CN101449124A - 用于在再液化系统中在压缩之前将lng蒸发气预热至常温的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种在压缩(C11，C12，C13)之前将从再液化系统中的贮存器(74)流出的LNG蒸发气(BOG)流(1)预热的方法和设备。该方法包括在第一热交换器(H10)中使BOG流(1)相对于其温度高于BOG流(1)的第二冷却剂流(59)进行热交换，其中，通过选择地将第一冷却剂流(56)分离成所述第二冷却剂流(59)和第三冷却剂流(57)来获得第二冷却剂流(59)，所述第三冷却剂流流入到在再液化系统的冷箱(H20)中的第一冷却剂通道，由此BOG在压缩之前已经达到接近常温，并且来自BOG的低温负荷基本上保持在再液化系统中，以及冷箱(H20)中的热应力被降低。在压缩步骤之前，通过使BOG与所述冷却剂热交换(H10)将BOG预热至基本上常温，所述冷却剂在热交换之前的温度高于BOG。

Description

用于在再液化系统中在压缩之前将LNG蒸发气预热至常温的方法和设备
技术领域
本发明涉及将来自液化天然气(LNG)的蒸发气再液化的领域。更具体地说，本发明涉及用于在压缩之前将从再液化系统中的贮存器中流出的LNG蒸发气(BOG)流预热的方法和设备。
背景技术
新一代LNG船随着LNG再液化系统(LNG RS)的引入而建立。之前，基本上所有LNG船都是通过由在运输期间从货物蒸发出的蒸发气(BOG)提供燃料的蒸汽轮机来驱动的。在BOG的总量不足以满足整个能量需求的时期中，必须通过强制蒸馏器来给锅炉提供进一步的LNG。
新一代LNG RS能够收集、冷却和再液化所有BOG并且因此在整个满载和满舱航程中保持整个货物体积。可以采用与蒸汽轮机相比效率更高的普通慢速柴油发动机来进行推进。
有几份专利已经描述了这些再液化工厂的各个方面以及因此对这些方面的一些改进。现有技术(例如，挪威专利申请No.20051315基本上集中在对氮发动机循环和利用低温氮来进行预冷方面的改进)。但是，仍然进一步需要改进该系统以便降低能量需求。
大多数目前的LNG船采用低温离心BOG压缩机来给其锅炉提供燃料。选择低温压缩的主要原因在于，与在常温下进行压缩相比这将明显减小压缩机尺寸。风机定律适用于离心压缩机，并且表明较低的抽吸温度将确保每级更高的压比。气体密度因此将增大，容积流量减小至最低，并且BOG压缩机的尺寸和效率变得更加理想。
由于不必保持在BOG系统中的低温负荷(实际上BOG在流向锅炉之前通常要进行额外加热)，因此在BOG压缩下游没有任何散热手段的情况下压缩热将由压缩气体吸收。
低温BOG压缩的普通实践已经进一步应用于新的BOG压缩机设计，致力于朝着LNG再液化系统发展。从能源方面看，这导致工作效率低，因为冷却循环的尺寸必须设定为除了蒸发热和在货物保存系统中吸收的过热之外还要从BOG压缩机中去除压缩热。
在应用低温BOG压缩时还出现了其它问题。由于没有采用后冷却器(中间冷却器)，因此根据在BOG压缩机上游的温度控制会导致在低容量下进行再循环。为此所需的冷却负荷难以预计，因为它主要取决于BOG压缩机效率，这反过来依赖于所处理的蒸汽的几个特性。采用再冷凝BOG来提供这种冷却也降低了在每单位返回到储存罐的再液化BOG的能量方面测量的设备性能。
发明内容
因此本发明提供了一种在压缩之前将从再液化系统中的贮存器流出的LNG蒸发气(BOG)流预热的方法，该方法包括在第一热交换器中使BOG流相对于其温度高于BOG流的第二冷却剂流进行热交换，该方法的特征在于，通过选择地将第一冷却剂流分离成所述第二冷却剂流和第三冷却剂流来获得第二冷却剂流，所述第三冷却剂流流入到在再液化系统冷箱中的第一冷却剂通道，由此BOG在压缩之前已经达到接近常温，并且通过优化冷却剂在第一热交换器中的分离来进行与低温BOG的热交换，以便使得能量损失最小化，并且降低了在冷箱中的热应力。
本发明还提供了一种用于在再液化设备中冷却LNG蒸发气(BOG)流的方法，BOG从贮存器流出，该方法包括：压缩BOG；在冷箱中使压缩的BOG相对于冷却剂进行热交换；使再液化的BOG从冷箱基本上流向贮存器，其特征在于，在压缩步骤之前，通过使BOG与所述冷却剂进行热交换将BOG预热至基本上常温，所述冷却剂在热交换之前其温度高于BOG。
在一个实施方案中，在冷箱和贮存器之间的再液化的BOG的压力与BOG压缩机排出压力和贮存器压力分开来控制，并且因此可以控制所产生出的排出气体量和排出气体的组分。
本发明还提供了一种用于在再液化系统中冷却LNG蒸发气(BOG)的设备，该设备包括：闭环冷却剂回路，用于在冷却剂和BOG之间的热交换；BOG压缩机，其具有与LNG贮存器流体连接的入口侧；冷箱，其具有带有BOG入口的BOG流动通道，该BOG入口与BOG压缩机的出口侧流体连接，所述BOG流动通道具有与贮存器流体连接的用于基本上再液化的BOG的出口；所述冷箱还包括用于在BOG和冷却剂之间的热交换的冷却剂流动通道，其特征在于在贮存器和BOG压缩机的入口侧之间的流体连接部分中的第一热交换器，所述第一热交换器在位于冷却剂回路的压缩扩展器后冷却器下游但是在冷箱中的冷却剂流动通道上游的位置处具有与所述闭环冷却剂回路流体连接的冷却剂通道，由此BOG压缩机接收其温度接近或处于系统常温的BOG。
在一个实施方案中，本发明设有与冷箱的出口以及贮存器流体连接的分离器、在冷箱的出口管道中的第一阀门和在与贮存器连接的管道中的第二阀门，所述分离器还包括排气管道(11)，由此在分离器中的压力可以受到控制，并且因此可以调节排出气体量和排出气体的组分。
附图说明
图1为简化的工艺流程图，显示了本发明。
具体实施方式
现在将参照图1对本发明进行说明，该图显示出具有常温BOG压缩的LNG RS的新颖特征。
该图示意性地显示出货舱74，它保存有一定量的LNG72。从LNG蒸发出的BOG进入与第一热交换器H10连接的管道1。在该热交换器中，如后面所述一样，BOG被加热至接近常温。在该预热之后，BOG经由管道2进入第一级BOG压缩机C11。该BOG压缩机显示为通过如图所示的中间冷却器H11、H12以及后冷却器H13经由管道3-7相互联接的三级离心压缩机C11、C12、C13，但是其它压缩机类型同样可以适用。预热确保了由压缩产生出的热量可以通过在中间冷却器H11、H12和后冷却器H13中的冷却水散出。
加压BOG然后通过管道8提供到第二热交换器(或“冷箱”)H20中，在那里如将在后面所述一样其相对于冷却剂进行热交换。冷却剂优选为氮气(N2)。在热交换之后，基本上再液化的BOG通过与分离器F10联接的管道9、10离开冷箱H20。分离器设有通气管道11。节气阀V10布置在位于冷箱和分离器之间的管道9、10中，用于使得再液化的BOG膨胀。在分离之后，再液化BOG如图1所示通过管道12、13提供到在货舱74中的LNG72中。阀门V11布置在分离器F10和货舱74之间的管道中，其目的将在下面进行说明。
封闭的N2-Brayton冷却循环如图所示在这里由具有通过管道51-55相互联接的具有中间冷却器H21、H22、后冷却器H23的3级压缩机C21、C22、C23和单个膨胀机段E20表示(在这一点上也可以采用其它冷却循环群，例如在挪威专利申请No.20051315中所述的)。加压的冷却剂(N2)通过与三通阀V12连接的管道56离开压缩机和后冷却器H23。可以控制三通阀V12以将在管道56中流动的高压N2流选择性地分离成在相应管道57、59中的两股不同的流，如下面进一步说明的一样。三通阀V12的第一出口通过管道59与在第一热交换器H10中的冷却剂入口连接。如图1所示，管道60通过管道61将第一热交换器H10的冷却剂出口与第二热交换器的H20的中间部分联接。管道57将三通阀V12的第二出口连接在位于第二热交换器H20的上部中的第一冷却剂通道82的入口上。第一冷却剂通道82的出口通过管道58连接到管道60上的进入点处，如上所述。如图1所示，在冷箱的中间部分附近，管道61将该进入点连接到冷箱中的第二冷却剂通道84的入口上。冷却剂流动穿过第二冷却剂通道84并且通过管道62进入膨胀机E20。膨胀的冷却剂在离开热交换器并且通过管道50流回到压缩机C21、C22、C23之前通过与第三冷却剂通道86的入口连接的管道63进入第二热交换器(冷箱)H20的下部。这里描述为三通阀V12的分流同样可以通过其它流动控制结构来进行，例如普通的单管道控制阀、孔道等。重要的是可以对分流进行控制以便应对变化的BOG流动状况。
通常，该过程涉及三个与前面所提出的再液化设计不同的新特征：
1.热交换器H10，用来确保从在轮船的蒸汽头管1中的BOG中可以提取的大部分低温负荷保持保留在该再液化系统中；
2.在常温或接近常温下工作的BOG压缩机C11、C12、C13，其中压缩机H11、H12、H13的热量向大气散发；
3.与普通BOG压缩机的排出压力相比，进入到主热交换器(冷箱)H20的BOG流8的压力通常更高，从而使得冷凝能够在更高温度下进行，并且同时有可能将在分离器F10中的压力控制在位于在管道9中的冷箱出口压力和在货舱74中的存储压力之间的水平上。必须看到该压力控制与通过分离器的排气管道11进行的流动控制相关(在图1中没有显示出流动控制阀)。通过调节分离压力，从而可以根据操作人员的喜好来控制排气流量以及返回到货舱74的冷凝物的组分。使得排出气体流量最小导致所需的再液化能量输入更高，反之亦然。分离器压力的调节因此让操作人员能够针对LNG RS操作的经济优化而言选择最理想的条件。
1.在BOG压缩机上游的热交换器
在BOG压缩机C11、C12、C13上游的热交换器安装用来将在来自货舱74的BOG中的低温负荷保留在该系统内。为了从该BOG流中尽可能多地提取低温负荷，应该允许BOG温度升高至接近常温。为了将低温负荷保留在该系统内，必须通过在再液化系统中的其初始温度高于BOG流的另一个流来吸收该负荷。
这另一个流如图1所示通常为一部分温暖的高压N2流59。也可以采用其它替换方案例如使用整个N2流(不仅其一部分)或来自BOG压缩机的后冷却器下游的BOG流。但是，在对于这种设备共同采用的设备的限制和特征的情况下，图1的流程可以是最优选的。因此，下面将只对图1的流程进行说明，该流程涉及将在N2膨胀机的后冷却器H23下游的高压N2流56分离成两股不同的流57、59。
BOG预热器控制基于对在第二侧上的冷却剂流(N2)的控制。在压缩的N2和在第一热交换器H10(预热器)中的BOG之间传递的能量将取决于BOG流量和温度，并且因此只要BOG流量恒定则因此会或多或少为固定值[kW]。这意味着离开预热器H10的N2流的温度随着N2流量而变化。只要预热器的热传递面积足够大，则可以将在预热器H10上游的N2流中的三通阀V12(或等同的分流群)用于两个不同的目的：
A：为了对整个流程进行热动力学优化
由分流(三通阀V12)表示的自由度可以用来确保在冷箱H20的上部中非常有效的热交换(低LMTD[log平均温度差]，因此能量损失较低)。加热和冷却曲线在理论上可以设计成与在冷箱的上部(温暖部)中的任意温度下的流之间的恒定温差平行。
由于Brayton循环基于加压的N2的热容高于低压N2这个概念，所以如果高压质量流小于冷的低压流，则可以仅使得加热曲线平行。高压流的切分因此将在冷箱的上部中产生非常有效的热交换，并且由于支流也在BOG预热器中单独冷却，所以与两个高压N2流在更低温度下混合相关的能量损失被降低至最小。
通常将根据BOG压缩机的抽吸温度来控制分流。
B.为了将在冷箱中的热应力降低至最小
由三通阀V12(或可选的分流群)来进行的分流控制的另一个优点在于，可以监测离开预热器H10并且在管道60中流动的高压N2流的温度，并且如果必要，进行控制以便避免在通过管道61重新导入到冷箱中的流体流中出现迅速温度波动。
冷箱通常由铝制成并且对热应力敏感。通过应用用于根据不理想条件改变流经预热器的流量的安全控制功能，从而可以细致地控制进入冷箱的所有流体流的温度。在预热器为低压BOG对高压BOG热交换器的情况下这将是不可能的，因为高温BOG的出口温度将与进入BOG中的低压中的波动同步变化。
通常，将对限定流57和59的流量的分流比进行调节以便从低温BOG中尽可能多地提取低温负荷。但是，该结构也可以相对于进入冷箱中部的氮流61的温度控制分流比。这样，可以很容易消除可能使得主热交换器H20受到破坏性热应力的情况。
为了从热动力学方面实现最优的热整合，可以将热交换器H10和H20合并在一个单独的多路热交换器中。
但是，如在图1中的预热器H10处所示一样，由于主热交换器(冷箱)H20通常是翅片式热交换器，这在一定程度上对迅速温度波动和较大的局部温度方式两者敏感，从而可以实现吸收传递给更坚固类型的外部热交换器的一些热量。
在图1中所示的热交换器结构也将减缓进入主热交换器H20的中部的流体流61的温度波动，这是因为N2冷却剂流与BOG流相比将非常大。这将相对于在冷箱中的热应力确保更安全的操作。
2.常温BOG压缩机
采用常温BOG压缩的主要动机在于这能够向大气散热。虽然当前通常使用的BOG压缩机将压缩热保留在BOG流内，但是现在可以将压缩热输送给在常温或接近常温下工作的外部源(例如冷却水)。
常温压缩还具有其它好处。由于如图1所示的后冷却器H13通常将与该系统相关联，所以进入冷箱的压缩流8的温度相对于散热源的温度稳定。后冷却和中间冷却相对于在再循环和/或防湍震模式中的操作方面也表现出较大优点，其中，外部冷媒确保稳定操作，通常不需要进行任何另外的温度控制。
常温BOG压缩对于其中蒸发率、组分、温度和压力明显随着航程类型(压载或满载航程)和货物而变化的LNG船而言尤为有利。朝着周围环境进行中间冷却和后冷却将使得压缩条件稳定并且方便进行容量控制(再循环等)。
3.选择更高压力比的好处
在BOG压缩机C11、C12、C13上的“更高”压力比在本文中将涉及在管道8中的冷箱入口压力比提供足够的差压以便强制LNG回到货舱所严格需要的压力高。
这使得低温分离器F10能够设置在中间压力水平上，通常局限于如图1所示在两个阀门V10、V11之间的区域。在该区域中的压力然后可以独立于BOG压缩机的排出压力和货舱压力控制。因此，整个系统的容量控制的一些可以通过在该区域中的压力调节来进行。因此使得操作人员或自动控制系统能够调节所产生出的排出气体量以及排出气体的组分，以便在所有LNG物价波动期间在最经济的理想条件下进行操作。
也可以设置专用管道以便在再液化的BOG过冷从而分离压力将下降至限定的最小值的条件下绕过分离器。
在主热交换器H20和分离器F10之间的压力差确保了分离器可以更独立于主热交换器设置。
更高的BOG压缩机排出压力将提高在下至货舱压力的节流过程期间的增益(以更高的隔热温度变化或降低的闪发气体产生的形式)。
最后，更高的过程压力将提高在加热主热交换器H20中的热传递系数，并且确保冷凝在更高的温度下进行以便降低能量损失。
本领域普通技术人员将理解的是三通阀V12的目的在于选择地控制在(i)与第一热交换器H10连接的管道59和(ii)与冷箱H20连接的管道57之间的分流。为此，上述三通阀V12可以通过例如在位于第一热交换器H10下游的管道60中的可控阻风门和在管道57中的固定尺寸的限制件代替。

Claims (10)

1.一种在压缩(C11，C12，C13)之前将从在再液化系统中的贮存器(74)流出的LNG蒸发气(BOG)流(1)预热的方法，该方法包括在第一热交换器(H10)中使BOG流(1)相对于其温度高于该BOG流(1)的第二冷却剂流(59)进行热交换，该方法的特征在于，
通过选择性地将第一冷却剂流(56)分流成所述第二冷却剂流(59)和第三冷却剂流(57)来获得第二冷却剂流(59)，所述第三冷却剂流流入到在再液化系统的冷箱(H20)中的第一冷却剂通道，由此BOG在压缩之前已经达到接近常温，并且通过优化冷却剂在第一热交换器中的分流来进行与低温BOG的热交换，以便使得能量损失最小化，并且降低了冷箱(H20)中的热应力。
2.如权利要求1所述的方法，其中，第一冷却剂流(56)的选择性分流在第一热交换器(H10)的上游进行。
3.一种在再液化设备中冷却LNG蒸发气(BOG)流的方法，该BOG从贮存器(74)中流出，该方法包括：
压缩(C11，C12，C13)BOG；
在冷箱(H20)中使压缩的BOG相对于冷却剂进行热交换；
使再液化的BOG从冷箱(H20)基本上流向贮存器(74)，其特征在于，
在压缩步骤之前，通过使BOG与所述冷却剂进行热交换(H10)将BOG预热至基本上常温，所述冷却剂在热交换之前的温度高于BOG。
4.如权利要求1和3所述的方法，其中，在压缩之前加热BOG所需的负荷从位于冷却剂压缩扩展器后冷却器(H23)的下游但是位于冷箱(H20)的上游的冷却剂流传送。
5.如权利要求3和4所述的方法，其中，在位于冷却剂压缩扩展器和预热器之间的位置处，流向BOG预热器的一部分冷却剂流在与从预热器流出的冷却剂流混合之前流入到冷箱中的专用流动通道中。
6.如权利要求3所述的方法，其中，在冷箱和贮存器之间的再液化的BOG的压力独立于BOG压缩机的排放压力和贮存器压力被控制，因此可以控制形成的排出气体的量和排出气体的组分。
7.一种用于在再液化系统中冷却LNG蒸发气(BOG)的设备，该设备包括：
闭环冷却剂回路，用于在冷却剂和BOG之间的热交换；
BOG压缩机(C11，C12，C13)，其具有与LNG贮存器(74)流体连接的入口侧；
冷箱(H20)，其具有带有BOG入口的BOG流动通道，该BOG入口与BOG压缩机出口侧流体连接(8)，所述BOG流动通道具有与贮存器流体连接(9，10，12，13)的用于基本上再液化的BOG的出口；
所述冷箱还包括用于在BOG和冷却剂之间的热交换的冷却剂流动通道(82，84，86)，其特征在于：
在贮存器(74)和BOG压缩机的入口侧之间的流体连接部分中的第一热交换器(H10)，所述第一热交换器(H10)在位于冷却剂回路的压缩扩展器后冷却器(H23)的下游但是在冷箱中的冷却剂流动通道的上游的位置处具有与所述闭环冷却剂回路流体连接(59，60)的冷却剂通道，
由此BOG压缩机接收温度接近或处于系统常温的BOG。
8.如权利要求7所述的设备，还包括：
在压缩扩展器后冷却器(H23)下游的管道(56)中的在冷却剂回路中的选择器阀门(V12)；以及
冷却剂管道(59)，它在一个端部处与选择器阀门(V12)的第一出口连接并且在另一个端部处与第一热交换器(H10)的冷却剂通道的入口连接；以及
冷却剂管道(57)，它在一个端部处与选择器阀门(V12)的第二出口连接并且在另一个端部处与在冷箱(H20)中的第一冷却剂通道(82)的入口连接。
9.如权利要求7所述的设备，其中，所述第一热交换器(H10)的冷却剂通道流体连接部分(59，60)还包括冷却剂管道(60)，该冷却剂管道(60)在一个端部处与第一热交换器(H10)的冷却剂通道的出口连接并且在另一个端部处与管道(58)连接，该管道(58)与第二热交换器(H20)的第一冷却剂通道(82)的出口流体连接，所述管道(58，60)与在第二热交换器(H20)中的第二冷却剂通道(84)的入口连接(61)。
10.如权利要求7所述的设备，还包括与冷箱的出口和贮存器(74)流体连接(9)的分离器(F10)、在冷箱的出口管道(9)中的第一阀门(V10)以及在与贮存器连接的管道(12)中的第二阀门(V11)，所述分离器还包括排气管道(11)，由此在分离器中的压力可以受到控制，并且因此可以调节排出气体量和排出气体的组分。
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