CN101238321A - 天然气供应方法和装置 - Google Patents

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Abstract

通过压缩机(12)将从液化天然气储存容器(2)的缺量空间(6)中取出的汽化天然气的主要流压缩。将从储存容器(2)中取出的液化天然气流在蒸发器(36)中部分且强制蒸发，由此形成含有未蒸发的液化天然气的天然气的次要流。在相分离器(42)中将未蒸发的液化天然气从次要流中分离。将次要流与压缩的主要流混合以形成天然气的供应。该燃料供应可以形成和应用于船上远洋航行的LNG油轮。

Description

天然气供应方法和装置
本发明涉及一种用于加热或发电目的而供应天然气烯料的方法和装置。依据本发明的方法和装置特别适用于船上船舶用于将燃料提供给船舶发动机的目的。
EP1 291 576A涉及用于供应天然气燃料(其主要组分为甲烷)的装置，以加热运输LNG的远洋航行油轮的锅炉。该装置包括：具有与至少一个LNG储存罐的缺量空间相通的入口、和与从压缩机通向与锅炉相连的燃料燃烧器的导管相通的出口的压缩机，和具有与所述罐的液体储存区域相通的入口、和与相同或不同的通向与导管相连的燃料燃烧器的导管相通的出口的强制LNG蒸发器。该强制气体蒸发器能够补偿由液化天然气的自然汽化而提供的燃料。
原则上，可以调节依据EP1 291 576A的装置以提供燃料用于船上船舶上的任意需求。一些现代的LNG油轮采用了可以以柴油或天然气来运转的发动机。但是，天然气中高级烃的存在可以导致发动机震动。本发明涉及一种解决该问题的方法和装置。
依据本发明，提供了一种供应天然气燃料的方法，包括步骤：将从液化天然气储存容器的缺量空间中取出的汽化天然气的主要流压缩，将从储存容器中取出的液化天然气流部分且强制蒸发，由此形成含有未蒸发的液化天然气的天然气的次要流，将未蒸发的液化天然气从次要流中分离，和将次要流与压缩的主要流混合。
本发明也提供了一种用于供应天然气燃料的装置，包括：具有与至少一个液化天然气储存容器的缺量空间相通的、用于天然气的主要流的入口和与天然气供应管道相通的出口的压缩机，强制液化天然气部分蒸发器设备，具有与所述的或不同的液化天然气储存容器的液体储存区域相通的、用于天然气的次要流的入口和能够置于与所述天然气供应管道相通的出口，所述部分蒸发设备在操作上与用于将未蒸发的液化天然气从蒸发的天然气中分离的设备相关联。
优选地，该部分蒸发是通过全部蒸发和过热所述液化天然气流的第一部分并将获得的蒸汽与所述液化天然气流的第二部分混合来实现的。
优选地，控制天然气的次要流的温度、流速和组成。同作这种方式，可以确保天然气燃料的供应速率和组成满足将其供给到的发动机或多个发动机的需求。
依据本发明的优选设备包括操作上与强制部分蒸发器设备相关联的可编程的逻辑控制器。该可编程的逻辑控制器优选地包括用于确定操作强制部分蒸发器设备时的温度算法。由此可以确定未液化天然气与蒸发的天然气的组成。
优选地，该强制部分蒸发设备包括：具有热交换设备的蒸发室，到用于液化天然气的蒸发室的入口，蒸发室下游的混合室，到与蒸发室中出口相通的混合室的第一入口，到与液化天然气的来源相通的混合室的第二入口，和用于控制液化天然气到蒸发室和混合室的相对流动的阀设备。
优选地，在所述天然气供应管道中存在气体加热器，其可以进行将天然气升高到所选温度的操作。
依据本发明的方法和装置特别适用于船上船舶或用于将LNG从一个港口运输到另一港口的远洋航行油轮上的操作。
现在将通过实施例的方式，参照附图，描述依据本发明的方法和装置，该附图为LNG储存罐和用于从罐中供应天然气的相关设备的示意流程图。
参照附图，LNG储存容器或罐2位于船上远洋航行的油轮(未显示)上。该储存罐2是绝热的，以控制其内容物，LNG，从周围环境中吸收热量的速率。图1中所示的储存罐填充了体积4的LNG。在储存罐2中液面之上自然地存在缺量空间6。由于LNG在大大低于环境的温度下沸腾，尽管罐2是绝热的，因此存在LNG从体积4到缺量空间6的连续蒸发。该蒸发的天然气被用作油轮发动机或者另外船上船舶中的燃料。为此，存在通过压缩机12将蒸发的天然气从罐2的缺量空间6中沿导管10连续取出。压缩机12通过电动机14驱动，例如，通过齿轮箱(未显示)。电动机14典型地具有单一速度且不能采用变频器。压缩机12包括串联的两个压缩段16和18。下游压缩段18的出口压力为5～6bar的等级和出口温度为30℃的等级。由于LNG在大大低于0℃的温度下沸腾，所以压缩机12的入口通常在低温温度例如-140℃～-180℃下接收汽化天然气。尽管是这样的低温温度，仍期望在上游压缩段16和下游压缩段18冷却压缩的天然气中间体。该冷却可以在热交换器(未显示)中进行，其具有上游压缩段16中出口下游的入口和下游压缩段18入口上游的出口。在主要的零下温度温度下冷却基质为与压缩天然气相关的间接热交换器中的液化或汽化天然气的低温流。在热交换器下游将冷却剂返回到罐2中或者引入到相分离器容器22中。替换地，该冷却可以简单地通过将液化或蒸发天然气的低温流引入到上游压缩段16和下游压缩段18中间区域的压缩天然气中来进行。采用适当冷却速率，通常可以保持下游压缩段18中出口处的压力处于或者接近期望的值。
期望保持压缩机12入口处的温度通常恒定。但是，天然气汽化的温度可以且确实在任意特定时间依据罐中储存的LNG的量和依据外部温度而波动。为了弥补这种自然的温度波动，将一部分或者全部通过导管10的天然气流动借助于流动控制阀(未显示)导向静态混合室20，其中将其与所选量的LNG(如下所述，其是从储存罐2中LNG的体积4中取出的)混合。典型地，混合室20出口处的温度使得并非全部LNG蒸发。获得的含液化天然气液滴的冷天然气混合物通到相分离器容器22中，其中将液体从气体中分离。借助导管24将液体返回到储存罐2的区域中，优选地低于液面。作为返回到液面之下的替换方式，可以在导管24上安装适宜的虹吸管(未显示)。该天然气通过容器22顶部的出口26流动且在导管10中与迂回通过静态混合器20的任意汽化天然气流再混合，该再混合是在将静态混合室20的进料取出地方的下游位置进行。如果期望的话，可以将相分离器22安装在靠近其顶部的区域，具有吸附材料或者金属丝网的衬垫25，其可以从相分离器22中的气体中吸附任意残留的LNG液滴。
在一些瞬变操作条件期间，蒸发天然气的流中可能是湍流(surge)的。为了迎合这种湍流，抗湍流导管17在压缩段18的出口和静态混合器20的入口之间延伸。阀19位于导管17中。出现湍流时，阀19开启且气流从中迂回通过压缩机12。在蒸发天然气的流动中存在湍流时，在瞬变操作条件期间可以操作混合器20和相分离器22以除去压缩热量和保持压缩机12的吸入压力恒定。
通常，发动机80要求燃料时的速率大于通过储存罐2中LNG的自然蒸发可以满足的速率。通过从储存罐2中或者从另一类似的这种罐中取出的LNG的强制蒸发来弥补该不足。浸没的LNG燃料泵30以恒定速率从储存罐2中的体积4中连续取出LNG。可以将获得的LNG流分为四个分支流。借助于导管32将一个返回到储存罐2中。第二个借助于导管34流到静态混合室22中且由此作为用于该室的LNG源。第三个，为LNG的主要流，流到强制蒸发器36中。该强制蒸发器36典型地为采用蒸汽加热以升高从其蒸发室37中流动的流体的温度且由此使燃料泵30提供的LNG蒸发的类型。采用一套39热交换管来实现蒸汽到LNG的热传递。
强制蒸发器36上提供有旁路管线，其从蒸发器36的上游延伸到强制蒸发器36下游的静态混合室40。由此，将未蒸发的LNG与蒸发的天然气在混合室40中混合。由此可以依据迂回通过蒸发器36的LNG的量来控制蒸发的天然气的温度。选择该温度，使得脱离静态混合室40的天然气流携带细雾形式或者其它细分散形式的未蒸发的LNG。在下游位置将该LNG从载气中分离。由此，液体和蒸汽的混合物从室40流到相分离器42中，其中将液体从蒸汽中分离。该相分离器42典型地提供有吸附剂或穿孔金属元件等的衬垫43，由此从中吸附任意残留的液体颗粒。可以通过底部出口44连续地或者定期从容器42中取出液体，且通过出口44中阀(未显示)的适宜操作和控制将其返回到罐2中。获得的天然气，无液体颗粒，在相分离器42的顶部出来，且在低温或制冷温度下将其与压缩机12中的天然气在气体加热器50上游区域混合。
需要确保供给发动机80的燃料的组成经常不会使得导致这些发动机震动。本质上，该要求迫使需要限制燃料高级烃的量。天然气是氮气、甲烷和高级烃的可变混合物。通常，甲烷是主要组分，通常占总组合物的大于80mol％。甲烷也是天然气的最大挥发性组分。由此，当LNG自然蒸发时，获得的蒸汽(汽化)基本上全部由甲烷和一些氮气组成，取决于LNG中氮气的比例。但是，LNG流的强制蒸发不会导致组成的任何变化。由此强制蒸发的产物将含有C2和高级烃，比例与LNG中相同。由此，对于强制蒸发以使总的燃料流速接近于发动机80所要求的流速的需求越大，对于具有更高比例的、将由自然汽化和强制气体的混合物形成的高级烃的趋势更大。依据本发明，该趋势与有效地进行强制蒸发使得相分离器42接收的流体仅仅部分蒸发且由此含有液体颗粒相抵消。由于甲烷比其它烃更容易挥发，所以液体颗粒含有摩尔分数高于气相中的C2和高级烃。相分离器42中气相和液相的各自组成取决于流体温度。该温度越低，从相分离器42中供应的气体中C2和高级烃的比例越低。一种实例中，采用含有3.85mol％的C3～C5烃的LNG馏分，在-90℃(也就是说，相分离器42入口处的温度为-90℃)下的强制蒸发产生含有小于0.5mol％的C3～C5烃的蒸汽馏分。由此，在液相中除去大批的高级烃。
强制蒸发器36期望具有与其相联的可编程的逻辑控制器52。该控制器52可以是工艺控制领域中通常使用的类型。其典型地采用算法来编程，该算法确定释放到相分离器42的气体的流速和温度。该设置优选地使得操作者可以简单地输入期望的供应天然气燃料到发动机50的速率，且控制者自动设置通过强制蒸发器36的流速和温度。一种实例中，该可编程控制器具有与其相联的流动控制阀54、56和58。阀54设定通过泵将LNG供给强制蒸发器36的内部的速率。阀56确定蒸发器36做为LNG的旁路的速率和由此确定获得的气体的温度。当燃料泵以超过期望的速率操作时，控制器52控制液体借助于管道32返回到罐2，通过适当地设定流动控制阀58的位置。典型地存在操作上与静态混合室20相关联的第4流动控制阀60，由此使得能够实现必须的自然汽化气体的冷却。该阀60可以通过阀控制器62的方式来控制，其接收典型地位于压缩机12入口处或附近的温度传感器(未显示)中的信号。由此，可以调节阀60的位置，由此确保压缩机12入口处获得恒定的期望的速率。
该可编程逻辑控制器52也接收关于罐2中自然汽化气体的实时流速的信息。利用该信息，该控制器52可以计算需要由强制蒸发来提供的天然气的多少和由此可以操作混合室40的温度，由此确保供给发动机80的气体的分子里经常低于容许的最大值和由此避免发动机震动。通过这种方式，可以调节供给发动机的天然气的甲烷数。
典型地，进入加热器50的气体的温度大大低于0℃。操作该加热器以将气体的温度升高到大约室温，即25℃。通过与蒸汽(或者其它加热介质，例如，热水)的间接热交换，在加热器50中加热气体，由此将其温度升高到期望的值。典型地，采用恒定流速的加热流体来操作该加热器50，且通过加热器50周围所选量的冷气体的支路来达到期望的温度。为此，提供了支路导管72。另外，在加热器50出口处存在流动控制阀74和在之路导管72中存在流动控制阀76。提供阀控制器78，由此控制阀74和76的位置，使得加热器50提供的气体的温度保持在期望的值，即25℃。
加热器50产生的气体混合物的温度和压力使得其可以直接被供给发动机80。出现紧急情形时，阀82可以开启且可以将气体排到气体燃烧单元84中。
船上的常规设置是，相分离器22和42、压缩机12、强制蒸发器36和气体加热器36全部位于船的货物机房(未显示)内，但是发动机80和阀82位于发动机室(未显示)内。发动机14可以位于发动机室(未显示)中舱壁(未显示)之后。气体燃烧单元84典型地位于船的烟囱(未显示)，远离货物机房82和发动机室84二者。
下文描述图中所示装置的操作的两个典型实例，一个为满载操作期间(所有罐2几乎是满的)且另一个为压载操作期间(所有罐几乎是空的)。
实施例1(满载航行)
罐2在106kPa(缺量空间中)压力下储存了液化气体积。自然的汽化速率接近于70％的给发动机80供应燃料所需的值。该实施例中，LNG具有如下组成：
氮气    0.35摩尔％
甲烷    88.00摩尔％
C2烃    7.80摩尔％
C3烃    2.80摩尔％
C4烃   1.00摩尔％
C5烃   0.05摩尔％
由此，LNG的平均分子量为18.41。发生的天然气的自然汽化速率为3489kg/h。假设该汽化具有90％体积甲烷和10％体积氮气的组成，且在-140℃的温度和106kPa的压力下流向导管10。在该低温下，没有流必须借助静态混合室20通过相分离器22。该流从导管10通到压缩机12且在535kPa的压力和-9℃的温度下离开压缩机12。在压缩段16和18之间无需段间冷却，因为压缩机排出温度足够低。将压缩气体与强制蒸发器中的气体混合。在800kPa的压力下将1923kg/h的LNG供给强制蒸发器36，一部分旁路通过该蒸发器，依据阀54和56的设置。蒸发器36入口处的LNG温度为-163℃。供给相分离器42的气体的温度为-100℃。其压力为530kPa。在相分离器42中分离322kg/h的重质烃。相分离下游的残余强制蒸发气体具有下列组成：
氮气    0.38摩尔％
甲烷    94.74摩尔％
C2烃    4.66摩尔％
C3烃    0.21摩尔％
C4烃    0.01摩尔％
C5烃    0.00摩尔％
平均分子量16.80
在与从压缩机12中供给的气体混合时，产生速度5090kg/h、压力530kPa和温度-39℃的天然气流。该天然气具有下列组成：
氮气    7.00摩尔％
甲烷    91.43摩尔％
C2烃    1.50摩尔％
C3烃    0.07摩尔％
C4烃    0.00摩尔％
C5烃    0.00摩尔％
平均分子量17.11
该组合物适用于在发动机80中使用，因为其具有足够高度的甲烷数。
将混合的气体在加热器50中加热到25℃的温度且在该温度下(和5090kg/h的流速和470kPa的压力下)供给发动机80。
可编程的逻辑控制器52操作，使得保持期望的气体到发动机80的速率和确保该气体的组成是可接受的。
实施例2(压载航行)
罐2在106kPa(缺量空间中)压力下储存了液化气体积。自然的汽化速率接近于30％的给发动机80供应燃料所需的值。该实施例中，罐2中残余LNG具有如下组成：
氮气    0.16摩尔％
甲烷    87.86摩尔％
C2烃    8.02摩尔％
C3烃    2.88摩尔％
C4烃    1.03摩尔％
C5烃    0.05摩尔％
由此，LNG的平均分子量为18.46。发生的天然气的自然汽化速率为1570kg/h。假设该汽化具有95％体积甲烷和5％体积氮气的组成，且在-100℃的温度和106kPa的压力下流向导管10。全部流借助静态混合室20通到相分离器22中以调节其温度到更低水平。通过燃料泵30的操作，将其与借助于流动控制阀60从罐2中供应的78kg/h的LNG混合。在压缩机12入口处获得温度为-115℃和流速为1646kg/h(2kg/h在分离器22中被分离)的获得的天然气流，且在531kPa的压力和69℃的温度下离开压缩机12。期望的话，可以在压缩段16和18之间施用段间冷却以降低其温度。将压缩气体与强制蒸发器36中的气体混合。在800kPa的压力下将4168kg/h的LNG供给强制蒸发器36，一部分旁路通过该蒸发器36，依据阀54和56的设置。蒸发器36入口处的LNG温度为-163℃。供给相分离器的气体的温度为-100℃。其压力为530kPa。在相分离器42中分离724kg/h的重质烃。相分离下游的强制蒸发气体的流速为3444kg/h且具有下列组成：
氮气    0.17摩尔％
甲烷    94.91摩尔％
C2烃    4.71摩尔％
C3烃    0.21摩尔％
C4烃    0.01摩尔％
C5烃    0.00摩尔％
平均分子量16.78
在与从压缩机12中供给的气体混合时，产生速度5090kg/h、压力530kPa和温度-44℃的天然气流。该天然气具有下列组成：
氮气    1.57摩尔％
甲烷    94.94摩尔％
C2烃    3.30摩尔％
C3烃    0.18摩尔％
C4烃    0.01摩尔％
C5烃    0.00摩尔％
平均分子量16.75
该组合物适用于在发动机中使用，因为其具有足够高度的甲烷数。
将混合的气体在加热器50中加热到25℃的温度且在该温度下(和5090kg/h的流速和470kPa的压力下)供给发动机80。
可编程的逻辑控制器52操作，使得保持期望的气体到发动机80的速率和确保该气体的组成是可接受的。

Claims (8)

1、一种供应天然气燃料的方法，包括步骤：
将从液化天然气储存容器的缺量空间中取出的汽化天然气的主要流压缩，将从储存容器中取出的液化天然气流部分且强制蒸发，由此形成含有未蒸发的液化天然气的天然气的次要流，将未蒸发的液化天然气从次要流中分离，和将次要流与压缩的主要流混合。
2、权利要求1的方法，其中该部分蒸发是通过全部蒸发和过热所述液化天然气流的第一部分并将获得的蒸汽与所述液化天然气流的第二部分混合来实现的。
3、权利要求1或2的方法，其中控制天然气的次要流的温度、流速和组成。
4、一种用于供应天然气燃料的装置，包括：
具有与至少一个液化天然气储存容器的缺量空间相通的、用于天然气的主要流的入口和与天然气供应管道相通的出口的压缩机，强制液化天然气部分蒸发器设备，具有与所述的或不同的液化天然气储存容器的液体储存区域相通的、用于天然气的次要流的入口和能够置于与所述天然气供应管道相通的出口，所述部分蒸发设备在操作上与用于将未蒸发的液化天然气从蒸发的天然气中分离的设备相关联。
5、权利要求4的装置，其中该装置包括操作上与强制部分蒸发器设备相关联的可编程的逻辑控制器。
6、权利要求5的装置，其中该可编程的逻辑控制器包括用于确定操作强制部分蒸发器设备时的温度和由此未蒸发的液化天然气与蒸发的天然气的组成的算法。
7、权利要求4～6中任一项的装置，其中该强制部分蒸发设备包括：具有热交换设备的蒸发室，到用于液化天然气的蒸发室的入口，蒸发室下游的混合室，到与蒸发室中出口相通的混合室的第一入口，到与液化天然气的来源相通的混合室的第二入口，和用于控制液化天然气到蒸发室和混合室的相对流动的阀设备。
8、权利要求4～7中任一项的装置，其中在所述天然气供应管道中存在气体加热器，其可以进行将天然气升高到所选温度的操作。
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