一种天然气水合物生产和输运系统

技术领域

本发明涉及天然气水合物固化储运设备技术领域，尤其涉及一种天然气水合物生产和输运系统。

背景技术

天然气水合物固化储运技术是一种新型的天然气存储和输运技术，相较于液化天然气和压缩天然气，该技术具有工艺流程短、成本低及绿色无污染等缺点。其所基于的原理主要是在一定的温度和压力条件下，将气体固定在水合物中，并以固态水合物的形式进行长距离的输运。因此，水合物的生产和运输系统是天然气水合物固化储运技术得以实施的关键。如何大规模高效快速的生成气体水合物并以较为经济的方式进行运输是开发这一技术拟解决的关键科学问题。

针对气体水合物的大规模生产问题，专利“固态天然气水合物的制备方法”(公开(公告)号CN101955827B)提出了采用水合物法将除水、脱硫后的天然气在成型助剂乙二醇的作用下生成固态水合物并成型造粒以进行输运的方法。尽管申请人认为该方法能够实现天然气水合物的连续生成，有利于气体水合物的大规模生产，但其所述的核心内容仅为水合物生成反应器，未对于整个天然气水合物生产端进行集成及优化，同时，乙二醇的使用会极大地提高气体水合物的生成压力且水合物的高储气量无法保证。专利“一种天然气水合物快速合成装置”(公开(公告)号CN106010698A)设计了一种通过搅拌以达到天然气水合物快速生成的装置。尽管该装置在实验室条件下能够较快的得到气体水合物，但搅拌器的使用会消耗大量的能量，并不适合于工业化大生产，而且，其同样仅关注于水合物反应器，并未对天然气水合物生产端进行集成设计。专利“一种制造天然气水合物的方法”(公开(公告)号CN103571557B)提出了一种鼓泡式气体水合物反应器，并提出了液氮冷冻得到水合物固体颗粒的造粒方式，但由于鼓泡过程的可控性较差及成本较低，该方法在工业化实践中的可行性较低。针对气体水合物的输运问题，专利“一种运送天然气水合物的运输车”(公开(公告)号CN102371934A)提出了将汽车车箱改造成冷库，并将装有水合物的储运罐置于车厢中进行运输的方式。尽管该输运方式能够满足水合物长距离输运的要求，也具有较大的灵活性且能够与水合物的生产系统方便的配合，但对整个车厢进行制冷无疑会消耗大量的冷能，其经济性无法保证。专利“天然气水合物储罐运输车”(公开(公告)号CN108638948A)设计了一种带有制冷系统的天然气水合物储罐运输车，在内罐体内设置螺旋搅拌器，对内罐体内水合物浆液中的固体颗粒进行击打并搅拌，其主要适用于水合物浆体的存储和输运，浆体中大量水的存在毫无疑问会提高单位立方米天然气的输运成本，同时，该运输车与天然气水合物生产端的配合性有待进一步评估。因此，亟需开发出一种经济、高效且能够满足天然气水合物固化储运技术工业化应用实践要求的天然气水合物生产和输运系统。

发明内容

本发明的目的是针对天然气水合物固化储运技术工业化进程中亟需解决的大规模水合物生产和输运的问题，结合水合物方向现有的研究基础，提供一种经济、高效且能够满足天然气水合物固化储运技术工业化应用实践要求的天然气水合物生产和输运系统。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种天然气水合物生产和输运系统，包括储气库、水合物储运罐、制冷机、调压阀、储液罐、生活区/周围用户、水合物储库、若干连接管以及若干单向气阀、单向液阀、可选液泵；所述水合物储运罐设有若干个，若干个所述水合物储运罐的第一输入端通过连接管并联后通过所述调压阀与所述储气库输出端连接，所述储液罐的输出端连接可选液泵后顺次与若干个所述水合物储运罐的第二输入端通过连接管及单向液阀连接；若干个所述水合物储运罐输出端通过连接管并联后通过可选液泵与所述生活区/周围用户的输入端连接，所述生活区/周围用户的输出端顺次与若干个所述水合物储运罐的第三输入端连接；所述水合物储运罐第一输入端与所述储气库之间并联的连接管上分别设置所述单向气阀；所述水合物储运罐输出端并联的连接管上分别设有所述单向液阀；所述制冷机与所述水合物储库连接并对其进行制冷，所述水合物储库内储放有天然气水合物运输车，水合物生成后，所述水合物储运罐转移至天然气水合物运输车上；所述水合物储运罐内添加有水不溶性水合物热力学添加剂，水不溶性水合物热力学添加剂的密度小于水的密度；所述水合物储运罐底部设置有阀门和用于封合阀门的阀盖。

所述水合物储运罐包括第一水合物储运罐、第二水合物储运罐、第三水合物储运罐和第四水合物储运罐；所述单向气阀包括第一单向气阀、第二单向气阀、第三单向气阀和第四单向气阀；

所述储气库的输出端与所述第一单向气阀的输入端连接，所述第一单向气阀的输出端与所述调压阀的输入端连接；所述调压阀的第一输出端与所述第二单向气阀的输入端连接，所述调压阀的第二输出端与所述第一水合物储运罐的第一输入端连接；所述第二单向气阀的第一输出端与所述第三单向气阀的输入端连接，所述第二单向气阀的第二输出端与所述第二水合物储运罐的第一输入端连接；所述第三单向气阀的第一输出端与所述第四单向气阀的输入端连接，所述第三单向气阀的第二输出端与所述第三水合物储运罐的第一输入端连接；所述第四单向气阀的输出端与所述第四水合物储运罐的第一输入端连接；

所述单向液阀包括第一单向液阀、第二单向液阀、第三单向液阀、第四单向液阀、第五单向液阀、第六单向液阀、第七单向液阀、第八单向液阀和第九单向液阀；所述可选液泵包括第一可选液泵、第二可选液泵和第三可选液泵；

所述储液罐的输出端与所述第八单向液阀的输入端连接；所述第八单向液阀的输出端与所述第三可选液泵的输入端连接；所述第三可选液泵的第一输出端与所述第四水合物储运罐的第二输入端连接，所述第三可选液泵的第二输出端与所述第三单向液阀的输入端连接；所述第三单向液阀的第一输出端与所述第三水合物储运罐的第二输入端连接，第三单向液阀的第二输出端与所述第二单向液阀的输入端连接；所述第二单向液阀的第一输出端与所述第二水合物储运罐的第二输入端连接，所述第二单向液阀的第一输出端与所述第一单向液阀的输入端连接；所述第一单向液阀的输出端与所述第一水合物储运罐的第二输入端连接。

所述生活区/周围用户的输出端与所述第一水合物储运罐的第三输入端连接，所述第一水合物储运罐的第一输出端与所述第二水合物储运罐的第三输入端连接，所述第二水合物储运罐的第一输出端与所述第三水合物储运罐的第三输入端连接；所述第三水合物储运罐的第一输出端与所述第四水合物储运罐的第三输入端连接，所述第四水合物储运罐的输出端与所述第七单向液阀的第一输入端连接；所述第七单向液阀的输出端与所述第一可选液泵的输入端连接；所述第一可选液泵的输出端与所述生活区/周围用户的输入端连接；所述第一水合物储运罐的第二输出端与所述第四单向液阀的输入端连接，所述第四单向液阀的输出端与所述第五单向液阀的第一输入端连接；所述第二水合物储运罐的第二输出端与所述第五单向液阀的第二输入端连接，所述第五单向液阀的输出端与所述第六单向液阀的第一输入端连接；所述第二水合物储运罐的第二输出端与所述第六单向液阀的第二输入端连接，所述第六单向液阀的输出端与所述第七单向液阀的第二输入端连接。

所述水合物储库与所述第九单向液阀的输入端连接，所述第九单向液阀的输出端与所述制冷机的输入端连接；所述制冷机的输出端与所述第二可选液泵的输入端连接，所述第二可选液泵的输出端与所述水合物储库的输入端连接。

所述水合物储库采用半地下储库，半地下储库的控温范围为271.15K～271.15K。

所述生活区/周围用户包括暖气/地暖、淋浴用水。

所述水合物储运罐为气体水合物的生产和输运一体罐，所述水合物储运罐可拆卸地安装在所述天然气水合物运输车上。

与现有技术对比，本发明的优点在于：

(1)本发明设计了完整的水合物生产及输运系统，能够满足天然气水合物工业化应用过程中水合物大规模生产和输运的要求。

(2)水合物生产和运输罐的一体化设计免去了水合物的造粒过程，缩短了水合物生产及输运的工艺流程，极大地降低了水合物输运的成本。

(3)水不溶性水合物热力学添加剂的使用能够确保在水合物输送到目的地后，方便的实现添加剂和水的分离，从而极大地降低了添加剂的损耗及水合物的输运成本。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图中附图标记含义：1、储气库；2、第一单向气阀；3、第二单向气阀；4、第三单向气阀；5、第四单向气阀；6、第一水合物储运罐；7、第二水合物储运罐；8、第三水合物储运罐；9、第四水合物储运罐；10、第一单向液阀；11、第二单向液阀；12、第三单向液阀；13、第四单向液阀；14、第五单向液阀；15、第六单向液阀；16、第七单向液阀；17、第一可选液泵；18、第二可选液泵；19、第三可选液泵；20、制冷机；21、调压阀；22、第八单向液阀；23、储液罐；24、第九单向液阀；25、半地下储库；26、天然气水合物运输车；27、生活区/周围用户；28、淋浴用水；29、暖气/地暖。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例

参阅图1，为一种天然气水合物生产和输运系统，包括储气库1、水合物储运罐、制冷机20、调压阀21、储液罐23、生活区/周围用户27、水合物储库、若干连接管以及若干单向气阀、单向液阀、可选液泵；水合物储运罐设有若干个，若干个水合物储运罐的第一输入端通过连接管并联后通过调压阀21与储气库1输出端连接，储液罐23的输出端连接可选液泵后顺次与若干个水合物储运罐的第二输入端通过连接管及单向液阀连接；若干个水合物储运罐输出端通过连接管并联后通过可选液泵与生活区/周围用户27的输入端连接，生活区/周围用户27的输出端顺次与若干个水合物储运罐的第三输入端连接；水合物储运罐第一输入端与储气库1之间并联的连接管上分别设置单向气阀；水合物储运罐输出端并联的连接管上分别设有单向液阀；制冷机20与水合物储库连接并对其进行制冷，水合物储库内储放有天然气水合物运输车26，水合物生成后，水合物储运罐转移至天然气水合物运输车26上。

水合物储运罐包括第一水合物储运罐6、第二水合物储运罐7、第三水合物储运罐8和第四水合物储运罐9；单向气阀包括第一单向气阀2、第二单向气阀3、第三单向气阀4和第四单向气阀5；

储气库1的输出端与第一单向气阀2的输入端连接，第一单向气阀2的输出端与调压阀21的输入端连接；调压阀21的第一输出端与第二单向气阀3的输入端连接，调压阀21的第二输出端与第一水合物储运罐6的第一输入端连接；第二单向气阀3的第一输出端与第三单向气阀4的输入端连接，第二单向气阀3的第二输出端与第二水合物储运罐7的第一输入端连接；第三单向气阀4的第一输出端与第四单向气阀5的输入端连接，第三单向气阀4的第二输出端与第三水合物储运罐8的第一输入端连接；第四单向气阀5的输出端与第四水合物储运罐9的第一输入端连接；

单向液阀包括第一单向液阀10、第二单向液阀11、第三单向液阀12、第四单向液阀13、第五单向液阀14、第六单向液阀15、第七单向液阀16、第八单向液阀22和第九单向液阀24；可选液泵包括第一可选液泵17、第二可选液泵18和第三可选液泵19；

储液罐23的输出端与第八单向液阀22的输入端连接；第八单向液阀22的输出端与第三可选液泵19的输入端连接；第三可选液泵19的第一输出端与第四水合物储运罐9的第二输入端连接，第三可选液泵19的第二输出端与第三单向液阀12的输入端连接；第三单向液阀12的第一输出端与第三水合物储运罐8的第二输入端连接，第三单向液阀12的第二输出端与第二单向液阀11的输入端连接；第二单向液阀11的第一输出端与第二水合物储运罐7的第二输入端连接，第二单向液阀11的第一输出端与第一单向液阀10的输入端连接；第一单向液阀10的输出端与第一水合物储运罐6的第二输入端连接。

生活区/周围用户27的输出端与第一水合物储运罐6的第三输入端连接，第一水合物储运罐6的第一输出端与第二水合物储运罐7的第三输入端连接，第二水合物储运罐7的第一输出端与第三水合物储运罐8的第三输入端连接；第三水合物储运罐8的第一输出端与第四水合物储运罐9的第三输入端连接，第四水合物储运罐9的输出端与第七单向液阀16的第一输入端连接；第七单向液阀16的输出端与第一可选液泵17的输入端连接；第一可选液泵17的输出端与生活区/周围用户27的输入端连接；第一水合物储运罐6的第二输出端与第四单向液阀13的输入端连接，第四单向液阀13的输出端与第五单向液阀14的第一输入端连接；第二水合物储运罐7的第二输出端与第五单向液阀14的第二输入端连接，第五单向液阀14的输出端与第六单向液阀15的第一输入端连接；第二水合物储运罐7的第二输出端与第六单向液阀15的第二输入端连接，第六单向液阀15的输出端与第七单向液阀16的第二输入端连接。

水合物储库与第九单向液阀24的输入端连接，第九单向液阀24的输出端与制冷机20的输入端连接；制冷机20的输出端与第二可选液泵18的输入端连接，第二可选液泵18的输出端与水合物储库的输入端连接。

水合物储库采用半地下储库25，半地下储库25的控温范围为271.15K～271.15K。

生活区/周围用户27包括暖气/地暖29、淋浴用水28。本实施例中，生活区/周围用户27区内所指的设备主要包括员工所用的热水、暖气供暖(即为暖气/地暖29)等设备。

水合物储运罐为气体水合物的生产和输运一体罐，水合物储运罐可拆卸地安装在天然气水合物运输车26上。本实施例中，水合物储运罐可方便的从天然气水合物运输车26上拆卸及安装。在需要输送时将水合物储运罐安装上运输车进行输运，在水合物卸装完成后可将罐体取下放入储库中进行水合物的生产。水合物储运罐为统一定制标准，要求任意一个水合物运输罐能够做到方便的与运输车配合。

水合物储运罐内添加有水不溶性水合物热力学添加剂，水不溶性水合物热力学添加剂的密度小于水的密度；水合物储运罐底部设置有阀门和用于封合阀门的阀盖。本实施例中，水合物储运罐设计方式对所使用的水合物热力学添加剂有明确的要求，即采用水不溶性水合物热力学添加剂(本实施例中，水不溶性水合物热力学添加剂选用环戊烷、丙烷、四氢噻吩或三甲烯化硫)。一方面，当气体水合物输运到目的地后，在分解卸完气体后，需要将罐体运回。这个过程中如果连水一起运回，则能耗会极大地增加。另一方面，在气体卸装后，热力学添加剂也需要回收利用，而重新设置回收装置无疑会极大地增加成本。采用水不溶性水合物热力学添加剂就方便的多，在气体卸装完成后，由于水不溶性水合物热力学添加剂通常会浮在水面上方，只要在罐体底部打开阀门。将水排出，可以方便的将热力学添加剂保留在罐体内，从而解决了上述二个方面的问题。水合物储运罐内底部可设置有液位传感器，操作人员在打开阀门的时候，可凭经验排出一部分水或者大部分水后，即可盖上阀门将罐体运回；或者，操作人员可根据液位传感器的使用，确保大部分水排出后，罐内液位达到最低设置标准，便进行盖合阀门，从而避免将水不溶性水合物热力学添加剂也排掉。从而实现减轻罐体质量，降低能耗及成本。

本实施例中，水合物储运罐的数量可根据实际生产情况来设定，本实施例中只列举了设置有四个水合物储运罐的情况。水合物储运罐可以承受一定的压力，这使得水合物在输运能够更好的适应外界环境的需求，其安全性和有效性都更加有保障。

本实施例的运行方式为：

(1)气体水合物反应液或者添加剂由储液罐23经第七单向液阀16，在第三可选液泵19提供动力的情况下进入第四水合物储运罐9，并经过第三单向液阀12、第二单向液阀11和第一单向液阀10分别进入到第三水合物储运罐8、第二水合物储运罐7及第一水合物储运罐6中以完成水合物储运罐中的进液过程。

(2)进液过程结束后，气体由储气库1流出，经过第一单向气阀2、调压阀21进入第一水合物储运罐6并达到设定压力。同时，气体经过第二单向气阀3、第三单向气阀4及第四单向气阀5分别进入到第二水合物储运罐7、第三水合物储运罐8以及第四水合物储运罐9中以达到设定压力。值得注意的是，储气库1的设计最大承受压力需高于10MPa，当储运罐中的气体压力低于水合物储运罐的设定压力时，我们可采用增压泵进行增压。鉴于目前天然气输运端的实际条件，其压力一般都远高于设定压力，因此，在本发明中增压泵并未列出。

(3)进气、进液过程完成的同时，打开制冷系统(主要包括制冷机20、第九单向液阀24和第二可选液泵18)对半地下储库25进行制冷。制冷温度控制在273.15K-293.15K，优选温度为278.15K。

(4)在完成上述过程后，水合物开始在水合物储运罐中生成，第一水合物储运罐6、第二水合物储运罐7、第三水合物储运罐8和第四水合物储运罐9中气体水合物生成所放出的热量分别经由第四单向液阀13、第五单向液阀14及第六单向液阀15汇入总管，并经过第七单向液阀16，在第一可选液泵17的作用下进入生活区/周围用户27区供用户使用，该热量可用于供热、供暖以及淋浴用水28等。

(5)高含气量的水合物生成后，直接将水合物储运罐置于天然气水合物运输车26上进行远距离的运输，运输到目的地后进行水合物的分解卸装。在水合物分解及卸装完成后，打开水合物储运罐底部阀门，将水排出。待水排完后，关闭阀门，将水不溶性水合物热力学添加剂保留在罐体内。

(6)输后的水合物储运罐仅带有热力学添加剂可置于固化天然气的充装站点进行充装，在运输车达到充装站点后，将空罐卸下置于半地下储库25中，同时将另一已生产完成的水合物储运罐置于运输车上拉走。需要注意的是，该过程的完成需要将水合物储运罐和储运车标准化、规范化以方便的配合使用。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。