本发明涉及天然气水合物的合成技术领域，具体涉及一种能够将天然气的冷量高效利用的天然气水合物的合成装置与方法。
背景技术：
截至2014年，我国天然气的消耗已接近2000亿立方米。经高压管网输送的6～10MP高压天然气在投入使用前需经过多级调压使得温度和压力达标后方可通过天然气管网输送到居民用户和工业天然气用户。目前，将天然气输送到用户的方式，除了最主要的管道输送，还存在如压缩天然气储运、吸附天然气储运以及液化天然气储运等其他灵活性较高的输送天然气的形式。
不过，对于上述可以将天然气输送到用户的方式而言，由于目前的压缩天然气(出于技术本身的原因)普遍存在储存压力高、管道输送不灵活以及吸附储气技术相对复杂的不足，而液化天然气的生产也存在工艺复杂且耗能较高的不足。相较而言，天然气水合物由于其具有的储存压力低、储存密度大以及在(运输、储存及使用操作)方面均较方便的优点，逐渐成为天然气储运的重要方式之一。但目前对于天然气水合物的合成技术尚处于实验室阶段，普遍存在合成速度慢和能耗高的不足。
技术实现要素：
技术问题
有鉴于此，本发明要解决的实际问题是，如何快速、高效地合成天然气水合物。
解决方案
为了解决上述技术问题，本发明一实施例提供了一种天然气水合物的合成装置，该装置包括：
发电单元，高压管网输送的高压天然气通入所述发电单元；
水合物合成单元，其包括：
反应器，天然气和水媒通过直接接触能够在其内合成天然气水合物；
其中，所述发电单元的膨胀机与所述反应器相连接，用于供给所述反应器具有设定的温度、压力和流量的天然气；
其中，所述反应器连接有水源供给组件，用于供给所述反应器具有设定的温度和压力的水媒；
冷能回收单元，其设于所述反应器的下游，用于对参与但未合成天然气水合物的天然气的冷能进行回收。
对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述水源供给组件包括喷头和增压泵，水箱中的水媒经增压泵增压后经喷头进入反应器内。
对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述冷能回收单元包括变频制冷机组以及所述水箱，所述水箱的水媒在增压泵的作用下流经所述变频制冷机组后送至所述喷头。
对于上述装置，在一种可能的实现方式中，还包括控制部，所述控制部与所述发电单元、所述水合物合成单元以及所述冷能回收单元分别电连接。
对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述控制部与能够采集所述反应器内的天然气的温度和压力的第一温度传感器和压力传感器分别相连接，用于获取反应器内的天然气的温度和压力信号；并且基于该温度和压力信号，所述控制部与所述发电单元的励磁发电机相连接，所述控制部用于通过调节所述励磁发电机的励磁电流来改变所述膨胀机的转速，进而改变进入所述反应器的天然气的温度、压力和流量；以及
所述控制部还与所述冷能回收单元的变频制冷机组、能够采集所述变频制冷机组出口的水媒的温度的第二温度传感器以及所述水源供给组件的增压泵分别相连接；
其中，根据所述控制器设定的所述变频制冷机组出口的天然气的温度，通过调节所述变频制冷机组的工作频率，来改变所述变频制冷机组出口的天然气的温度；在能够使得该天然气的温度达标的前提下，所述变频制冷机组将天然气自身的冷量回收，并用于冷却流经所述变频制冷机组的水媒；
其中，基于所述第二温度器检测到的所述变频制冷机组出口的水媒的温度，所述控制器用于通过调节所述增压泵的电频率，在保证水媒的压力达标的基础上，通过改变水媒的流量来使得进入所述反应器的水媒的温度达标。
对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述励磁发电机与变频制冷机组相连接。
对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述变频制冷机组的下游设有干燥器，为合成天然气水合物的天然气经所述干燥器通往低压管网。
对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述干燥机连接至所述水箱。
为了解决上述技术问题，根据本发明的另一实施例提供了一种天然气水合物的合成方法，该方法包括：
发电步骤：一定流量的高压天然气进入膨胀机后，与膨胀机相连接的励磁发电机将来自高压管网的高压天然气自身所具有的压力能转变为电能；
水合物合成步骤：具有设定的温度、压力和流量的天然气以及具有设定的温度和压力水媒在反应器内通过直接接触方式合成天然气水合物；以及
冷能回收步骤：变频制冷机组将未合成天然气水合物的天然气的自身冷能回收，并将回收的冷能能够使得所述水合物合成步骤中的水媒降温。
对于上述方法，在一种可能的实现方式中，还包括参数调整步骤，所述参数调整步骤具体为：
通过调节所述励磁发电机的励磁电流，控制进入反应器的天然气的压力、温度和流量；
通过调节所述变频制冷机组的工作频率，在保证变频制冷机组出口的天然气的温度达标的前提下，回收参与但未合成天然气合成物的天然气自身具有的冷能，并使用回收的冷能来改变变频制冷机组出口的水媒的温度；以及
通过调节增压泵的电频率，在保证水媒的压力达标的基础上，通过改变水媒的流量来使得进入所述反应器的水媒的温度达标。
有益效果
本发明的天然气水合物合成装置通过实时检测水合物合成单元中的温度和压力信号，控制器基于该实时监测的温度和压力信号尽可能地促成合成天然气水合物的合成条件。此外，本发明对未合成天然气水合物的天然气自身的冷能进行了回收，并用于产生水合物合成单元所需的低温水媒。实现了对天然气的冷量的高效利用。既实现了高压天然气的压力能回收，又充分回收并利用了未合成天然气水合物的天然气自身具有的冷能，对能源自身中本被浪费的能量进行了回收和利用。
而且，本发明的天然气水合物合成装置具有结构简单、操作方便以及成本低的优点，适用于大、中、小规模的天然气压力能发电和天然气水合物的生产的应用场合，尤其适用于将高压天然气合成天然气水合物进行储运的情况，以及需要对天然气进行调压的城市中、小型燃气调压站。
附图说明
当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1示出本发明一个实施例的天然气水合物的合成装置的结构示意图。
附图标记列表
10、控制器 11、第一阀门 12、压力传感器 13、第二温度传感器 14、第二阀门 15、第二温度传感器 20、过滤器 21、励磁发电机 22、膨胀机 30、水槽 31、增压泵 32、喷头 33、反应器 34、排放阀 35、变频制冷机组 36、干燥器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示的一种能够将天然气的冷量高效利用的天然气水合物合成装置，主要包括发电单元、水合物合成单元、冷能回收单元以及控制部。其中，发电单元主要用于回收经高压管网输送来的高压天然气自身的压力能，水合物合成单元主要用于将回收压力能后的高压天然气合成天然气水合物，冷能回收单元则主要用于回收未合成天然气水合物的天然气的冷量，而控制部则与上述发电单元、水合物合成单元以及冷能回收单元分别连接，主要通过对各个环节的调整以及优化各个环节之间的相互影响，来促进天然气水合物合成装置的整体处理水平。如具体结构可以包括：
发电单元主要包括励磁发电机21和膨胀机22，高压天然气进入膨胀机22带动膨胀机22转动，膨胀机22的转动带动励磁发电机21转动，从而将高压天然气自身的压力能以电能的形式得以回收。
在一种可能的实施方式中，在膨胀机22的上游设有过滤、净化作用的过滤器20，主要用于去除高压天然气中的可能的杂质。
水合物合成单元主要包括反应器33和水源供给组件，其中水源供给组件主要包括喷头32和增压泵32，喷头32与反应器33的开口对接，以及反应器33还与膨胀机相连接。水合物所需的水媒(冷能回收单元中的变频制冷机组35提供)经增压泵32增压后通过喷头32进入反应器33，水合物所需的温度、压力达标的天然气则来自于膨胀机22的出口，水媒和天然气在反应器33内快速、直接接触，可以合成天然气水合物。
作为一种具体的实施方式，合成的天然气水合物通过设于反应器33上的排放阀34与目标(具体的应用场合或者统一的收集装置)对接；而在水合物合成单元中未合成天然气水合物的天然气则通往冷能回收单元。
冷能回收单元主要包括由变频制冷机组35、水槽30和干燥器36形成的闭环，变频制冷机组35进一步连接至增压泵31，用于对反应器33提供水媒，以及干燥器进一步连接至低压管网。具体地：在反应器33内没有合成水合物的天然气通往变频制冷机组35处理，主要用于回收在水合物合成单元中未合成天然气水合物的低温天然气的自身的冷能，使天然气的温度达标后，进一步经过干燥器36处理后，经第二阀门14输送至低压管网；而水槽30中的水媒通过变频制冷机组35回收的冷能(冷量)被冷却降温，在温度达标后经增加泵31送入喷头32。
作为一种可能的实施方式，可以通过励磁发电机21产生的电能(中的部分)来驱动变频制冷机组35，在一定程度上实现了压力能的回收与再利用的同步。
控制部主要包括控制器10以及与反应器33内的天然气相关的传感器组(如包括压力传感器12、第一温度传感器13和第二温度传感器15)。控制器10通过信号电缆与传感器组、励磁发电机21、变频制冷机组35以及增压泵31分别相连接。具体地：
压力传感器12和第一温度传感器13分别用于检测反应器33内的天然气的压力和温度信号，控制器10根据传感器(12、13)检测到的(压力、温度)信号对励磁发电机21的励磁电流进行调节，进而使得膨胀机22的转速改变，最终改变进入反应器33的高压天然气的温度、压力以及流量。以及通过调节变频制冷机组35的工作频率，在能够保证变频制冷机组出口的、将通往低压管网的天然气的温度达标的前提下，尽量回收低温天然气中的冷能，并可以将回收的冷能用于使得水媒降温。同时，基于第二温度传感器15检测到的变频制冷机组35出口的水媒的温度，控制器10通过控制增压泵31的电频率，在使得通往反应器33的水媒的压力达标(如不小于控制部的某个设定值)的前提下，通过调整流经变频制冷机组35的水媒的流量，使得通往反应器33内与天然气直接接触的水媒的温度达标(如不大于控制部的某个设定值)。当然，也可以根据控制部设定出的变频制冷机组35出口的天然气温度，通过变频制冷机组35自身调节其工作频率来改变出口处的天然气的温度即可。
以及干燥器36进一步连接至水槽30，用于将干燥天然气时沥出的水分通至水槽，具有节水的效果。
作为一种可能的实施方式，控制器10还通过信号电缆与设于发电单元上游端的、连接至高压管网的第一阀门11和干燥器36下游端的、连接至低压管网第二阀门14分别相连接，主要是为了保证本发明的天然气合成物合成装置与高压管网以及低压管网始终处于可连通的状态。
作为一种可能的实施方式，反应器33优选为混合式热质交换器。膨胀机22则可以选用单螺杆膨胀机、双螺杆膨胀机、涡旋膨胀机、滚动转子膨胀机或者活塞式膨胀机中的一种，不过通常优选为单螺杆膨胀机。保证本发明的装置与高压管网和低压管网处于可连通状态的第一阀门11和第二阀门24可以分别选用电控启动阀和气动启动阀。反应器33中的水媒则可以优选浓度为0.5～0.7mol/L(如0.6mol/L)的十二烷基硫酸钠溶液或者矿物质水源。此外，可以通过选用一组或者多组膨胀机22的方式来调整进入反应器33的天然气的流量。
可以看出，通过控制部的调节，本发明的天然气水合物合成装置保证了通往反应器的高压天然气(温度、压力和流量)和水媒(温度、压力)，以及通往低压管网的天然气的(温度、湿度)均处于控制部的设定范围，在实现了反应器33内高效合成天然气水合物的同时，充分回收了高压天然气自身的压力能以及未合成天然气水合物的天然气自身的冷能。
实施例2
一种能够将天然气的冷量高效利用的天然气水合物合成方法，主要包括发电步骤、水合物合成步骤、冷能回收步骤以及参数调整步骤。其中，发电步骤主要回收经高压管网输送来的高压天然气自身的压力能，水合物合成步骤主要将回收压力能后的高压天然气合成天然气水合物，冷能回收步骤则主要回收未合成天然气水合物的天然气的冷量，而参数调整步骤则主要通过对各个步骤的调整以及优化各个环节之间的相互影响，来促进合成天然气水合物的水平。如具体步骤可以包括：
S201、发电步骤：一定流量的高压天然气进入膨胀机22带动膨胀机22转动，膨胀机22的转动带动励磁发电机21转动，励磁发电机21由于转动而产生电能。
也就是说，在步骤S201中，主要实现了将来自高压管网的高压天然气自身所具有的压力能转变为电能的过程。
在一种可能的实施方式中，在发电步骤之前，可以包括过滤步骤，主要用于去除高压天然气中的可能的杂质。
S202、水合物合成步骤：水媒以及来自于膨胀机22出口的天然气分别通往用于合成天然气水合物的反应器33内，水媒和天然气在反应器33内快速、直接接触，合成目标产物天然气水合物。
在步骤S202中，当然由于反应条件的关系，不可能保证100％的合成率。事实上，通常情形下只有约30％左右的高压天然气合成了天然气水合物，这部分天然气水合物可以通过排放阀与目标对接，而剩下的天然气则由于也在反应器33中经历了步骤S202，因此变成了低温且具有湿度的天然气，如果简单地将其进行除湿、加热大使其温度、湿度达标后通往低压管网，该部分天然气自身的冷能被白白浪费。
恰恰是为了避免这部分冷能被白白浪费，因此方法还包括针对在水合物合成步骤中未合成天然气水合物的天然气的步骤，即：
S203、冷能回收步骤：变频制冷机组35将未合成天然气水合物的低温天然气的自身的冷能回收之后，可以用于冷却水媒，使水媒的温度达到步骤202所要求的温度要求。
可以看出，步骤S203对参与了水合物合成步骤、但是未合成天然气水合物的低温天然气的自身冷能实现了高效的回收。
为了尽可能地优化、促成各个步骤的完成，方法还包括以控制器10作为核心的步骤，即：
S204、参数调整步骤，其主要用于：
1)根据检测到的反应器33内的天然气的压力、温度信号对励磁发电机21的励磁电流进行调节，励磁电流的改变使得膨胀机22的转速改变，最终改变了实时进入反应器33的高压天然气的温度、压力和流量。
2)基于控制部设定的天然气的温度，通过调整变频制冷机组35的工作频率，在保证变频制冷机组35出口处的天然气的温度符合通往低压管网的温度标准的前提下，尽可能地回收低温天然气自身具有的冷能以及可以将回收的冷能用于使得水媒降温。当然此处对于工作频率的调整，可以是控制部对变频制冷机组35的工作频率进行调整，也可以是变频制冷机组35自身对其工作频率进行调整。前者有助于实现装置整体的自动化，而后者则便于实现装置的可靠运行。如，在控制部对变频制冷机组35的调节发生故障时，变频制冷机组35仍然可以通过自身调整工作频率来保证通往低压管网的天然气温度达标。
3)在2)中回收的冷量一定的前提下，基于第二温度传感器15检测到的变频制冷机组35出口的水媒的温度，控制器10还通过控制增压泵31的电频率来改变水媒的流量，使得进入反应器33内与天然气直接接触的水媒的温度达标。
在一种可能的实施方式中，通过控制器10来实现参数调整步骤的工作原理可以为：
当控制器10检测到的反应器33内的天然气的压力低于控制器10中所设定的压力水平时，则控制器10基于接收到的压力信号，向励磁发电机21发送降低励磁电流的信号，励磁发电机21根据接收到的励磁电流信号，将发励磁电机21和膨胀机22的转速同时升高，膨胀机22中的天然气压力随即升高，直到控制器10检测到的天然气压力不低于控制器10中的设定水平。以及
当控制器10通过检测到的反应器33内的天然气温度高于控制器10中设定的温度水平时，则控制器10基于接收到的温度信号，向励磁发电机21发送降低励磁电流的信号，励磁发电机21根据接收到的励磁电流信号，将励磁发电机21和膨胀机22的转速同时升高，通过膨胀机22中的天然气的温度随即降低，直到控制器10检测到的天然气的温度不高于控制器10中的设定水平。当然，若检测到的天然气的温度低于控制器10中设定的温度水平时，则控制器10不因此动作，即不发送任何控制信号指励磁发电机21。
在一种可能的实施方式中，通过膨胀机22和励磁发电机21来实现发电步骤的工作流程具体为：
高压管网的低温高压的天然气(此处的低温，可以解释为常温或略低于常温)进入膨胀机22，在膨胀机22中膨胀，一方面，由于压力降低，低温高压的天然气变为低温低压的天然气，另一方面，天然气驱动膨胀机22转动，膨胀机22带动励磁发电机21转动发电，即将压力能回收。在这个过程中，控制器10根据接收到的第一温度传感器13以及如设于膨胀机22和反应器33之间的压力传感器12的信号，通过调整输出的励磁电流信号来调节励磁发电机21的转速，进而对膨胀机22中天然气的流量进行调节，使得进入反应器33的天然气在压力达标的前提下，流量也达标。
在一种可能的实施方式中，主要通过反应器33和变频制冷机组35和来实现水合物合成步骤和冷能回收步骤的工作流程具体为：
经增压泵31增压后的水媒经喷嘴32喷射雾化，喷射压力的大小决定着雾化程度和喷水量，通过控制器10对增压泵31进行调整，使得水媒的压力达到设定水平。显然，此处的喷射压力必须高于反应器33中的天然气压力。天然气与水雾在反应器33内通过直接接触的方式进行热质交换后，形成的天然气水合物的经排放阀34排出反应器33与目标对接，而未形成天然气水合物的天然气则通过变频制冷机组35回收其自身具有的冷能，之后在温度、湿度达标后通往低压管网。作为一种优选，可以通过励磁发电机21产生的电能可以用于驱动变频制冷机组35。具体地，这部分天然气则先经过变频制冷机组35将其冷能回收，(以变频制冷机组35自身调整其工作频率为例，通过控制器10设定变频制冷机组35出口的天然气的温度，变频制冷机组35基于该温度，通过调整自身的工作频率，使其温度升高至能够通往低压管网的水平(即使得参与但未合成天然气水合物的、通往低压管网的天然气升温。)，借助于干燥器36进一步使得该部分天然气的湿度也达标。
对于变频制冷机组35在此过程中回收的冷能，在增压泵31的驱动下，水槽30中的水媒通入变频制冷机组35后在该部分冷能的作用下得以冷却降温，并通过控制器10对增压泵31的电频率进行调整，在前述水媒的压力已经达标的基础上，实现了通往反应器33内的水媒的温度达标。
在实际中，本发明的天然气水合物的合成装置的启动过程为：启动装置后，首先向控制阀门的控制器10供电，然后控制器10向第一阀门11和第二阀门14发送开启信号，实现装置与高压管网和低压管网的连通；通过实时、反复地检测反应器33中的天然气的温度和压力，通过调节励磁发电机21的励磁电流信号来调节励磁发电机21和膨胀机22的转速，直至控制器10检测到的天然气的温度不高于控制器10的设定温度水平，以及天然气的压力不低于控制器10的设定压力水平为止；开启变频内制冷机组35，在天然气的温度、压力达标后通过启动增压泵31和喷头33将高压雾化水送入反应器33内，使得低温、低压的天然气与高压雾化的水媒通过直接接触的方式进行热质交换，合成天然气水合物，并使得变频制冷机组35出口的天然气的温度达标。
可以看出，本发明在合成天然气水合物的过程中，通过对天然气的(温度、压力、流量)，以及水媒的(温度、压力)进行调整，促成了天然气水合物的合成。同时分别对高压天然气的自身压力能、未形成水合物天然气的天然气自身的冷能进行了有效的回收，优化了装置的整体性能。
如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，显然，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对本领域的技术人员来说是显而易见的变形，也均包含在本发明的保护范围之内。