一種節(jié)能型天然氣水合物的快速合成裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓力能利用、冷能利用和水合物合成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于工業(yè)余壓回收的節(jié)能型天然氣水合物的快速合成裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著供能領(lǐng)域?qū)?jié)能減排的要求，天然氣成為目前城市中明火設(shè)施的主要能源，截至2014年，我國天然氣的消耗已突破1816億立方米。不過，經(jīng)高壓管網(wǎng)輸送的6?10MP高壓天然氣在投入使用前需經(jīng)過多級調(diào)壓使得溫度和壓力達(dá)標(biāo)后方可通過天然氣管網(wǎng)輸送到居民用戶和工業(yè)天然氣用戶。
[0003]目前主要采用節(jié)流原理的調(diào)壓器對天然氣進(jìn)行調(diào)壓，在此過程中高壓天然氣中本身蘊(yùn)含的潛在豐富壓力能在為了達(dá)標(biāo)而進(jìn)行的調(diào)壓過程中被白白浪費(fèi)，而且調(diào)壓過程中產(chǎn)生天然氣冷能也沒有得到有效利用，能量利用率有待提高；此外，出于技術(shù)本身的原因，目前的壓縮天然氣普遍存在儲存壓力高、管道輸送不靈活、吸附儲氣技術(shù)相對復(fù)雜，且液化天然氣的生產(chǎn)工藝復(fù)雜且耗能較高。
[0004]較之于壓縮天然氣，天然氣水合物由于其儲存壓力低、儲存密度大、運(yùn)輸、儲存及使用操作方便的優(yōu)點(diǎn)，成為今后天然氣前端處理的方向，但是目前的合成方法普遍還處于實(shí)驗(yàn)室階段，往往采用先加濕天然氣，然后壓縮機(jī)加壓或者CNG氣罐、制冷機(jī)降溫后合成天然氣水合物的方式，合成效率低且能耗較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明提供一種節(jié)能型天然氣水合物的快速合成裝置及方法，旨在通過清潔能量回收途徑，不僅將天然氣的壓力能回收用于發(fā)電，而且將膨脹發(fā)電過程中產(chǎn)生的冷能用于快速、高效地生產(chǎn)天然氣水合物。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案具體為:
[0007]—種節(jié)能型天然氣水合物的快速合成裝置，包括控制部、膨脹發(fā)電制冷單元和水合物合成單元；其中:
[0008]高壓天然氣經(jīng)高壓管網(wǎng)輸送至膨脹發(fā)電制冷單元，用于回收高壓天然氣自身的壓力能；經(jīng)所述膨脹發(fā)電制冷單元通往所述水合物合成單元；
[0009]所述控制部分別與所述膨脹發(fā)電制冷單元和所述水合物合成單元相連接，將采集水合物合成單元的參數(shù)與所述控制部的設(shè)定水平相比較，通過調(diào)整膨脹發(fā)電制冷單元的參數(shù)，用于保證通往水合物合成單元中的高壓天然氣處于所述控制部中的設(shè)定范圍。
[0010]在上述節(jié)能型天然氣水合物的快速合成裝置中，所述控制部包括中央控制器以及分別與所述中央控制器相連接的閥門單元和傳感器單元；其中:
[0011 ] 所述閥門單元包括第一閥門和第二閥門，所述第一閥門設(shè)于膨脹發(fā)電制冷單元前端與高壓管網(wǎng)之間，所述第二閥門設(shè)于水合物合成單元后端與所述低壓管網(wǎng)之間；
[0012]所述傳感器單元包括第一溫度傳感器、第二溫度傳感器和壓力傳感器，所述壓力傳感器和第一溫度傳感器分別用于檢測所述水合物合成單元中用于反應(yīng)的天然氣的壓力和溫度，所述第二溫度傳感器用于檢測所述水合物合成單元中換熱器出口的天然氣溫度。
[0013]在上述節(jié)能型天然氣水合物的快速合成裝置中，所述膨脹發(fā)電制冷單元包括勵磁模塊、發(fā)電機(jī)和膨脹機(jī)；所述中央控制器經(jīng)所述勵磁模塊與發(fā)電機(jī)相連接，所述發(fā)電機(jī)經(jīng)所述膨脹機(jī)連接至所述水合物合成單元；其中:
[0014]高壓天然氣經(jīng)所述第一閥門進(jìn)入所述膨脹機(jī)，在所述膨脹機(jī)內(nèi)膨脹后，驅(qū)動膨脹機(jī)轉(zhuǎn)動，所述膨脹機(jī)進(jìn)一步驅(qū)動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過發(fā)電將高壓天然氣自身的壓力能回收；
[0015]所述中央控制器根據(jù)檢測到的所述水合物合成單元中用于反應(yīng)的天然氣壓力和溫度信號，經(jīng)所述勵磁模塊對所述發(fā)電機(jī)和所述膨脹機(jī)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0016]在上述節(jié)能型天然氣水合物的快速合成裝置中，所述水合物合成單元包括反應(yīng)器、噴頭和排放閥，所述第一溫度傳感器和所述壓力傳感器分別與所述反應(yīng)器相連接，所述噴頭設(shè)于所述反應(yīng)器的水源接入端；其中:
[0017]水合物的水源依次經(jīng)增壓栗和噴頭增壓和霧化后送至反應(yīng)器內(nèi)，與溫度、壓力達(dá)標(biāo)的天然氣接觸，生成的天然氣水合物經(jīng)排放閥與目標(biāo)使用端對接。
[0018]在上述節(jié)能型天然氣水合物的快速合成裝置中，所述水合物合成單元還包括換熱器、干燥過濾器和調(diào)壓器，反應(yīng)器內(nèi)沒有生成水合物的天然氣依次經(jīng)所述換熱器、所述干燥過濾器和所述調(diào)壓器干燥和調(diào)壓處理后，經(jīng)所述第二閥門輸送至低壓管網(wǎng)，外設(shè)的熱源通過循環(huán)栗與換熱器相連接，所述中心控制器和所述循環(huán)栗之間設(shè)有變頻模塊，所述換熱器用于加熱沒有生成水合物的天然氣，所述中央控制器通過比較第二溫度傳感器檢測的溫度信號與低壓管網(wǎng)的設(shè)定值，通過變頻模塊來調(diào)整所述循環(huán)栗的熱媒流量。
[0019]在上述節(jié)能型天然氣水合物的快速合成裝置中，所述壓力傳感器設(shè)于所述膨脹機(jī)和所述反應(yīng)器之間。
[0020]在上述節(jié)能型天然氣水合物的快速合成裝置中，所述第一溫度傳感器設(shè)于所述反應(yīng)器內(nèi)，所述第二溫度傳感器設(shè)于所述換熱器的出口端。
[0021]—種節(jié)能型天然氣水合物的快速合成方法，高壓管網(wǎng)中的高壓天然氣在膨脹發(fā)電制冷單元進(jìn)行壓力能回收，在壓力能回收中產(chǎn)生的冷能在水合物合成單元生成天然氣水合物，其中:
[0022]壓力能回收步驟具體為:
[0023]高壓管網(wǎng)的高壓天然氣經(jīng)第一閥門進(jìn)入膨脹機(jī)后在膨脹機(jī)內(nèi)膨脹，釋放的壓力能使得膨脹機(jī)轉(zhuǎn)動，膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動與之相連接的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動發(fā)電，將壓力能回收轉(zhuǎn)化為電能；
[0024]冷能利用步驟具體為:
[0025]釋放壓力能后溫度降低的天然氣與增壓、霧化的水媒在反應(yīng)器中通過直接接觸的方式進(jìn)行熱質(zhì)交換，在生成水合物的過程中回收了天然氣的冷能。
[0026]在上述節(jié)能型天然氣水合物的快速合成方法中，在所述壓力能回收步驟中，中央控制器根據(jù)檢測到的反應(yīng)器內(nèi)的天然氣壓力和溫度信號，通過勵磁模塊調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流使得發(fā)電機(jī)和膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速改變，通過轉(zhuǎn)速的改變來調(diào)整進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)的天然氣的壓力和溫度為設(shè)定值。
[0027]在上述節(jié)能型天然氣水合物的快速合成方法中，在所述冷能利用步驟中，熱媒通過循環(huán)栗送入換熱器對未生成水合物的天然氣進(jìn)行預(yù)熱，中央控制器通過變頻模塊調(diào)整循環(huán)栗中熱媒的流量來實(shí)現(xiàn)換熱水平的調(diào)節(jié)，直至預(yù)熱至設(shè)定值后通入低壓管網(wǎng)。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:
[0028]本發(fā)明的節(jié)能型天然氣水合物的快速合成裝置利用膨脹機(jī)和發(fā)電機(jī)回收了高壓天然氣中自身的壓力，并將其轉(zhuǎn)化為電能；通過實(shí)時檢測合成反應(yīng)器中的溫度和壓力，確保天然氣和水源在反應(yīng)器中的接觸過程處于生成天然氣水合物的條件，利用高壓天然氣自身的冷能和壓力，通過與水在反應(yīng)器中直接接觸進(jìn)行的熱質(zhì)交換，快速、高效地生成天然氣水合物，對高壓天然氣的壓力能和冷能實(shí)現(xiàn)了高效利用；既實(shí)現(xiàn)了天然氣的壓力能回收，又充分利用了天然氣膨脹后自身具有的冷能，對能源自身中本被浪費(fèi)的能量進(jìn)行了回收和利用；
[0029]而且，裝置的結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，制造成本低，可用于大、中、小規(guī)模的天然氣壓力能發(fā)電和天然氣水合物的生產(chǎn)，尤其適用于需要對天然氣進(jìn)行調(diào)壓的城市燃?xì)庹{(diào)壓站的中、小型燃?xì)庹{(diào)壓站。
【附圖說明】
[0030]當(dāng)結(jié)合附圖考慮時，能夠更完整更好地理解本發(fā)明。此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。
[0031]圖1為本發(fā)明一種節(jié)能型天然氣水合物的快速合成裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖中:10、中央控制器11、第一閥門12、壓力傳感器13、第一溫度傳感器14、第二閥門20、勵磁模塊21、發(fā)電機(jī)22、膨脹機(jī)23、干燥過濾器24、調(diào)壓閥30、水源31、增壓栗32、噴頭33、反應(yīng)器34、排放閥40、熱源41、循環(huán)栗42、換熱器43、變頻模塊44、第二溫度傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0034]如圖1所示的一種節(jié)能型天然氣水合物的快速合成裝置，主要包括控制部、膨脹發(fā)電制冷單元、水合物合成單元；高壓天然氣經(jīng)高壓管網(wǎng)的管道輸送至膨脹發(fā)電制冷單元，用于回收高壓天然氣自身的壓力能；控制部通過實(shí)時監(jiān)測水合物合成單元，保證通往水合物合成單元中的高壓天然氣的溫度和壓力均為控制部所設(shè)定的水平，實(shí)現(xiàn)高效合成；具體地:
[0035]控制部主要包括中央控制器10、第一閥門11、第一溫度傳感器13、壓力傳感器12、第二閥門14、變頻模塊43和第二溫度傳感器44，中央控制器10通過信號電纜分別與閥門(11、14)、傳感器(12、13、44)、變頻模塊43以及勵磁模塊20相連接；其中:第一閥門11設(shè)于膨脹發(fā)電制冷單元前端的高壓管網(wǎng)，第二閥門14連接至低壓管網(wǎng)，壓力傳感器12和第一溫度傳感器13分別用于檢測反應(yīng)器內(nèi)的天然氣壓力和溫度，勵磁模塊20則與膨脹發(fā)電制冷單元相連接，根據(jù)傳感器(12、13)的信號對膨脹發(fā)電制冷單元進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，變頻模塊43用于對循環(huán)栗41的熱媒流量進(jìn)行調(diào)節(jié)；
[0036]膨脹發(fā)電制冷單元主要包括勵磁模塊20、發(fā)電機(jī)21和膨脹機(jī)22 ;中央控制器10通過信號電纜與勵磁模塊20相連接，之后依次經(jīng)發(fā)電機(jī)21和膨脹機(jī)22連接至反應(yīng)器33，壓力傳感器12即設(shè)于膨脹機(jī)22和反應(yīng)器33之間；
[0037]水合物合成單元主要包括反應(yīng)器33、噴頭32、排放閥34、換熱器42、干燥過濾器23和調(diào)壓器24，水源經(jīng)增壓栗31將水合物所需的水媒經(jīng)噴頭32送至反應(yīng)器33內(nèi)與溫度、壓力達(dá)標(biāo)的天然氣接觸，生成的水合物經(jīng)排放閥34與目標(biāo)對接；
[0038]沒有形成水合物的天然氣依次經(jīng)換熱器42、干燥過濾器23和調(diào)壓器24進(jìn)行回?zé)?、干燥和調(diào)壓處理，之后經(jīng)第二閥門14輸送到低壓管網(wǎng)，第一溫度傳感器13即設(shè)于反應(yīng)器33內(nèi)；具體地:
[0039]熱源40中的熱媒在循環(huán)栗41的作用下經(jīng)循環(huán)栗41進(jìn)入換熱器4