本發(fā)明涉及氣體溶解度測量，特別是涉及一種氫氣溶解度及多組分氣體競爭性溶解測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、在地質(zhì)體中，地層水是廣泛分布的。地層水作為盆地尺度最重要的流體類型，是多種氣體組分的賦存載體。受地質(zhì)構(gòu)造作用、深度熱液流體改造的影響，溫壓條件變化導(dǎo)致地層水中氣體組分的溶解度也隨之變化。定量評價地層水中氫氣的溶解/解析特性不僅有助于深刻理解地質(zhì)體中天然氫氣的規(guī)?；\聚，同時對地質(zhì)儲氫技術(shù)具有重要意義。

2、地層水在運移過程中，可能會與其他氣體接觸，如甲烷、氮氣、二氧化碳等。這些氣體與氫氣在地層水中可能存在競爭性溶解，即它們會爭奪地層水中的溶解空間，從而影響氫氣的溶解和解析特性。因此，為了準(zhǔn)確評估地層水中氫氣的溶解和解析行為，需要進行競爭性溶解測試。

3、競爭性溶解測試的主要目的是了解溶解氫氣的地層水與其他氣體接觸后，有多少氫氣會發(fā)生解析，從而評估地層儲氫的可行性和效率，借鑒固體材料對氣體吸附的實驗思路，氣體溶解度測量系統(tǒng)通常直接將氣體通入水中，通過監(jiān)測恒定體積反應(yīng)釜中壓力的變化換算得到氣體的溶解度。然而，這種方法可能存在以下的缺陷，（1）與固體材料不同的是，隨著溫度的增加，一方面，地層水會轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵庥绊懛磻?yīng)釜的壓力，另一方面地層水會膨脹，使得反應(yīng)容器氣相占據(jù)體積降低，進而對實驗結(jié)果造成誤差；（2）因無法有效隔絕氣體和地層水，抽真空會導(dǎo)致地層水倒流，無法模擬多組分氣體競爭性溶解實驗。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種地層水中氫氣溶解度以及多組分氣體競爭性溶解作用下氣體溶解度測量裝置，具有明確不同溫度條件下地層水轉(zhuǎn)化為水蒸氣所產(chǎn)生的分壓，通過活塞板動態(tài)調(diào)整保證反應(yīng)容器內(nèi)達到氫氣的預(yù)設(shè)分壓，精確測定氫氣溶解度的優(yōu)勢，以解決地層水中氣體溶解時受溫度影響導(dǎo)致實驗結(jié)果誤差的問題，同時，在溶解缸內(nèi)增加了連接有傳氣管的活塞板，能夠隔絕氣體和地層水，解決抽真空時無法有效隔絕氣體和地層水導(dǎo)致地層水倒流的問題。

2、為了緩解上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案在于：

3、一種氫氣溶解度及多組分氣體競爭性溶解測量裝置，包括溶解氣機構(gòu)，所述溶解氣機構(gòu)包括保溫箱，所述保溫箱內(nèi)設(shè)置有兩個溶解缸和一個氣體缸，其中一個所述溶解缸通過管道與所述氣體缸連通，兩個所述溶解缸內(nèi)均滑動連接有第一活塞板，所述氣體缸內(nèi)滑動連接有第二活塞板；

4、所述氣體缸通過兩個管道分別與兩個所述溶解缸內(nèi)處于所述第一活塞板的上部空間連通，兩個所述溶解缸內(nèi)處于所述第一活塞板的上部空間以及下部空間分別通過管道相互連通，上部的管道用于傳輸氣體，下部的管道用于傳輸液體，所述第一活塞板的中部連接有傳氣管，所述傳氣管可連通所述第一活塞板的上下部空間。

5、更進一步的，還包括注氣機構(gòu)，所述注氣機構(gòu)包括氫氣罐和甲烷罐，所述氫氣罐和所述甲烷罐分別通過管道連接于同一增壓泵，所述增壓泵通過管道連通于所述氣體缸；

6、在解析水的氫氣后，為所述氣體缸和所述溶解缸抽真空以移除氫氣，并隨后向所述氣體缸和所述溶解缸內(nèi)注入高純甲烷。

7、更進一步的，還包括解析機構(gòu)，所述解析機構(gòu)包括熱解析裝置，所述熱解析裝置通過管道連通于所述溶解缸，且連通于所述熱解析裝置與所述溶解缸的管道上設(shè)置有閥門；

8、所述解析機構(gòu)還包括氣體收集罐，所述氣體收集罐通過管道連通于所述熱解析裝置，且所述氣體收集罐的下部設(shè)置有高精度天平，所述氣體收集罐上設(shè)置有壓力表。

9、更進一步的，所述解析機構(gòu)還包括四級桿質(zhì)譜儀，所述四級桿質(zhì)譜儀通過管道連通于所述氣體收集罐。

10、更進一步的，還包括控制機構(gòu)，所述控制機構(gòu)包括連接于所述第二活塞板下表面的螺紋筒，所述螺紋筒內(nèi)螺紋連接有軸向位置固定設(shè)置的螺紋桿，所述螺紋筒鍵滑動連接于所述氣體缸，所述螺紋桿轉(zhuǎn)動時所述第二活塞板可豎直滑動于所述氣體缸內(nèi)。

11、更進一步的，所述控制機構(gòu)還包括電機，所述電機的輸出端連接有第一磁體，所述螺紋桿的底端連接有第二磁體，所述第一磁體磁力耦合于所述第二磁體，所述氣體缸內(nèi)氣壓低于1kpa時，所述第一磁體可帶動所述第二磁體同步轉(zhuǎn)動，以及，所述氣體缸內(nèi)氣壓高于1kpa時，所述第一磁體可相對所述第二磁體轉(zhuǎn)動，從而維持所述氣體缸內(nèi)氣壓處于1kpa。

12、更進一步的，所述控制機構(gòu)還包括通氣孔，所述通氣孔開設(shè)于所述傳氣管上處于所述第一活塞板下部部位的側(cè)壁上，所述傳氣管的底端連接有固定座，所述固定座上轉(zhuǎn)動連接有圓筒，所述圓筒的內(nèi)壁與所述傳氣管的外壁貼合；

13、所述圓筒的側(cè)壁上開設(shè)有通槽，所述氣體缸內(nèi)的氣壓不低于1kpa時，所述圓筒可相對所述傳氣管轉(zhuǎn)動以使得所述通氣孔與所述通槽連通。

14、更進一步的，所述控制機構(gòu)還包括弧形氣缸，所述弧形氣缸的缸體連接于所述固定座，所述弧形氣缸的缸桿連接于所述圓筒，所述弧形氣缸伸縮時可帶動所述圓筒相對所述傳氣管轉(zhuǎn)動。

15、更進一步的，所述控制機構(gòu)還包括兩個相互嚙合的第一齒輪和兩個相互嚙合的第二齒輪，其中一個所述第一齒輪和所述第二齒輪分別固定連接于所述第二磁體和第一磁體，另一個所述第一齒輪的上部連接有活塞筒，所述活塞筒與所述弧形氣缸之間連通有導(dǎo)氣管，所述活塞筒內(nèi)滑動連接有圓板，所述圓板的下表面連接有螺桿，所述螺桿螺紋連接于此所述第一齒輪，所述螺桿的底端連接有限位桿，所述限位桿軸向鍵滑動連接于所述活塞筒正下部的所述第二齒輪；

16、所述氣體缸內(nèi)氣壓低于1kpa時，所述第一齒輪和所述第二齒輪同步轉(zhuǎn)動，從而所述螺桿不相對所述第一齒輪轉(zhuǎn)動，此時所述圓板不相對所述活塞筒上移，以及，所述氣體缸內(nèi)氣壓高于1kpa時，所述第二齒輪相對所述第一齒輪轉(zhuǎn)動，從而所述螺桿相對所述第一齒輪轉(zhuǎn)動以使得所述圓板相對所述活塞筒上移，從而所述弧形氣缸伸長。

17、一種氫氣溶解度及多組分氣體競爭性溶解測量方法，所述測量方法應(yīng)用于氫氣溶解度及多組分氣體競爭性溶解測量裝置，包括以下步驟：

18、s1、對所述氣體缸以及其中一個所述溶解缸抽真空，關(guān)閉傳輸液體的管道閥門，待所述溶解缸抽真空后，將所述保溫箱設(shè)定至試驗溫度，開啟連通其中一個所述溶解缸和所述氣體缸管道上的連通閥，向所述氣體缸內(nèi)注入氫氣，當(dāng)氫氣的注入壓力達到預(yù)設(shè)壓力時停止注入；

19、s2、控制所述傳氣管開啟，使得氫氣溶解于水，在氫氣溶于水并使得水的體積變化時，所述第一活塞板受體積變化的水托舉而相對所述溶解缸上移，所述第一活塞板上移時，所述第二活塞板于所述氣體缸內(nèi)下移等量距離，從而維持氫氣的預(yù)設(shè)壓力；

20、s3、將溶解氫氣的水解析，得出解析氫氣的量；

21、s4、重復(fù)步驟s1和步驟s2后，對所述氣體缸以及另一個所述溶解缸抽真空，關(guān)閉步驟s1中開啟的連通閥，并開啟連通另一個所述溶解缸和所述氣體缸管道上的連通閥，開啟傳輸液體的管道閥門，將溶解氫氣的水通過管道傳輸至另一個所述溶解缸內(nèi)后關(guān)閉傳輸液體的管道閥門，向所述氣體缸內(nèi)注入競爭性氣體，競爭性氣體的注入壓力達到預(yù)設(shè)壓力時停止注入；

22、s5、重復(fù)步驟s2，使得所述第二活塞板跟隨所述第一活塞板等量下移；

23、s6、將溶解所述氫氣以及競爭性氣體的水解析，收集并記錄解析的混合氣體的總量，將收集的混合氣體注入氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀確定不同氣體組分的百分含量，計算解析后的氫氣和競爭性氣體的量，對比步驟s3中氫氣的解析量，得出多組分氣體競爭性溶解后地層水中氫氣和甲烷的溶解量。

24、本發(fā)明的有益效果分析如下：

25、一種氫氣溶解度及多組分氣體競爭性溶解測量裝置，包括溶解氣機構(gòu)，溶解氣機構(gòu)包括保溫箱，保溫箱內(nèi)設(shè)置有通過管道相互連通的溶解缸和氣體缸，溶解缸和氣體缸內(nèi)分別滑動連接有第一活塞板和第二活塞板；溶解缸內(nèi)位于第一活塞板的下部填充有水，第一活塞板的中部連接有傳氣管，傳氣管可連通第一活塞板的上下部空間；開啟連通溶解缸和氣體缸的管道上的連通閥，向氣體缸內(nèi)注入氫氣，調(diào)整第二活塞板的位置，使得氣體缸內(nèi)達到所需壓力值，控制傳氣管開啟，使得氫氣溶解于水，控制第一活塞板下移排出溶解氫氣后的水，并對水解析，收集并計算解析后的氫氣體積。

26、通過對溶解缸抽真空后靜置于不同溫度環(huán)境下，能夠明確不同溫度條件下地層水轉(zhuǎn)化為水蒸氣所產(chǎn)生的分壓，且通過第二活塞板動態(tài)調(diào)整保持氫氣的預(yù)設(shè)分壓，消除地層水體積變化帶來的誤差，通過第一活塞板隔離氣體和地層水，防止更換氣體抽真空時地層水出現(xiàn)倒流。