[发明专利]海底天然气水合物气泡泄露监测装置

说明书

本发明公开了一种海底天然气水合物气泡泄露监测装置，包括水声信号收发系统、数据存储控制系统和数据分析处理系统，所述水声信号收发系统包括水声换能器阵列以及换能器收发电路，数据存储控制系统通过换能器收发电路控制水声换能器阵列发射信号的频率和强度，并存储记录发射信号的频率和强度、回波信号的强度以及发射信号和回波信号的时间差，数据分析处理系统对回波信号进行波束形成从而判别回波信号的方向，并且利用数据存储系统中的数据通过反演算法得到泄露气泡体积通量。通过本发明，有效地实现了水合物泄露方位和泄露通量的监测，为海底天然气水合物气泡泄露监测提供了新的声学技术手段。

技术领域

本发明属于气体泄漏监测技术领域，确切地说是一种有效的实现泄露方位和通量监测的海底天然气水合物气泡泄露监测装置。

背景技术

天然气水合物是具有开采价值的未来能源，全球天然气水合物的蕴藏能量最保守的估计约是石油的两倍以上，有相关报告指出，开采天然气水合物获得能源的主要障碍，并非在开采技术上，目前虽无商业规模的开采而仅处于小量试产的阶段，但在过渡到大规模开采前，必须先进行更多研究与分析，了解并评估在开采过程中，可能对于环境产生的冲击与危害。天然气的意外泄漏就是必须要考虑的风险之一，甲烷是一种温室气体，其产生温室效应的严重性远高于二氧化碳，大量蕴藏的天然气水合物即使只有小比例泄漏进入大气系统都会对环境造成巨大冲击。因此，我们迫切需要开展天然气水合物气泡泄露监测技术的研究，为我国天然气水合物资源试采的环境评价提供高新技术支撑。

现阶段，常用的水合物泄露监测技术主要是通过化学和流体输送测量仪和涡轮渗漏帐篷流量计进行测定，测定的数据直接记录并保存在海底的存储器中。这两种方法各有优缺点，化学和流体输送测量仪通过底部敞开的收集箱收集泄露气体，这就要求预知气体泄漏的大致方位，导致测量范围不够；涡轮渗漏帐篷流量计只有当渗漏的气体流量>5cm³s^-1,才能持续有足够的能量使涡轮旋转而测定渗漏速率，因此无法测量较小的渗漏。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种海底天然气水合物气泡泄露监测装置，有效地实现了水合物泄露方位和泄露通量的监测。

本发明所采用的技术方案是：一种海底天然气水合物气泡泄露监测装置，包括水声信号收发系统、数据存储控制系统和数据分析处理系统，所述水声信号收发系统包括水声换能器阵列以及换能器收发电路，数据存储控制系统通过换能器收发电路控制水声换能器阵列发射信号的频率和强度，并存储记录发射信号的频率和强度、回波信号的强度以及发射信号和回波信号的时间差，数据分析处理系统对回波信号进行波束形成从而判别回波信号的方向，并且利用数据存储系统中的数据通过反演算法得到泄露气泡体积通量。

进一步的，所述的水声换能器阵列是3*3的方形阵列。

进一步的，所述的换能器收发电路由发射端电路和接收端电路组成，发射端电路由第一D/A转换器、功率放大器和阻抗匹配电路组成，数据存储控制系统输出设定的频率、脉冲宽度的脉冲信号，经过第一D/A转换器转换成模拟信号，接着经过功率放大器将信号放大，然后通过阻抗匹配电路输出给水声换能器阵列，接收端电路包括T/R转换开关、低噪声放大器、可变增益放大器、低通滤波器和A/D转换器，水声换能器阵列将由气泡反射产生的回波信号传递给接收端电路，经T/R转换开关、低噪声放大器、可变增益放大器、低通滤波器和A/D转换器后传输到数据存储控制系统中。

进一步的，所述的数据存储控制系统主要由主控模块和存储模块构成，主控模块控制发射端电路输出不同频率的信号，存储模块用来存储记录发射信号的频率和强度、回波信号的强度以及发射信号和回波信号的时间差。

进一步的，所述接收端电路还包括第二D/A转换器，数据存储控制系统给定设定的增益值，通过第二D/A转换器调节接收端电路中可变增益放大器的增益。

进一步的，所述通过反演算法得到不同粒径的气泡浓度具体如下：