CN101861492A - 在利用环境空气将低温液体连续再气化期间的间歇除冰 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于将低温液体再气化成气态形式的方法和设备。通过循环低温液体或中间流体穿过大气蒸发器，热量从环境空气穿过传热面传递到低温液体，其中环境空气和低温液体或中间流体不直接接触。在使用过程中，至少在传热面暴露于大气的外侧部分上形成冰层，在所述外表面部分处传热面的温度低于水的冰点。利用与控制装置操作连接的热源从蒸发器间歇除去该冰层，该控制装置设置为当需要除冰时产生信号。热源被指向冰层和传热面之间的界面处。

Description

在利用环境空气将低温液体连续再气化期间的间歇除冰
技术领域
本发明涉及一种用于将低温液体再气化成气态形式的方法和设备，其将环境空气作为用于气化的第一热源并且其能够连续运行。本发明特别但非排他地涉及一种利用环境空气作为蒸发的第一热源用以将LNG再气化成天然气的方法和设备。
背景技术
天然气是最清洁的燃烧矿物燃料，因为它比煤或石油产生更少的排放物和污染物。天然气(“NG”)通常以其液态即“液化天然气”(“LNG”)从一个地方被运输到另一个地方。天然气的液化使其运输更加经济，因为LNG仅占用相同量天然气在其气态状态下体积的约1/600th。将LNG从一个地方运输到另一个地方最通常利用具有低温存储能力的双层-壳体远洋船舶实现，其被称为“LNGCs”。LNG通常存储在LNGC船上的低温贮罐内，贮罐在大气压或略高于大气压的条件下工作。现有LNGCs的大多数都具有120,000m3～150,000m3范围的LNG载货存储容量，一些LNGCs的存储容量高达264,000m3。
LNG通常在分配给最终用户之前被再气化成天然气，所述分配以满足最终用户输送需求的温度和压力通过管道或其他的分配网络进行。LNG的再气化最通常通过将LNG的温度升高到特定压力下LNG的沸点以上来实现。对于LNGC通常在位于一个国家的“出口码头”处装载其LNG货物，并然后横渡大海将其货物输送到位于另一国家的“进口码头”。一旦到达进口码头之后，LNGC通常停靠在码头或防波堤处，并且将液态LNG卸下到位于进口码头的陆上存储和再气化设备。陆上再气化设备通常包括多个加热器或蒸发器、泵和压缩机。这种陆上存储和再气化设备通常体积较大且固定建筑物成本巨大，并且操作这种设备是很重要的。
最近，公众对于建造陆上再气化设备的成本和主权风险的关注导致建造近海再气化终端，它们远离居民区域和陆上活动范围。已经提出了多种具有不同结构和联合体的近海终端。例如，美国专利6,089,022描述了一种系统和一种方法，用于在再蒸发的天然气被输送上岸用于运输至陆上设备之前将LNG在运输船上再气化。LNG利用取自运输船周围水体的海水进行再气化，所述海水流过一个再气化设备，该再气化设备装设在运输船上并因此随着运输船一道从出口码头航行到进口码头。海水与LNG进行热交换，以将LNG蒸发成天然气，并且冷却的海水回到运输船周围的水体中。对于LNG的蒸发，海水是廉价的中间流体源，但由于环境因素的考虑不再具有吸引力，具体地是因为将冷却海水返回到海洋环境中对环境产生的影响。
LNG的再气化通常利用以下三种类型蒸发器中的一种：敞开型、中间流体型或浸没燃烧型。
敞开型蒸发器通常利用海水作为用于LNG蒸发的热源。这些蒸发器利用在加热器外侧上一次-通过的海水作为用于蒸发的热源。它们不会由于水结冰而堵塞，易于操作和维护，但它们建造起来很昂贵。在日本它们被广泛使用。它们在美国和欧洲的使用受限制，并且从经济上由于几个原因也难于证明其合适。首先因为对于海洋生物的环境的担忧，现有的许可环境不允许将非常低温的海水返回到大海中。像美国南部那些地方的沿海海水通常也不干净，并含有很多的悬浮固体，它们可能需要过虑。由于这些局限，在美国敞开型蒸发器的使用在环境学和经济角度是不可行的。
除了通过由海水或蒸汽直接加热液态天然气以外，中间流体型蒸发器使用丙烷、氟化烃或类似的具有较低冰点的制冷剂。制冷剂首先由热水或蒸汽加热，以利用制冷剂的蒸发和冷凝来蒸发液化天然气。这种类型蒸发器的建造与那种敞开型的蒸发器相比要更便宜，但需要加热装置，例如燃烧装置，用于准备热水或蒸汽并由于燃料消耗因此操作昂贵。
浸没燃烧型蒸发器包括浸入水中的管，所述水由从燃烧装置喷入其中的燃烧气体加热。与中间流体型蒸发器一样，浸没燃烧型蒸发器包含燃料成本因此操作昂贵。浸没燃烧型蒸发器包括一个水槽，其中设置气体燃烧装置的废气管以及用于液化天然气蒸发的换热管束。气体燃烧装置将燃烧废气排入水槽中，其加热水提供热量用于液化天然气的蒸发。液化天然气流过管束。这种类型的蒸发器工作可靠且尺寸小巧，但它们包含使用燃气并因此操作昂贵。
已知对于某些下游操作利用环境空气或“大气”蒸发器将低温液体蒸发成气态形式。大气蒸发器是一种通过应用吸收自环境空气的热量将低温液体蒸发的装置。
例如，1983年8月23日授权给Vogler，Jr.等人的美国专利4,399,660描述了一种适于连续蒸发低温液体的环境空气蒸发器。这个设备利用吸收自环境空气的热量。至少三个基本垂直的通路被管接到一起。每个通路包括一个中央管，其具有围绕该管基本等距间隔的多个翅片。
1993年10月12日授权给L.Z.Widder的美国专利5,251,452公开了一种用于低温液体的环境空气蒸发器和加热器。这个装置利用多个垂直安装且平行连接的热交换管。每个管具有多个外侧翅片和对称设置的多个内周缘通道，该通道与中央开口流体连通。一个实心杆在中央开口内延伸每根管的预定长度，以提高汽相低温液体和环境空气之间的传热速率。该液体在管的底部被从其沸点升高到顶部的温度，该顶部的温度适合于加工和其他操作。
2003年9月23日授权给Eyemann的美国专利6,622,492公开了用于将液化天然气蒸发的设备和方法，包括从环境空气吸取热量来加热循环水。该换热方法包括用于液化天然气蒸发的加热器，循环水系统，和从环境空气吸收热量来加热循环水的水塔。2003年11月11日授权给Eyemann的美国专利6,644,041公开了一种用于将液化天然气蒸发的方法，包括使得水流入水塔内以便升高水温，将温度升高的水泵送穿过第一加热器，使得循环液体穿过第一加热器，以便将热量从温度升高的水传递给循环液体，使得液化天然气穿过第二加热器，将加热的循环液体从第一加热器泵送到第二加热器中，以便将热量从循环液体传递给液化天然气，并从第二加热器送出蒸发后的天然气。
大气蒸发器一般不用于连续工作的原因在于集聚在大气蒸发器外侧表面上的冰和霜冻，这使得装置在一段时间的使用之后效率较低。当大气蒸发器间歇使用时，冰的集聚一般不是问题，因为当装置不再使用时冰会融化。然而，当大气蒸发器需要连续工作时，蒸发器在持续一段时间的操作之后将变得效率低下，因为冰降低了蒸发器热交换的有效表面积并且起隔热的作用，降低了从环境空气到低温液体的传热率。随着大气蒸发器的效率降低，天然气的出口流速和出口温度中的某一项降低或两者都会降低。为此原因，大气蒸发器对于存储低温液体的连续蒸发一般是不优选的。
冰在外侧翅片上集聚的速度部分取决于大气温度和管内部低温液体温度之间的温差。典型地，最大的冰块趋于形成在最靠近入口的管上，如果另外还有的话，在靠近出口的管上集聚少量的冰，除非大气温度接近或低于冰点。因此环境空气蒸发器在管上具有不均匀的冰分布并不少见，这会改变装置的重心并且这导致管之间不同的热梯度。
冰集聚问题的解决已经尝试了多种方法。由工作人员通过应用外部热水喷射水流或蒸汽流以及通过使用凿和铲机械去除执行周期性的人工除冰。要求手工除冰的实际工作是不希望的。冰结构是不可预知的。掉落的冰可能会伤害执行操作的工作人员，并且可能损伤蒸发器结构和相关的管路。另一种方法是允许冰集聚在裸管的初始长度上，也就是没有外部翅片的管，其作为堆积冰的第一表面。使用这种方法是因为裸管比带翅片的管更便宜并能被更便宜的阵列所支撑以适应较高的冰集聚。然而，需要使用不期望的大量裸管、占用较大面积和大量的结构支撑，使得这种方法没有吸引力。
另一种现有技术提供一个或多个成对或冗余的蒸发器管束。当一个蒸发器管束激活工作时，一个或多个其他的管束不工作以使冰融化。可以使用若干的方案以切换管束。一个简单的方案是完全根据时间表切换管束而不考虑其他因素。使用冗余的蒸发器增加了再气化设备的成本，同时也增加了所需空间的量。另一个现有技术方案是将再气化设备的尺寸放大，从而降低每个蒸发器的平均热传递负荷，由此增加了成本和空间占用需求。
出于如前所述的原因，仍然需要一种用于再气化低温液体的方法和装置，其可以连续操作而不需要冗余的蒸发器，并且其能够克服或者至少改善现有技术大气蒸发器迄今为止存在的工作效率特性降低的缺陷。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于将低温液体再气化成气态形式的方法，该方法包括以下步骤：
(a)通过将低温液体或中间流体循环穿过大气蒸发器，将热量从环境空气跨过传热面传递给低温液体，其中环境空气和低温液体或中间流体并不直接接触；
(b)在使用过程中，允许至少在传热面暴露于大气的外侧部分上形成冰层，在该位置处传热面的温度低于水的冰点温度；和
(c)利用与控制装置操作联结的热源从蒸发器间歇除去冰层，控制装置设置为当需要除冰时产生一个信号，热源被导向到冰层和蒸发器传热面之间的界面处，并且由此除冰不需要中断低温液体或中间流体循环穿过蒸发器就能实现。
在一种形式中，当离开蒸发器的气态形式低温液体的温度下降到预定最小温度以下时，控制装置产生一个信号以开始步骤(c)。在另一种形式中，当离开蒸发器的气态形式低温液体的流量下降到低于预定最小流量时，控制装置产生一个信号以开始步骤(c)。
对于步骤(c)适合的热源可以是以下的一个或多个：电能；从RLNGC推进系统回收的废热；来自废热锅炉或其他热源的蒸汽；利用浸没燃烧蒸发器产生的热；太阳能；利用当RLNGC停泊时推进装置过剩发电容量的电加热器；与柴油机或燃气涡轮的燃烧废气装置配合的废气热交换器；或者燃气热水或热油加热器；或者通过利用天然气或石油直接燃烧产生的热；或者微波能。
在一种形式中，用于步骤(c)的热源是一个或多个设置在蒸发器传热面和冰层之间界面处的电加热元件。当蒸发器包括至少一根管时，电加热元件可被设置在管的外侧传热面上。当蒸发器包括至少一根管、每根管包括多个径向翅片时，电加热元件可被设置在一个或所有的径向翅片上。有优势地，电加热元件是自调节的。
在另一种形式中，当蒸发器包括至少一根管时，用于步骤(c)的热源可以是加热的流体，其响应由控制装置产生的信号循环穿过除冰管道，所述除冰管道沿着至少预计发生结冰的管的那部分设置。当该管包括多个翅片时，该除冰管道可被设置在邻近相邻径向翅片底部的管外侧传热面上。作为替换方式或另外，每个除冰管道可以沿着径向翅片的长度设置，以便为每个翅片提供一个加热流体流过的中空芯部。
优选地，该加热流体是干燥的过热蒸汽，该干燥过热蒸汽可以利用设置为与由发动机产生热废气进行热交换的废热锅炉而产生。
当利用中间流体将热量从环节空气非直接地传递给低温液体时，该中间流体可以选自由乙醇、乙醇-水混合物、甲醇、丙醇、丙烷、丁烷、氨、甲酸盐、淡水和软化水组成的组。在一种形式中，中间流体包括包括一种包含碱金属甲酸盐或碱金属醋酸盐的溶液。
在该方法的一种形式中，步骤a)通过使用强制通风风扇而被促进。
当大气蒸发器包括多个通路时，该通路可以互相间隔并设置成阵列。优选地，每个通路垂直定向，并且相邻的通路串联或并联或串联和并联组合结构连接。在一种形式中，每个通路包括至少一根具有一个中央孔的管，低温液体流动穿过该中央孔，每个管具有一个带翅片的外表面，在管一端处用于流体流动的入口和在另一端处用于流体流动的出口。
在一种形式中，蒸发器设置在安装于浮动运输船上的再气化系统中，并且用于步骤(c)的热源是来自LNG运输船发动机的回收热。优选地，该低温液体是LNG。
根据本发明的第二方面，提供一种用于将低温液体再气化成气态形式的装置，该装置包括：
大气蒸发器，用于通过使低温液体或中间流体循环穿过大气蒸发器将热量从环境空气跨过传热面传递给低温液体，其中环境空气和低温液体或中间流体并不直接接触；
控制装置，用于利用与控制装置操作相连的热源从蒸发器间歇除去冰层，在使用过程中，该冰层至少在传热面暴露于环境空气的外侧部分上形成，在该位置处传热面的温度低于水的冰点温度，控制装置被设置为当需要除冰时产生一个信号；和
指向冰层和蒸发器传热面之间界面处的热源，由此不需要中断低温液体或中间流体穿过蒸发器的循环即可实现除冰。
在一种形式中，控制装置包括一个温度传感器，用于测定离开蒸发器的气态形式低温液体的温度，和一个信号发生器，用于在由温度传感器测得的温度下降到低于预定最小温度时产生信号以开始间歇除冰。在另一种形式中，控制装置包括一个流量计，用于测定离开蒸发器的气态形式低温液体的流量，和一个信号发生器，用于在由流量计测得的流量下降到预定最低流量以下时产生信号以开始间歇除冰。
热源可以是以下的一个或多个：电能；从RLNGC推进系统回收的废热；来自废热锅炉或其他热源的蒸汽；利用浸没燃烧蒸发器产生的热；太阳能；利用当RLNGC停泊时推进装置过剩发电容量的电加热器；与柴油机或燃气涡轮的燃烧废气装置配合的废气热交换器；或者燃气热水或热油加热器；或者通过利用天然气或石油直接燃烧产生的热。
在一种形式中，热源是一个或多个设置在蒸发器传热面和冰层之间界面处的电加热元件。当蒸发器包括至少一根管时，电加热元件可被设置在管的外侧传热面上。当蒸发器包括至少一根管、每根管包括多个径向翅片时，电加热元件可被设置在一个或所有的径向翅片上。在一种形式中，电加热元件是自调节的。
在另一种形式中，蒸发器包括至少一根管，并且热源是加热的流体，其响应由控制装置产生的信号循环穿过除冰管道，所述除冰管道沿着至少预计发生结冰的管的那部分设置。当该管包括多个翅片时，该除冰管道可被设置在邻近相邻径向翅片底部的管外侧传热面上。优选地，该加热流体是干燥的过热蒸汽。该干燥过热蒸汽可以利用设置为与由发动机产生热废气进行热交换的废热锅炉而产生。
在一种形式中，该装置进一步包括强制通风风扇，用于将环境空气流导向蒸发器。
在一种形式中，蒸发器设置在安装于浮动运输船上的再气化系统中，并且热源是来自LNG运输船发动机的回收热。
附图说明
为了便于更详细地理解本发明的本质，参考附图，现在将详细描述仅作为实例给出的本发明的几个具体实施方式，其中：
图1是RLNGC的示意性侧视图，其设置有船载再气化设备，用于将存储在RLNGC船上的LNG连续再气化成天然气，所述天然气通过与海底管道联通的海底采油管而被传输到陆地上；
图2是图示了再气化设备一个实施方式的流程图，该再气化设备包括一个大气蒸发器，LNG循环流过该大气蒸发器用以与环境大气直接进行热交换；
图3是两个相邻管的横截面视图，显示了在相邻翅片或相邻管之间集聚的冰层；
图4a是包含收集盘的四通路蒸发器的一个实施方式的立体图；
图4b是包含入口歧管和出口歧管的单通路蒸发器的立体图；
图5a是穿过大气蒸发器的四个管的横截面视图，图示了流体穿过多通路管的流动；
图5b是穿过单通路大气蒸发器的四个管的横截面视图，图示了流体穿过这些管的流动；
图6a是一根管的部分立体图，显示了径向翅片并使用电加热元件为所述管的外表面提供热源用于周期性地从蒸发器的传热面除去冰层；
图6b是一根管的部分立体图，显示了设置在相邻径向翅片底部的除冰管道，加热流体间歇性地流动穿过所述除冰管道以从管除去冰；
图6c是具有除冰管道的一根管的部分立体图，所述除冰管道沿着径向翅片的长度方向设置以便为每个翅片提供中空的芯部，加热流体流动穿过该芯部；和
图7图示了再气化设备的另一个实施方式，该再气化设备包括一个大气蒸发器，中间流体循环穿过该大气蒸发器用以与环境大气进行热交换，被加热的中间流体然后被用于将热量传递给蒸发器LNG以形成天然气。
具体实施方式
现在描述使用环境空气作为用于蒸发的第一热源将低温液体再气化成气态形式的方法和设备的具体实施方式，特别是指液化天然气运输船上船载的液化天然气(“LNG”)的近海再气化(仅作为实例给出)。本发明同样可以应用于再气化其他的低温液体，同样也可以应用于其他陆上再气化设备或者用于固定的近海平台或驳船。本文中使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而不用于限制本发明的范围。除非另外限定，本文中使用的所有技术和科技术语具有与本发明所属的技术领域中的普通技术人员通常理解的一样的含义。在附图中，应该理解相同的附图标记表示相同的元件。
在本说明书全文中，术语“RLNGC”指设置有用于将LNG转换为天然气的船载再气化设备的自行推进船舶、舰船或LNG运输船。RLNGC可以是改装的远洋LNG船舶，或者是根据客户需求或目的建造的包含船载再气化设备的船舶。
本文中使用的术语“蒸发器”指用于将液体转换为气体的装置。本文中使用的“大气蒸发器”指利用环境大气作为第一热源将液体转换为气体的装置。
本文中使用的术语“低温液体”指大气沸点在200开尔文(-73℃)以下的液体。
现在参考图1-6描述本发明的方法和系统的第一实施方式。在该第一实施方式中，再气化设备10随船设置在RLNGC 12上，并用于将在RLNGC 12上的一个或多个低温贮罐14中存储的LNG再气化。船载再气化设备10使用环境空气作为第一热源用以将LNG再气化以形成天然气。使用环境空气(而不是通过燃烧燃料气体产生的热量)作为第一热源用以再气化LNG，以使得一氧化氮、二氧化硫、二氧化碳、挥发性有机化合物和颗粒物质的排放降到最低。利用船载再气化设备10产生的天然气被传输到海底管道16，所述海底管道16用于将天然气输送到一个陆上气体分配设备(未示出)。
在本发明的一个实施方式中，LNG存储在RLNGC船上的4至7个棱柱形自支撑的低温贮罐14中，每个贮罐14的总存储容量在30,000～50,000m3之间。该RLNGC具有支撑船体结构18，当RLNGC经受恶劣、多种类型的环境条件时，该支撑船体结构能够承受贮罐14的中间装载量所施加的负荷。当贮罐被部分填充或者当RLNGC安然渡过风暴停靠港口时，在RLNGC船上的(多个)贮罐14足够坚固或者能够减少LNG的晃动。为了减少晃动，(多个)贮罐14设置有多个内部挡板或加强膜(membrane)。使用膜型贮罐或者棱柱形贮罐能够在RLNGC船的甲板上获得更大的空间用于再气化设备。如果RLNGC设置有船载再气化设备，自支撑球形低温贮罐，例如Moss型贮罐，被认为是不适合的，因为Moss型贮罐减少了可用于在RLNGC 12的甲板22上设置再气化设备的甲板面积。
参考图2，利用至少一个低温输出泵26以所需的输出压力穿过一个高压船载管道系统24，来自贮罐14的LNG被运送到再气化设备10。低温输出泵的适当实例包括离心泵、容积泵、螺杆泵、速位差泵(velocity-head pump)、旋转式泵、齿轮泵、柱塞泵、活塞泵、叶轮泵、径向-柱塞泵、旋转斜盘泵、平滑流体泵、脉动泵或者其他满足输送压头以及蒸发器所需流量的泵。输出泵26的排量根据再气化设备10中安装的蒸发器30的类型和数量、蒸发器30的表面积和效率以及所需的冗余度来选择。它们的大小也设置为使得RLNGC能够在常规的进出口码头以10,000m3/hr(标称)以及峰值在12,000～16,000m3/hr的速度装卸其货物。
在图2示出的实施方式中，LNG被引导流入大气蒸发器30的管侧入口(tube-side inlet)32。当LNG穿过蒸发器30的管34时，LNG被蒸发以形成通过管侧出口36离开蒸发器30的天然气。如果离开蒸发器30管侧出口(tube-side oulet)36的天然气并未已经处于适合分配进入海底管道16的温度，可以通过引导部分或所有的天然气穿过一个附加加热器38使得其温度和压力升高。对于附加加热器38适合的热源包括以下一个或多个：发动机冷却的热量、由发电设备回收的废热和/或由发电设备的多余电能产生的电加热、废气加热器、电热水器或电热流体加热器；舰船的推进装置(当再气化设备在RLNGC船上时)；柴油机；或者燃气轮机推进装置。
参考图3，当LNG流过蒸发器30的管34的内部中空孔40时，通过与作用在蒸发器30的管34的外部传热面42上的环境空气进行热交换，LNG被再气化以形成天然气。LNG根据环境空气和流过蒸发器30的管34的LNG之间的温度差以及LNG流速的变化而被加热。每个管34由具有优良传热特性的材料构成，铝、不锈钢或者蒙耐尔铜-镍合金(Monel)是优选的材料。环境空气和LNG之间的热传导可以通过使用强制通风风扇44获得辅助，该风扇被设置为使得气流朝向大气蒸发器30，优选向下的方向。
图4图示了一个包括多个通路46的大气蒸发器30，这些通路互相间隔设置并且呈正方形、矩形或三角形阵列设置。通路46可以以串连或并联或者串并联组合结构连接。流体流过的通路46的数量以及流体流过蒸发器30的路径(也就是串连或并联或串并联组合)将依赖于各种因素，例如最终用途的温度和流速需求、环境空气温度、热传递特征、压降因素以及其他本领域技术人员所熟知的考虑因素。因此也完全允许大气蒸发器30仅有一个通路46。最好的结果，管34垂直定向，通过适当的支架48保持固定，并且在蒸发器30和在其上设置蒸发器30的表面之间具有空隙。
每个通路46包括多根以任何适当方式连接到一起的管34。作为实例，在图4a和图5a中示出的具体实施方式，显示了多通路蒸发器30的四根管34，其图解了低温液体怎样流过蒸发器30。在这个实例中，LNG依次进入蒸发器30的位于第一管54底部的管侧入口32中，向上流过第一管54并横穿过第一连接器55到达相邻的第二管56，沿着第二管56向下并横穿过第二连接器57到达相邻的第三管58，沿着第三管58向上并横穿过第三连接器59到达相邻的第四管60，顺序地沿着第四管60向下并流出管侧出口36，在该管侧出口LNG以适合指定最终用途温度的天然气离开蒸发器30。在图4b和图5b中示出了一种替代形式，其中相同的附图标记表示相同的部件。在这个实施方式中，LNG进入蒸发器30的管侧入口32，并且被引导分别单向流过每个第一、第二、第三和第四管54、56、58和60，以形成通过管侧出口36离开蒸发器的天然气。管侧入口32包括一个入口歧管33，用于将低温液体分别分配到每个第一、第二、第三和第四管54、56、58和60中。管侧出口36包括一个出口歧管(outlet manifold)37，用于分别从每个第一、第二、第三和第四管54、56、58和60中接收天然气，并引导天然气通过管侧出口36流出蒸发器30。
参考图6a、6b和6c，每个管34具有一个中央孔40，LNG流动穿过该中央孔。每个管34具有翅片状的外侧传热面42，以及可选地具有翅片状的内表面，在一端处用于流体流动的入口66，在另一端用于流体流动的出口，并且具有足够的壁厚来容纳具有必要输出压力的LNG。每个管34设置有多个沿管的长度延伸的径向翅片70，该径向翅片70围绕管34的圆周基本互相等距间隔。作为实例，当管34设置有六个径向翅片时，每个翅片70围绕管34的圆周互相之间以约30度的角度设置。使用径向翅片来提高低温液体和环境空气之间热交换的有效面积，同时能够为管提供额外的机械支撑。
当LNG穿过大气蒸发器30的管34时，管34的外侧传热面42被冷却到这样的温度范围，该温度范围从LNG的沸点温度到接近普遍的环境空气温度。随着环境空气传递热量给LNG以将其蒸发成天然气，环境空气本身被冷却。空气中的湿气冷凝而在蒸发器30的外侧传热面42上形成一冰层72(在图3中示出)。冷凝的潜热提供了除来自空气的明显热量之外的额外的热源而被传递给流动的LNG。冰层72随着时间在蒸发器30的外表面42部分上越积越厚，在该蒸发器30的外表面42部分上的温度低于水的冰点。冰层72可能完全充满管34外表面42上相邻翅片70之间的空间74，并且最后甚至可能填满相邻管34之间或相邻通路46之间的空间76。发生结冰的速度和程度依赖于许多相关的因素，包括但不局限于：环境空气的温度和相对湿度，LNG穿过大气蒸发器30的流速，以及构成大气蒸发器30的材料的传热特性。环境空气的温度和相对湿度根据执行再气化所在位置的季节和气候类型不同而变化。
使用本发明的方法，监控在大气蒸发器30的外表面42上集聚冰层72的速度。随着冰层厚度增加，环境空气和LNG之间的热传递效率降低，如果温度保持不变，将导致流出蒸发器30的管侧出口36的天然气的温度降低和流量减小。在本发明的方法和设备的一个实施方式中，控制装置80，以与信号发生器84配合相连的温度传感器82的形式，被用于产生指示离开蒸发器30的管侧出口36的天然气温度已经降低到预定的最低温度以下的信号。温度传感器82设置在蒸发器30的管侧出口36处，并产生指示离开蒸发器30的管侧出口36的流体温度何时已经降低到预定设定温度点以下的切换信号。当由信号发生器84产生切换信号时，允许LNG继续流动穿过蒸发器30，而同时对在冰层72和蒸发器30的传热面42之间的界面处应用热源86，以便从蒸发器30的传热面42除去冰层72。除去的冰层72能够在重力作用下掉落到收集器90中，冰在该收集器中可以融化以产生淡水。这样，大气蒸发器经受常规的间歇除冰以提高效率而不用中断LNG流过蒸发器，同时使得再气化设备能够以连续的方式操作。
应该理解本发明的方法并不是通过外部施加的热量将冰完全融化来实现从蒸发器的外表面除去冰。相反，热源86被应用到冰和管的传热面之间的界面，以便促进冰层从蒸发器30的外侧传热面42分离。冰层以这样的方式被间歇地除去，因此环境空气可以接触蒸发器的外侧传热面，以便最优化环境空气与循环通过蒸发器管的LNG之间的热交换。关于这点，与现有技术相反，热源基本上应用于从管侧出口开始的冰层，现有技术则将热量应用到冰层的外部外侧表面。利用本发明的方法将热源应用到传热面42和冰层72之间的界面处能够使得蒸发器在除冰操作期间连续工作，因为用于除冰的热量具有为流过蒸发器30的低温液体的蒸发提供热量的第二功能。
用于为蒸发器间歇除冰的适合热源86包括在制冷领域被称为“电伴热”的电缆，来自RLNGC推进系统回收的废热，来自废热锅炉或其他热源的蒸汽，利用浸没燃烧蒸发器产生的热量，太阳能，利用当RLNGC停泊时推进装置产生的过剩发电容量的电加热器，与柴油机或燃气涡轮机的燃烧排气配合使用的热交换器的排气热，或者燃气热水或者热油加热器或者微波能量。当需要额外的热量时，第二热源同样能够通过利用天然气或石油的直接燃烧而产生。
在图6a中示出的实施方式中，冰层72利用在冰层72和管34外侧传热面42之间的界面处的部分融化而被除去，其利用使用电阻加热元件92的电加热形式的热源86。电阻加热元件92设置在管34的外侧传热面42上，其代表蒸发器30的外侧传热面42与在使用过程中形成的冰层72之间的界面。电阻元件92用于响应由信号发生器按如上所述方式产生的切换信号产生充足的热量以从蒸发器30除去冰层72。连接至加热电缆92的电源根据来自温度传感器82的切换信号而被调节，所述温度传感器82用于向休眠循环和除冰循环之间地加热电缆92切换电能。
电热元件92可以在管34的内部或外部或者如图6a所示设置在翅片70上。电热元件92被操作地连接到一个电控装置84，该电控装置包括一个用于以期望时间间隔调节供应至加热电缆的电能的开关，和一个用于控制加热电缆温度的变阻器。供应至加热电缆的电能根据来自温度传感器的切换信号调节，所述温度传感器用于将供应至加热电缆的电能在休眠循环和除冰循环之间切换。如果需要的话，作为变换形式，可以使用自调节的加热元件以便自动调节电力输出用于温度改变的补偿。
在图6b和6c中示出的实施方式中，冰层72利用加热流体形式的热源而被除去，其间歇地循环穿过薄壁除冰管道98的中空孔96，所述除冰管道98至少沿着每个管34预计发生结冰的部分设置。如果需要的话，除冰管道98可以沿着管34的整个长度延伸，从管的入口端延伸到管的出口端。除冰管道98由例如钢的高传导性金属构成，具有热流体工作期间循环穿过的中央孔96。在图6b示出的实施方式中，除冰管道98设置在管34的邻近每个径向翅片70的底部100的外侧传热面42上。这样，除冰管道86设置为尽可能靠近LNG流动穿过的管34的中空孔40。在图6c示出的实施方式中，除冰管道98沿着每个径向翅片70的长度设置，以便为每个翅片提供一个使得加热流体流动穿过的中空芯部。这样，翅片70基本从内侧向外加热，随着管34的外侧传热面42处的温度升高到0摄氏度以上冰层70被除去。
在使用过程中，当由控制装置80产生的信号指示需要除冰时，产生一个加热流体的脉冲流过管34的除冰管道98，由于通过加热流体产生的热量以及由加热流体产生热量导致管道98膨胀而产生的径向力的综合作用，将冰层72从管34的外侧传热面42除去。这样，热源86被导向冰层72和蒸发器30的外侧传热面42之间的界面88。在图7示出的实施方式中，当离开蒸发器30的管侧出口36的天然气流速已经降至预定的最低流速以下时，控制装置80开始除冰。
在图6b和6c示出的实施方式中，加热流体是利用废热锅炉产生的干燥过热蒸汽，所述废热锅炉设置为与由发动机产生的热废气进行热交换。所述蒸汽同样可以利用专用的电蒸汽发生器产生。优选该干燥过热蒸汽的温度为500-650℃，因此过热蒸汽的温度足够高，以便当蒸汽脉动穿过管道时产生的热量足以为从蒸发器30的管34的外侧传热面42除去冰层72提供所需的热量。为了避免在管道98本身内部产生结冰，在蒸发器30工作期间，不论什么时候都有最小量的蒸汽在管道98内循环，同时当需要除冰时间歇地循环脉冲蒸汽(大于最小量)。作为变换形式，蒸汽可被用于驱动蒸汽轮机使得涡轮旋转，实现机械轴的旋转以产生电能，所述电能被用于为在图6a所示实施方式中使用的加热电缆供电。在每次除冰循环之后也可以使用干燥的惰性气体流来清理管道98。
图7中示出了船载再气化设备10的一种替代实施方式，相同的附图标记表示相同的部件，其中中间流体被导向流过环境空气热交换器40的管34，中间流体通过与作用在环境空气热交换器40的外侧传热面上的环境空气进行热交换而被加热。加热的中间流体然后循环至蒸发器30，其中LNG通过与加热的中间流体进行热交换而被再气化成天然气。在这个实施方式中，离开蒸发器30的冷却的中间流体被导向至缓冲罐100，并然后利用中间流体泵102被泵回到环境空气热交换器40。在这个实施方式中，当外侧传热面处的温度低于空气中水分的结冰温度时，在环境空气热交换器40的外侧传热面上可能会发生结冰。
适合在本发明的方法和设备中使用的中间流体包括：乙醇(例如乙二醇，二乙二醇、三乙醇，或者它们的混合物)，乙醇-水混合物，甲醇、丙醇、丙烷、丁烷、氨、甲酸盐、软化水或淡水或者具有对本领域技术人员公知的可接受的比热、冰点和沸点的任意其他流体。对于中间流体，期望使用比乙醇更加环保的材料。关于这点，优选使用这样的一种中间流体，其包括一种包含碱金属甲酸盐的溶剂，例如水溶液中的甲酸钾或甲酸钠或者甲酸铵的水溶液。作为替换形式或者另外增加，可以使用例如乙酸钾或醋酸铵的碱金属醋酸盐。溶剂可以包括一定量的碱金属卤化物用于提高组合物的抗冻性，也就是降其低冰点超过单独甲酸钾溶液的冰点。使用具有较低冰点的中间流体的优势在于离开蒸发器30的壳侧出口40的降温中间流体可以允许降温至-20～-70℃的温度范围，该温度范围取决于所选择的中间流体的具体类型的冰点。当允许这个发生时，将在环境空气热交换器的一部分传热面上形成冰层，所述热交换器能够经受利用应用在冰层和传热面之间界面处的热源进行间歇除冰。
如上所述，环境空气和中间流体之间的热交换可以通过使用强制通风风扇44辅助，其被设置为引导空气流朝向热交换器40。
虽然在图2中仅图示了一个蒸发器并且在图7中仅图示了一个环境空气热交换器，应该理解再气化设备10同样可以包括大量的蒸发器30或热交换器40以适应从再气化设备10输出的天然气量。作为实例，为了给热交换提供足够的表面积，蒸发器30可以是多种形式设置的多个蒸发器之一，例如串连、并联或者成排地。大气蒸发器30可以是带翅片的管式加热器，弯管固定管板式热交换器，螺旋管热交换器，板式加热器，或者本领域技术人员公知的对于再气化LNG总量能够满足其温度、体积和热吸收需求的任意其他热交换器。优选这样一种类型的大气蒸发器，其最好适合于能够经受在蒸发器外表面上形成冰层时所产生的额外的重力弯曲负荷，关于这点，垂直的管束优于水平的管束。使用垂直管通路也能够更好地减小再气化设备10的整体占地区域。蒸发器30，热交换器和风扇44被设计为能够经受与设置在RLNGC 12的甲板上的在船舶海上航行期间相关的结构负荷，包括与运动相关的负荷和可能的甲板上浪负荷以及RLNGC停泊在近海再气化期间经受的负荷。
本发明的方法和设备提供许多超过现有技术的优势，包括以下几点：
a)提供冗余蒸发器的需求被克服了，因为结冰可以被控制而不用中断LNG流过再气化设备，减少了再气化的整体占地面积并且避免了提供冗余蒸发器产生的额外花费；
b)在连续的再气化期间实现批量除霜；
c)除冰所需的总热量远低于完全融化冰所需的热量，从而减少用于除冰操作的能量；
d)用于除冰的热源以短暂、间歇脉冲的形式提供，其与依赖于确保结冰被避免的现有技术的方法相比需要更少的能源。
已经详细描述了本发明的几个实施方式，对于本领域技术人员来说可以不背离本发明的基本构思而作出许多的变形和改进。例如，如果需要的话，可以使用微波产生用于除冰的热源，而同时使得LNG连续流过管以获得连续的LNG再气化。所有这些改进和变形都被认为落入本发明的范围内，本发明的范围由上述的说明书和随后附上的权利要求所确定。
在本说明书中提到的所有专利文献，结合于此作为参考。要清楚地理解的是，虽然本文中引用了许多的现有技术公开，这种引用并不形成这样的自认，即在澳大利亚或其他任何国家，这些文献的任意篇均不构成部分的本领域公知常识。总结本发明，除了上下文由于明确语言或必须暗示需要另外明确的地方，说明书和权利要求中的术语“包括(comprise)”或例如“comprises”或“comprising”的变形均用于表示包含的意思，也就是明确存在指明的特征，但不排除在本发明的变化的实施方式中存在或另外具有其他的特征。

Claims (37)

1.一种用于将低温液体再气化成气态形式的方法，该方法包括以下步骤：
(a)通过使低温液体或中间流体循环穿过大气蒸发器，将热量从环境空气跨过传热面传递给所述低温液体，其中环境空气和所述低温液体或所述中间流体不直接接触；
(b)在使用过程中，允许至少在所述传热面的暴露于大气的外侧部分上形成冰层，在所述外侧部分处所述传热面的温度低于水的冰点温度；和
(c)利用与控制装置操作地联结的热源从所述大气蒸发器间歇地除去所述冰层，所述控制装置设置为当需要除冰时产生一个信号，热源被导向所述冰层和所述蒸发器的传热面之间的界面处，并且由此不需要中断使所述低温液体或所述中间流体循环穿过所述蒸发器即能实现除冰。
2.如权利要求1所述的方法，其中当离开所述蒸发器的气态形式的低温液体的温度下降到预定最小温度以下时，所述控制装置产生一个信号以开始步骤(c)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中当离开所述蒸发器的气态形式的低温液体的流量下降到预定最小流量以下时，所述控制装置产生一个信号以开始步骤(c)。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中对于步骤(c)的热源是以下的一个或多个：电能；从RLNGC推进系统回收的废热；来自废热锅炉或其他热源的蒸汽；利用浸没燃烧蒸发器产生的热；太阳能；利用当RLNGC停泊时推进装置的过剩发电容量的电加热器；与柴油机或燃气涡轮机的燃烧废气装置配合的废气热交换器；或者天燃气燃烧热水或热油加热器；或者通过利用天然气或石油直接燃烧产生的热。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中用于步骤(c)的热源是一个或多个设置在所述蒸发器的传热面和所述冰层之间的界面处的电加热元件。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述蒸发器包括至少一根管，并且所述电加热元件设置在所述管的外侧传热面上。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述蒸发器包括至少一根管，每根管包括多个径向翅片，并且所述电加热元件设置在所述径向翅片的一个或全部上。
8.如权利要求5所述的方法，其中所述电加热元件是自调节的。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述蒸发器包括至少一根管，并且用于步骤(c)的热源是加热的流体，该加热的流体响应由所述控制装置产生的信号循环穿过除冰管道，所述除冰管道至少沿着预计在使用中发生结冰的管的那部分设置。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述管包括多个径向翅片，并且所述除冰管道位于邻近的径向翅片的底部处。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述管包括多个径向翅片，并且每个除冰管道沿着所述径向翅片的长度设置，以便为每个径向翅片提供使得加热流体流动穿过的中空芯部。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述加热流体是干燥的过热蒸汽。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述干燥的过热蒸汽利用设置为与由发动机产生的热废气进行热交换的废热锅炉而产生。
14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述中间流体选自由乙醇、乙醇-水混合物、甲醇、丙醇、丙烷、丁烷、氨、甲酸盐、淡水和软化水组成的组。
15.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤a)通过使用强制通风风扇而被促进。
16.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述大气蒸发器包括多个通路，该通路互相间隔并设置成阵列。
17.如权利要求16所述的方法，其中每个通路垂直定向，并且相邻的通路以串联或并联的结构或以串联和并联组合的结构连接。
18.如权利要求16所述的方法，其中每个通路包括至少一根具有一个中央孔的管，所述低温液体流动穿过所述中央孔，每个管具有一个带翅片的外表面、在一端处用于流体流动的入口和在另一端处用于流体流动的出口。
19.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述蒸发器设置在安装于浮动运输船上的再气化系统中，并且用于步骤(c)的热源回收自LNG运输船的发动机。
20.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述低温液体是LNG。
21.一种用于将低温液体再气化成气态形式的设备，该设备包括：
大气蒸发器，用于通过使低温液体或中间流体循环穿过所述大气蒸发器将热量从环境空气跨过传热面传递给所述低温液体，其中所述环境空气和所述低温液体或所述中间流体不直接接触；
控制装置，用于利用与控制装置操作地联结的热源从所述大气蒸发器间歇地除去冰层，在使用过程中，所述冰层至少在所述传热面的暴露于环境空气的外侧部分上形成，在所述外侧部分处所述传热面的温度低于水的冰点温度，所述控制装置被设置为当需要除冰时产生一个信号；和
导向所述冰层和所述蒸发器的传热面之间界面处的热源，由此不需要中断使所述低温液体或所述中间流体穿过所述大气蒸发器的循环即能实现除冰。
22.如权利要求21所述的设备，其中所述控制装置包括：一个温度传感器，该温度传感器用于测定离开所述大气蒸发器的气态形式的低温液体的温度；和一个信号发生器，该信号发生器用于在由所述温度传感器测得的温度下降到预定最小温度以下时产生一个信号以开始间歇除冰。
23.如权利要求21或22所述的设备，其中所述控制装置包括：一个流量计，该流量计用于测定离开所述大气蒸发器的气态形式的低温液体的流量：和一个信号发生器，该信号发生器用于在由所述流量计测得的流量下降到预定最低流量以下时产生一个信号以开始间歇除冰。
24.如权利要求21-23中任一项所述的设备，其中所述热源是以下的一个或多个：电能；从RLNGC推进系统回收的废热；来自废热锅炉或其他热源的蒸汽；利用浸没燃烧蒸发器产生的热；太阳能；利用当RLNGC停泊时推进装置的过剩发电容量的电加热器；与柴油机或燃气涡轮的燃烧废气装置配合的废气热交换器；或者燃气热水或热油加热器；或者通过利用天然气或石油直接燃烧产生的热。
25.如权利要求21-24中任一项所述的设备，其中所述热源是一个或多个设置在所述大气蒸发器的传热面和所述冰层之间的界面处的电加热元件。
26.如权利要求25所述的设备，其中所述大气蒸发器包括至少一根管，所述电加热元件设置在所述管的外侧传热面上。
27.如权利要求25所述的设备，其中所述大气蒸发器包括至少一根管，每根管包括多个径向翅片，并且所述电加热元件设置在所述径向翅片的一个或全部上。
28.如权利要求25所述的设备，其中所述电加热元件是自调节的。
29.如权利要求21-28中任一项所述的设备，其中所述大气蒸发器包括至少一根管，并且所述热源是加热的流体，该加热的流体响应由所述控制装置产生的信号循环穿过除冰管道，所述除冰管道至少沿着预计在使用中发生结冰的管的那部分设置。
30.如权利要求29所述的设备，其中所述管包括多个翅片，并且所述除冰管道位于邻近相邻径向翅片的底部的管的所述外侧传热面上。
31.如权利要求29所述的设备，其中所述管包括多个径向翅片，并且每个除冰管道沿着所述径向翅片的长度设置，以便为每个翅片提供加热流体流过的中空芯部。
32.如权利要求29所述的设备，其中所述加热流体是干燥的过热蒸汽。
33.如权利要求32所述的设备，其中所述干燥的过热蒸汽利用设置为与由发动机产生的热废气进行热交换的废热锅炉而产生。
34.如权利要求21-33中任一项所述的设备，其中所述设备还包括强制通风风扇，用于将环境空气流导向所述大气蒸发器。
35.如权利要求21-34中任一项所述的设备，其中所述大气蒸发器设置在安装于浮动运输船上的再气化系统中，并且所述热源回收自LNG运输船的发动机。
36.一种用于将低温液体再气化成气态形式的方法，基本如参考附图的本文所述并且基本如附图所示。
37.一种用于将低温液体再气化成气态形式的设备，基本如参考附图的本文所述并且基本如附图所示。
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