CN101238322B - 在液化天然气再气化终端中用于动力生产的结构和方法 - Google Patents

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Abstract

设计的动力生产结构和方法使用液化天然气的致冷低温来冷凝在膨胀涡轮内生产的膨胀的汽化天然气，其中：膨胀涡轮被从汽化器抽吸的加热的汽化天然气驱动。最一般地，被冷凝的膨胀的汽化天然气与液化天然气合并而且被送到汽化器。

Description

在液化天然气再气化终端中用于动力生产的结构和方法
本申请要求我方同时待审的于2005年7月18日提出的编号为60/700649的美国临时专利申请的优先权。
技术领域
本发明的技术领域是：使用液化天然气的动力生产，而且特别涉及液化天然气再气化设备中的动力生产和/或与动力装置的一体化。
背景技术
液化天然气(LNG)的输入被期望加速，主要是由于超过原油的增加的使用以及技术和经济上的优点。虽然有些当前现有的液化天然气再气化设备被扩展，但仍然必须补充新的再气化设备以满足将来对天然气的要求。
传统的液化天然气再气化设备一般要求有外部热源，例如敞开架的海水汽化器、浸没燃烧汽化器、中间流体汽化器(例如，使用乙二醇-水混合物)和/或周围空气汽化器。然而，液化天然气的汽化是能量消耗量大的过程，而且一般要求热功当量大约为液化天然气的内能的3％。更近来，通过将热量产生过程与液化天然气再气化连接，已进行了尝试以减小用于再气化的能量需求。
例如，动力装置可与液化天然气再气化相连接，与Mandrin和Griepentrog的美国专利No.4036028和No.4231226所分别描述的一样。相似的结构公布于公开的Keller的美国专利申请No.2003/0005698、Johnson等人的EP0683847和Keller的WO02/097252。在这些已知的结构中，用于液化天然气的再气化的热量通过热交换流体来提供，该热交换流体与涡轮排气装置或联合循环动力装置进行热交换。虽然某些这样的结构造成能量消耗的减少，但动力生产效率的增益通常并不显著，这主要是由于这些过程不能有效地利用作为冷源的液化天然气的很低的温度(一般在-159.44℃至-101.11℃(-255°F至-150°F)之间)。更进一步，尤其是，某些这样的结构中的传热受限于传热介质的相对高的凝固点。由于这些或其他限制，动力生产效率通常是低的。
在进一步已知的结构中，如EP0496283所描述的那样，动力由蒸汽膨胀涡轮产生，该蒸汽膨胀涡轮由工作流体驱动(这里是水)，该工作流体被燃气轮机排气装置加热并被液化天然气再气化回路冷却。虽然，这样的结构使装置的效率增加到至少某一程度，但仍然存在若干问题。例如，液化天然气的低温致冷含量的利用由于水的高凝固点而经常受到限制。为了克服至少某些与高凝固温度有关的困难，非水流体可在一般的兰金(Ranking)循环动力生产中被用作工作流体。用于这种方法的典型结构公开于Matsumoto和Aoki的美国专利No.4388092，在该专利中，来自蒸馏塔的多组分碳氢化合物流体被用于改善生产效率。然而，这些系统的操作以及多组分工作流体的监测和控制是成本高而且复杂的。
因此，虽然许多用于液化天然气的应用和再气化的过程和结构在本技术领域中是公知的，但几乎所有的过程和结构都因一个或多个缺点而受到损害。因此，仍有必要提供改善的用于液化天然气的应用和再气化的结构和方法。
发明内容
本发明涉及在液化天然气再气化操作中用于动力生产的结构和方法，在该液化天然气再气化操作中，液化天然气被用作工作流体，其中，处于液化状态的液化天然气被用于汽化器的上游以冷凝膨胀的工作流体，而一部分处于汽化状态的液化天然气(汽化天然气)被用于汽化器的下游以驱动膨胀涡轮。最有利地，液化天然气在管道压力下被汽化，而被冷凝的膨胀的工作流体被泵送回至管道压力并在汽化器的上游的位置与液化天然气组合。
因此，在本发明主题的一个方面中，液化天然气再气化装置被设计成包括热交换器，该热交换器被配置成利用来自液化天然气的致冷含量来冷凝膨胀的汽化天然气。在这种装置中的汽化器被配置成从液化天然气产生汽化天然气，而且膨胀器被流体连接到汽化器并被配置成使至少一部分汽化天然气膨胀从而产生膨胀的汽化天然气。
优选地，设计的装置将进一步包括：泵，被配置成从热交换器接收冷凝的天然气；以及流体连接到该泵的导管，被配置成使冷凝的天然气与液化天然气组合；和/或第二热交换器，被配置成利用来自膨胀的汽化天然气的热量来加热该至少一部分来自汽化器的汽化天然气。在进一步优选的方面中，该装置包括第三热交换器，被配置成使该至少一部分来自汽化器的汽化天然气加热到至少148.89℃(300°F)的温度(例如，利用来自燃气轮机、废热回收装置和/或燃烧加热器的废气作为热源)。另外，或者可选择地，可包括热交换流体回路，其被热连接到汽化器和第四热交换器(一般被配置成在膨胀器的上游的位置加热来自汽化器的该部分汽化天然气)。
特别设计的装置将包括第二个泵，该泵使液化天然气从储存压力泵送至管道压力，其中，储存压力在6894Pa至689400Pa(1磅/平方英寸至100磅/平方英寸)之间，而且管道压力在4825800Pa至13788000Pa(700磅/平方英寸至2000磅/平方英寸)之间。因此，膨胀器一般被配置成使该部分汽化天然气从大约6894000-13788000Pa(1000-2000磅/平方英寸)之间膨胀到大约6894Pa至689400Pa(1磅/平方英寸至100磅/平方英寸)之间的压力。也设计使该装置包括流量控制器，该流量控制器控制从汽化器到膨胀器的该部分汽化天然气的流量。
在本发明主题的另一个方面中，使用天然气作为工作流体的产生动力的方法将包括下述步骤：在涡轮内膨胀至少一部分汽化天然气(一般达到6894-689400Pa(1-100磅/平方英寸)之间的压力)以产生动力和膨胀的汽化天然气。而在另一个步骤中，使用液化天然气的制冷低温来冷凝膨胀的汽化天然气，并组合冷凝的天然气和液化天然气，而在另一个步骤中，组合的液化和冷凝的天然气被汽化以产生汽化天然气。
特别优选的方法包括下述步骤：使用来自燃气轮机、废热回收装置、燃烧加热器的废气和/或膨胀的汽化天然气的热量在一个或多个热交换器内加热该部分汽化天然气。进一步优选的方法包括下述步骤：在汽化器的上游的位置把液化天然气至少泵送到管道压力以产生汽化天然气。最一般地，汽化器使用海水、热交换介质和/或浸没燃烧器作为热源。在本发明主题的优选的方面中，该部分汽化天然气为总汽化天然气的大约1％至50％之间。
因此，而且从不同的观点来看，发明人设计使用从汽化器的上游的位置抽吸的液化天然气来冷凝来自开路动力循环的膨胀的汽化天然气工作流体，其中：从汽化器的下游的位置抽吸该汽化天然气工作流体。一般地，设计的开路动力循环包括膨胀涡轮和加热汽化天然气工作流体的加热器，而冷凝的天然气工作流体和从汽化器的上游的位置抽吸的液化天然气二者被组合并送到汽化器。如同上述设计的装置和方法，一般优选的是：在汽化器的上游的位置的液化天然气处在大约管道压力下，而且膨胀的汽化天然气工作流体处在6894-689400Pa(1-100磅/平方英寸)之间的压力下。
本发明的各种目的、特征、方面和优点根据下述本发明的优选实施例的详细描述以及所带的附图是更加显而易见的。
附图说明
图1是根据本发明主题连接到液化天然气再气化操作的动力生产方案的一个典型结构；以及
图2是根据本发明主题连接到液化天然气再气化操作的动力生产方案的另一个典型结构。
具体实施方式
发明人已经发现：通过在开路循环中使用至少一部分再气化的液化天然气作为工作流体，液化天然气内的致冷含量可被有利地应用于再气化设备中的动力的生产，其中，使用送到该设备的液化天然气的低温致冷含量，液化天然气在膨胀后被冷凝。根据汽化器的结构，中间的热交换介质可被用于设计的结构中。
应当特别理解：液化天然气被泵送到所需的压力以在使用液化天然气作为工作流体的开路动力循环中提供致冷。在这样的装置中，使用被输送到该装置的液化天然气的低温温度，液化天然气工作流体被冷凝。因此，应当可知：液化天然气再气化和/或动力生产可借助于周围空气汽化器、海水汽化器和/或来自燃气轮机或燃烧加热器的废热来实现，这显著地减少了动力生产中的燃料消耗。此外，由于液化天然气被用作工作流体，所以不需要外部工作流体。从不同的观点来看，由于工作流体不会在低温温度下凝固，显著增加的致冷含量是可恢复的。
典型的开路液化天然气动力循环被示意地绘制于图1，在图中，动力生产被可操作地连接到具有大约350MMscfd(百万标准立方尺/天)的送出率的液化天然气再气化装置。然而，应当理解：本发明的主题不限于特定的送出率，而且合适的装置可具有更高或更低的送出率。下面的表1示出图1中一般的液化天然气成分。
Figure GSB00000797321700051
表1
来自储罐或其他来源的液化天然气流1一般处在482580Pa至689400Pa (70磅/平方英寸至100磅/平方英寸)之间的压力，并且处在大约-162.22℃至-156.67℃(-260°F至-250°F)的温度。由于需要满足管道要求，流1被液化天然气泵51泵送至合适的压力，一般大约为8272800至11030400Pa(1200至1600磅/平方英寸)，以形成加压的液化天然气流2。作为在这里使用的与数字连在一起的术语“大约”指的是从低于该数字的20％开始的数字到高于该数字的20％的数字的范围，该数字也包括在内。例如，术语“大约-101.11℃(-150°F)”指的是-117.78℃至-84.44℃(-180°F至-120°F)的范围，以及术语“大约9651600Pa(1400磅/平方英寸)”指的是7721280Pa至11581920Pa(1372磅/平方英寸至1680磅/平方英寸)的范围。
一部分液化天然气流2被分离成流3，并利用旁通阀52被送到交换器54。流3在该交换器内从大约-156.67℃(-250°F)加热到大约-112.22℃(-170°F)以形成流4，而膨胀的汽化天然气工作流体8从大约4.44℃(40°F)冷却和冷凝到大约-137.22℃(-215°F)。如此冷凝的液化天然气工作流体9处在大约551520Pa(80磅/平方英寸)的压力和大约-137.22℃(-215°F)的温度，并被泵55泵送到大约9651600Pa(1400磅/平方英寸)的压力，形成流10，流10与液化天然气流2的剩余部分组合以形成组合的流5。流5然后在汽化器53中被周围热源(例如周围空气或海水)提供的热量加热到大约4.44℃(40°F)。汽化天然气流6然后利用流量控制器(未示出)被分离成第一部分(大约85％，流7)和第二部分(大约15％，流30)。应当理解：特别地，汽化天然气流的分离比通常取决于液化天然气成分和所要求的动力生产输出。流7被送到用户管道，而流30按如下所述被利用于动力循环。
利用来自膨胀器排出流13的热含量，流30首先在交换器56中被加热到大约68.33℃(155°F)，形成流11。如此被加热的汽化天然气在加热器57中被外部源进一步加热到大约232.22℃(450°F)(或更高)，形成流12。应当理解：许多外部热源是合适的(例如，来自燃气轮机、废热回收装置和/或燃烧加热器的废气)。产生的高压高温工作流体12然后在膨胀器58内被膨胀到大约517050Pa(75磅/平方英寸)，形成流13，产生能被用来驱动发电机的动力。膨胀器排出的热含量在交换器56内恢复形成流8，流8随后在交换器54内被显著地冷凝形成流9以重复该动力循环。
在图1的典型结构中，开路动力循环使大约2081.98L/min(550加仑/分钟)的液化天然气工作流体进行循环，产生大约5000kW。按照由除以对交换器57的热量输入的来自该循环的净功率输出的热当量所计算的动力生产效率大约是68％。该效率可用更高的操作温度和压力来进一步增大，这应与更高的设备费用和加热要求相称。关于分别从液化天然气流2和流6抽吸的流3和流30的量，应当可知：该特定的量将至少部分地由所要产生的动力的量来确定。例如，在要求相对大的动力的量地方，流30可以比流6多15％(例如16-20％、20-25％或甚至更高)。因此，以及取决于冷却的膨胀器排出8的温度，流3的量可相当大地变化。最一般地，流3将是至少符合有效冷凝膨胀的天然气流8的量。因此，应当可知：液化天然气流2的低温致冷含量的第一部分被用作液化天然气工作流体的冷源，而且处于至少部分汽化形式的至少一部分液化天然气被加热和膨胀，以在开路动力循环中做功。
另一个典型的开路液化天然气动力循环被示意地绘制于图2，在图中，动力生产被可操作地连接到液化天然气再气化装置，该液化天然气再气化装置使用中间的热交换流体(例如，乙二醇-水、乙醇或导热姆换热剂等)以向液化天然气汽化器提供热量。这里，中间流体流14被泵59泵送到大约827280Pa(120磅/平方英寸)，形成流15，流15优选地在汽化器60内被周围空气加热形成流16。流16的第一部分经过流17在交换器61内用废热22进一步加热到大约248.89℃(480°F)或更高，形成加热的流19，该流19加热预热的液化天然气流11。流19作为流20离开热交换器57，并与流16的第二部分(流18)组合以形成用在汽化器53中的流21。关于图2的剩余组件，相同的设计思想应用于具有如图1绘制的同样的数字的同样的组件。
用于交换器22和57的合适的热源包括燃气轮机燃烧空气、到表面冷凝器的冷却水、来自燃气轮机的废气和/或来自燃料燃烧加热器的废气。然而，也可预想到许多可选择的热源，包括在装置中存在的除了组合的循环装置之外的单元。类似地，用于液化天然气制冷的合适的接收器也可包括：液化天然气冷却空气或其他气体的多个低温过程(例如空气分离装置)；提供废气(例如重整的废气等)的过程；以及起到冷源(例如，二氧化碳流体生产装置、脱盐装置或食物冷冻设备)作用的其他过程。因此，应当理解：从汽化器的上游的位置抽吸的液化天然气可被用来冷凝来自优选开路动力循环的膨胀的汽化天然气工作流体，其中，从汽化器的下游的位置抽吸该汽化天然气工作流体。
在本发明主题的进一步设计的方面中，一般优选的是：动力生产可操作地与液化天然气再气化设备和/或液化天然气接收终端相连接，而且特别优选的结构包括那些液化天然气在一种过程中被再气化的结构，在该过程中，至少液化天然气的一部分被用于产生电力(最优选与组合的动力循环一体化)。例如，合适的装置和方法在我方共同拥有且同时待审的编号为PCT/US03/25372和PCT/US03/26805的国际专利申请中进行了描述，在此通过引用将其引入。
因此，以及根据特定的热源，应当可知：液化天然气的再气化所需要的能量可全部或仅仅部分地由设计的热源提供。在热源提供不足的热量以使液化天然气完全气化时，应当可知：可以提供补充的热量。合适的补充热源包括：来自蒸汽轮机排出的废热、来自废气的冷凝功、用空气、海水或废气的周围加热(例如通过向建筑物提供空调)。因此，应当理解：设计的结构和过程可被用于改进现有的再气化装置以改善动力生产效率和适应性，或可用于新的设备。
应当特别理解：使用根据本发明主题的结构可以实现许多优点。尤其是，在没有外部工作流体的条件下，例如蒸汽或具有除液化天然气之外的成分的碳氢化合物，设计的结构可提供高度有效的液化天然气动力生产循环。设计的过程可与动力装置的任何类型相连接，并仍然提供好处或改善的效率。特别优选的结构利用了低温区域内的液化天然气低温以及利用液化天然气作为工作流体以获得高的热效率，一般在大约70％或更高的范围内。在最优选的装置中，送出的液化天然气被泵送到超临界压力并使用传统的汽化器再气化，而一部分再气化的产品作为液化天然气工作流体(汽化天然气)被分离到开路动力循环。液化天然气工作流体被进一步过热和膨胀至较低压力从而产生动力，其中，利用在-156.67℃至-101.11℃(-250°F至-150°F)的范围内送出的液化天然气的低温温度，膨胀的工作流体被冷凝。可选择地，液化天然气工作流体被泵送到超临界压力(这里高于临界凝结压力)，并被外部热源加热，然后被膨胀到较低压力，用于带有热源的动力生产，该热源与动力循环一体化或热连接到该动力循环。利用送出的液化天然气，膨胀的工作流体被冷凝、泵送并与该送出的液化天然气混合以及在汽化器内加热。根据所设计的装置的概念上简单的结构，应当可知：根据本发明主题的动力生产可作为对现有设备的改进来实施，或在最开始建造的设备中实施。
因此，用于带有一体化液化天然气再气化的动力生产的结构和方法的具体实施例和应用已被公开。然而，对于那些本领域内的技术人员应当显而易见的是：在这里，在不脱离本发明原理的情况下，除那些已描述的内容之外的更多种改进是可能的。本发明的主题因此除了现有的公开以外并不会受到限制。此外，在解释说明书时，所有的术语应当以与上下文一致的最宽泛可能的方式来解释。特别地，术语“包括(comprises)”和“包括(comprising)”应当解释为所指的是采用非排他方式的元件、组件或步骤，表示所提及的元件、组件或步骤可以是现有的、已利用过的或与其他元件、组件或未确切引用的步骤相结合的。此外，在此通过引用而引入的引用中的术语的定义或使用与在此提供的该术语的定义不一致或相反时，在此提供的该术语的定义适用，而引用中的该术语的定义不适用。

Claims (20)

1.一种带有开路动力循环的液化天然气再气化装置，包括：
热交换器，被配置成使用来自液化天然气的致冷含量来冷凝膨胀的汽化天然气从而形成冷凝的天然气；
汽化器，被配置成从液化天然气以及冷凝的天然气产生汽化天然气；
膨胀器，与汽化器成流体连接并配置成使至少一部分汽化天然气膨胀以从而产生动力和膨胀的汽化天然气；以及
其中：管道，被配置成接收另一部分汽化天然气，而且该另一部分汽化天然气和该至少一部分汽化天然气具有相同的压力。
2.根据权利要求1所述的再气化装置，进一步包括：泵，被配置成接收来自热交换器的冷凝的天然气；以及流体连接到泵的导管，被配置成使冷凝的天然气与液化天然气组合。
3.根据权利要求1所述的再气化装置，进一步包括第二热交换器，被配置成使用来自膨胀的汽化天然气的热量加热来自汽化器的该至少一部分汽化天然气。
4.根据权利要求1所述的再气化装置，进一步包括第三热交换器，被配置成使来自汽化器的汽化天然气的该至少一部分汽化天然气加热到至少148.89℃的温度。
5.根据权利要求4所述的再气化装置，其中：第三热交换器被配置成使用从包括来自燃气轮机、废热回收装置和燃烧加热器的废气的组中选择的热源。
6.根据权利要求1所述的再气化装置，进一步包括第二个泵，被配置成使液化天然气从储存压力抽吸到管道压力。
7.根据权利要求6所述的再气化装置，其中：储存压力在6894Pa和689400Pa之间，而且管道压力在4825800Pa和13788000Pa之间。
8.根据权利要求1所述的再气化装置，其中：膨胀器被配置成使该至少一部分汽化天然气从6894000Pa-13788000Pa之间膨胀到6894Pa至689400Pa之间的压力。
9.根据权利要求1所述的再气化装置，进一步包括流量控制器，控制从汽化器到膨胀器的该至少一部分汽化天然气的流量。
10.根据权利要求1所述的再气化装置，进一步包括：热连接到汽化器的热交换流体回路；以及第四热交换器，被配置成在膨胀器的上游的位置加热来自汽化器的该至少一部分汽化天然气。
11.一种在开路动力循环中使用天然气作为工作流体来产生动力的方法，包括：
使涡轮内的至少一部分汽化天然气膨胀以产生动力和膨胀的汽化天然气；
将另一部分汽化天然气运送到管道，其中：该另一部分汽化天然气和该至少一部分汽化天然气具有相同的压力；
使用液化天然气的致冷低温来冷凝膨胀的汽化天然气，并使冷凝的天然气与液化天然气组合；以及
使组合的液化和冷凝的天然气汽化以产生汽化天然气。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括下述步骤：在至少一个热交换器内使用来自热源的热量加热该一部分汽化天然气，该热源选自包括来自燃气轮机、废热回收装置、燃烧加热器的废气和膨胀的汽化天然气的组。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括下述步骤：在汽化器的上游的位置使液化天然气泵送到至少管道压力以产生汽化天然气。
14.根据权利要求13所述的方法，其中：汽化器使用海水、热交换介质、浸没燃烧器中至少一种作为热源。
15.根据权利要求11所述的方法，其中：膨胀该部分汽化天然气的步骤包括向6894Pa-689400Pa之间的压力的膨胀。
16.根据权利要求11所述的方法，其中：该部分汽化天然气为总汽化天然气的1％至50％之间。
17.一种使用从汽化器的上游的位置抽吸的液化天然气来冷凝来自开路动力循环的膨胀的汽化天然气工作流体的方法，其中：从汽化器的下游的位置抽吸该汽化天然气工作流体，而且该汽化天然气工作流体具有的压力为从汽化器输送到管道的汽化天然气的压力。
18.根据权利要求17所述的方法，其中：开路动力循环包括膨胀涡轮以及加热汽化天然气工作流体的加热器。
19.根据权利要求17所述的方法，其中：冷凝的天然气工作流体和从汽化器的上游的位置抽吸的液化天然气被送到汽化器。
20.根据权利要求17所述的方法，其中：在汽化器的上游的位置上的液化天然气处在管道压力，而且膨胀的汽化天然气工作流体在6894Pa-689400Pa的压力之间。
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