CN1690360A - 一种海底天然气水合物的开采方法及系统 - 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系统。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系统的燃料发电，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。其系统包括：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系统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系统。
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系统，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系统中的地面设备，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系统内，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系统，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系统。所发电力，一方面用于满足整个开采系统的电力需求，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，用于联合循环发电系统发电，以满足整个开采系统的电力需求外，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系统的燃料发电，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；所以该系统使用方便。
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系统和流程示意图
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系统和流程示意图
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系统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系统，利用该系统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的系统，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系统中的地面设备，并备有海底天然气水合物的开采系统中的的海底设备。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系统的发电需求(包括整个开采系统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，整个开采系统的耗电量约为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系统，利用该系统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的系统，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的系统，在系统的平台上安装图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，以满足整个开采系统的电力需求；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系统，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系统，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系统，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系统，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系统，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系统，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所述的开采系统，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系统中的地面设备；
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系统内，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系统，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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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| 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 |