CN111852407A - 一种基于太阳能吸收式热泵的热激法水合物开采装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于太阳能吸收式热泵的热激法水合物开采装置。水合物开采系统将热水注入到天然气水合物层，水合物受热分解，天然气携带一部分污水通过开采井收回至海面，经气液分离器的分离得到纯净的天然气；太阳能热源集热散热系统利用太阳能加热板将热源循环水加热并保温，以提供低品位热源；海水源热汇集热散热系统将经过加热的循环水输送到高压水泵，对多余的高温水进行保温，通过泵将温度较低的水输送到吸收器和冷凝器进行升温，为天然气水合物开采系统提供充足的热水；溶液水循环系统中吸收式热泵稀溶液和浓溶液的相互转换，以及溶液泵的输送，实现了在再生器和蒸发器吸收低品位热量，同时在吸收器和冷凝器产生高品位热量。
Description
技术领域
本发明属于海洋天然气水合物开采技术领域，针对目前海洋天然气水合物热激法开采所存在的热源问题，利用吸收式热泵技术将海上太阳能品位提高，用于热激法开采天然气水合物，具体涉及一种基于太阳能吸收式热泵的热激法水合物开采装置。
背景技术
天然气水合物，俗称可燃冰，是由烃类物质与水在低温高压条件下形成的具有笼状晶体结构的物质，燃烧废气中只有CO2和水，对环境没有污染。标准状况下，单位体积的气体水合物可以储存164单位体积的甲烷气体，热值很高，是一种十分优质的能源，可用于替代煤炭等传统化石能源。然而，天然气水合物的商业化开采水平目前尚未达到，亟需可行的开采方法。目前天然气水合物的开采技术主要包括降压开采法、热激法和注入化学剂法。热激开采法效率高，容易实现，但至今尚未很好的解决热源能耗高、热量利用效率较低的问题。
而吸收式热泵是是一种以一定量高温热量为补偿，从低温位热源汲取热量并将其提高品位的设备，可以将海洋环境下含量丰富太阳能提高品位，为热激法开采水合物提供热源。
发明内容
基于上述问题，本发明将海洋环境下丰富的太阳能作为吸收式热泵技术，释放高品位热量，结合热激法水平井开采海洋天然气水合物，并利用能量储蓄方法，储存剩余热量，以应对太阳能来源不稳定的问题，提供了一种基于太阳能吸收式热泵的热激法水合物开采装置与方法。
本发明的技术方案：
一种基于太阳能吸收式热泵的热激法水合物开采装置，包括水合物开采系统、太阳能热源集热散热系统、海水源热汇集热散热系统和吸收式热泵循环系统；四个系统相互配合，海水源热汇集热散热系统将热泵循环系统产生的热量输送到水合物开采系统，太阳能热源集热散热系统为热泵循环系统提供热源；
所述的水合物开采系统主要由开采井25、注入井9、高压泵7、保温层6、球形喷头14、气液分离器28、天然气储气罐31、海水污水暂存罐22、液位指示器23和海水吸入泵24组成，所述的开采井25为L型井，开采井竖直段29的出口端连接气液分离器28，开采井竖直段29穿过海水层8到达天然气水合物储层10，开采井水平段30位于天然气水合物储层10中；所述的海水污水暂存罐22、气液分离器28和天然气储气罐31依次连接；所述的保温层6采用真空绝热；所述的注入井9入口端连接高压泵7，其出口端位于天然气水合物储层10中；所述的高压泵7位于保温层6中，注入井9下端设有球形喷头14，位于天然气水合物储层10中；所述的液位指示器23固定在海水污水暂存罐22上，实时将液位反馈给海水吸入泵24；海水污水暂存罐22的热汇水出口端过第三热汇水泵21与吸收器19的热汇水入口端相连接；
所述的太阳能热源集热散热系统主要由太阳能加热器1、辅助加热器15、蓄热器16、再生器18、蒸发器4、第一热源水泵11和第二热源水泵17连接而成；所述的太阳能加热器1和蓄热器16并联连接，实现当太阳能加热板所吸收的热多于系统所需要的热量时，将热量储存到蓄热器16中；所述的太阳能加热板1和辅助加热器15串联连接，通过阀门的控制，实现当太阳能加热板1所吸收的热少于系统所需要的热量时，辅助加热器15补充。所述的再生器18和蒸发器4是系统中的两个耗热设备，热源水流经它们内部的排管实现放热；所述的辅助加热器15的出口端与再生器18的热源入口端相连接，再生器18的溶液水出口端与冷凝器2的热源入口端相连接，再生器18的热源出口端过第二热源水泵17与蒸发器4的热源入口端相连接；所述的吸收器19稀溶液出口端过第二溶液泵20与再生器18的稀溶液入口端相连接，吸收器19的浓溶液入口端与再生器18的浓溶液出口端相连接；蒸发器4的热源水出口端通过第一热源水泵11与太阳能加热板1相连接，蒸发器4底部溶液水出口端通过第二第一溶液泵12与蒸发器4顶部溶液水入口端相连；蒸发器4通过U型管3与冷凝器2相连接；所述的吸收器19和冷凝器2是系统的两个放热设备，热汇水流经它们内部的排管充分吸热；
所述的海水源热汇集热散热系统主要由吸收器19、冷凝器2、热水储集保温箱13、温度监测警报器26、第一热汇水泵27、第二热汇水泵5和第三热汇水泵21连接而成；所述的吸收器19的热汇水出口端通过第一热汇水泵27与冷凝器2的热汇水入口相连接；所述的冷凝器2的热汇水出口端通过第二热汇水泵5与热水储集保温箱13的热汇水入口端相连接，所述的热水储集保温箱13保温和加热水源；所述的温度监测警报器26设置在热水储集保温箱13上，用于监测热水储集保温箱13中水的实时温度，并反馈给热水储集保温箱13。
所述的吸收式热泵循环系统由再生器18、吸收器19、蒸发器4、冷凝器2、第二溶液泵20和第一溶液泵12连接而成。所述的吸收器19稀溶液出口端过第二溶液泵20与再生器18的稀溶液入口端相连接，吸收器19的浓溶液入口端与再生器18的浓溶液出口端相连接；蒸发器4底部溶液水出口端通过第一溶液泵12与蒸发器4顶部溶液水入口端相连；蒸发器4的溶液水出口端与吸收器19的溶液水入口端相连接；所述的再生器18的溶液水出口端与冷凝器2的热源入口端相连接；所述的U型管3连接冷凝器2底部溶液水出口端和蒸发器4顶部溶液水入口端，起节流降压的作用。
所述的再生器18为圆筒状，一侧设置端盖，内部有排管，排管的两个接口在再生器的侧面和外界联通，上下两端侧壁分别开孔，用来焊接溶液进出口管，所述的再生器内部设为密封形式，耐压条件为4kPa以上。
所述的吸收器19由两根不同直径的不锈钢管同轴相套组成，内管走溶液和空气，内外管间走冷却水，端部焊死以保证冷却水和工质不相混，内部不锈钢管道中设置溶液布液器，且焊为一个整体，布液器由喇叭状隔板组成。
所述的冷凝器2内部有排管，用以走冷却水，排管的两个接口在冷凝器的侧面和外界联通，内部设为密封形式；所述的蒸发器4内部有排管，用以走热源水，排管的两个接口在蒸发器的侧面和外界联通，设置溶液布液器，且焊为一个整体，布液器由喇叭状隔板组成，用以分布来自冷凝器的工质水，上下两端侧壁分别开孔。
本发明的方法有益效果：本发明提出一种基于吸收式热泵的太阳能热激水合物开采的装置及方法，解决了天然气水合物开采过程中的能耗问题，充分利用了太阳能，为实现天然气水合物大规模开采提供了可行的方法，对于天然气水合物开采方法后续研究具有重要意义。
附图说明
图1是基于吸收式热泵的太阳能热激法水合物开采装置的示意图。
图2基于吸收式热泵的太阳能热激法水合物开采装置的球型喷头示意图。
图中：1太阳能加热器；2冷凝器；3U型管；4蒸发器；5第二热汇水泵；6保温层；7高压泵；8海水层；9注水井；10天然气水合物储层；11第一热源水泵；12第一溶液泵；13热水储集保温器；14球形喷头；15辅助加热器；16蓄热器；17第二热源水泵；18再生器；19吸收器；20第二溶液泵；21第三热汇水泵；22海水污水暂存罐；23液位指示器；24海水吸入泵；25开采井；26温度监测报警器；27第一热汇水泵；28气液分离器；29开采井竖直段；30开采井水平段；31天然气储气罐。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，对本发明的具体实施方式详细说明。
图1所示为一种基于吸收式热泵的太阳能热激水合物开采的方法示意图：按如图所示装置连接，使用该装置进行天然气水合物开采。
该热激法水合物开采装置包括热源水循环、溶液水循环和热汇水循环三个循环；
所述的热源水循环：阳光充足时，太阳能加热板1吸热，加热热源水，通过第一热源水泵11和第二热源水泵17供再生器18和蒸发器4使用，多余的热水保存到储热器16中；阴天时，用储热器16中的热水，太阳能加热板1吸收的热量，不足的热量由辅助加热器15补充，送到再生器18内部排管，加热再生器18内溶液，通过第二热源水泵17，送到蒸发器4内部排管，进行放热，再通过第一热源水泵11，将放完热的热源水送回太阳能加热板1；再生器18中工质溶液经过加热由稀溶液变为浓溶液，溶液中出来的水蒸气流入冷凝器2中，在冷凝器2中放热后，液体水进入U型管3节流降压，再流入蒸发器4中蒸发放热，再回到吸收器中，所述的吸收器19中来自再生器18中的浓溶液吸收水分变为稀溶液，在通过第二溶液泵20送到再生器中，构成循环，蒸发器4底部水经过第一溶液泵12送到蒸发器4上部，进行喷淋。第三热汇水泵21将海水污水暂存罐22中的热汇水吸入吸收器19内部的排管中，升温后在通过第一热汇水泵27进入冷凝器2，进行二次升温，升温后通过热汇水泵25进入热水储集保温器13，进行保温储存；所述的温度监测报警器26监测热水储集器中水的实时温度，并反馈给热水储集保温器13，当热水储集保温器13中的水温度下降时，热水储集保温器13会将其加热到原先温度。所述的水合物开采系统运行时，热水储集保温器13中的水流入保温层6，由高压泵7增压进入注水井9，经球形喷头14到达天然气水合物储层10中，破坏天然气水合物层平衡，水合物分解；分解产物经开采井水平段30和开采井竖直段29收回至海面，经过气液分离器28后得到较纯的天然气，储存到天然气储集罐31中；污水进入海水污水暂存罐22，循环利用；海水污水暂存罐22上的液位指示器23将实时液位反馈给海水吸入泵，当海水污水暂存罐22中水量短缺时，海水吸入泵24开始工作，将海水吸入来使海水污水暂存罐22中液位正常。
Claims (10)
1.一种基于太阳能吸收式热泵的热激法水合物开采装置，其特征在于，该基于太阳能吸收式热泵的热激法水合物开采装置包括水合物开采系统、太阳能热源集热散热系统、海水源热汇集热散热系统和吸收式热泵循环系统；四个系统相互配合，海水源热汇集热散热系统将热泵循环系统产生的热量输送到水合物开采系统，太阳能热源集热散热系统为热泵循环系统提供热源；
所述的水合物开采系统主要由开采井(25)、注入井(9)、高压泵(7)、保温层(6)、球形喷头(14)、气液分离器(28)、天然气储气罐(31)、海水污水暂存罐(22)、液位指示器(23)和海水吸入泵(24)组成，所述的开采井(25)为L型井，开采井竖直段(29)的出口端连接气液分离器(28)，开采井竖直段(29)穿过海水层(8)到达天然气水合物储层(10)，开采井水平段(30)位于天然气水合物储层(10)中；所述的海水污水暂存罐(22)、气液分离器(28)和天然气储气罐(31)依次连接；所述的保温层(6)采用真空绝热；所述的注入井(9)入口端连接高压泵(7)，其出口端位于天然气水合物储层(10)中；所述的高压泵(7)位于保温层(6)中，注入井(9)下端设有球形喷头(14)，位于天然气水合物储层(10)中；所述的液位指示器(23)固定在海水污水暂存罐(22)上，实时将液位反馈给海水吸入泵(24)；海水污水暂存罐(22)的热汇水出口端过第三热汇水泵(21)与吸收器(19)的热汇水入口端相连接；
所述的太阳能热源集热散热系统主要由太阳能加热器(1)、辅助加热器(15)、蓄热器(16)、再生器(18)、蒸发器(4)、第一热源水泵(11)和第二热源水泵(17)连接而成；所述的太阳能加热器(1)和蓄热器(16)并联连接，所述的太阳能加热板(1)和辅助加热器(15)串联连接；所述的辅助加热器(15)的出口端与再生器(18)的热源入口端相连接，再生器(18)的热源出口端过第二热源水泵(17)与蒸发器(4)的热源入口端相连接；蒸发器(4)的热源水出口端通过第一热源水泵(11)与太阳能加热板(1)相连接；
所述的海水源热汇集热散热系统主要由吸收器(19)、冷凝器(2)、热水储集保温箱(13)、温度监测警报器(26)、第一热汇水泵(27)、第二热汇水泵(5)和第三热汇水泵(21)连接而成；所述的吸收器(19)的热汇水出口端通过第一热汇水泵(27)与冷凝器(2)的热汇水入口相连接；所述的冷凝器(2)的热汇水出口端通过第二热汇水泵(5)与热水储集保温箱(13)的热汇水入口端相连接，所述的热水储集保温箱(13)保温和加热水源；所述的温度监测警报器(26)设置在热水储集保温箱(13)上，用于监测热水储集保温箱(13)中水的实时温度，并反馈给热水储集保温箱(13)；
所述的吸收式热泵循环系统主要由再生器(18)、吸收器(19)、蒸发器(4)、冷凝器(2)、第二溶液泵(20)和第一溶液泵(12)组成；所述的吸收器(19)稀溶液出口端过第二溶液泵(20)与再生器(18)的稀溶液入口端相连接，吸收器(19)的浓溶液入口端与再生器(18)的浓溶液出口端相连接；蒸发器(4)底部溶液水出口端通过第一溶液泵(12)与蒸发器(4)顶部溶液水入口端相连；蒸发器(4)的溶液水出口端与吸收器(19)的溶液水入口端相连接；所述的再生器(18)的溶液水出口端与冷凝器(2)的热源入口端相连接；所述的U型管(3)连接冷凝器(2)底部溶液水出口端和蒸发器(4)顶部溶液水入口端，起节流降压的作用。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能吸收式热泵的热激法水合物开采装置，其特征在于，所述的再生器(18)为圆筒状，一侧设置端盖，内部有排管，排管的两个接口在再生器(18)的侧面和外界联通，上下两端侧壁分别开孔，用来焊接溶液进出口管，所述的再生器(18)内部设为密封形式，耐压条件为4kPa以上。
3.根据权利要求1或2所述的基于太阳能吸收式热泵的热激法水合物开采装置，其特征在于，所述的吸收器(19)由两根不同直径的不锈钢管同轴相套组成，内管走溶液和空气，内外管间走冷却水，端部焊死以保证冷却水和工质不相混，内部不锈钢管中设置布液器，且焊为一个整体，布液器由喇叭状隔板组成。
4.根据权利要求1或2所述的基于太阳能吸收式热泵的热激法水合物开采装置，其特征在于，所述的冷凝器(2)内部有排管，用以走冷却水，排管的两个接口在冷凝器的侧面和外界联通，内部设为密封形式。
5.根据权利要求3所述的基于太阳能吸收式热泵的热激法水合物开采装置，其特征在于，所述的冷凝器(2)内部有排管，用以走冷却水，排管的两个接口在冷凝器的侧面和外界联通，内部设为密封形式。
6.根据权利要求1、2或5所述的基于太阳能吸收式热泵的热激法水合物开采装置，其特征在于，所述的蒸发器(4)内部有排管，用以走热源水，排管的两个接口在蒸发器的侧面和外界联通，设置布液器，且焊为一个整体，布液器由喇叭状隔板组成，用以分布来自冷凝器的工质水，上下两端侧壁分别开孔。
7.根据权利要求3所述的基于太阳能吸收式热泵的热激法水合物开采装置，其特征在于，所述的蒸发器(4)内部有排管，用以走热源水，排管的两个接口在蒸发器的侧面和外界联通，设置布液器，且焊为一个整体，布液器由喇叭状隔板组成，用以分布来自冷凝器的工质水，上下两端侧壁分别开孔。
8.根据权利要求4所述的基于太阳能吸收式热泵的热激法水合物开采装置，其特征在于，所述的蒸发器(4)内部有排管，用以走热源水，排管的两个接口在蒸发器的侧面和外界联通，设置布液器，且焊为一个整体，布液器由喇叭状隔板组成，用以分布来自冷凝器的工质水，上下两端侧壁分别开孔。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的基于太阳能吸收式热泵的热激法水合物开采装置，其特征在于，该热激法水合物开采装置包括热源水循环、溶液水循环和热汇水循环三个循环；
所述的热源水循环：阳光充足时，太阳能加热板(1)吸热，加热热源水，通过第一热源水泵(11)和第二热源水泵(17)供再生器(18)和蒸发器(4)使用，多余的热水保存到储热器(16)中；阴天时，用储热器(16)中的热水，太阳能加热板(1)吸收的热量，不足的热量由辅助加热器(15)补充，送到再生器(18)内部排管，加热再生器(18)内溶液，通过第二热源水泵(17)，送到蒸发器(4)内部排管，进行放热，再通过第一热源水泵(11)，将放完热的热源水送回太阳能加热板(1)；
所述的热汇水循环：所述的第三热汇水泵(21)将海水污水暂存罐(22)中的热汇水吸入吸收器(19)内部的排管中，升温后在通过第一热汇水泵(27)进入冷凝器(2)，进行二次升温，升温后通过第二热汇水泵(5)进入热水储集保温器(13)，进行保温储存；所述的温度监测报警器(26)监测热水储集器中水的实时温度，并反馈给热水储集保温器(13)，当热水储集保温器(13)中的水温度下降时，热水储集保温器(13)回将其加热到原先温度；所述的水合物开采系统运行时，热水储集保温器(13)中的水流入保温层(6)，由高压泵(7)增压进入注水井(9)，经球形喷头(14)到达天然气水合物储层(10)中，天然气水合物受热分解；分解产物经开采井水平段(30)和开采井竖直段(29)收回至海面，经过气液分离器(28)后得到较纯的天然气，储存到天然气储集罐(31)中；污水进入海水污水暂存罐(22)，循环利用；海水污水暂存罐(22)上的液位指示器(23)将实时液位反馈给海水吸入泵，当海水污水暂存罐(22)中水量短缺时，海水吸入泵(24)开始工作，将海水吸入来使海水污水暂存罐(22)中液位正常。
10.根据权利要求6所述的基于太阳能吸收式热泵的热激法水合物开采装置，其特征在于，该热激法水合物开采装置包括热源水循环、溶液水循环和热汇水循环三个循环；
所述的热源水循环：阳光充足时，太阳能加热板(1)吸热，加热热源水，通过第一热源水泵(11)和第二热源水泵(17)供再生器(18)和蒸发器(4)使用，多余的热水保存到储热器(16)中；阴天时，用储热器(16)中的热水，太阳能加热板(1)吸收的热量，不足的热量由辅助加热器(15)补充，送到再生器(18)内部排管，加热再生器(18)内溶液，通过第二热源水泵(17)，送到蒸发器(4)内部排管，进行放热，再通过第一热源水泵(11)，将放完热的热源水送回太阳能加热板(1)；
所述的热汇水循环：所述的第三热汇水泵(21)将海水污水暂存罐(22)中的热汇水吸入吸收器(19)内部的排管中，升温后在通过第一热汇水泵(27)进入冷凝器(2)，进行二次升温，升温后通过第二热汇水泵(5)进入热水储集保温器(13)，进行保温储存；所述的温度监测报警器(26)监测热水储集器中水的实时温度，并反馈给热水储集保温器(13)，当热水储集保温器(13)中的水温度下降时，热水储集保温器(13)回将其加热到原先温度；所述的水合物开采系统运行时，热水储集保温器(13)中的水流入保温层(6)，由高压泵(7)增压进入注水井(9)，经球形喷头(14)到达天然气水合物储层(10)中，天然气水合物受热分解；分解产物经开采井水平段(30)和开采井竖直段(29)收回至海面，经过气液分离器(28)后得到较纯的天然气，储存到天然气储集罐(31)中；污水进入海水污水暂存罐(22)，循环利用；海水污水暂存罐(22)上的液位指示器(23)将实时液位反馈给海水吸入泵，当海水污水暂存罐(22)中水量短缺时，海水吸入泵(24)开始工作，将海水吸入来使海水污水暂存罐(22)中液位正常。
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