專利名稱：水合物儲運(yùn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水合物儲藏及運(yùn)輸設(shè)備，具體是一種集水合物的生成、制冷、儲 存、運(yùn)輸和氣化功能為一體的水合物儲罐。
背景技術(shù)：
天然氣水合物儲運(yùn)技術(shù)是正在研究和發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，其核心思想是水和天然 氣在高壓低溫下形成水合物，然后將溫度降低到-5'C -20°C，利用水合物的自保性， 水合物在低溫常壓下能儲存很長時(shí)間。lm3水合物能儲存標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下150 1801113的 天然氣。我們用大量的實(shí)驗(yàn)分別驗(yàn)證了在大氣壓力下和在-5'C、 -l(TC和-18'C的冷凍 庫中儲存的天然氣水合物的穩(wěn)定性。試驗(yàn)表明儲存在冷凍條件下的樣品能夠保持長 期穩(wěn)定。水合物儲運(yùn)技術(shù)不僅有儲存空間小的優(yōu)點(diǎn)，而且它較氣態(tài)和液態(tài)天然氣更安 全，因?yàn)樗衔锊灰兹紵?，水合物的分解過程緩慢。ln^水合物相當(dāng)于21MPa高壓下 的ln^壓縮天然氣。與管道天然氣運(yùn)輸或者液化天然氣運(yùn)輸相比，水合物需要較低的 投資和運(yùn)行耗費(fèi)，較低的成本、簡單和靈活的處理過程使得水合物運(yùn)輸天然氣值得推 廣發(fā)展。在國外，特別是挪威和日本對這種技術(shù)非常重視，對水合物儲運(yùn)技術(shù)的各個(gè) 方面和環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究，發(fā)展了一種水合物雪球運(yùn)輸鏈，它包括水合物的生成、成型、 儲存、運(yùn)輸和氣化等過程。但是，它離商業(yè)化應(yīng)用還有一定距離，還有許多技術(shù)問題 需要研究解決。從國內(nèi)來看，水合物儲運(yùn)技術(shù)研究相對較少，也沒有實(shí)際應(yīng)用的實(shí)例。 目前天然氣的運(yùn)輸和集散主要通過天然氣管道，部分采用液化天然氣和壓縮天然氣的 方式。我國有大量的分散的小氣田，產(chǎn)氣量小，液化天然氣和管道輸送法都不經(jīng)濟(jì)適 用。如果天然氣儲運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性得不到有效提高，這些氣田將無法進(jìn)行開采和利用，因 此，需要一種安全可靠、費(fèi)用低的天然氣儲運(yùn)方式和設(shè)備。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是要研制一種水合物儲罐，該儲罐能集水合物的生 成、冷凍、儲存、運(yùn)輸和氣化為一體，減少成型、裝卸等中間環(huán)節(jié)，從而減少設(shè)備投 資和總費(fèi)用。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是采用管式層狀結(jié)構(gòu)，即將一定數(shù)量的 鋼管一層一層地排列起來，構(gòu)成一個(gè)儲存單元，管道的兩端封閉，使管道內(nèi)部空間和 管道外部空間隔開，將整個(gè)儲存單元裝入一個(gè)密閉空間內(nèi)。
在每根管道的兩端離端面10 15cm處各設(shè)一塊擋板，擋板為圓弧形，將管道分 成左中右三個(gè)腔室，擋板的高度為內(nèi)徑的70% 90%，水合物在中間腔室中形成。在中間腔室中靠近擋板5 10cm處的管道底部開各有一個(gè)排水口，用于將腔室B中的水 排出。兩端的腔室為隔離腔室，水合物形成時(shí)兩端的腔室中沒有水，所以不會(huì)形成水 合物。兩端腔室的作用是避免水合物的形成而堵塞進(jìn)出氣管線。管道兩端的端面各開 設(shè)上下兩個(gè)進(jìn)出氣(水)口，外面用管線互相連通。單元內(nèi)管道末端的進(jìn)出氣(水) 管線連接在一起，形成一個(gè)總的進(jìn)出氣(水)管線，即每個(gè)單元只有三個(gè)進(jìn)出氣口， 一個(gè)排水口。制冷空腔中也開設(shè)一個(gè)制冷劑進(jìn)口和一個(gè)制冷劑出口。
管道的直徑優(yōu)選12 18cm，管道材料為具有良好導(dǎo)熱性的鋼管或耐壓質(zhì)輕的其 它材料，管道耐壓4 6MPa，水合物形成時(shí)不再需要額外的高壓容器。每層管道的數(shù) 量優(yōu)選8 24根，可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整。每個(gè)單元管道的層數(shù)優(yōu)選6 18層，也可 根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整。每根管道的長度為2 10m，如果將整個(gè)單元放到水合物儲運(yùn)汽 車/火車上，則根據(jù)車輛情況來確定管道的尺寸和數(shù)量。
本發(fā)明將一定數(shù)量的管道一層一層地排列起來，構(gòu)成一個(gè)儲存單元，所有管道的 兩端密封，每根管道內(nèi)部靠近兩端各安裝一塊擋板將管道分隔成三個(gè)腔室，擋板的高 度小于管道內(nèi)徑，中間腔室B中會(huì)有約80%的水留在管道中，水合物在中間腔室中 形成，兩端的腔室為隔離腔室，水合物形成時(shí)這兩個(gè)腔室中沒有水，設(shè)在兩個(gè)端面上 的上進(jìn)出氣口能防止兩端腔室中的殘留水形成水合物堵塞下排水口，整個(gè)儲存單元密 封于一個(gè)密閉空間內(nèi)，管道外部與密閉容器之間構(gòu)成的空間可以作為制冷劑的流通空 間而不需要另外的專門管道。
圖l是儲罐單元剖面圖。
圖2是單根管道結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是儲罐單元側(cè)視圖。
圖中l(wèi)一密閉空間，2 —制冷劑流通空間，3、 6 —進(jìn)出氣(水)管線，4、 7 — 排水口， 5、 8_擋板，9一制冷劑出口， IO—進(jìn)出氣(水)管線，ll一進(jìn)出氣(水) 口， 12 —制冷劑進(jìn)口， 13_進(jìn)出氣(水)口， 14一排水口， 15 —上進(jìn)出氣(水)口， 16 —下進(jìn)出氣(水)口。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來具體描述本發(fā)明。 實(shí)施例1
如圖1所示，采用管式層狀結(jié)構(gòu)將432根直徑為18cm長為10米的鋼管按每層 24根排列18層構(gòu)成一個(gè)儲存單元，每根管道的兩端封閉，使管道內(nèi)部空間和管道外 部空間隔開，將整個(gè)儲存單元裝入一個(gè)密閉空間1內(nèi)，管道外部與密閉空間1之間構(gòu) 成的空間用作為制冷劑的流通空間2。在每根管道的兩端離端面15cm處各設(shè)置一塊 擋板5和8，如圖2所示，將管道分成左中右三個(gè)腔室A、 B和C，擋板為圓弧形，擋板5和8的高度為管道內(nèi)徑的80%。水合物在中間腔室B中形成，在中間腔室B 中靠近擋板5和8相距10cm處的管道底部各開有1個(gè)排水口 4和7，用于將中間腔 室B中的水排出。兩端的腔室A和C為隔離腔室，水合物形成時(shí)腔室A和腔室C中 沒有水，所以不會(huì)形成水合物。兩端腔室A和C的作用是避免水合物的形成而堵塞 進(jìn)出氣管線。腔室A的端面開設(shè)上下兩個(gè)進(jìn)出氣(水)口15和16，外面用管線互相 連通。下進(jìn)出氣(水)口 16的作用是方便腔室A中的水排出，所以外部連接的管線 應(yīng)低于下進(jìn)出氣(水)口 16。上進(jìn)出氣口 15能防止腔室A中的殘留水形成水合物后 堵塞下進(jìn)出氣(水)口 16。腔室C端面結(jié)構(gòu)與腔室A端面結(jié)構(gòu)相同。單元內(nèi)管道末 端的進(jìn)出氣(水)管線連接在一起，如圖3所示，形成一個(gè)總的進(jìn)出氣(水)管線， 即每個(gè)單元只有三個(gè)進(jìn)出氣口， 一個(gè)排水口。制冷劑流通空間2中也開設(shè)一個(gè)制冷劑 進(jìn)口 12和一個(gè)制冷劑出口 9。管道材料選擇具有良好導(dǎo)熱性的鋼管或耐壓質(zhì)輕的其它 材料，管道耐壓6MPa，水合物形成時(shí)不再需要額外的高壓容器。密閉空間l采用鋼 制或其它強(qiáng)度符合要求，保溫性能好的材料，對壓力沒有特別要求，只需要制冷劑不 泄漏即可。制冷劑流通空間2不需要另外的專門管道，直接利用管道外部空間即可。 為了減少熱量損失，整個(gè)單元外部應(yīng)該加保溫材料或?qū)⒄麄€(gè)儲存單元放入一個(gè)保冷的 空間中。
實(shí)施例2
如圖1所示，采用管式層狀結(jié)構(gòu)將48根直徑為12cm長為2米的鋼管按每層8 根排列6層構(gòu)成一個(gè)儲存單元，每根管道的兩端封閉，使管道內(nèi)部空間和管道外部空 間隔開，將整個(gè)儲存單元裝入一個(gè)密閉空間1內(nèi)，管道外部與密閉空間1之間構(gòu)成的 空間用作為制冷劑的流通空間2。在每根管道的兩端離端面10cm處各設(shè)置一塊擋板5 和8，如圖2所示，將管道分成左中右三個(gè)腔室A、 B和C，擋板為圓弧形，擋板5 和8的高度為管道內(nèi)徑的90%。水合物在中間腔室B中形成，在中間腔室B中靠近 擋板5和8相距5cm處的管道底部各開有1個(gè)排水口 4和7，用于將中間腔室B中的 水排出。兩端的腔室A和C為隔離腔室，水合物形成時(shí)腔室A和腔室C中沒有水， 所以不會(huì)形成水合物。兩端腔室A和C的作用是避免水合物的形成而堵塞進(jìn)出氣管 線。腔室A的端面各開設(shè)上下兩個(gè)進(jìn)出氣(水)口15和16，外面用管線互相連通。 下進(jìn)出氣(水)口 16的作用是方便腔室A中的水排出，所以外部連接的管線應(yīng)低于 下進(jìn)出氣(水)口 16。上進(jìn)出氣口 15能防止腔室A中的殘留水形成水合物后堵塞下 進(jìn)出氣(水)口 16。腔室C端面結(jié)構(gòu)與腔室A端面結(jié)構(gòu)相同。單元內(nèi)管道末端的進(jìn) 出氣(水)管線連接在一起，如圖3所示，形成一個(gè)總的進(jìn)出氣(水)管線，即每個(gè) 單元只有三個(gè)進(jìn)出氣口， 一個(gè)排水口。制冷劑流通空間2中也開設(shè)一個(gè)制冷劑進(jìn)口 12 和一個(gè)制冷劑出口 9。管道材料選擇具有良好導(dǎo)熱性的鋼管或耐壓質(zhì)輕的其它材料， 管道耐壓6MPa左右，水合物形成時(shí)不再需要額外的高壓容器。密閉空間l采用鋼制
5或其它強(qiáng)度符合要求，保溫性能好的材料，對壓力沒有特別要求，只需要保證制冷劑 不泄漏即可。制冷劑流通空間2不需要另外的專門管道，直接利用管道外部空間。為 了減少熱量散失，整個(gè)單元外部應(yīng)該加保溫材料或?qū)⒄麄€(gè)儲存單元放入一個(gè)保冷的空 間中。
實(shí)施例3
如圖1所示，采用管式層狀結(jié)構(gòu)將192根直徑為15cm長為6米的鋼管按每層16 根排列12層構(gòu)成一個(gè)儲存單元，每根管道的兩端封閉，使管道內(nèi)部空間和管道外部 空間隔開，將整個(gè)儲存單元裝入一個(gè)密閉空間1內(nèi)，管道外部與密閉空間1之間構(gòu)成 的空間用作為制冷劑的流通空間2。在每根管道的兩端離端面12cm處各設(shè)置一塊擋 板5和8，如圖2所示，將管道分成左中右三個(gè)腔室A、 B和C，擋板為圓弧形，擋 板5和8的高度為管道內(nèi)徑的90%。水合物在中間腔室B中形成，在中間腔室B中 靠近擋板5和8相距8cm處的管道底部各開有1個(gè)排水口 4和7，用于將中間腔室B 中的水排出。兩端的腔室A和C為隔離腔室，水合物形成時(shí)腔室A和腔室C中沒有 水，所以不會(huì)形成水合物。兩端腔室A和C的作用是避免水合物的形成而堵塞進(jìn)出 氣管線。腔室A的端面各開設(shè)上下兩個(gè)進(jìn)出氣(水)口 15和16，外面用管線互相連 通。下進(jìn)出氣(水)口 16的作用是方便腔室A中的水排出，所以外部連接的管線應(yīng) 低于下進(jìn)出氣(水)口 16。上進(jìn)出氣口 15能防止腔室A中的殘留水形成水合物后堵 塞下進(jìn)出氣(水)口 16。腔室C端面結(jié)構(gòu)與腔室A端面結(jié)構(gòu)相同。單元內(nèi)管道末端 的進(jìn)出氣(水)管線連接在一起，如圖3所示，形成一個(gè)總的進(jìn)出氣(水)管線，即 每個(gè)單元只有三個(gè)進(jìn)出氣口， 一個(gè)排水口。制冷劑流通空間2中也開設(shè)一個(gè)制冷劑進(jìn) 口 12和一個(gè)制冷劑出口 9。管道材料選擇具有良好導(dǎo)熱性的鋼管或耐壓質(zhì)輕的其它材 料，管道耐壓6MPa左右，水合物形成時(shí)不再需要額外的高壓容器。密閉空間l采用 鋼制或其它強(qiáng)度符合要求，保溫性能好的材料，對壓力沒有特別要求，只需要保證制 冷劑不泄漏即可。制冷劑流通空間2不需要另外的專門管道，直接利用管道外部空間。 為了減少熱量散失，整個(gè)單元外部應(yīng)該加保溫材料或?qū)⒄麄€(gè)儲存單元放入一個(gè)保冷的 空間中。
如果將整個(gè)儲存單元放到汽車或火車上，則根據(jù)車輛的具體情況來確定管道的尺 寸和數(shù)量。
形成水合物的操作過程，先關(guān)閉圖3中排水口 9和進(jìn)出氣(水)口 11閥門，從 進(jìn)出氣(水)口 13通入反應(yīng)水，灌滿水后，從進(jìn)出氣(水)口 IO通入氣體，將多余 的水從進(jìn)出氣(水)口 11和13中排出，這樣操作的好處是不需要置換空氣。由于每 根管道末端擋板5的作用，每根管道中腔室B中會(huì)有約80%的水留在管道中，而腔 室A中的水全部排出來。水排完后，可以從進(jìn)出氣(水)口 10、 11或13任一處通入 要形成水合物的氣體，也可以同時(shí)通入，加壓后在管道中形成水合物。從制冷劑進(jìn)口4通入制冷劑，制冷劑通過整個(gè)管道外部空間后從制冷劑出口 14排出，對整個(gè)管道系 統(tǒng)制冷。水合物在管道內(nèi)形成并實(shí)現(xiàn)自壓實(shí)。水合物在管道中形成后，對其進(jìn)行降溫， 即控制制冷劑溫度到需要溫度，卸壓，冷凍到一15 一20。C，密閉儲存，壓力0.3 0.5MPa，也可進(jìn)行常壓儲存。可以將整個(gè)儲罐單元系統(tǒng)放入儲存運(yùn)輸容器中，實(shí)現(xiàn)對 水合物的儲存運(yùn)輸。當(dāng)然，也可以將水合物汽車(火車)槽車做成一個(gè)這樣的水合物 儲罐，由一個(gè)或幾個(gè)單元構(gòu)成，水合物形成后，不需要裝車，直接將其運(yùn)輸?shù)侥康牡?即可。
水合物運(yùn)輸要目的地后，接著進(jìn)行水合物的氣化，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使水合物的氣 化變得簡單，可以直接在每個(gè)單元的內(nèi)部制冷空間通入大于15'C的水即可，如果附近 有可利用的熱源，則氣化的速度會(huì)更快。水合物氣化后，打開每個(gè)儲罐單元底部的閥 門，可對水進(jìn)行回收。
需要說明的是，本發(fā)明只提供一種水合物儲罐結(jié)構(gòu)和儲存運(yùn)輸技術(shù)，對水合物形 成的細(xì)節(jié)問題如活性劑類型、濃度、形成溫度等問題，文獻(xiàn)已經(jīng)有很多報(bào)道，不在本 發(fā)明的要求保護(hù)的范圍內(nèi)，下面給出形成水合物的具體條件要求
(1) .水源水合物的生成對水質(zhì)沒有特殊的要求，含有一定量的雜質(zhì)的水可能
更容易生成水合物。所以不需要對水作凈化處理，只要求其中不含有抑制水合物生成 的離子及有機(jī)物，不對儀器設(shè)備產(chǎn)生腐蝕作用即可。
(2) .表面活性劑為了加快水合物的形成， 一般向水中加入一定量的表面活性
劑，降低水的表面張力，以加快水合物的形成速度。國內(nèi)外很多學(xué)者研究了各種表面 活性劑對水合物形成的影響，從經(jīng)濟(jì)性和效果綜合比較看，十二烷基硫酸鈉是最好的 表面活性劑。因此，選用陰離子表面活性劑十二垸基硫酸鈉進(jìn)行了水合物的生成試驗(yàn)， 研究了活性劑濃度對水合物形成速度和水合物的含氣率的影響，確定了最佳的表面活
性劑濃度為300ppm左右。因此，在形成水合物的水中加入300ppm的十二垸基硫酸 鈉，加入前應(yīng)充分?jǐn)嚢琛?br>
(3) .壓力控制在4 6MPa，進(jìn)入水合物反應(yīng)容器，溫度控制在0 4'C。 綜上所述，本發(fā)明通過對水合物儲罐結(jié)構(gòu)和管式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，有制造工藝簡單、
耐壓能力強(qiáng)、傳熱效果好、水合物易于形成的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了水合物靜態(tài)條件下的快速 生成。氣體和水在每一根管道內(nèi)和水接觸，形成水合物，由于水合物的"攀壁"效應(yīng)， 水合物會(huì)沿著管壁面形成，并靠水合物自身的膨脹效應(yīng)實(shí)現(xiàn)水合物的自壓實(shí)。管道外 壁的表面積大，強(qiáng)化了傳熱。利用管道外壁的空間迸行制冷，不需要額外的制冷管道， 且制冷效果更好。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也有利于水合物的氣化，減少了水合物成型、裝卸 等中間環(huán)節(jié)，簡化了水合物的儲運(yùn)工藝，節(jié)約了設(shè)備投資和操作費(fèi)用。
權(quán)利要求
1. 一種水合物儲運(yùn)裝置，采用管式層狀結(jié)構(gòu)，其特征是，由6～18層、每層8～24根管道排列起來構(gòu)成一個(gè)儲存單元，每根管道的兩端封閉，端面各開有上下兩個(gè)進(jìn)出氣/水口，并用管線連接在一起，在每根管道內(nèi)離兩端10～15cm處各安裝一塊圓弧形擋板(5)和(8)，將管道分隔成左中右三個(gè)腔室，擋板的高度為管道內(nèi)徑的70％～90％，整個(gè)儲存單元置于密封空間內(nèi)，密封空間的上下各有一個(gè)開口，作為制冷劑的出口(9)和進(jìn)口(12)。
2. 依據(jù)權(quán)利要求1所說的水合物儲運(yùn)裝置，其特征是，管道的直徑為12 18cm、 長度為2 10m。
3. 依據(jù)權(quán)利要求1所說的水合物儲運(yùn)裝置，其特征是，每根管道中間腔室在靠近 擋板5 10cm處開有排水口 (4)和(7)。
4. 依據(jù)權(quán)利要求l所說的水合物儲運(yùn)裝置，其特征是，密閉空間的上部有l(wèi)個(gè)進(jìn) 出氣/水口 (10)，底部有2個(gè)進(jìn)出氣/水口 (11)和(13)，用于安裝單元內(nèi)管道進(jìn)出 氣/水管線。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種水合物儲運(yùn)裝置，采用管式層狀結(jié)構(gòu)，將一定數(shù)量的管道層層排列起來構(gòu)成一個(gè)儲存單元，每根管道內(nèi)靠近兩端處各安裝一塊擋板，擋板的高度為管道內(nèi)徑的70％～90％，管道的兩端封閉，端面上開有2個(gè)進(jìn)出氣/水口，整個(gè)儲存單元置于密閉空間內(nèi)，在密閉空間箱體上開有2個(gè)制冷劑的進(jìn)出口，可利用管道外壁的空間進(jìn)行制冷，不需要額外的制冷管道，且制冷效果更好。按本發(fā)明設(shè)計(jì)的水合物儲運(yùn)裝置集水合物的生成、冷凍、儲存、運(yùn)輸和氣化為一體，減少成型、裝卸等中間環(huán)節(jié)，節(jié)約了設(shè)備投資和操作費(fèi)用。
文檔編號F17C11/00GK101520130SQ20091002049
公開日2009年9月2日 申請日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者唐建峰, 李旭光, 李玉星 申請人:中國石油大學(xué)(華東)