一种利用LNG冷能与压力能的天然气水合物生成系统的制作方法

本发明涉及lng接收站中lng冷能和压力能的利用以及水合物生产方式技术领域，特别是涉及一种利用lng冷能与压力能的天然气水合物生成系统。

背景技术：

lng(液化天然气)是常压下-162℃的低温液体，每吨lng气化时可产生约240kwh(千瓦时)冷能，合理利用这部分冷能可产生可观的经济效益。具体地，可将冷能用于海水淡化、空气分离以及发电等领域。

由于lng接收站在运行过程中受外界能量的输入，如泵运转、周围环境热量的泄入、大气压变化以及环境影响等都会使处于极低温的液化天然气受热蒸发，因此不可避免会产生大量的bog(蒸发气)。lng接收站的bog的回收方法一种是直接输出工艺，但其压缩机能耗高，是制约整个工艺能耗的关键点；另一种是再冷凝工艺，但当外输量波动较大时，不能有效的将bog冷凝为lng，导致bog直接燃烧排放，造成浪费。目前还没有找到一种高效利用bog的系统工艺。

天然气水合物是天然气与水在低温高压下形成的笼形固体，1立方米的天然气水合物理论上可以储存150立方米到180立方米的天然气，虽然ngh(天然气水合物)汽化过程费用比lng法高出9％，但总费用却比lng法低出26％。对远距离输送天然气，lng储运方式有利。但若输气量不大，则ngh储运方式更具经济优势。天然气水合物的形成需要较多的冷量以及中高压的天然气。

因此，本发明提供一种高效利用加压后lng冷能与压力能制备水合物的系统，将储罐挥发产生的bog以及lng的冷能有机结合，为天然气水合物的生成和储存以及bog的处理提供条件。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种利用lng冷能与压力能的天然气水合物生成系统，以解决现有技术中lng(液化天然气)是常压下-162℃的低温液体，每吨lng汽化时可产生约240kwh(千瓦时)冷能，合理利用这部分冷能可产生可观的经济效益，由于lng接收站在运行过程中受外界能量的输入会使处于极低温的液化天然气受热蒸发，因此不可避免会产生大量的bog(蒸发气)。lng接收站的bog的回收方法一种是直接输出工艺，但其压缩机能耗高，是制约整个工艺能耗的关键点；另一种是再冷凝工艺，但当外输量波动较大时，不能有效的将bog冷凝为lng，导致bog直接燃烧排放，造成浪费。目前还没有找到一种高效利用bog的系统工艺的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种利用lng冷能与压力能的天然气水合物生成系统，包括：液化天然气输送系统、液化天然气换热系统以及中高压ng与低温水混合系统，其中，所述液化天然气输送系统包括lng储液罐、高压泵以及气化器，所述lng储液罐的第一出口通过低压lng输出管线与所述高压泵的入口连通，所述高压泵的出口通过高压lng输出管线分别与所述气化器的第一入口以及低温高压lng进口管线连通；所述液化天然气换热系统包括水合物储罐和换热器，其中，所述水合物储罐的第一入口与所述低温高压lng进口管线连通，所述水合物储罐的第一出口通过lng出口管线与所述换热器的第一入口连通；水泵，所述水泵的第一入口与所述换热器的第二出口连通，所述水泵的第一出口通过低温水进口管线与所述水合物生成装置的第一入口连通；所述中高压ng与低温水混合系统包括旋风混合器和所述水合物生成装置，其中，所述旋风混合器的低压入口通过bog输出管线与所述lng储液罐的第二出口连通，所述旋风混合器的高压进气口通过高压ng出口管线与所述水合物生成装置的第一出口连通，所述旋风混合器的中高压出气口与所述水合物生成装置的第二入口连通，所述水合物生成装置的第三入口通过低温高压ng进口管线与所述换热器的第一出口连通。

其中，所述旋风混合器包括锥形筒体、与所述锥形筒体的上边沿相连接的直筒体以及设置在所述直筒体的上边沿的导向蜗形管，其中，在所述导向蜗形管的第一端构造有高压气体进气口，在所述导向蜗形管的中心构造有混合气体出口。

其中，在所述锥形筒体的下端构造有通口，所述旋风混合器还包括导向弯管，其中，所述导向弯管的第一端与所述通口连通，所述导向弯管的第二端构造有低压进气口。

其中，所述锥形筒体与所述直筒体共同构造成旋风混合器本体，在所述导向蜗形管的上端设有与所述旋风混合器本体的内腔相连通的混合筒体，在所述混合筒体的内部构造有混合室，在所述混合筒体的上端设有混合气体出口弯管。

其中，所述混合筒体的内径小于所述混合气体出口的口径。

其中，在所述混合筒体的内部构造有多个螺旋管道，其中，各个所述螺旋管道的口径均不同。

其中，所述天然气水合物生成系统还包括设置在所述水合物生成装置和所述水合物储罐之间并能够对所述水合物生成装置中的水合物进行挤压造粒的造粒机。

其中，所述造粒机的入口通过第一管路与所述水合物生成装置的第二出口连通，所述造粒机的出口通过第二管路与所述水合物储罐的第二入口连通。

其中，在所述lng储液罐的内部设有能够将低温液化天然气进行增压的潜液泵。

其中，所述天然气水合物生成系统还包括天然气外输管线、海水进口管线以及海水出口管线，其中，所述天然气外输管线与所述气化器的第一出口连通，所述海水进口管线与所述气化器的第二入口连通，所述海水出口管线与所述气化器的第二出口连通。

(三)有益效果

本发明提供的天然气水合物生成系统，与现有技术相比，具有如下优点：

本申请通过加压过冷的lng(液化天然气)，并利用lng的冷能合成ngh(天然气水合物)，并对合成的天然气水合物进行储存，同时，利用加压过冷的lng的压力能对lng储液罐产生的bog(蒸发气)进行处理，以用于合成天然气水合物所需的高压天然气。由此可见，在本发明的lng接收站中，高效地利用了lng汽化过程中的冷能和压力能。由于将lng冷能和压力能作为天然气水合物生成的冷源和原料，从而大大地提高了整个天然气水合物生成系统的能源利用率。同时，也提供了一种生成天然气水合物的低能耗生成路径。

附图说明

图1为本申请的实施例的利用lng冷能与压力能的天然气水合物生成系统的整体结构示意图；

图2为图1中的旋风分离器的整体结构示意图；

图3为图2的a-a剖面图；

图4为图2中的混合筒体的俯视图。

图中，11、lng储液罐；12：高压泵；13：气化器；14：低压lng输出管线；15：高压lng输出管线；16：低温高压lng进口管线；21：水合物储罐；22：换热器；23：lng出口管线；31：旋风混合器；311：锥形筒体；312：直筒体；311a：通口；313：导向蜗形管；313a：高压气体进气口；313b：混合气体出口；314：导向弯管；314a：第一端；314b：第二端；315：混合筒体；315a：混合室；315b：混合气体出口弯管；315c：螺旋管道；32：水合物生成装置；33：bog输出管线；34：高压ng出口管线；35：低温高压ng进口管线；4：水泵；41：低温水进口管线；5：造粒机；51：第一管路；52：第二管路；6：潜液泵；7：天然气外输管线；8：海水进口管线；9：海水出口管线；10：槽车。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

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，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。

实施例1：

如图1所示，图中示意性地显示了该天然气水合物生成系统包括液化天然气输送系统、液化天然气换热系统以及中高压ng与低温水混合系统。

在本申请的实施例中，该液化天然气输送系统包括lng储液罐11、高压泵12以及气化器13，该lng储液罐11的第一出口通过低压lng输出管线14与该高压泵12的入口连通，该高压泵12的出口通过高压lng输出管线15分别与该气化器13的第一入口以及低温高压lng进口管线16连通。具体地，该lng(液化天然气)储液罐11用于接收船舶或lng槽车等输送的液化天然气。

该高压泵12用于将低压液化天然气增压至较高的压力外输。

该气化器13用于将来自高压泵12的高压液化天然气气化为高压天然气。

该液化天然气换热系统包括水合物储罐21和换热器22，其中，该水合物储罐21的第一入口与该低温高压lng进口管线16连通，该水合物储罐21的第一出口通过lng出口管线23与该换热器22的第一入口连通。其中，该水合物储罐21用于储存来自如下所述的造粒机5的水合物粒状物。该低温高压lng进口管线16用于将冷却介质lng输入到该水合物储罐21中，用于给存储在该水合物储罐21中的天然气水合物提供冷源。

该水泵4的第一入口与该换热器22的第二出口连通，该水泵4的第一出口通过低温水进口管线41与该水合物生成装置32的第一入口连通。具体地，通过将在水合物储罐21中换热完成的低温高压液化天然气通过该lng出口管线23输送到换热器22中，该低温高压天然气将会为注入到水泵4中的水提供冷源，即，使得经水泵4泵送到水合物生成装置32中的水为低温水，进一步地，为该低温水与输送到该水合物生成装置32中的中高压天然气混合后生成天然气水合物做准备。

该中高压ng与低温水混合系统包括旋风混合器31和该水合物生成装置32，其中，该旋风混合器31的低压入口通过bog输出管线33与该lng储液罐1的第二出口连通，该旋风混合器31的高压进气口通过高压ng出口管线34与该水合物生成装置32的第一出口连通，该旋风混合器31的中高压出气口与该水合物生成装置32的第二入口连通，该水合物生成装置32的第三入口通过低温高压ng进口管线35与该换热器的第一出口连通。具体地，本申请通过加压过冷的lng(液化天然气)，并利用lng的冷能合成ngh(天然气水合物)，并对合成的天然气水合物进行储存，同时，利用加压过冷的lng的压力能对lng储液罐11产生的bog(蒸发气)进行处理，以用于合成天然气水合物所需的高压天然气。由此可见，在本发明的lng接收站中，高效地利用了lng汽化过程中的冷能和压力能。由于将lng冷能和压力能作为天然气水合物生成的冷源和原料，从而大大地提高了整个天然气水合物生成系统的能源利用率。同时，也提供了一种生成天然气水合物的低能耗生成路径。

需要说明的是，该旋风混合器31用于将来自lng储液罐11中的常压的bog(蒸发器)以及来自水合物生成装置32的高压天然气进行混合，输出中高压天然气。

该水合物生成装置32为来自旋风混合器31的中高压天然气和来自水泵4的低温水提供反应的空间，并采用来自换热器22的低温天然气来带走反应产生的反应热。

如图1和图2所示，为进一步优化上述技术方案中的旋风混合器31，在上述技术方案的基础上，该旋风混合器31包括锥形筒体311、与该锥形筒体311的上边沿相连接的直筒体312以及设置在该直筒体312的上边沿的导向蜗形管313，其中，在该导向蜗形管313的第一端构造有高压气体进气口313a，在该导向蜗形管313的中心构造有混合气体出口313b。需要说明的是，该导向蜗形管313与水合物生成装置32的第三入口连通，用于将低温水与中高压天然气反应后生成的天然气水合物输送到该水合物储罐21中。该高压气体进气口313a通过高压ng出口管线34与水合物生成装置32的第一出口连通，用于将该高压天然气输送到该旋风混合器31中。

如图1、图2和图3所示，在本申请的一个比较优选的技术方案中，在该锥形筒体311的下端构造有通口311a，该旋风混合器31还包括导向弯管314，其中，该导向弯管314的第一端314a与该通口311a连通，该导向弯管314的第二端314b构造有低压进气口。具体地，该导向弯管314的第二端314b构造的低压进气口通过bog输出管线33与lng储液罐11的第二出口连通，用于将lng储液罐11中的蒸发气输送到旋风混合器31中。

在本申请的一个比较优选的技术方案中，该锥形筒体311与该直筒体312共同构造成旋风混合器本体，在该导向蜗形管313的上端设有与该旋风混合器本体的内腔相连通的混合筒体315，在该混合筒体315的内部构造有混合室315a，在该混合筒体315的上端设有混合气体出口弯管315b。具体地，该混合气体出口弯管315b与水合物生成装置32的第二入口连通。

如图4所示，在一个优选的实施例中，该混合筒体315的内径小于该混合气体出口313b的口径。这样，可以起到对中高压天然气向内汇集的作用。

在另一个优选的技术方案中，在该混合筒体315的内部构造有多个螺旋管道315c，其中，各个该螺旋管道315c的口径均不同。具体地，在该混合筒体315中，气体经过不同管径的螺旋管道315c后，能使气体到达混合室315a的时间不同，进一步地，促进气体沿管道轴向的掺混。该旋风混合器31的具体工作过程为：高压天然气以一定的速度通过高压气体进气口313a沿着导向蜗形管313的切向进入该旋风混合器31的内部，在该旋风混合器31的直筒体312和锥形筒体311内自上而下作高速螺旋运动。在运动的过程中，会在该旋风混合器31的中心产生旋转低压区。其中，低压气体由低压气体进口1经低压进口导向直管5进入混合器，其中由于高压气体在旋风混合器31中高速螺旋产生的中心低压作用，将低压气体吸收进入旋风混合器31，其中做螺旋运动的高压气体带动低压气体在锥形筒体311内收缩向中心流动，向上形成上升的二次内旋涡流进入混合气体出口313b(即预混合室)，在预混合室中进入混合筒体315的过程中，气体经过管径变化处时，其质点的摩擦和碰撞会急速增加，产生局部的压力损失，从而形成涡流紊动。在混合筒体315中，通过使得气体经过不同管径的螺旋管道315c，从而使得气体到达混合室315a的时间不同，进一步地，促进气体沿管道轴向的掺混，混合后的气体经混合气体出口弯管315b排出。

如图1所示，在本申请的一个比较优选的技术方案中，该天然气水合物生成系统还包括设置在该水合物生成装置32和该水合物储罐21之间并能够对该水合物生成装置32中的水合物进行挤压造粒的造粒机5。具体地，该造粒机5用于对来自水合物生成装置32的水合物进行挤压造粒。需要说明的是，该造粒机5的具体结构以及工作原理均是本领域技术人员所熟知的，为节约篇幅起见，此处不做详述。

如图1所示，图中还示意性地显示了该造粒机5的入口通过第一管路51与该水合物生成装置32的第二出口连通，该造粒机5的出口通过第二管路52与该水合物储罐21的第二入口连通。这样，可以将该水合物生成装置32中的水合物经该造粒机5挤压造粒后送入到水合物储罐21中。

在一个优选的实施例中，在该lng储液罐11的内部设有能够将低温液化天然气进行增压的潜液泵6。

如图1所示，在本申请的一个比较优选的技术方案中，该天然气水合物生成系统还包括天然气外输管线7、海水进口管线8以及海水出口管线9，其中，该天然气外输管线7与该气化器13的第一出口连通，该海水进口管线8与该气化器13的第二入口连通，该海水出口管线9与该气化器13的第二出口连通。这样，通过该气化器13将来自高压泵12的高压液化天然气汽化为高压天然气。其中，一部分高压天然气被直接送入到高压外输管网供给用户，另一部分高压天然气用于对海水的淡化处理。

本申请的天然气水合物生成系统的具体工作过程为：运行时，压力为0.12mpa，温度为-162℃的lng(液化天然气)由潜液泵6加压至0.8mpa后送入高压泵12，lng经高压泵12加压至外输压力5～6mpa后，大部分的lng由高压泵12送入气化器13，其余送入水合物储罐21中，lng经气化器13汽化为5～6mpa，温度为15～20℃的天然气后直接送入高压外输管网供给用户。

送入水合物储罐21中的lng与水合物储罐21中储存的水合物进行换热后，温度升高至-110～-90℃送入换热器22，在换热器22中lng与水进行换热后汽化成温度为-70～-60℃的高压天然气，将天然气外输至水合物生成装置32中排列的换热管束中，管束中的低温高压天然气将水合物生成装置32中因生成水合物而释放的热量带走，升温至5～8℃的高压天然气采用切向方向进入到旋风混合器31中，在该旋风混合器31的中心产生了旋转中心低压，其中，来自lng储液罐11的压力为0.12mpa，温度为-160℃的bog(蒸发气)连接该旋风混合器31的低压口，在该旋风混合器31中进行混合，混合成3～4mpa的中高压的天然气后送入到水合物生成装置32中，冷却水经换热器22中的lng冷却至0～5℃后，经水泵4加压后，将低温水喷淋进入水合物生成装置32，并与之前送入的中高压天然气进行反应生成天然气水合物，当天然气水合物生成到一定量时，将生成的天然气水合物送入到造粒机5中，并将其挤压成高密度的水合物粒状物，同时，将水合物粒状物送入到水合物储罐21中储存，水合物储罐21中的水合物经槽车10外输或者用于补充用气高峰期的天然气缺口。

综上所述，本申请通过加压过冷的lng(液化天然气)，并利用lng的冷能合成天然气水合物(ngh)，并对合成的天然气水合物进行储存，同时，利用加压过冷的lng的压力能对lng储液罐11产生的bog(蒸发气)进行处理，以用于合成天然气水合物所需的高压天然气。由此可见，在本发明的lng接收站中，高效地利用了lng汽化过程中的冷能和压力能。由于将lng冷能和压力能作为天然气水合物生成的冷源和原料，从而大大地提高了整个天然气水合物生成系统的能源利用率。同时，也提供了一种生成天然气水合物的低能耗生成路径。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。