本發明涉及天然氣水合物的合成技術領域，具體涉及一種能夠將天然氣的冷量高效利用的天然氣水合物的合成裝置與方法。
背景技術：
截至2014年，我國天然氣的消耗已接近2000億立方米。經高壓管網輸送的6～10MP高壓天然氣在投入使用前需經過多級調壓使得溫度和壓力達標后方可通過天然氣管網輸送到居民用戶和工業天然氣用戶。目前，將天然氣輸送到用戶的方式，除了最主要的管道輸送，還存在如壓縮天然氣儲運、吸附天然氣儲運以及液化天然氣儲運等其他靈活性較高的輸送天然氣的形式。
不過，對于上述可以將天然氣輸送到用戶的方式而言，由于目前的壓縮天然氣(出于技術本身的原因)普遍存在儲存壓力高、管道輸送不靈活以及吸附儲氣技術相對復雜的不足，而液化天然氣的生產也存在工藝復雜且耗能較高的不足。相較而言，天然氣水合物由于其具有的儲存壓力低、儲存密度大以及在(運輸、儲存及使用操作)方面均較方便的優點，逐漸成為天然氣儲運的重要方式之一。但目前對于天然氣水合物的合成技術尚處于實驗室階段，普遍存在合成速度慢和能耗高的不足。
技術實現要素：
技術問題
有鑒于此，本發明要解決的實際問題是，如何快速、高效地合成天然氣水合物。
解決方案
為了解決上述技術問題，本發明一實施例提供了一種天然氣水合物的合成裝置，該裝置包括：
發電單元，高壓管網輸送的高壓天然氣通入所述發電單元；
水合物合成單元，其包括：
反應器，天然氣和水媒通過直接接觸能夠在其內合成天然氣水合物；
其中，所述發電單元的膨脹機與所述反應器相連接，用于供給所述反應器具有設定的溫度、壓力和流量的天然氣；
其中，所述反應器連接有水源供給組件，用于供給所述反應器具有設定的溫度和壓力的水媒；
冷能回收單元，其設于所述反應器的下游，用于對參與但未合成天然氣水合物的天然氣的冷能進行回收。
對于上述裝置，在一種可能的實現方式中，所述水源供給組件包括噴頭和增壓泵，水箱中的水媒經增壓泵增壓后經噴頭進入反應器內。
對于上述裝置，在一種可能的實現方式中，所述冷能回收單元包括變頻制冷機組以及所述水箱，所述水箱的水媒在增壓泵的作用下流經所述變頻制冷機組后送至所述噴頭。
對于上述裝置，在一種可能的實現方式中，還包括控制部，所述控制部與所述發電單元、所述水合物合成單元以及所述冷能回收單元分別電連接。
對于上述裝置，在一種可能的實現方式中，所述控制部與能夠采集所述反應器內的天然氣的溫度和壓力的第一溫度傳感器和壓力傳感器分別相連接，用于獲取反應器內的天然氣的溫度和壓力信號；并且基于該溫度和壓力信號，所述控制部與所述發電單元的勵磁發電機相連接，所述控制部用于通過調節所述勵磁發電機的勵磁電流來改變所述膨脹機的轉速，進而改變進入所述反應器的天然氣的溫度、壓力和流量；以及
所述控制部還與所述冷能回收單元的變頻制冷機組、能夠采集所述變頻制冷機組出口的水媒的溫度的第二溫度傳感器以及所述水源供給組件的增壓泵分別相連接；
其中，根據所述控制器設定的所述變頻制冷機組出口的天然氣的溫度，通過調節所述變頻制冷機組的工作頻率，來改變所述變頻制冷機組出口的天然氣的溫度；在能夠使得該天然氣的溫度達標的前提下，所述變頻制冷機組將天然氣自身的冷量回收，并用于冷卻流經所述變頻制冷機組的水媒；
其中，基于所述第二溫度器檢測到的所述變頻制冷機組出口的水媒的溫度，所述控制器用于通過調節所述增壓泵的電頻率，在保證水媒的壓力達標的基礎上，通過改變水媒的流量來使得進入所述反應器的水媒的溫度達標。
對于上述裝置，在一種可能的實現方式中，所述勵磁發電機與變頻制冷機組相連接。
對于上述裝置，在一種可能的實現方式中，所述變頻制冷機組的下游設有干燥器，為合成天然氣水合物的天然氣經所述干燥器通往低壓管網。
對于上述裝置，在一種可能的實現方式中，所述干燥機連接至所述水箱。
為了解決上述技術問題，根據本發明的另一實施例提供了一種天然氣水合物的合成方法，該方法包括：
發電步驟：一定流量的高壓天然氣進入膨脹機后，與膨脹機相連接的勵磁發電機將來自高壓管網的高壓天然氣自身所具有的壓力能轉變為電能；
水合物合成步驟：具有設定的溫度、壓力和流量的天然氣以及具有設定的溫度和壓力水媒在反應器內通過直接接觸方式合成天然氣水合物；以及
冷能回收步驟：變頻制冷機組將未合成天然氣水合物的天然氣的自身冷能回收，并將回收的冷能能夠使得所述水合物合成步驟中的水媒降溫。
對于上述方法，在一種可能的實現方式中，還包括參數調整步驟，所述參數調整步驟具體為：
通過調節所述勵磁發電機的勵磁電流，控制進入反應器的天然氣的壓力、溫度和流量；
通過調節所述變頻制冷機組的工作頻率，在保證變頻制冷機組出口的天然氣的溫度達標的前提下，回收參與但未合成天然氣合成物的天然氣自身具有的冷能，并使用回收的冷能來改變變頻制冷機組出口的水媒的溫度；以及
通過調節增壓泵的電頻率，在保證水媒的壓力達標的基礎上，通過改變水媒的流量來使得進入所述反應器的水媒的溫度達標。
有益效果
本發明的天然氣水合物合成裝置通過實時檢測水合物合成單元中的溫度和壓力信號，控制器基于該實時監測的溫度和壓力信號盡可能地促成合成天然氣水合物的合成條件。此外，本發明對未合成天然氣水合物的天然氣自身的冷能進行了回收，并用于產生水合物合成單元所需的低溫水媒。實現了對天然氣的冷量的高效利用。既實現了高壓天然氣的壓力能回收，又充分回收并利用了未合成天然氣水合物的天然氣自身具有的冷能，對能源自身中本被浪費的能量進行了回收和利用。
而且，本發明的天然氣水合物合成裝置具有結構簡單、操作方便以及成本低的優點，適用于大、中、小規模的天然氣壓力能發電和天然氣水合物的生產的應用場合，尤其適用于將高壓天然氣合成天然氣水合物進行儲運的情況，以及需要對天然氣進行調壓的城市中、小型燃氣調壓站。
附圖說明
當結合附圖考慮時，能夠更完整更好地理解本發明。此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。
圖1示出本發明一個實施例的天然氣水合物的合成裝置的結構示意圖。
附圖標記列表
10、控制器 11、第一閥門 12、壓力傳感器 13、第二溫度傳感器 14、第二閥門 15、第二溫度傳感器 20、過濾器 21、勵磁發電機 22、膨脹機 30、水槽 31、增壓泵 32、噴頭 33、反應器 34、排放閥 35、變頻制冷機組 36、干燥器。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明的技術方案作進一步詳細的說明。
實施例1
如圖1所示的一種能夠將天然氣的冷量高效利用的天然氣水合物合成裝置，主要包括發電單元、水合物合成單元、冷能回收單元以及控制部。其中，發電單元主要用于回收經高壓管網輸送來的高壓天然氣自身的壓力能，水合物合成單元主要用于將回收壓力能后的高壓天然氣合成天然氣水合物，冷能回收單元則主要用于回收未合成天然氣水合物的天然氣的冷量，而控制部則與上述發電單元、水合物合成單元以及冷能回收單元分別連接，主要通過對各個環節的調整以及優化各個環節之間的相互影響，來促進天然氣水合物合成裝置的整體處理水平。如具體結構可以包括：
發電單元主要包括勵磁發電機21和膨脹機22，高壓天然氣進入膨脹機22帶動膨脹機22轉動，膨脹機22的轉動帶動勵磁發電機21轉動，從而將高壓天然氣自身的壓力能以電能的形式得以回收。
在一種可能的實施方式中，在膨脹機22的上游設有過濾、凈化作用的過濾器20，主要用于去除高壓天然氣中的可能的雜質。
水合物合成單元主要包括反應器33和水源供給組件，其中水源供給組件主要包括噴頭32和增壓泵32，噴頭32與反應器33的開口對接，以及反應器33還與膨脹機相連接。水合物所需的水媒(冷能回收單元中的變頻制冷機組35提供)經增壓泵32增壓后通過噴頭32進入反應器33，水合物所需的溫度、壓力達標的天然氣則來自于膨脹機22的出口，水媒和天然氣在反應器33內快速、直接接觸，可以合成天然氣水合物。
作為一種具體的實施方式，合成的天然氣水合物通過設于反應器33上的排放閥34與目標(具體的應用場合或者統一的收集裝置)對接；而在水合物合成單元中未合成天然氣水合物的天然氣則通往冷能回收單元。
冷能回收單元主要包括由變頻制冷機組35、水槽30和干燥器36形成的閉環，變頻制冷機組35進一步連接至增壓泵31，用于對反應器33提供水媒，以及干燥器進一步連接至低壓管網。具體地：在反應器33內沒有合成水合物的天然氣通往變頻制冷機組35處理，主要用于回收在水合物合成單元中未合成天然氣水合物的低溫天然氣的自身的冷能，使天然氣的溫度達標后，進一步經過干燥器36處理后，經第二閥門14輸送至低壓管網；而水槽30中的水媒通過變頻制冷機組35回收的冷能(冷量)被冷卻降溫，在溫度達標后經增加泵31送入噴頭32。
作為一種可能的實施方式，可以通過勵磁發電機21產生的電能(中的部分)來驅動變頻制冷機組35，在一定程度上實現了壓力能的回收與再利用的同步。
控制部主要包括控制器10以及與反應器33內的天然氣相關的傳感器組(如包括壓力傳感器12、第一溫度傳感器13和第二溫度傳感器15)。控制器10通過信號電纜與傳感器組、勵磁發電機21、變頻制冷機組35以及增壓泵31分別相連接。具體地：
壓力傳感器12和第一溫度傳感器13分別用于檢測反應器33內的天然氣的壓力和溫度信號，控制器10根據傳感器(12、13)檢測到的(壓力、溫度)信號對勵磁發電機21的勵磁電流進行調節，進而使得膨脹機22的轉速改變，最終改變進入反應器33的高壓天然氣的溫度、壓力以及流量。以及通過調節變頻制冷機組35的工作頻率，在能夠保證變頻制冷機組出口的、將通往低壓管網的天然氣的溫度達標的前提下，盡量回收低溫天然氣中的冷能，并可以將回收的冷能用于使得水媒降溫。同時，基于第二溫度傳感器15檢測到的變頻制冷機組35出口的水媒的溫度，控制器10通過控制增壓泵31的電頻率，在使得通往反應器33的水媒的壓力達標(如不小于控制部的某個設定值)的前提下，通過調整流經變頻制冷機組35的水媒的流量，使得通往反應器33內與天然氣直接接觸的水媒的溫度達標(如不大于控制部的某個設定值)。當然，也可以根據控制部設定出的變頻制冷機組35出口的天然氣溫度，通過變頻制冷機組35自身調節其工作頻率來改變出口處的天然氣的溫度即可。
以及干燥器36進一步連接至水槽30，用于將干燥天然氣時瀝出的水分通至水槽，具有節水的效果。
作為一種可能的實施方式，控制器10還通過信號電纜與設于發電單元上游端的、連接至高壓管網的第一閥門11和干燥器36下游端的、連接至低壓管網第二閥門14分別相連接，主要是為了保證本發明的天然氣合成物合成裝置與高壓管網以及低壓管網始終處于可連通的狀態。
作為一種可能的實施方式，反應器33優選為混合式熱質交換器。膨脹機22則可以選用單螺桿膨脹機、雙螺桿膨脹機、渦旋膨脹機、滾動轉子膨脹機或者活塞式膨脹機中的一種，不過通常優選為單螺桿膨脹機。保證本發明的裝置與高壓管網和低壓管網處于可連通狀態的第一閥門11和第二閥門24可以分別選用電控啟動閥和氣動啟動閥。反應器33中的水媒則可以優選濃度為0.5～0.7mol/L(如0.6mol/L)的十二烷基硫酸鈉溶液或者礦物質水源。此外，可以通過選用一組或者多組膨脹機22的方式來調整進入反應器33的天然氣的流量。
可以看出，通過控制部的調節，本發明的天然氣水合物合成裝置保證了通往反應器的高壓天然氣(溫度、壓力和流量)和水媒(溫度、壓力)，以及通往低壓管網的天然氣的(溫度、濕度)均處于控制部的設定范圍，在實現了反應器33內高效合成天然氣水合物的同時，充分回收了高壓天然氣自身的壓力能以及未合成天然氣水合物的天然氣自身的冷能。
實施例2
一種能夠將天然氣的冷量高效利用的天然氣水合物合成方法，主要包括發電步驟、水合物合成步驟、冷能回收步驟以及參數調整步驟。其中，發電步驟主要回收經高壓管網輸送來的高壓天然氣自身的壓力能，水合物合成步驟主要將回收壓力能后的高壓天然氣合成天然氣水合物，冷能回收步驟則主要回收未合成天然氣水合物的天然氣的冷量，而參數調整步驟則主要通過對各個步驟的調整以及優化各個環節之間的相互影響，來促進合成天然氣水合物的水平。如具體步驟可以包括：
S201、發電步驟：一定流量的高壓天然氣進入膨脹機22帶動膨脹機22轉動，膨脹機22的轉動帶動勵磁發電機21轉動，勵磁發電機21由于轉動而產生電能。
也就是說，在步驟S201中，主要實現了將來自高壓管網的高壓天然氣自身所具有的壓力能轉變為電能的過程。
在一種可能的實施方式中，在發電步驟之前，可以包括過濾步驟，主要用于去除高壓天然氣中的可能的雜質。
S202、水合物合成步驟：水媒以及來自于膨脹機22出口的天然氣分別通往用于合成天然氣水合物的反應器33內，水媒和天然氣在反應器33內快速、直接接觸，合成目標產物天然氣水合物。
在步驟S202中，當然由于反應條件的關系，不可能保證100％的合成率。事實上，通常情形下只有約30％左右的高壓天然氣合成了天然氣水合物，這部分天然氣水合物可以通過排放閥與目標對接，而剩下的天然氣則由于也在反應器33中經歷了步驟S202，因此變成了低溫且具有濕度的天然氣，如果簡單地將其進行除濕、加熱大使其溫度、濕度達標后通往低壓管網，該部分天然氣自身的冷能被白白浪費。
恰恰是為了避免這部分冷能被白白浪費，因此方法還包括針對在水合物合成步驟中未合成天然氣水合物的天然氣的步驟，即：
S203、冷能回收步驟：變頻制冷機組35將未合成天然氣水合物的低溫天然氣的自身的冷能回收之后，可以用于冷卻水媒，使水媒的溫度達到步驟202所要求的溫度要求。
可以看出，步驟S203對參與了水合物合成步驟、但是未合成天然氣水合物的低溫天然氣的自身冷能實現了高效的回收。
為了盡可能地優化、促成各個步驟的完成，方法還包括以控制器10作為核心的步驟，即：
S204、參數調整步驟，其主要用于：
1)根據檢測到的反應器33內的天然氣的壓力、溫度信號對勵磁發電機21的勵磁電流進行調節，勵磁電流的改變使得膨脹機22的轉速改變，最終改變了實時進入反應器33的高壓天然氣的溫度、壓力和流量。
2)基于控制部設定的天然氣的溫度，通過調整變頻制冷機組35的工作頻率，在保證變頻制冷機組35出口處的天然氣的溫度符合通往低壓管網的溫度標準的前提下，盡可能地回收低溫天然氣自身具有的冷能以及可以將回收的冷能用于使得水媒降溫。當然此處對于工作頻率的調整，可以是控制部對變頻制冷機組35的工作頻率進行調整，也可以是變頻制冷機組35自身對其工作頻率進行調整。前者有助于實現裝置整體的自動化，而后者則便于實現裝置的可靠運行。如，在控制部對變頻制冷機組35的調節發生故障時，變頻制冷機組35仍然可以通過自身調整工作頻率來保證通往低壓管網的天然氣溫度達標。
3)在2)中回收的冷量一定的前提下，基于第二溫度傳感器15檢測到的變頻制冷機組35出口的水媒的溫度，控制器10還通過控制增壓泵31的電頻率來改變水媒的流量，使得進入反應器33內與天然氣直接接觸的水媒的溫度達標。
在一種可能的實施方式中，通過控制器10來實現參數調整步驟的工作原理可以為：
當控制器10檢測到的反應器33內的天然氣的壓力低于控制器10中所設定的壓力水平時，則控制器10基于接收到的壓力信號，向勵磁發電機21發送降低勵磁電流的信號，勵磁發電機21根據接收到的勵磁電流信號，將發勵磁電機21和膨脹機22的轉速同時升高，膨脹機22中的天然氣壓力隨即升高，直到控制器10檢測到的天然氣壓力不低于控制器10中的設定水平。以及
當控制器10通過檢測到的反應器33內的天然氣溫度高于控制器10中設定的溫度水平時，則控制器10基于接收到的溫度信號，向勵磁發電機21發送降低勵磁電流的信號，勵磁發電機21根據接收到的勵磁電流信號，將勵磁發電機21和膨脹機22的轉速同時升高，通過膨脹機22中的天然氣的溫度隨即降低，直到控制器10檢測到的天然氣的溫度不高于控制器10中的設定水平。當然，若檢測到的天然氣的溫度低于控制器10中設定的溫度水平時，則控制器10不因此動作，即不發送任何控制信號指勵磁發電機21。
在一種可能的實施方式中，通過膨脹機22和勵磁發電機21來實現發電步驟的工作流程具體為：
高壓管網的低溫高壓的天然氣(此處的低溫，可以解釋為常溫或略低于常溫)進入膨脹機22，在膨脹機22中膨脹，一方面，由于壓力降低，低溫高壓的天然氣變為低溫低壓的天然氣，另一方面，天然氣驅動膨脹機22轉動，膨脹機22帶動勵磁發電機21轉動發電，即將壓力能回收。在這個過程中，控制器10根據接收到的第一溫度傳感器13以及如設于膨脹機22和反應器33之間的壓力傳感器12的信號，通過調整輸出的勵磁電流信號來調節勵磁發電機21的轉速，進而對膨脹機22中天然氣的流量進行調節，使得進入反應器33的天然氣在壓力達標的前提下，流量也達標。
在一種可能的實施方式中，主要通過反應器33和變頻制冷機組35和來實現水合物合成步驟和冷能回收步驟的工作流程具體為：
經增壓泵31增壓后的水媒經噴嘴32噴射霧化，噴射壓力的大小決定著霧化程度和噴水量，通過控制器10對增壓泵31進行調整，使得水媒的壓力達到設定水平。顯然，此處的噴射壓力必須高于反應器33中的天然氣壓力。天然氣與水霧在反應器33內通過直接接觸的方式進行熱質交換后，形成的天然氣水合物的經排放閥34排出反應器33與目標對接，而未形成天然氣水合物的天然氣則通過變頻制冷機組35回收其自身具有的冷能，之后在溫度、濕度達標后通往低壓管網。作為一種優選，可以通過勵磁發電機21產生的電能可以用于驅動變頻制冷機組35。具體地，這部分天然氣則先經過變頻制冷機組35將其冷能回收，(以變頻制冷機組35自身調整其工作頻率為例，通過控制器10設定變頻制冷機組35出口的天然氣的溫度，變頻制冷機組35基于該溫度，通過調整自身的工作頻率，使其溫度升高至能夠通往低壓管網的水平(即使得參與但未合成天然氣水合物的、通往低壓管網的天然氣升溫。)，借助于干燥器36進一步使得該部分天然氣的濕度也達標。
對于變頻制冷機組35在此過程中回收的冷能，在增壓泵31的驅動下，水槽30中的水媒通入變頻制冷機組35后在該部分冷能的作用下得以冷卻降溫，并通過控制器10對增壓泵31的電頻率進行調整，在前述水媒的壓力已經達標的基礎上，實現了通往反應器33內的水媒的溫度達標。
在實際中，本發明的天然氣水合物的合成裝置的啟動過程為：啟動裝置后，首先向控制閥門的控制器10供電，然后控制器10向第一閥門11和第二閥門14發送開啟信號，實現裝置與高壓管網和低壓管網的連通；通過實時、反復地檢測反應器33中的天然氣的溫度和壓力，通過調節勵磁發電機21的勵磁電流信號來調節勵磁發電機21和膨脹機22的轉速，直至控制器10檢測到的天然氣的溫度不高于控制器10的設定溫度水平，以及天然氣的壓力不低于控制器10的設定壓力水平為止；開啟變頻內制冷機組35，在天然氣的溫度、壓力達標后通過啟動增壓泵31和噴頭33將高壓霧化水送入反應器33內，使得低溫、低壓的天然氣與高壓霧化的水媒通過直接接觸的方式進行熱質交換，合成天然氣水合物，并使得變頻制冷機組35出口的天然氣的溫度達標。
可以看出，本發明在合成天然氣水合物的過程中，通過對天然氣的(溫度、壓力、流量)，以及水媒的(溫度、壓力)進行調整，促成了天然氣水合物的合成。同時分別對高壓天然氣的自身壓力能、未形成水合物天然氣的天然氣自身的冷能進行了有效的回收，優化了裝置的整體性能。
如上所述，對本發明的實施例進行了詳細地說明，顯然，只要實質上沒有脫離本發明的發明點及效果、對本領域的技術人員來說是顯而易見的變形，也均包含在本發明的保護范圍之內。