CN112963718B - 一种天然气水合物储运装置及操作方法 - Google Patents

Abstract

一种天然气水合物储运装置及操作方法，包括耐压壳体，其一端安装有自动启闭舱口盖，另一端布置有对称的一号冷热循环管进水口和二号冷热循环管进水口，一号冷热循环管进水口后部延伸有一号循环管路，二号冷热循环管进水口后部延伸有二号循环管路，一号循环管路和二号循环管路呈螺旋状布置在耐压壳体的外表面，并通过管夹与耐压壳体固定；还包括制冷模块和加热模块，制冷模块、加热模块分别布置在一号冷热循环管进水口和二号冷热循环管进水口处，耐压壳体的一侧壁外部通过放气管安装有放气阀门，另一侧壁外部通过管路安装有自动启闭排水阀，耐压壳体的内壁面分别安装有温度传感器和压力传感器，耐压壳体的外部还安装有控制器，工作稳定可靠。

Description

一种天然气水合物储运装置及操作方法

技术领域

本发明涉及储运装置技术领域，尤其是一种天然气水合物储运装置及操作方法。

背景技术

天然气水合物储量大，污染小等优越的特性决定了其将成为21世纪最具竞争力的新型能源之一。天然气水合物巨大的储量使其足以取代日益减少的传统能源，将有望对全球能源矿产供求关系格局等政治经济生活产生重要影响。同时，天然气水合物的开发与地球碳循环、气候变化、海洋环境等诸多科学问题密切相关。

然而，天然气水合物的大规模商业开采却面临着许多困难。首先当前的技术条件下天然气水合物开采成本过高。其次，目前的开采方法主要有热激化法、减压法和注入剂法，主要原理是通过破坏天然气水合物相平衡，通过改变水合物的热力学或动力学条件来破坏其内部分子间作用力，从而使天然气分子从中逃离，达到分解产期的目的。开采的最大难点是保证井底稳定，使甲烷气不泄漏、不引发温室效应。再次，目前的开采方式需在海底矿藏区进行钻探作业，极易引发海底滑坡等地质灾害。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种天然气水合物储运装置及操作方法，从而可以将天然气在不需进行钻探、气液分离作业在的情况下从深海海底原位、原状态储存运输至水面，避免成本过高、甲烷气体泄漏及引发海底地质灾害的风险。

本发明所采用的技术方案如下：

一种天然气水合物储运装置，包括耐压壳体，所述耐压壳体一端安装有自动启闭舱口盖，所述耐压壳体的另一端布置有对称的一号冷热循环管进水口和二号冷热循环管进水口，所述一号冷热循环管进水口和二号冷热循环管进水口均为敞口结构，所述一号冷热循环管进水口后部延伸有一号循环管路，二号冷热循环管进水口后部延伸有二号循环管路，所述一号循环管路和二号循环管路呈螺旋状布置在耐压壳体的外表面，并通过管夹与耐压壳体固定；还包括制冷模块和加热模块，所述制冷模块、加热模块分别布置在一号冷热循环管进水口和二号冷热循环管进水口处，所述制冷模块、加热模块均通过紧固件与耐压壳体的基座连接，所述耐压壳体的一侧壁外部通过放气管安装有放气阀门，另一侧壁外部通过管路安装有自动启闭排水阀，所述耐压壳体的内壁面分别安装有温度传感器和压力传感器，所述耐压壳体的外部还安装有控制器。

其进一步技术方案在于：

所述耐压壳体的内壁面安装有启闭油缸，所述启闭油缸的输出端与自动启闭舱口盖连接，启闭油缸控制自动启闭舱口盖的打开与关闭。

所述自动启闭舱口盖的端面内嵌密封圈，与耐压壳体的端面实现密封连接。

所述一号循环管路和二号循环管路交错缠绕在耐压壳体的外部。

一种天然气水合物储运装置的操作方法，包括如下操作步骤：

第一步：天然气水合物储运装置布放至海底，在布放过程中，自动启闭舱口盖处于开启状态，耐压壳体内部充满海水；

第二步：当布放至海底坐沉后，水下生产系统在原位将天然气水合物转运至天然气水合物储运装置的耐压壳体内；

第三步：达到规定的容量后，控制器控制启闭油缸工作，控制自动启闭舱口盖关闭，耐压壳体内空间密闭；

第四步：加热模块工作，对耐压壳体进行加热，使甲烷气体析出；

第五步：自动启闭排水阀开启，耐压壳体内的海水因气体析出而自动排出至外部；

第六步：耐压壳体内气体体积增加，海水体积减少，整体密度下降，直至整个天然气水合物储运装置的密度小于海水密度，天然气水合物储运装置开始上浮，此时，停止加热，关闭加热模块，并关闭自动启闭排水阀；

第七步：上浮过程中，海水通过两个冷热循环管进水口进入循环管路中，在百米水深以下，海水温度保持恒定，因此上浮过程中，通过循环管路实现管路内海水快速流动，进而带走耐压壳体内产生的热量，保证耐压壳体内温度恒定；当上浮至百米以浅深度时，海水温度会升高，此时，制冷模块开启，对其中一路循环管路中的海水降温，低温海水在管路中流动对耐压壳体进行降温；

第八步：天然气水合物储运装置上浮至海面后，通过水面船对其进行打捞；

第九步：在岸上通过升温方式破坏水合物相，使甲烷气体完全析出，通过放气阀门将耐压壳体内甲烷气体转移至船上储存装置。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过对耐压壳体的特殊设计，可较为容易地将天然气水合物从海底转运至水面，同时保证天然气水合物状态不破坏，避免气体泄漏导致温室效应及海底大规模钻探引发的底质灾害风险。此外，通过该装置进行天然气水合物的储运，有望大幅降低海底天然气开采技术难度及风险，显著降低开采成本，是有别于现有开采方式的一种有益尝试，具备广阔的发展前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图(坐底姿态)。

图2为本发明的结构示意图(无动力上浮姿态图)。

图3为本发明的结构示意图(半剖视图)。

其中：1、一号冷热循环管进水口；2、二号冷热循环管进水口；3、制冷模块；4、加热模块；5、放气阀门；6、放气管；7、二号循环管路；8、一号循环管路；9、控制器；10、自动启闭排水阀；11、耐压壳体；12、自动启闭舱口盖； 13、温度传感器；14、启闭油缸；15、压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图3所示，本实施例的天然气水合物储运装置，包括耐压壳体11，耐压壳体11一端安装有自动启闭舱口盖12，耐压壳体11的另一端布置有对称的一号冷热循环管进水口1和二号冷热循环管进水口2，一号冷热循环管进水口1和二号冷热循环管进水口2均为敞口结构，一号冷热循环管进水口1后部延伸有一号循环管路8，二号冷热循环管进水口2后部延伸有二号循环管路7，一号循环管路8和二号循环管路7呈螺旋状布置在耐压壳体11的外表面，并通过管夹与耐压壳体11固定；还包括制冷模块3和加热模块4，制冷模块3、加热模块4分别布置在一号冷热循环管进水口1和二号冷热循环管进水口2处，制冷模块3、加热模块4均通过紧固件与耐压壳体11的基座连接，耐压壳体11 的一侧壁外部通过放气管6安装有放气阀门5，另一侧壁外部通过管路安装有自动启闭排水阀10，耐压壳体11的内壁面分别安装有温度传感器13和压力传感器15，耐压壳体11的外部还安装有控制器9。

耐压壳体11的内壁面安装有启闭油缸14，启闭油缸14的输出端与自动启闭舱口盖12连接，启闭油缸14控制自动启闭舱口盖12的打开与关闭。

自动启闭舱口盖12的端面内嵌密封圈，与耐压壳体11的端面实现密封连接。

一号循环管路8和二号循环管路7交错缠绕在耐压壳体11的外部。

本实施例的天然气水合物储运装置的操作方法，包括如下操作步骤：

第一步：天然气水合物储运装置布放至海底，在布放过程中，自动启闭舱口盖12处于开启状态，耐压壳体11内部充满海水；

第二步：当布放至海底坐沉后，水下生产系统在原位将天然气水合物转运至天然气水合物储运装置的耐压壳体11内；

第三步：达到规定的容量后，控制器9控制启闭油缸14工作，控制自动启闭舱口盖12关闭，耐压壳体11内空间密闭；

第四步：加热模块4工作，对耐压壳体11进行加热，使甲烷气体析出；

第五步：自动启闭排水阀10开启，耐压壳体11内的海水因气体析出而自动排出至外部；

第六步：耐压壳体11内气体体积增加，海水体积减少，整体密度下降，直至整个天然气水合物储运装置的密度小于海水密度，天然气水合物储运装置开始上浮，此时，停止加热，关闭加热模块4，并关闭自动启闭排水阀10；

第七步：上浮过程中，海水通过两个冷热循环管进水口进入循环管路中，在百米水深以下，海水温度保持恒定，因此上浮过程中，通过循环管路实现管路内海水快速流动，进而带走耐压壳体11内产生的热量，保证耐压壳体11内温度恒定；当上浮至百米以浅深度时，海水温度会升高，此时，制冷模块3开启，对其中一路循环管路中的海水降温，低温海水在管路中流动对耐压壳体11 进行降温；

第八步：天然气水合物储运装置上浮至海面后，通过水面船对其进行打捞；

第九步：在岸上通过升温方式破坏水合物相，使甲烷气体完全析出，通过放气阀门5将耐压壳体11内甲烷气体转移至船上储存装置。

本发明的具体结构和功能如下：

天然气水合物储运装置主要由耐压壳体11、自动启闭舱口盖12、冷热循环管路、制冷模块3、加热模块4、自动启闭排水阀门10、放气阀门5、温度传感器13、压力传感器15及控制器9组成。

耐压壳体11是本装置的主体部分，是储运天然气水合物的容器，同时为装置各设备提供安装基座，耐压壳体11具备足够的承内外压能力。

自动启闭舱口盖12是天然气水合物进入耐压壳体11的通道，通过启闭油缸14的耳环与耐压壳基座连接，自动启闭舱口盖12端面内嵌密封圈，可与耐压壳体11的端面实现良好密封。

冷热循环管路由进水口及管路组成，进水口布置在耐压壳体11封头的一端，管路呈螺旋状布置在耐压壳体11的外表面，通过管夹与耐压体11固定。

制冷模块3、加热模块4分别布置在两个进水口端，通过螺栓与耐压壳体 11基座连接。

放气阀门5布置在耐压壳体11一侧，自动启闭排水阀门10布置在耐压壳体11另一侧，分别通过管路与舱内连通。

压力传感器15和温度传感器13分别布置在耐压壳体11的内部，通过螺栓及抱箍与耐压壳体11的内壁连接。

控制器9布置在耐压壳体11靠近球封头位置，通过螺栓与耐压壳基座连接。

实际使用过程中：

如图1所示，该装置通过水面船布放至海底，布放过程中，自动启闭舱口盖12处于开启状态，耐压壳体11内充满海水。

当布放至海底坐沉后，水下生产系统在原位将天然气水合物转运至该装置耐压壳内，达到规定容量后，控制系统控制自动启闭舱口盖12关闭，从而实现耐压内空间密闭。

天然气水合物(化学式为CH·nH O)受热或减压均会析出甲烷气体，利用该特性，控制加热模块4对耐压壳体11进行可控温度加热，使甲烷气体定量析出。

甲烷气体析出后会集中在耐压壳体上部，导致耐压壳内压力升高，高于外界海水压力。加热的同时控制器9控制自动启闭排水阀10开启，耐压壳内海水因气体析出而自动排出至外部。耐压壳内气体体积增加，海水体积减少，整体密度会下降，直至装置整体密度小于海水密度，装置开始上浮，此时停止加热并关闭排水阀。

由于装置的整体布局重心偏向舱口盖侧的球封头，因此在装置整体无动力上浮过程中会呈图2姿态上浮，上浮过程中海水通过冷热循环管路进水口进入管路，在百米水深以下，海水温度基本保持恒定，因此上浮过程中，通过该循环管路实现管路内海水快速流动，进而带走耐压壳内可能产生的热量，保证耐压内温度恒定。当上浮至百米以浅深度时，海水温度会升高，单纯靠自循环降温失去效果。此时，控制器9控制制冷模块3开启，对一路自循环管路中海水定量降温，低温海水在管路中流动对耐压壳进行降温，从而实现内部的温度恒定。

天然气水合物储运装置上浮至海面后，通过水面船对其进行打捞。岸上可通过简单的升温方式破坏水合物相，使甲烷气体完全析出，通过放气阀将舱内甲烷气体转移至船上储存装置。天然气水合物储运装置在海底关闭舱口盖之后，舱内压力一直保持与海底压力一致，通过压力传感器15及温度传感器13对舱内压力和温度进行监测，上传数据至控制器9，同时控制器9控制制冷模块3 的开启关闭，通过冷热循环管路控制舱内温度的恒定。因此舱内天然气水合物仍保存在原位时的环境中。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (3)

1.一种天然气水合物储运装置，其特征在于：包括耐压壳体（11），所述耐压壳体（11）一端安装有自动启闭舱口盖（12），所述耐压壳体（11）的另一端布置有对称的一号冷热循环管进水口（1）和二号冷热循环管进水口（2），所述一号冷热循环管进水口（1）和二号冷热循环管进水口（2）均为敞口结构，所述一号冷热循环管进水口（1）后部延伸有一号循环管路（8），二号冷热循环管进水口（2）后部延伸有二号循环管路（7），所述一号循环管路（8）和二号循环管路（7）呈螺旋状布置在耐压壳体（11）的外表面，并通过管夹与耐压壳体（11）固定；还包括制冷模块（3）和加热模块（4），所述制冷模块（3）、加热模块（4）分别布置在一号冷热循环管进水口（1）和二号冷热循环管进水口（2）处，所述制冷模块（3）、加热模块（4）均通过紧固件与耐压壳体（11）的基座连接，所述耐压壳体（11）的一侧壁外部通过放气管（6）安装有放气阀门（5），另一侧壁外部通过管路安装有自动启闭排水阀（10），所述耐压壳体（11）的内壁面分别安装有温度传感器（13）和压力传感器（15），所述耐压壳体（11）的外部还安装有控制器（9）；所述耐压壳体（11）的内壁面安装有启闭油缸（14），所述启闭油缸（14）的输出端与自动启闭舱口盖（12）连接，启闭油缸（14）控制自动启闭舱口盖（12）的打开与关闭。

2.如权利要求1所述的一种天然气水合物储运装置，其特征在于：所述自动启闭舱口盖（12）的端面内嵌密封圈，与耐压壳体（11）的端面实现密封连接。

3.如权利要求1所述的一种天然气水合物储运装置，其特征在于：所述一号循环管路（8）和二号循环管路（7）交错缠绕在耐压壳体（11）的外部。

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