CN115125043A - 一种车载式天然气水合物回收装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车载式天然气水合物回收装置及方法，包括水合物合成罐、液氮制冷装置、天然气注入和回收装置、注水装置，水合物合成罐上设有氮气入口、氮气出口；液氮制冷装置包括液氮罐、液氮接管，液氮接管包括液氮接管入口管段、液氮接管中间管段、液氮接管出口管段；天然气注入和回收装置包括入口接管、出口接管，入口接管、出口接管分别安装在水合物合成罐的左右两端，注水装置包括水接管、注水截止阀。本发明在合成罐内合成水合物，水合物中的天然气就能够并且极易通过后处理从水合物中完全分解出来，实现天然气的回收再利用；由于合成天然气水合物的方法回收放空天然气，不需燃烧天然气，因而不会产生温室气体排放，有利于环境保护。
Description
技术领域
本发明涉及一种车载式天然气水合物回收装置及方法，属于管道天然气回收技术领域。
背景技术
目前我国天然气长输管道已经覆盖了全国绝大部分地区，天然气在长输管道中进行运输，通往各个城市和用户端，在长输管道的建设过程中，每隔30km会在管道主干道上建设一个阀室，每隔160km会建设一个站场，以此来控制天然气的输送，并且长输天然气管道常采用高压大口径管道。当前我国在天然气长输管道在发生故障问题需要进行换管抢修工作时，通常情况下采用停输换管抢修技术，这种抢修技术会先关闭抢修作业管段上下游站场或阀室线路截断阀，然后将抢修作业管段中的天然气进行立管放空，同时在放空立管处点火，将放空的天然气完全燃烧处理掉，待管道内的天然气放空至常压后，用氮气置换出管道内剩余的天然气，然后进行换管。鉴于抢修作业管段的大口径和长距离截断，这样处理放空燃烧管道内的天然气，存在以下问题：一是浪费大量天然气能源，以压力10MPa、温度25℃、管径
长30km的长输天然气抢修换管管道为例，当停输换管抢修时，放空燃烧的天然气体积含量为23616m3，相当于体积147600m3的压力2kPa、温度25℃的家用天然气，按家用天然气3.3元/m3计算，放空的天然气价值约48.7万元；二是管段内气体燃烧后产生大量二氧化碳气体排放到空气中，增加温室气体的排放，对大气环境造成一定影响；三是大量天然气燃烧存在爆炸风险，从而管道沿线居民人身财产安全存在隐患。
天然气水合物是由小分子烃类(主要是甲烷)与水分子在高压低温下形成的笼型晶体物质，常温常压下，1m3的天然气水合物会分解得到0.8m3的水和164m3的天然气。天然气管道中的主要介质成分为甲烷，基于前述理论知识，针对上述工程实际中天然气管道停输换管抢修时放空燃烧天然气存在的问题，考虑将放空燃烧的天然气通过合成天然气水合物的方法进行回收再利用，避免天然气的浪费和温室气体的排放，降低气体燃烧安全风险。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种车载式天然气水合物回收装置及方法，本发明基于天然气和水在高压低温条件下形成天然气水合物的原理，将待换管抢修管段内放空的天然气与水在车载装置内合成天然气水合物并储存，再通过后处理将天然气水合物分解成天然气和水即可再利用天然气，从而实现放空天然气的回收和再利用。
该装置解决现有停输换管抢修长输天然气管道时放空燃烧天然气造成的天然气资源浪费问题、温室气体排放问题和安全隐患问题。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种车载式天然气水合物回收装置，包括水合物合成罐、液氮制冷装置、天然气注入和回收装置、注水装置，所述水合物合成罐上设有氮气入口、氮气出口；
所述液氮制冷装置包括液氮罐、液氮接管，所述液氮接管包括液氮接管入口管段、液氮接管中间管段、液氮接管出口管段；所述液氮接管中间管段位于在水合物合成罐内，所述液氮接管入口管段、液氮接管出口管段分别在合成罐筒体的氮气入口和氮气出口处固定；所述液氮罐与液氮接管入口管段连接；
所述天然气注入和回收装置包括入口接管、出口接管，所述入口接管、出口接管上均设有截止阀，所述入口接管、出口接管分别安装在水合物合成罐的左右两端；
所述注水装置包括水接管、注水截止阀，所述水接管安装在水合物合成罐的底部，所述注水截止阀设置在水接管上。
进一步的技术方案是，所述水合物合成罐包括左封头、右封头、筒体，所述左封头和右封头为结构和尺寸均相同的椭圆形封头，所述左封头、筒体、右封头依次焊接成一体。
进一步的技术方案是，所述筒体上下部分别设有吊耳、支座。
进一步的技术方案是，所述筒体上还设有人孔组件，所述人孔组件包括人孔接管、法兰和盲板，所述人孔接管安装在筒体上。
进一步的技术方案是，所述液氮接管入口管段、液氮接管出口管段上分别设有调节阀、温度计。
进一步的技术方案是，所述入口接管、出口接管上分别设有减压阀、压力表。
进一步的技术方案是，所述注水装置还包括用于控制和实现水合物合成罐内水自动排放的差压变送器组件，所述差压变送器组件包括带有PLC控制器的差压变送器和均与差压变送器连接的上接管、下接管，所述上接管、下接管分别安装在水合物合成罐的上部、底部。
进一步的技术方案是，所述水合物合成罐上设有鼓泡装置，所述鼓泡装置包括循环泵、循环泵入口接管、循环泵出口接管、鼓泡器；循环泵设置在水合物合成罐外部，循环泵的入口与循环泵入口接管连接，循环泵的出口与循环泵出口接管连接；所述鼓泡器安装在水合物合成罐的内腔底部；循环泵入口接管安装在水合物合成罐的上部，循环泵出口接管安装在水合物合成罐的底部。
进一步的技术方案是，所述鼓泡器包括圆弧板和支撑板，圆弧板的横截面为圆弧型，沿水合物合成罐轴向放置，圆弧板上均匀开设圆孔；支撑板为平板，垂直焊接在圆弧板的底部上，并与水合物合成罐的内腔底部焊接。
一种车载式天然气水合物的回收方法，具体包括以下步骤：
步骤S10、向水合物合成罐内注满已参与合成过天然气水合物的水；
步骤S20、并在运输过程中同时开始液氮制冷装置的制冷工作，对水合物合成罐的水进行冷却，将水合物合成罐内的水冷却至水合物合成所需的低温条件；
步骤S30、将水合物合成罐上的入口接管与待换管抢修管段的天然气接管连接，并检查连接处气密性，保证连接处不漏气；
步骤S40、入口接管与待换管抢修管段的连接处检查合格后，预设入口接管上减压阀的高压压力值后，开始向水合物合成罐内注入待换管抢修管段的高压天然气，并通过压力表监测水合物合成罐内的高压压力值；
步骤S50、注入天然气初期，将水接管上的注水截止阀打开，排出合成罐内的部分水，当水合物合成罐内剩余水量达到要求时，差压变送器组件自动关闭水接管上的注水截止阀，停止排水；停止排水后，继续向水合物合成罐内注入天然气，水合物合成罐内压力逐渐增加，直至出口接管的压力达到入口接管上减压阀的预设高压压力值；然后再继续稳定注气；
步骤S60、注入天然气过程中，液氮制冷工作同时进行，液氮冷却水合物合成罐的天然气和水，通过温度计监测并判断水合物合成罐内的温度，再通过调节调节阀的开度来调整液氮流量，使水合物合成罐的温度达到水合物合成所需的低温；
步骤S70、当水合物合成罐内温度和压力达到水合物合成所需温度和压力时，开启鼓泡装置的循环泵，利用鼓泡器对天然气鼓泡，增加天然气和水的接触面积，加快水合物的合成速度；经过一定的水合物合成时间后停止向水合物合成罐内注入天然气；
步骤S80、停止向水合物合成罐内注入天然后，液氮制冷需持续保持，直到将车载装置内水合物运输至后处理场所；天然气水合物运输到后处理场所后，将出口接管与后处理场所的天然气接管连接，打开出口接管的截止阀，将水合物合成罐的内部压力降低，从而破坏天然气水合物的稳定条件，水合物逐渐分解成天然气和水；同时停止液氮制冷，使水合物合成罐内的温度在环境温度影响下自然升高，利于水合物的分解；水合物分解成天然气和水后，水继续保留在水合物合成罐内，天然气通过后处理天然气接管进入后处理场所再利用。
本发明具有以下有益效果：
(1)采用合成天然气水合物的方法回收常规天然气管道换管抢修时放空的天然气；
(2)天然气水合物回收装置为车载式，可随车随时前往待换管抢修管段目的地，使用方便快捷；
(3)采用合成天然气水合物的方法回收天然气管道放空燃烧的天然气，可实现天然气回收再利用和环境保护，避免天然气资源浪费、温室气体排放和燃烧导致的安全风险的发生。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是水合物合成罐的结构示意图；
图3是液氮制冷装置结构图；
图4是液氮接管入口管段结构示意图；
图5是液氮接管出口管段结构示意图；
图6是液氮制冷工作流程图；
图7是天然气注入和回收装置位置图；
图8是入口接管结构示意图；
图9是出口接管结构示意图；
图10是天然气注入工作流程图；
图11是天然气回收工作流程图；
图12是注水装置结构图；
图13是注水工作流程图；
图14是排水工作流程图；
图15是鼓泡装置的安装示意图；
图16是鼓泡装置的结构示意图；
图17是鼓泡工作流程图；
图18是本发明的工作流程图；
图19是天然气水合物合成的温压曲线示意图。
图中所示：1-水合物合成罐；11-左封头；12-右封头；13-筒体；14-人孔组件；15-支座；16-吊耳；2-液氮制冷装置；21-液氮罐、22-调节阀、23-温度计；24-液氮接管入口管段；25-液氮接管出口管段；26-液氮接管中间管段；3-天然气注入和回收装置；31-入口接管；32-出口接管；33-截止阀；34-减压阀；35-压力表；4-注水装置；41-水接管；42-注水截止阀；43-差压变送器；44-上接管；45-下接管；5-鼓泡装置；51-循环泵；52-循环泵入口接管；53-循环泵出口接管；54-圆弧板；55-支撑板。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
为方便描述，实施例中将“车载式天然气水合物回收装置”简称为“车载装置”。
如图1所示，本发明的一种车载式天然气水合物回收装置，包括：
水合物合成罐1，用于提供天然气水合物的合成和存储空间，使注入其中的放空天然气与水合成天然气水合物；
液氮制冷装置2，用于冷却水合物合成罐1内的水和天然气，提供天然气水合物合成所需的低温条件；
天然气注入和回收装置3，用于将待换管抢修管段内的天然气注入水合物合成罐1内，为水合物合成提供天然气，并在水合物合成后通过后处理将水合物中的天然气分解出来进行回收；
注水装置4，用于向水合物合成罐1内提供天然气水合物合成所需的水，并在天然气水合物合成前排出部分水将水合物合成罐1内的水量控制在最佳水平，注水工作在车载式天然气水合物回收装置运输到待换管抢修管段之前便要进行，排水工作在注入天然气的初始阶段进行；
鼓泡装置5，用于实现天然气在水中的鼓泡，加快天然气水合物合成的速度。
针对某运行压力6MPa，管径
待换管抢修管段上下游阀室距离30km的长输天然气管道停输换管抢修，设计得到的车载式天然气水合物回收装置参数为：设计压力：6MPa；工作压力：5MPa；设计温度：-20℃；工作温度：-15℃；外形尺寸：长×宽×高＝8.5×2.8×2.96(m)；容积：32m3。
如图2所示，水合物合成罐1为卧式压力容器，包括左封头11、右封头12、筒体13，所述筒体13上设有人孔组件14、支座15、吊耳16。
其中左封头11和右封头12均为结构和尺寸相同的椭圆形封头，左封头11、筒体13、右封头12依次焊接成卧式压力容器。筒体13由板材焊接而成，筒体13上还设置包括制冷氮气入口和出口、天然气入口和出口、循环泵入口和出口、人孔、水接管开口、差压变送器的2个开口，共10个开孔。
人孔组件14供维修使用，包括人孔接管、法兰和盲板。
支座14用于将水合物合成罐1固定在车上，采用双鞍式支座，支座14的上端与筒体13的底部焊接，下端与车底板螺栓连接。
吊耳16焊接在筒体13上部，用于安装和拆卸车载装置时的吊装。
当水合物合成罐1内的压力达到天然气水合物合成所需的高压条件、温度达到天然气水合物合成的所需的低温条件时，天然气和水在水合物合成罐1内合成天然气水合物。天然气水合物合成过程中，不断消耗天然气并释放热量，因此需液氮持续制冷和天然气持续注入；经过一定时间的合成后，合成反应结束，将水合物随车运输至后处理场所进行天然气回收。
水合物合成罐1的主要尺寸：容积：32m3；筒体：
L＝7200mm，Q345R板材；椭圆封头：内径
壁厚45mm，曲面内深度562.5mm，直边长度42.5mm，Q345R板材；液氮接管规格：
铜管；天然气接管规格：
无缝钢管；循环泵接管规格：
无缝钢管；测压接管规格：
无缝钢管。
在本实施例中如图3所示，液氮制冷装置2包括液氮罐21、液氮接管、调节阀22、温度计23。液氮罐31内充装冷却介质液氮，通过液氮汽化冷却水合物合成罐内的水和天然气。液氮接管提供氮气的持续冷却流通通道，为铜管，设置为1整根，包括液氮接管入口管段24、液氮接管出口管段25和液氮接管中间管段26共3个部分，其中，液氮接管入口管段24和液氮接管出口管段25分别在筒体13的氮气入口和氮气出口处固定，位于水合物合成罐1外部，均为直管段；液氮接管中间管段26位于水合物合成罐1内部，呈U形规则排列；液氮接管入口管段24直接与液氮罐21连接；液氮接管出口管段25与大气连通，为防止低温氮气伤人，液氮接管出口管段25的方向垂直面向地面设置。
在本实施例中如图4所示，调节阀22设置在液氮接管入口管段24上，用于调节制冷过程中氮气的流速。
在本实施例中如图5所示，温度计23设置在液氮接管出口管段25上，用于监测氮气出口温度并判断水合物合成罐内温度是否达到水合物合成的低温条件。
液氮制冷装置2的制冷工作在注水结束后即开始，一直持续到天然气注入、水合物合成、水合物运输至后处理场所，直至在后处理场所水合物分解前。
液氮制冷工作流程：液氮在液氮罐汽化后流向液氮接管入口管段，而后流向位于水合物合成罐内部的液氮接管中间管段，氮气流经液氮接管中间管段时对水合物合成罐内的水和天然气进行冷却而使自身温度升高，升温后的氮气经液氮接管出口管段后最终排向大气。
其中，液氮持续制冷过程中，通过设置在液氮接管出口管段的温度计监测氮气出口温度，当氮气出口温度过高时，水合物合成罐内温度会达不到水合物合成的低温条件，需增大液氮接管入口管道的调节阀开度，通过加大氮气流量来降低氮气出口温度；当氮气出口温度过低时，资源浪费，需减小液氮接管入口管道的调节阀开度，通过降低氮气流量来提高氮气出口温度；当氮气出口温度达到适当值(远小于-15℃)时，合成罐内水合物合成的低温条件满足。
液氮制冷工作流程图如图6所示。
液氮接管规格：
铜管。液氮接管在合成罐内部呈U形均匀分布排列，在合成罐高度方向上分为5层，从上至下每层接管直管段数量依次为5段、7段、9段、7段、5段。需要说明，图3中所示液氮接管排列仅为示意图，实际所需液氮接管具体排列需据实计算确定。
在本实施例中如图7-9所示，天然气注入和回收装置3包括入口接管31和出口接管32，所述入口接管31、出口接管32上均设有截止阀33，所述入口接管31、出口接管32上还分别设有减压阀34、压力表35。
其中入口接管31和出口接管32均设置在筒体13上部的左右两端，与筒体13焊接。其中，入口接管31为天然气水合物合成提供天然气的流入通道，天然气注入时需将其与待换管抢修管段的天然气接管连接；出口接管32为水合物分解产生的天然气提供流出通道，天然气后处理时需将其与后处理场所天然气接管连接；减压阀34为单向阀，用于将待换管抢修管段内的天然气降压后注入合成罐，截止阀33用于控制待换管抢修管段内的天然气向合成罐内注入的通断和用于控制合成罐内天然气的流出。
如图10所示，天然气注入工作流程：预设入口接管31上减压阀34的压力值，关闭出口接管32上的截止阀33，打开入口接管31上的截止阀33，天然气自待换管抢修管段内流经入口接管31的上的减压阀34降压后进入合成罐。
其中，天然气注入前预设的减压阀压力值为水合物合成罐1内天然气水合物合成所需的压力值；天然气注入过程中，通过设置在出口接管32上的压力表35监测水合物合成罐1内的压力。当出口接管32上的压力值小于减压阀34预设压力值时，水合物合成罐1内压力不足，天然气继续向水合物合成罐1内注入；当出口接管32上的压力达到减压阀34预设压力值并保持稳定时，水合物合成罐1内压力达到水合物合成所需的高压条件；当水合物合成开始，消耗掉天然气使水合物合成罐1内压力降低时，由于入口接管31上设置有减压阀34，天然气将以减压阀43预设压力自动向水合物合成罐1内稳定注入，保证合成罐内压力稳定。
天然气注入水合物合成罐1后，依次经历注气排水、注气增压、稳定注气3个阶段。
(1)注气排水：注气排水过程中需将水接管41上的注水截止阀42打开，此过程在天然气注入水合物合成罐1后即同步开始，目的是将水合物合成罐1内的水量排出一部分，使剩余水量达到水合物合成所需的水量要求。当水合物合成罐1内剩余水量达到要求时，差压变送器组件自动关闭水接管41上的注水截止阀42，停止排水；
(2)注气增压：停止排水后，继续向水合物合成罐1内注入天然气，合水合物合成罐1内压力逐渐增加，直至出口接管32上压力表35的压力达到入口接管41上减压阀34的预设压力值，注气增压目的是为水合物合成创造高压条件；
(3)稳定注气：水合物合成过程中天然气消耗导致压力降低，需持续稳定向水合物合成罐1内注气，保证水合物合成所需天然气量充足、保证水合物合成压力稳定，从而最大程度上多合成天然气水合物。
停止注气后，将车载装置运输到后处理场所，以进行天然气水合物后处理。运输过程中，需保持液氮持续制冷，并保持入口接管31和出口接管32的截止阀33均处于关闭状态。
如图11所示，天然气回收工作流程：将车载装置天然气的出口接管32与后处理场所天然气接管连接，检查连接处气密性和稳定性后，打开出口接管32上的截止阀33，停止液氮制冷，水合物合成罐1内压力自动降低、水合物合成罐1内温度在环境温度作用下逐渐升温，天然气从水合物中分解出来，经出口接管32后，进入后处理场所天然气接管，最后储存至后处理场所，实现待换管抢修管段天然气的回收。
其中天然气接管规格：
无缝钢管。
在本实施例中如图12所示，注水装置4包括水接管41、注水截止阀42、差压变送器组件。水接管41用于水的注入和排出，设置在水合物合成罐1的下部。注水截止阀42用于控制注水和排水时管路的通断，设置在水接管41上。
差压变送器组件用于控制和实现水合物合成罐内水的自动排放，包括带有PLC控制器的差压变送器43和上接管44、下接管45，所述差压变送器43上下两端分别与上接管44、下接管45连接，所述上接管44设置在筒体13的上部，下接管45设置在筒体13的底部；差压变送器43测量水合物合成罐内水的液位压差，通过压差数据自动控制水注水截止阀42的启闭，使排水后合成罐内水量达到水合物合成所需的要求。
为保证水合物合成罐1内进行天然气水合物合成时罐内不含空气并使水量达到天然气水合物合成所需的用量，分两个阶段完成：第一个阶段为注水工作，此阶段向合成罐内注满水，以排出水合物合成罐1内的空气，注水工作在车载装置运输到待换管抢修管段前进行；第二个阶段为排水工作，通过向水合物合成罐1内注入天然气排出部分水使水合物合成罐1内的剩余水量达到天然气水合物合成所需的用量，排水工作在车载装置运输到待换管抢修管段后注入天然气初期进行。
如图13所示，注水工作流程：连接水接管41和储水场所输水接管，打开注水截止阀42，天然气水合物合成所需的水经水接管41注入水合物合成罐1内，水合物合成罐1内注满水后关闭注水截止阀42，并检查装置密封性，保证不漏水。注水完成后，即可开始液氮制冷工作，冷却水合物合成罐1内的水。水合物合成罐1内注满水后，将车载装置运输到待换管抢修管段，进行注气排水工作。
如图14所示，排水工作流程：设置天然气注入接管的减压阀压力值，打开注水截止阀42、入口接管31的截止阀33，天然气自筒体上部的入口接管31注入罐内，同时，水合物合成罐1内的水从筒体13底部的水接管41向外排出，排出水量达到规定值时，差压变送器组件自动关闭注水截止阀42，排水工作停止。排水停止后，注气工作继续，直至出口接管32上压力表35的压力值与入口接管31的减压阀34设置压力值相同。
注水接管规格：
无缝钢管；测压接管规格：
无缝钢管。
在本实施例中如图15-16所示，鼓泡装置5包括循环泵51、循环泵入口接管52和循环泵出口接管53、鼓泡器。
循环泵51设置在水合物合成罐1的外部，提供天然气在合成罐内持续鼓泡的气源循环，自带流速调节功能。
循环泵入口接管52位于筒体13的上部，为水合物合成罐1内部的天然气流向循环泵51提供通道，一端与筒体13连接，一端与循环泵入口连接。
循环泵出口接管53位于筒体13的底部，用于将天然气输送至鼓泡器进行鼓泡，一端与筒体13的底部连接，一端与循环泵出口连接。
鼓泡器位于筒体13的内腔底部，用于在水合物合成罐1内喷射天然气，实现天然气在水中的鼓泡，增大天然气与水的接触面积，加快天然气水合物的合成速度。其中鼓泡器包括圆弧板54和支撑板55，其中，圆弧板54的横截面为圆弧型，并沿筒体轴向方向放置，圆弧板54上均匀开设圆孔，支撑板55为平板，垂直焊接在圆弧板54的底部上，并与筒体13的内腔底部焊接。
其中当水合物合成罐1内温度和压力达到水合物合成的条件时，启动循环51泵，天然气开始在水中鼓泡，增大天然气和水的接触面积，加快水合物的合成速度。鼓泡工作持续至停住注气。
如图17所示，鼓泡工作流程：启动循环泵51，天然气自筒体13的上部空间依次流经循环泵入口接管52、循环泵51、循环泵出口接管53、鼓泡器，不断循环，直至停止注气后关系循环泵51。
循环泵接管规格：
无缝钢管；鼓泡器圆弧板：t2钢板弯曲成型，圆弧板上开圆孔规格
沿圆弧面轴向和径向均布。
如图18所示，本发明的车载式天然气水合物回收方法，流程具体如下：
步骤S10、天然气水合物合成前工作准备：天然气水合物合成前，需先向车载装置内注水，并将车载装置运输至待换管抢修管段，一般为换管抢修管段两端阀室的放空天然气处。具体流程如下：
步骤S11、车载装置内注水和车载装置检查。天然气水合物的合成在待换管抢修管段的现场进行，现场条件有限，因此必须在车载装置运输到待换管抢修管段现场前，向车载装置水合物合成罐1内注入水合物合成所需的水，水量需充满水合物合成罐1。注水完成前后，检查车载装置的各项指标，包括但不限于装置的气密性、稳定性等。
考虑使用纯水进行天然气水合物合成时，水合物合成所需的诱导时间较长、水合物成核较慢，为缩短水合物的合成时间，向水合物合成罐1内注入的水为已参与合成过天然气水合物的水。使用合成过天然气水合物的水进行水合物合成时，不再需要诱导时间，当温度和压力达到要求时，水合物直接进入快速生长期。
此阶段向车载装置水合物合成罐1内注入的水量需要充满整个水合物合成罐，以排出水合物合成罐1内的空气，从而有利于天然气水合物合成的进行。后续天然气水合物合成阶段注入天然气时，需在注气排水阶段需将水合物合成罐1内的水排出一部分，使水合物合成罐1内剩余水量为水合物合成所需的最佳水量。
步骤S12、车载装置运输和水冷却。车载装置内注水完成和车载装置指标检查合格后，将车载转置随车运输至待换管抢修管段，并在运输过程中同时开始液氮制冷装置2的制冷工作，对水合物合成罐1内的水进行冷却，将水合物合成罐1内的水冷却至水合物合成所需的低温条件。液氮制冷工作从车载装置内注水完成开始，直至停止注气后将其运输至后处理场所进行分解前方可停止。
由于车载装置为车载式，可以随车随时运输到待换管抢修管段目的地，而且每次使用车载装置回收放空天然气时，仅消耗液氮，因而使用方便快捷。
步骤S20、天然气水合物合成：车载装置天然气水合物合成流程主要包括管道连接、注入天然气、天然气和水冷却、水合物合成。具体如下：
步骤S21、车载装置与待换管抢修管段连接。车载装置运输至待换管抢修管段现场后，将车载装置天然气入口接管与待换管抢修管段的天然气接管连接，并检查连接处气密性，保证连接处不漏气。
步骤S22、车载装置内注入天然气。车载装置运与待换管抢修管段的连接处检查合格后，预设车载装置天然气入口接管减压阀压力值(5MPa)后，开始向水合物合成罐1内注入待换管抢修管段的高压天然气，并通过压力表35监测水合物合成罐1内的压力值。
天然气注入水合物合成罐1后，依次经历注气排水、注气增压、稳定注气3个阶段。注气排水目的是将水合物合成罐1内的水量排出一部分，使剩余水量达到水合物合成所需的水量要求，水量适当即可；注气增压目的是为水合物合成创造高压条件；稳定注气目的是保证水合物合成过程中所需天然气量充足、压力稳定，从而最大程度上多合成天然气水合物。
步骤S23、天然气和水冷却。注入天然气过程中，液氮制冷工作同时进行，液氮冷却水合物合成罐1内的天然气和水，通过监测天然气出口接管温度判断水合物合成罐1内的温度，并通过调节调节阀22的开度来调整液氮流量，使水合物合成罐1内的温度达到水合物合成所需的低温。当氮气出口接管温度监测值达到要求时(远小于-15℃)，水合物合成罐1内的温度达到水合物合成所需的低温(-15℃)。
由于水合物合成过程中释放热量，为稳定保持水合物合成罐1内水合物合成所需的低温环境，在水合物合成过程中液氮需持续制冷。水合物合成罐1内水的冷却从天然气水合物合成前准备阶段的注水结束后开始一直持续到天然气水合物后处理阶段的水合物分解前停止；水合物合成罐1内天然气的冷却从天然气水合物合成阶段注入天然气开始，一直持续到天然气水合物后处理阶段的水合物分解前停止。
步骤S24、天然气水合物合成。监测出口接管32上的压力和液氮接管出口管段的温度，当达到天然气水合物的合成所需的温度和压力条件(5MPa、-15℃)时，水合物逐渐开始合成。水合物合成过程中，天然气不断消耗、热量不断释放，因此需保持液氮持续制冷和天然气持续注入。为加快水合物合成速度，当水合物合成罐1内温度和压力达到水合物合成所需温度和压力时，需开启循环泵51，利用鼓泡器对天然气鼓泡，增加天然气和水的接触面积，加快水合物的合成速度。经过一定的水合物合成时间后，停止向水合物合成罐1内注入天然气，但液氮制冷需持续保持直至水合物后处理。
一般，天然气水合物的合成大致分为3个阶段，即诱导期、快速生长期、稳定生长期，合成过程中合成容器内的温度压力随时间变化关系如图19所示，图中压力为合成容器内气体压力。水合物合成过程具体为：
(1)诱导期T1：诱导期包括气体溶解和水合物晶核形成。从初始时间t0开始，天然气慢慢溶解到液体中，气体压力小幅度下降，而由于气体溶解放热，温度有小幅度上升；当时间为t1时，温度突然升高、压力突然骤降，水合物晶核形成和生长，气体被消耗导致压力突降，水合物晶核形成短期内释放大量热量不能及时冷却，导致温度出现突变，时间段t0-t1为诱导期，对应的时间为诱导时间T1；
(2)快速生长期：水合物晶核形成后，在高压低温下水合物快速生长，大量气体被消耗导致压力短期内快速下降，大量热量释放并被冷却，导致温度先升后降，时间为t2时，压力下降缓慢、温度趋于稳定，水合物快速生长结束，时间段t1-t2为为快速生长期，对应的时间为快速生长时间T2；
(3)时间段t2-t3为稳定生长期，此阶段压力和温度基本不随时间发生变化，对应的时间为稳定生长时间T3，时间为t3时，认为水合物合成结束，即水合物的合成总时间T＝T1+T2+T3＝t3。
天然气水合物合成的3个阶段中，水合物成核是水合物合成的关键，缩短诱导时间可加速水合物的合成。
对于本车载装置内的水合物合成，为缩短水合物合成时间，当温度和压力达到要求，使用合成过天然气水合物的水进行水合物合成时，不再需要诱导时间，水合物合成直接进入快速生长期；由于车载装置目的是快速回收放空天然气，水合物快速生长期结束即可将其运输至后处理场所，无需稳定生长期。因此，使用合成过天然气水合物的水进行水合物合成时，车载装置内水合物合成时间仅为快速生长期，水合物合成时间设定为2h。
根据天然气管道现场条件(压力、温度)，为缩短车载装置内水合物合成时间，保证安全的前提下尽量使用较低的温度，设定车载装置内水合物合成条件为压力5MPa、温度-15℃。从而，车载装置内水合物在5MPa、-15℃条件下合成2小时后，停止向水合物合罐1内注入天然气，结束水合物合成，将其从换管抢修管段现场运输至后处理场所进行后处理。
步骤S30、天然气水合物后处理；具体如下：
步骤S31、天然气水合物运输；停止向水合物合罐1内注入天然气，结束水合物合成后，需及时将车载装置内水合物运输至后处理场所，进行水合物分解和天然气回收。运输过程中，若停止液氮制冷，则在环境温度影响下车载装置内部温度会升高，其内部的天然气水合物将不能保持稳定状态而分解成天然气和水，造成车载装置内部压力升高，发生安全事故。因此，天然气水合物运输过程中，需保持液氮持续制冷，不能停止对车载装置内水合物的冷却。
步骤S32、天然气水合物分解与天然气回收。天然气水合物运输到后处理场所后，将天然气的出口接管32与后处理场所的天然气接管连接，打开出口接管32上的截止阀33，则水合物合成罐1内部压力降低，从而破坏天然气水合物的稳定条件，水合物逐渐分解成天然气和水；同时，水合物分解时不需要保持低温环境，可停止液氮制冷，使水合物合成罐1内温度在环境温度影响下自然升高，也有利于水合物的分解。水合物分解成天然气和水后，水继续保留在合成罐内，天然气通过后处理天然气接管进入后处理场所再利用。至此，待换管抢修管段内的放空天然气实现回收和再利用。
相较于常规放空天然气换管抢修天然气管道存在的问题，如造成大量天然气资源浪费、放空燃烧产生温室气体二氧化碳、放空燃烧存在安全风险来说，采用合成天然气水合物进行放空天然气回收，具有明显的优点，一旦天然气在水合物合成罐1内合成水合物，水合物中的天然气就能够并且极易通过后处理从水合物中完全分解出来，实现天然气的回收再利用，并且天然气回收率高；由于合成天然气水合物的方法回收放空天然气，不需燃烧天然气，因而不会产生温室气体排放，有利于环境保护。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种车载式天然气水合物回收装置，其特征在于，包括水合物合成罐、液氮制冷装置、天然气注入和回收装置、注水装置，所述水合物合成罐上设有氮气入口、氮气出口；
所述液氮制冷装置包括液氮罐、液氮接管，所述液氮接管包括液氮接管入口管段、液氮接管中间管段、液氮接管出口管段；所述液氮接管中间管段位于在水合物合成罐内，所述液氮接管入口管段、液氮接管出口管段分别在合成罐筒体的氮气入口和氮气出口处固定；所述液氮罐与液氮接管入口管段连接；
所述天然气注入和回收装置包括入口接管、出口接管，所述入口接管、出口接管上均设有截止阀，所述入口接管、出口接管分别安装在水合物合成罐的左右两端，
所述注水装置包括水接管、注水截止阀，所述水接管安装在水合物合成罐的底部，所述注水截止阀设置在水接管上。
2.根据权利要求1所述的一种车载式天然气水合物回收装置，其特征在于，所述水合物合成罐包括左封头、右封头、筒体，所述左封头和右封头为结构和尺寸均相同的椭圆形封头，所述左封头、筒体、右封头依次焊接成一体。
3.根据权利要求2所述的一种车载式天然气水合物回收装置，其特征在于，所述筒体上下部分别设有吊耳、支座。
4.根据权利要求2所述的一种车载式天然气水合物回收装置，其特征在于，所述筒体上还设有人孔组件，所述人孔组件包括人孔接管、法兰和盲板，所述人孔接管安装在筒体上。
5.根据权利要求1所述的一种车载式天然气水合物回收装置，其特征在于，所述液氮接管入口管段、液氮接管出口管段上分别设有调节阀、温度计。
6.根据权利要求1所述的一种车载式天然气水合物回收装置，其特征在于，所述入口接管、出口接管上分别设有减压阀、压力表。
7.根据权利要求1所述的一种车载式天然气水合物回收装置，其特征在于，所述注水装置还包括用于控制和实现水合物合成罐内水自动排放的差压变送器组件，所述差压变送器组件包括带有PLC控制器的差压变送器和均与差压变送器连接的上接管、下接管，所述上接管、下接管分别安装在水合物合成罐的上部、底部。
8.根据权利要求1所述的一种车载式天然气水合物回收装置，其特征在于，所述水合物合成罐上设有鼓泡装置，所述鼓泡装置包括循环泵、循环泵入口接管、循环泵出口接管、鼓泡器；循环泵设置在水合物合成罐外部，循环泵的入口与循环泵入口接管连接，循环泵的出口与循环泵出口接管连接；所述鼓泡器安装在水合物合成罐的内腔底部；循环泵入口接管安装在水合物合成罐的上部，循环泵出口接管安装在水合物合成罐的底部。
9.根据权利要求8所述的一种车载式天然气水合物回收装置，其特征在于，所述鼓泡器包括圆弧板和支撑板，圆弧板的横截面为圆弧型，沿水合物合成罐轴向放置，圆弧板上均匀开设圆孔；支撑板为平板，垂直焊接在圆弧板的底部上，并与水合物合成罐的内腔底部焊接。
10.一种车载式天然气水合物回收方法，其特征在于，该方法采用如权利要求9所述的车载式天然气水合物回收装置，具体包括以下步骤：
步骤S10、向水合物合成罐内注满已参与合成过天然气水合物的水；
步骤S20、并在运输过程中同时开始液氮制冷装置的制冷工作，对水合物合成罐的水进行冷却，将水合物合成罐内的水冷却至水合物合成所需的低温条件；
步骤S30、将水合物合成罐上的入口接管与待换管抢修管段的天然气接管连接，并检查连接处气密性，保证连接处不漏气；
步骤S40、入口接管与待换管抢修管段的连接处检查合格后，预设入口接管上减压阀的高压压力值后，开始向水合物合成罐内注入待换管抢修管段的高压天然气，并通过压力表监测水合物合成罐内的高压压力值；
步骤S50、注入天然气初期，将水接管上的注水截止阀打开，排出合成罐内的部分水，当水合物合成罐内剩余水量达到要求时，差压变送器组件自动关闭水接管上的注水截止阀，停止排水；停止排水后，继续向水合物合成罐内注入天然气，水合物合成罐内压力逐渐增加，直至出口接管的压力达到入口接管上减压阀的预设高压压力值；然后再继续稳定注气；
步骤S60、注入天然气过程中，液氮制冷工作同时进行，液氮冷却水合物合成罐的天然气和水，通过温度计监测并判断水合物合成罐内的温度，再通过调节调节阀的开度来调整液氮流量，使水合物合成罐的温度达到水合物合成所需的低温；
步骤S70、当水合物合成罐内温度和压力达到水合物合成所需温度和压力时，开启鼓泡装置的循环泵，利用鼓泡器对天然气鼓泡，增加天然气和水的接触面积，加快水合物的合成速度；经过一定的水合物合成时间后停止向水合物合成罐内注入天然气；
步骤S80、停止向水合物合成罐内注入天然气后，液氮制冷需持续保持，直到将车载装置内水合物运输至后处理场所；天然气水合物运输到后处理场所后，将出口接管与后处理场所的天然气接管连接，打开出口接管的截止阀，将水合物合成罐的内部压力降低，从而破坏天然气水合物的稳定条件，水合物逐渐分解成天然气和水；同时停止液氮制冷，使水合物合成罐内的温度在环境温度影响下自然升高，利于水合物的分解；水合物分解成天然气和水后，水继续保留在水合物合成罐内，天然气通过后处理天然气接管进入后处理场所再利用。
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