CN1690360A - 一种海底天然气水合物的开采方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海底天然气水合物的开采方法及开采***。方法包括：建造一个海上天然气水合物开采平台。将加热介质经保温管道通入海底换热器，加热和融化海底的天然气水合物固体，使之变成气液两相的混合物，然后提升到平台上，分离出天然气。所得天然气部分用作联合循环发电***的燃料发电，另一部分以天然气水合物的形式储存到天然气储运驳船上，由驳船进一步执行天然气的存储、运输和分配任务。其***包括：海上平台，燃气轮机、蒸汽轮机；三段蒸汽加热器；海底换热器；甲烷压缩机；深水泵；海底缓冲罐；用于控制平台移动的水下机器人。本发明设备简单，成本低，是能够达到节能降耗的海底天然气水合物的开采方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然气水合物的开采方法，特别是涉及一种开采海底天然气水合物的方法，及开采装置。
背景技术
天然气水合物是由以甲烷为主的烃类气体与水形成的冰状晶体，水分子通过氢键构成笼形多面体，笼中包含天然气分子。天然气水合物在特定的高压低温条件下形成并稳定存在，主要赋存于大陆边缘海底与永久冻土带沉积物中。在我国的南海也发现了大量的这种矿产。
天然气水合物作为一种未来的清洁优质能源，具有分布广泛、矿藏规模大(目前比较公认的全球资源量是2万万亿m3天然气，有机碳总量是现有地球化石燃料总碳量的2-3倍)、能量密度高(1m3水合物中可获取164m3天然气和0.8m3淡水)、清洁、埋藏浅等特点，是地球上尚未开发的最大未知能源库，具有极其重要的潜在经济价值。因此，天然气水合物被认为是21世纪可以代替煤炭、石油、核能等的最理想、最具商业开发价值的新能源，其开发利用目前已经引起世界各国的广泛重视。
在开发的具体方案方面，国际上已知的方案有二类：一类是以甲醇为提取剂，将天然气水合物变为气-液两相的流体，提取到岸上后，回收甲醇(如RU2161526)。由于该方法使用了甲醇为提取剂，甲醇有毒可能对环境和人造成毒害。另一类是利用CO2作为加热剂和提取剂，以CO2来置换天然气水合物中的天然气，将天然气提取到岸上，分离CO2后回收天然气(如JP2003063494)，但是由于这种方法流程相对复杂，因而对技术和设备的要求都比较高，其中的许多技术环节也还有待改善。
总之，到目前为止，世界上还没有成功的、商业化的天然气水合物开发实例。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述两类开采方法存在的缺陷；从而提供一种通过几个热力学循环的构造，将燃气轮机和蒸汽轮机联合循环发电***用于天然气水合物的开采过程中的，同时还可发电，达到节能降耗目的的海底天然气水合物的开采方法；以及提供一种设备简单，成本较低的海底天然气水合物的开采***。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：
本发明提供的海底天然气水合物的开采***，包括：一天然气水合物开采平台15，其天然气水合物开采平台15上安装一个气水分离罐5、一台甲烷压缩机6和一台离心泵7；其特征在于，还包括一台蒸汽轮机2、一台三段蒸汽加热器3(壳程)、一台燃气轮机4和一台离心泵7；其中气水分离罐5与燃气轮机4和三段蒸汽加热器3通过管线顺序联通；三段蒸汽加热器3上有废气排出口，其下部与燃气轮机4通过管线连通；蒸汽轮机2通过管线与三段蒸汽加热器连通，蒸汽轮机2与发电机1通过管线连通；气水分离罐5与一台甲烷压缩机6连通，气水分离罐5底部与离心泵7连通组成的地面设备；还包括海底换热器8、缓冲罐9、深水泵10、盖布11和N台用于可控制平台移动和固定盖布的四周的水下机器人12以及气液输运管线，其中水下机器人12安置在海底面上，并与控制器电连接；深水泵10的出口通过管线连通三段蒸汽加热器3的顶部入口(走管程)，深水泵10与缓冲罐9、海底换热器8通过气液输运管线连通，海底换热器8通过保温管连通到蒸汽轮机2上，用一块盖布11将待开采矿层及海底设备遮盖住，用水下机器人12固定盖布的四周，盖布11与气水分离罐5底部通过上升管13连通，经海底换热器8的气液两相混合物的流体将会沿上升管自动提升到平台上，进入气液分离罐，如图2所示。
所述的N台水下机器人12，其中N至少为一台。
在上述的技术方案中，在天然气水合物开采平台15上还备有去离子水储罐、液态丙烷的储罐及一些备用燃料。
在上述的技术方案中，所述的海底换热器由一排细长型圆管管束组成，管束平行排列，管与管之间为并联，如图2所示；圆管选用的材料需具备强的抗腐蚀能力和好的热传导能力，例如镀锌的钢管钢。该海底换热器横卧在天然气水合物矿层上，随着采气过程的进行，换热器将逐渐陷入矿层中。换热过程中，加热介质走管内，冷却介质走管间。
在上述的技术方案中，所述的三段蒸汽加热器包括蒸汽发生器和蒸汽过热器。
本发明提供的海底天然气水合物的开采方法，包括如下步骤：
1.选择深度在1000米以内、坡度低于30°的海底矿层，作为试开发区；
2.利用或建造一个可移动的海上天然气水合物开采平台，在该平台上安装好海底天然气水合物的开采***中的地面设备，包括一台蒸汽轮机2、一台三段蒸汽加热器3、一台燃气轮机4，一个气水分离罐5、一台甲烷压缩机6和一台离心泵7；在天然气水合物开采平台15上还备有去离子水储罐、液态丙烷的储罐及一些备用燃料；
3.安装好海底设备：包括安装海底换热器8、缓冲罐9、深水泵10、盖布11和N台用于可控制平台移动和固定盖布的四周的水下机器人12，以及通过气液输运管线连通；
4.通过移动水下机器人，将海上天然气水合物开采平台固定在步骤1确定的待开采矿区上方的海平面处，并用一块大的盖布将待开采矿层，及上述置于海底的海底换热器、海底缓冲罐和深水泵用盖布遮盖住，由水下机器人固定盖布的四角；
5.然后以地上备用燃料启动燃气轮机发电，在开采出天然气后，则以开采出来的天然气作为燃气轮机的燃料；
6.以燃气轮机尾气作为加热介质，通过燃气轮机底部的管路，将尾气输入三段蒸汽加热器中(走壳程)，将去离子水加热成高压过热水蒸汽。
7.利用步骤6产生的高压过热水蒸汽通过管线输入蒸汽轮机，推动蒸汽轮机发电，再将蒸汽轮机的尾气(低压水蒸汽)作为加热介质，通过保温管道送入海底换热器，用于加热和融化海底的天然气水合物固体，使之变为气液两相的混合物，两相的流体将会沿上升管自动提升到平台上；
8.通入海底的加热介质(低压水蒸汽)在海底换热器换热过程中，被冷凝成液态去离子水，进入储存冷凝液的缓冲罐，当缓冲罐内液位达到一定高度(在满罐以前)后，用高压的深水泵将冷凝后的去离子水打回到其循环换热***内，重复使用；
9.在平台上，对气液两相的混合物利用气液分离罐进行常规分离，得到气态天然气和淡水；
10.所得天然气，一部分作为燃料用于燃气轮机和蒸汽轮机联合循环发电***，满足发电需求；另一部分经甲烷压缩机加压后，同气液分离罐所分离出的淡水一起，打到天然气储运驳船的储气仓内，使其重新生成天然气水合物，然后由天然气储运驳船进一步执行天然气的存储、运输和分配任务。
此外，在整个开采流程方案的具体实施过程中，还可根据实际情况的需要，对本发明海底天然气水合物的开采方法的流程做相应的调整：
1)当有外送电力需求、并具备外送电力的条件时，整个开采流程以发电为主，其开采流程如下：此时，开采出的天然气，首先作为燃料，用于燃气轮机和蒸汽轮机联合循环发电***。所发电力，一方面用于满足整个开采***的电力需求，另一方面用于满足外送电力的需求。剩余的天然气，进入到天然气储运驳船的储气仓内，转变成天然气水合物。
2)当没有外送电力需求或不具备外送电力的条件时，整个流程以采气为主。此时，开采出的天然气，除一小部分作为燃料，用于联合循环发电***发电，以满足整个开采***的电力需求外，其余大部分经甲烷压缩机加压后，进入到天然气储运驳船的储气仓内，转变成天然气水合物；此时，为提高海底天然气水合物的开采速率，也可考虑不使用蒸汽轮机，直接将高压过热水蒸汽通入海底。
本发明的优点：
本发明提供了一种海底天然气水合物的开采方法，包括利用或建造一个可移动的海上天然气水合物开采平台；将加热介质(主要是水蒸汽)经保温管道通入海底换热器，加热和融化海底的天然气水合物固体，使之变成气液两相的混合物，然后提升到平台上，分离出天然气；所得天然气一部分用作联合循环发电***的燃料发电，另一部分以天然气水合物的形式储存到天然气储运驳船上，由驳船进一步执行天然气的存储、运输和分配任务。整个流程框图如图1所示。该方法通过几个热力学循环的构造，实现了开采海底天然气水合物的全过程——整个开采流程设备简单，成本较低；技术可行性强；在完成开采任务的同时，还可发电，从而实现了节能降耗的目的。
若进一步与天然气储运驳船相结合，可实现海底天然气水合物的开采、运输、储存、分配一体化，并进一步达到节能降耗的目的。
当某一区域的矿产开发完成后，通过移动水下机器人移动海上平台进入一个新的开发区；所以该***使用方便。
附图说明
图1是本发明的海底天然气水合物开采方法的流程框图
图2a是本发明实施例1的海底天然气水合物开采***和流程示意图
图2b是本发明实施例1的海底设备A向示意图
图3a是本发明实施例1的海底天然气水合物开采***和流程示意图
图3b是本发明实施例2的的海底设备A向示意图
图面说明
1-发电机 2-蒸汽轮机 3-三段蒸汽加热器
4-燃气轮机 5-气水分离罐 6-甲烷压缩机
7-离心泵 8-海底换热器 9-缓冲罐
10-深水泵 11-盖布 12-水下机器人
13-上升管 14-保温管 15-天然气水合物开采平台
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所涉及的几种开采***和方法进行详细的说明。
实施例1
参考图2a，制作一海底天然气水合物开采***，利用该***以发电为主的开采方法。该实施例的地面设备组成：包括建造一个常规可移动的海上天然气水合物开采平台15，该平台上安装一个气水分离罐5与燃气轮机4和三段蒸汽加热器3通过管线顺序联通；三段蒸汽加热器3包括蒸汽发生器和蒸汽过热器，其上有废气排出口，其下部与燃气轮机4通过管线连通；蒸汽轮机2通过管线与三段蒸汽加热器连通，燃气轮机4和蒸汽轮机2与发电机1通过管线连通；气水分离罐5与一台甲烷压缩机6连通，气水分离罐5底部与离心泵7连通，上述的设备均为本行业的常规设备。
本实施例的海底设备包括一采用10根，其长度为10米、直径为19厘米的镀锌的钢圆管，管束平行排列，管与管之间为并联做成的海底换热器8，如图2b所示；该海底换热器横卧在天然气水合物矿层上，随着采气过程的进行，换热器将逐渐陷入矿层中。换热过程中，加热介质走管内，冷却介质走管间。
海底设备还包括一台缓冲罐9、盖布11和用于可控制平台移动和固定盖布的四周的四台水下机器人12(每一台可用于固定盖布的一角)，以及气液输运管线。如图2a所示，其中水下机器人12安置在海底面上，并与控制器电连接；深水泵10的出口通过管线连通三段蒸汽加热器3的顶部入口(走管程)，深水泵10与缓冲罐9、海底换热器8通过气液输运管线连通，海底换热器8通过保温管连通到蒸汽轮机2上，用一块盖布11将待开采矿层及海底设备遮盖住，用水下机器人12固定盖布的四周。
下面进一步说明应用实施例1的***，进行海底天然气水合物的开采以发电为主的方法：
1)选择深度在1000米左右、坡度为28-30°的海底矿层，作为试开发区；
2)利用本实施例的可移动的海上天然气水合物开采平台，在该平台上安装海底天然气水合物的开采***中的地面设备，并备有海底天然气水合物的开采***中的的海底设备。在平台上还准备好去离子水和液态丙烷的储罐及一些备用燃料；
3)安装好本实施例的海底设备；如图2a和图2b所示；
4)通过移动水下机器人，将海上平台固定在步骤1确定的待开采矿区上方的海平面处，并用一块大的盖布将待开采矿层，及上述置于海底的海底换热器、海底缓冲罐和深水泵用盖布遮盖住，由水下机器人固定盖布的四角；
5)以备用的燃料启动燃气轮机，并利用900℃的燃气轮机尾气加热三段蒸汽加热器中的去离子水(最初的去离子水由去离子水储罐供给)，得到200atm、400℃的高压过热水蒸汽；
6)利用高压过热水蒸汽推动蒸汽轮机发电，并将蒸汽轮机的尾气(1.5atm的水蒸汽)通过保温管道送入海底换热器，用于加热和融化海底的天然气水合物固体，随着换热过程的进行，水蒸汽不断冷凝成液体，流进缓冲罐，当缓冲罐内的水位达到一定高度(在满罐以前)时，启动深水泵，将冷凝水打回到蒸汽加热器的入口，循环利用；
7)经海底换热器加热的100atm、15℃的海底天然气水合物固体，随着换热过程的进行，不断转变成100atm、15℃的气液两相混合物，两相的流体将会沿上升管自动提升到平台上，进入气液分离罐，从而分离得到70atm、15℃的气态天然气和淡水(操作过程中，提升速度和气液分离罐的压力都是可控的)；
8)所得气态天然气首先作为燃料，用于满足燃气轮机和蒸汽轮机联合循环发电***的发电需求(包括整个开采***的电力需求和外送电力需求)。剩余的天然气进入甲烷压缩机，压成100atm、15℃的天然气，同气液分离罐分离出的淡水一起，打到天然气储运驳船的储气仓内，在制冷剂液态丙烷的冷却作用下，重新生成100atm、15℃的天然气水合物，然后由驳船进一步执行天然气的存储、运输和分配任务；
9)当某一区域的矿产开发完成后，通过移动水下机器人移动海上平台进入一个新的开发区。
以30万千瓦的外送电力为计算基准，对上述流程进行计算结果如下：
主要发电设备：燃气轮机 发电量28.2万kW
蒸汽轮机 发电量11.8万kW
其中，整个开采***的耗电量约为10万kW，外送电力30万kW。用于发电的天然气为11万m3/h，约占总采气量的10％，此时，流程净采气量为97.9万m3/h。
实施例2
参考图3a，制作一海底天然气水合物开采***，利用该***以采气为主的开采方法。该实施例的地面设备组成：包括利用一个旧的移动的海上天然气水合物开采平台15，该平台上安装一台发电机1，一台燃气轮机4，一台包括蒸汽发生器和蒸汽过热器的三段蒸汽加热器3，一个气水分离罐5、一台甲烷压缩机6和一台离心泵7；所述的平台上安装一个气水分离罐5与燃气轮机4和三段蒸汽加热器3(壳程)通过管线顺序联通；三段蒸汽加热器3上有废气排出口；燃气轮机4与发电机1通过管线连通；气水分离罐5与一台甲烷压缩机6连通，气水分离罐5底部与离心泵7连通。
本实施例的海底设备包括一采用10根，其长度为8米、直径为19厘米的镀锌的钢圆管，管束平行排列，管与管之间为并联做成的海底换热器8，如图3b所示；该海底换热器横卧在天然气水合物矿层上，随着采气过程的进行，换热器将逐渐陷入矿层中。换热过程中，加热介质走管内，冷却介质走管间。一台水下机器人12安置在海底面上，并与控制器电连接；深水泵10的出口通过管线连通三段蒸汽加热器3的顶部入口(走管程)，深水泵10与缓冲罐9、海底换热器8通过气液输运管线连通，海底换热器8通过保温管连通到三段蒸汽加热器3上，用一块盖布11将待开采矿层及海底设备遮盖住，用水下机器人12固定盖布的四周。上述的设备均为本行业的常规设备。
下面进一步详细说明应用实施例2的***，进行以采气为主的海底天然气水合物的开采方法：
1)选择深度在800米以内、坡度低于26°左右的海底矿层，作为试开发区；
2)利用图3a的***，在***的平台上安装图3a的地面设备，并还在平台上准备好去离子水和液态丙烷的储罐及一些备用燃料；
3)安装好图3b所示的海底设备；
4)通过移动水下机器人12，将海上平台固定在步骤1确定的：深度在800米以内、坡度低于26°左右的海底矿层上方的海平面处，并用一块大的盖布将待开采矿层，及上述置于海底的海底换热器、海底缓冲罐和深水泵用盖布遮盖住，由水下机器人固定盖布的四角；
5)以备用的燃料启动燃气轮机，并利用900℃的燃气轮机尾气加热三段蒸汽加热器中的去离子水(最初的去离子水由去离子水储罐供给)，得到200atm、400℃的高压过热水蒸汽。
6)直接将高压过热水蒸汽沿保温管道通入海底，用于加热和融化海底的天然气水合物固体，随着换热过程的进行，水蒸汽不断冷凝成液体，流进缓冲罐，当缓冲罐内的液位达到一定高度(在满罐以前)时，启动深水泵，将冷凝水打回到蒸汽加热器的入口，循环利用；
7)经海底换热器加热的100atm、15℃的海底天然气水合物固体，随着换热过程的进行，不断转变成100atm、15℃的气液两相混合物，两相的流体将会沿上升管自动提升到平台上，进入气液分离罐，从而分离得到70atm、15℃的气态天然气和淡水(操作过程中，提升速度和气液分离罐的压力都是可控的)；
8)所得气态天然气分为两部分：其中，总量的4％用作燃气轮机的燃料发电，以满足整个开采***的电力需求；其余部分(约占总量的96％)进入甲烷压缩机，压成100atm、15℃的天然气，同气液分离罐分离出的淡水一起，打到天然气储运驳船的储气仓内，重新生成100atm、15℃的天然气水合物，然后由驳船进一步执行天然气的存储、运输和分配任务；
9)当某一区域的矿产开发完成后，通过移动水下机器人移动海上平台进入一个新的开发区。
以10万千瓦的发电量作为计算基准，对上述流程进行具体计算，得到计算结果如下：采气量：108.9万m3/h
其中，用于发电的天然气约占总采气量的4％，则流程净采气量为104.5万m3/h。
(1)整个流程中的电力分配如下：
主要发电设备：燃气轮机 发电量10万kW
主要耗电设备：甲烷压缩机 耗电量1.7万kW
丙烷压缩机 耗电量4.4万kW
深水泵 耗电量0.5万kW
其他方面 耗电量3.4万kW
虽然已结合附图对本发明进行了充分的描述，但需要注意，对于本领域的普通技术人员来说，各种改变和修改都是可能的。因此，除了这种改变和修改背离本发明的范畴之外，它们都应被包括在本发明之中。
Claims (7)
1、一种海底天然气水合物的开采***，包括：一天然气水合物开采平台(15)，该天然气水合物开采平台(15)上安装一个气水分离罐(5)、一台甲烷压缩机(6)和一台离心泵(7)；其特征在于，还包括一台蒸汽轮机(2)、一台三段蒸汽加热器(3)、一台燃气轮机(4)和一台离心泵(7)；其中气水分离罐5与燃气轮机4和三段蒸汽加热器3通过管线顺序联通；三段蒸汽加热器(3)上有废气排出口，其下部与燃气轮机(4)通过管线连通；蒸汽轮机(2)通过管线与三段蒸汽加热器连通，蒸汽轮机(2)与发电机(1)通过管线连通；气水分离罐(5)与一台甲烷压缩机(6)连通，气水分离罐(5)底部与离心泵(7)连通组成的地面设备；还包括海底换热器(8)、缓冲罐(9)、深水泵(10)、盖布(11)和N台用于可控制平台移动和固定盖布的四周的水下机器人(12)以及气液输运管线，其中水下机器人(12)安置在海底面上，并与控制器电连接；深水泵(10)的出口通过管线连通三段蒸汽加热器(3)的顶部入口，深水泵(10)与缓冲罐(9)、海底换热器(8)通过气液输运管线连通，海底换热器(8)通过保温管连通到蒸汽轮机(2)上，用一块盖布(11)将待开采矿层及海底设备遮盖住，用水下机器人(12)固定盖布的四周，盖布(11)与气水分离罐(5)底部通过上升管(13)连通，组成的海底设备。
2.按权利要求1所述的海底天然气水合物的开采***，其特征在于，所述的N台水下机器人(12)，其中N至少为一台。
3.按权利要求1所述的海底天然气水合物的开采***，其特征在于，还包括在天然气水合物开采平台(15)上还备有去离子水储罐、液态丙烷的储罐及备用燃料。
4.按权利要求1所述的海底天然气水合物的开采***，其特征在于，所述的海底换热器由一排长圆管管束组成，管束平行排列，管与管之间为并联。
5.按权利要求4所述的海底天然气水合物的开采***，其特征在于，所述的圆管选用的材料为镀锌的钢管钢。
6.按权利要求1所述的海底天然气水合物的开采***，其特征在于，所述的三段蒸汽加热器包括蒸汽发生器和蒸汽过热器。
7.一种应用权利要求1所述的开采***，进行海底天然气水合物的开采方法，包括如下步骤：
1).选择深度在1000米以内、坡度低于30°的海底矿层，作为试开发区；
2).利用或建造一个可移动的海上天然气水合物开采平台，在该平台上安装好海底天然气水合物的开采***中的地面设备；
3).安装好海底设备；
4).通过移动水下机器人，将海上天然气水合物开采平台固定在步骤1)确定的待开采矿区上方的海平面处，并用一块大的盖布将待开采矿层，及上述置于海底的海底换热器、海底缓冲罐和深水泵用盖布遮盖住，由水下机器人固定盖布的四角；
5).然后以地上备用燃料启动燃气轮机发电，在开采出天然气后，则以开采出来的天然气作为燃气轮机的燃料；
6).以燃气轮机尾气作为加热介质，通过燃气轮机底部的管路，将尾气输入三段蒸汽加热器中，将去离子水加热成高压过热水蒸汽；
7).利用步骤6)产生的高压过热水蒸汽通过管线输入蒸汽轮机，推动蒸汽轮机发电，再将蒸汽轮机的尾气作为加热介质，通过保温管道送入海底换热器，用于加热和融化海底的天然气水合物固体，使之变为气液两相的混合物，两相的流体将会沿上升管自动提升到平台上；
8).通入海底的蒸汽轮机的尾气作为加热介质在海底换热器换热过程中，被冷凝成液态去离子水，进入储存冷凝液的缓冲罐，当缓冲罐内液位达到一定高度后，用高压的深水泵将冷凝后的去离子水打回到其循环换热***内，重复使用；
9).在平台上，对气液两相的混合物利用气液分离罐进行常规分离，得到气态天然气和淡水；
10).所得天然气，一部分作为燃料用于燃气轮机和蒸汽轮机联合循环发电***，满足发电需求；另一部分经甲烷压缩机加压后，同气液分离罐所分离出的淡水一起，打到天然气储运驳船的储气仓内，使其重新生成天然气水合物，然后由天然气储运驳船进一步执行天然气的存储、运输和分配任务。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100512 Termination date: 20140405 |