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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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 |