的水流入并填充第一氣動閥與第八接口之間的高壓管，記錄下電子天平的示數(shù)&，&與0的差值所對應(yīng)的水的體積即為第一氣動閥與第八接口之間的高壓管的體積，依次打開第二氣動閥和第一至第五煤樣罐上的第三氣動閥，每次打開相應(yīng)氣動閥后待電子天平的示數(shù)穩(wěn)定后，記錄此時電子天平的示數(shù)并關(guān)閉該氣動閥，分別測得流入水的質(zhì)量，得出第一氣體緩沖罐和第一至第五煤樣罐的體積，關(guān)閉所有接口及氣動閥，然后打開第九接口和第十接口，打開第九氣動閥，集水容器內(nèi)的水流入并填充第四氣動閥與第九接口之間的高壓管，記錄下電子天平的示數(shù)，計算出第四氣動閥與第九接口之間的高壓管的體積，然后依次打開第五氣動閥和第六至第十煤樣罐上的第六氣動閥，每次打開相應(yīng)氣動閥后待電子天平的示數(shù)穩(wěn)定后，記錄此時電子天平的示數(shù)并關(guān)閉該氣動閥，分別測得流入水的質(zhì)量，得出第二氣體緩沖罐和第六至第十煤樣罐的體積；
(3)在第一至第十煤樣罐內(nèi)裝填煤樣，通過第一溫控儀控制加熱器設(shè)定高溫恒溫箱內(nèi)的試驗溫度，通過第二溫控儀控制制冷單元設(shè)定低溫恒溫箱內(nèi)的試驗溫度，高溫恒溫箱溫度設(shè)置范圍為20°C至80°C，低溫恒溫箱溫度設(shè)置范圍為-100°C至20°C，打開第一五通閥上的第一接口、第三接口和第五接口，打開第一至第六氣動閥，關(guān)閉其余接口和氣動閥，啟動真空栗對高溫吸附單元和低溫吸附單元進行脫氣處理，直到真空計壓力顯示20Pa以下并保持三個小時以上，然后關(guān)閉真空栗和所有氣動閥及接口，打開第一接口和第二接口，打開第一氣動閥，開啟高壓氦氣瓶，高壓氦氣經(jīng)第二氣體減壓閥減壓處理后進入高溫吸附單元的高壓管內(nèi)，待