CN103090180A - 液化气体的受控存储 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于在密闭隔热的容器(10)内如液化天然气的液化气体的受控存储的方法和设备，其中在根据来自容器内的压力和温度信号而操作的控制系统(50)的控制下，所述部分液体被抽出并被送入外部制冷单元(22)内经过低温冷却并通过一个或多个阀门控制的集管(44、46、48)，所述过冷液体由所述外部制冷单元被重新引入所述容器(10)内，其中低温冷却的水平与进入容器内的热量渗入相匹配，并且大部分或所有过冷液体被直接重新引入存储液体内以便维持存储液体内的稳定状态并使其中的蒸发达到最小。

Description

液化气体的受控存储
技术领域
本发明涉及控制液化气体的存储状态的方法和设备。本发明尤其涉及并对远洋油轮中的液化天然气(LNG)的存储有益。
背景技术
以液体形式存储和运输这样的气体(如天然气和大气气体)为用给定尺寸的容器大批量地存储或运输提供了相当大的好处。然而，这样的低温液体的低温对容器的设计和操作强加了许多严格的要求。该容器在机械上必须是坚固的，并且能够抵抗低的存储温度以及在存储温度和环境温度之间加热或冷却时的膨胀和收缩应力。容器必须是基本封闭的(即使不是完全封闭的)并且提供很高程度的隔热以使热量渗入和由此发生的液体蒸发减到最少。
在双壁之间具有间隙的双壁容器的既定用法有助于实现低热量渗入，并且能够通过在间隙中利用真空或其他隔热手段更有效地实现低热量渗入。某些热量渗入仍是不可避免的，从而导致了液体的蒸发。热量渗入往往导致容器内的热虹吸作用，靠近容器壁的液体被热量渗入加热并因此变得稀薄而向表面上升。相对于邻近容器壁的向上移动往往会给容器中央处或附近的液体强加向下的移动。热虹吸作用使得难以对存储状态进行控制。尤其是，当靠近容器壁上升的较暖的液体到达表面附件时，它往往会沸腾、产生额外的蒸汽并增加顶部空间压力。
通常需要额外的部件重新液化或以其他的方式处理由热量渗入导致的蒸汽。通常不期望排出蒸发材料，尤其是在天然气的情况下，因为天然气的易燃性以及因为它的甲烷含量和它所包含的任何其他碳氢化合物各自起着温室气体的作用，所以更是不期望这样。
已经提出了各种关于将蒸汽保留在容器包壳内的建议。美国专利No.3918265描述了用于减少低温液体混合物(如LNG)的多个存储舱制冷损失的早期处理，在这个处理过程中，将液体混合物从其中一个存储舱中抽出经过低温冷却并且接着将其循环进所有存储舱，其条件是大部分过冷混合物被循环进液体混合物被抽出的存储舱中。过冷液体的制冷值被认为是足以补偿由于周围环境的加热造成的制冷值的损失。
由所述专利建议的过冷液体的引入往往会增加保持容器内可控状态的难题。例如，过冷液体的再循环可禁止蒸发以此在容器的缺量空间内产生局部真空，同时伴随有引入外部材料的附带风险。尤其可避免将大气中的氧气吸入容器内，因为将氧气吸入容器内可导致容器内的可燃或爆炸混合物这样的危险。相关的问题是局部真空可对容器结构施加不适当的应力。
过冷液体的再循环还可促进存储液体内的分层。比存储液体更稠密的过冷材料往往下沉以此形成稠密的下层并促进向着液体表面的逐次更轻的层形成。而后，较轻的顶层尤其易于蒸发。此外，顶层更轻部分的蒸发使其密度相对于下层而增加并且可导致突然的滚翻以及多层混合，这可引起激烈的沸腾作应。
因此，在使蒸汽重新液化并使其返回存储液体的过程中通常已经找到了用于控制由热量渗入导致的蒸汽的解决方案。这些引入了与主要是甲烷和氮的混合物的LNG有关的其他问题，因为蒸汽(另外称为“汽化”)的成分不同于液体的成分并且通常具有更高比例的氮。蒸汽中氮含量越高，其再次液化就越困难。蒸汽中氮含量的变化取决于所运输的LNG的成分。蒸汽中氮的摩尔分数越高，使制冷剂扩张的压力和温度就越低，以便达到总体再液化。
降低使制冷剂扩张的压力导致更大和更昂贵以及更高功耗的制冷机。当然，因为蒸汽中氮含量的变动颇有些依赖于所运输的LNG的成分，为了确保蒸汽全部液化，必须设计制冷机以便符合最不利的环境，正如其可存在于LNG现货市场中那样。对于这个问题的传统解决方案是排出部分蒸汽并因此限定制冷机的尺寸。如上所述，该解决方案从环境的角度看是不能接受的。在这里，还必须注意到，用于使蒸汽再液化的制冷机除了要处理热量渗入之外还必须处理蒸汽的压缩热量。这使得制冷机的尺寸增加了20％至30％。
此外，因为被再次液化的天然气蒸汽具有更高的氮含量，因此它们具有比存储液体更高的密度。这又增加了分层的可能性，因为较重的再循环材料向着容器的底部下沉。
发明内容
本发明的目的是在液化气体的存储中以一种可预测和稳定的方式使用低温冷却。
因此，一方面，本发明提供了用于液化气体的受控存储的设备，该设备包含密闭隔热的容器，该容器提供了液体空间和缺量空间并具有外部制冷单元；本发明提供了用于抽出部分液体并将其送进制冷单元以供低温冷却的部件以及一个或多个用于将过冷液体重新引入容器的集管，其特征在于，缺量空间包含至少一个阀门控制的集管和至少一个压力传感器，其特征在于，液体空间包含至少一个阀门控制的集管和至少一个温度传感器，其特征在于，该设备还包括控制系统以此根据来自压力和温度传感器的信号来操作集管的阀门。
另一方面，本发明提供了一种用于在密闭隔热的容器内液化气体的受控存储的方法，密闭隔热的容器提供了液体空间和缺量空间，其中部分液体被抽出并在外部制冷单元经过低温冷却，过冷液体从外部制冷单元经由一个或多个集管被重新引入容器内，其特征在于，缺量空间的压力由该处的至少一个压力传感器所监控，液体空间的温度由该处的至少一个温度传感器所监控，来自所述传感器的信号被送进控制系统，控制系统操作缺量空间内的至少一个阀门控制的集管以及液体空间内的至少一个阀门控制的集管，以此将过冷液体重新引入缺量空间和/或液体空间。
本发明尤其与远洋油轮中的LNG的存储有关并且在这里主要参考该应用对本发明进行描述。然而，应当理解，本发明还可用于其他低温液体混合物(如液态空气)、或通常的低温液体(如液态氩、液态氢、液态氦、液态氮和液态氧)的存储，以及可应用于其它形式的容器(包括隔热的油槽汽车、隔热的铁路油槽车和隔热的静态罐)。
本发明提供了罐管理系统，无论外部环境状况或罐负载水平如何，该系统可维持罐内的稳定状态。多重温度感测、集管的数目和位置以及到不同集管的流量分配使得在罐内的所有地带施加并维持适当的温度水平。通过感测罐内不同位置处的状态并采取相应的补救措施，能够避免由于不同温度的液体层而造成不可控的分层以及由于突然的压力上升而造成液体翻转的问题。
本发明特别的优点在于，低温冷却(例如制冷率)可与热量渗入率相匹配。这意味着在理想状态下很少或没有发生存储液体的蒸发。液体温度传感器允许对抽出的液体所施加的制冷水平以及其被重新引入的速率和位置进行控制，以此基本上与热量渗入平衡，并且根据热量渗入水平的变化进行调节。缺量空间压力传感器通过受控的蒸汽冷凝率允许对该压力进行控制，使得该压力既不会太低而要承担如外部材料进入或由局部真空导致的结构损坏这样的问题的风险，也不会太高而产生不必要的排放或由不适当的内部压力导致的结构损坏的风险。
本发明还提供能量消耗方面的优点，还在于维持大部分或所有液体同样提供了容器内稳固和稳定的热态。尤其是，其避免了使蒸发材料再液化所需的更高的能量耗费以及由液体和蒸发的LNG混合物中组分的不同比例引起的相关问题。
通过位于容器底部或附近的浸入泵，优选地将液体从容器中抽出。在LNG油轮中，它应当被定位以使其在装货或卸货状态下均位于液体空间内。该泵优选地通过控制系统来操作，因为这允许泵操作与主要的温度和压力需求相匹配。它被优选地不断地运行，因为这便于提供稳定的存储状态。
外部制冷单元优选地是可调节类型并且优选地由控制系统所操作。接着，根据所接收的来自压力和温度传感器的信号，通过控制系统可改变制冷水平以及因此改变低温冷却程度。
尽管可使用许多不同的可调节制冷循环，但是最佳选择是比如在EP-A-1 120 615中公开的布雷顿循环。对于LNG冷却，最佳制冷液是氮。在典型的布雷顿循环中，氮工作流体重复地通过包含电动压缩机的电路，通常具有多个其间带中间冷却的压缩级、后冷却器、热交换器、涡轮冷气发动机和冷凝器。涡轮冷气发动机通常在提供驱动压缩机所需的部分能量的过程中通过具有外部工作性能的工作流体的膨胀产生制冷。用于该应用的布雷顿循环的涡轮冷气发动机优选地具有大于5bar并且通常约为10bar的出口压力，因此使制冷单元的整体尺寸被缩减。
低温冷却的程度由泵选择及其流量和制冷率所要求的热量渗入所限定。针对130m3/hr抽运流量的145,000m3LNG运输工具的典型的低温冷却为10°K，低于存储液体的液化温度。抽运流量、液体低温冷却、制冷单元尺寸和涡轮冷气发动机出口压力必须一起被优化。
优选地，所有或大部分过冷液体被重新引入液体空间。可调节低温冷却的程度和过冷材料的返回率以使充分少的蒸发的量发生以维持必要的缺量空间压力。缺量空间内集管的设置本身在允许过冷液体直接返回缺量空间以此使蒸汽直接凝结方面增加了安全措施，并且因此如果需要的话快速恢复所需的压力。缺量空间内单个集管通常已足够。
尽管液体空间内单个集管可满足要求，但是最好使用不只一个集管，优选地在满载容器容积内使用两、三个处于不同高度的集管。额外的集管提供了存储的液体内额外的温度控制、尤其是温度梯度控制，并且因此有助于维持稳定的液体存储状态。在卸货状态下，所述额外集管位于缺量空间并且通常不被使用。
集管或每个集管优选地包括多个喷雾嘴。对于缺量空间的集管，喷雾嘴被优选地指向朝下以此促进同蒸发材料的热交换。对于液体空间的集管，喷雾嘴被优选地指向朝上。这意味着对于被重新引入的过冷液体，由于在容器内其密度走向将趋向下降，其指向朝上以抵抗由侧壁加热的液体引起的热虹吸效应，并且因此实现混合测量以促使液体块没有内部温度梯度。
缺量空间内单个压力传感器通常足以为控制系统提供必要的压力信号。然而，最好是在液体空间内具有不至一个温度传感器，优选地为两、三个温度传感器，以便指示液体空间内的任何温度差异并因此允许控制系统调节被重新引入的液体的位置、容积和/或温度以此在整个存储液体内恢复均匀的温度。
液体空间和缺量空间的相对容积由容器的装货或卸货状态所限定。对于LNG油轮，卸货状态保留了一定量的液体作为压舱物并使罐维持低温以避免因为再装满引起的不适当的液体蒸发。
优选地，控制系统为可编程电子单元，其通过适当的电路被连接到制冷单元、液体抽取部件、压力和温度传感器以及相应集管的控制阀门。
具体实施方式
现在将通过举例的方式并参考附图对本发明进行描述，附图为安装有按照本发明的控制系统的LNG油轮的示意性剖面图。
油轮包含双壁存储罐10，如图所示，在其满载状态下具有LNG容量12和缺量空间14。具有可变频率(可变速度)驱动18的浸入式再循环泵16被设置在罐10的底部附近。出口上升管19被设置成将液体从泵16送进热交换器26，其构成了通常用标记数字22表示的制冷单元的一部分。结合了压力控制阀21的导管20提供了从上升管19至罐10底部附近的返回线路，以允许液体返回罐10并且因此有助于控制罐压力，尤其是以此维持恒定的罐压力。
致冷单元22具有可调节的制冷能力，其以上述布雷顿循环为基础操作并使用氮作为工作流体。它的马达、压缩机、冷却器和涡轮冷气发动机未说明。它包括温度传感器(也未说明)以此监控来自热交换器26的LNG出口温度。
出口线路28从热交换器26分岔成三条线路30、34和38，每条线路分别装配了三个可调控制阀门32、36、40。线路32通向位于缺量空间14并具有指向朝下的喷雾嘴45的喷雾集管44。线路38通向位于罐10的底部附近并具有指向朝上的喷雾嘴49的集管48。因为一般习惯于在卸货后将少量液体保留在罐内作为压舱物并且使罐保持低温，所以液体集管48通常被设置在液体内，在LNG装货和卸货舱门之间用作向外和往返路程。
线路34通向罐处于满载状态时位于液体上部并具有指向朝上的喷雾嘴47的集管46。对于往返路程，在卸货后，集管46通常位于缺量空间内。
控制系统包含以可编程电子控制器形式存在的罐管理单元50，其通常位于货物控制室。使压力传感器52位于罐10内的某一点处以使其位于缺量空间14内而不考虑液体水平。传感器52通过信号线路53被连至单元50。当罐10处于满载状态时，使三个温度传感器54、56、58位于罐10内液体中的不同水平高度处。对于往返路程，在卸货后，传感器54和56通常位于缺量空间而使传感器58位于压舱液体内。温度传感器54、56、58分别通过信号线路55、57、59被连接到单元50。
从罐管理单元50到相应的系统构件设置了控制线路。线路60、62、64分别通向可调节的控制阀门32、36、40。线路66通向可调节的制冷单元22。线路68通向压力控制阀门21。线路70通向泵16的可变频率驱动18。
在使用过程中，罐管理单元50接收来自压力传感器52和温度传感器54、56及58的、表示罐10内它们各自所处位置状态的连续的信号。通过对制冷单元22、控制阀门32、36、40以及对于泵16来说的可变频率驱动18和压力安全阀21进行适当地调节和/或操作的控制，能够在罐10内所有液体水平下维持最优的存储状态。
被泵16返回到制冷单元22的LNG通过压力控制阀门21被维持在恒定的顶部压力下，或者通过可变速度驱动18被维持在最小的必需的顶部压力下，从而使泵浦功率最小。在热交换器26中，LNG通过间接地与此处的低温氮工作流体接触而被低温冷却。接着，通过一个或多个集管44、46、48以根据由压力和温度传感器检测到的罐状态而变化的速率将过冷液体返回罐10。通常在满载航程期间，上部的集管44用于喷雾，中部和下部的集管46和48用于液体混合。在压舱物航程期间，集管44和46用于喷雾，下部的集管48用于液体混合。在许多场合，只使用集管46已足够，因此增加冷却以及同时强迫向上的液体运动以抵抗由相对较暖的罐壁引起的热虹吸效应。
通过集管44、46、48的流量根据顶部空间压力和液体温度而被各自对应的阀门32、36、40所控制，因此在制冷单元20上产生可变的负载。对于单元22，通过监控来自热交换器26的LNG出口温度并且如果LNG温度降低则减少供给单元22的功率、如果LNG温度增高则增加供给单元22的功率以满足变化。
如果压力传感器52检测到顶部空间压力下降，则通过借助于一个或多个阀门32、36和40节制返回流量和/或借助于可变频率驱动18调节泵速来减少经过低温冷却并被返回罐10的LNG容积。

Claims (23)

1.用于液化气体的受控存储的设备，所述设备包含密闭隔热的容器，所述容器设有液体空间和缺量空间并具有外部制冷单元，所述设备包含用于抽出部分所述液体并将其送进所述制冷单元以供低温冷却的部件，以及一个或多个用于将过冷液体重新引入所述容器的集管，其特征在于，所述缺量空间包含至少一个阀门控制的集管和至少一个压力传感器，其特征在于，所述液体空间包含至少一个阀门控制的集管和至少一个温度传感器，并且其特征在于，所述设备还包括控制系统以根据来自所述压力和温度传感器的信号来操作所述集管的阀门；其中每个集管包括多个喷雾嘴。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述外部制冷单元属于可调类型。
3.如权利要求1或2所述的设备，其中所述外部制冷单元由所述控制系统来操作。
4.如权利要求1或2所述的设备，其中所述外部制冷单元使用布雷顿制冷循环。
5.如权利要求1或2所述的设备，所述设备包括在所述液体空间内的两个或多个集管。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述缺量空间内的所述喷雾嘴是指向朝下的。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述液体空间内的所述喷雾嘴是指向朝上的。
8.如权利要求1或2所述的设备，其中两个或多个温度传感器位于所述液体空间内。
9.如权利要求1或2所述的设备，其中用于从所述容器内抽出液体的所述部件是浸入式泵，所述浸入式泵位于所述容器底部或附近。
10.如权利要求9所述的设备，其中所述浸入式泵由所述控制系统来操作。
11.如权利要求10所述的设备，其中所述浸入式泵具有可变频率驱动。
12.一种用于在密闭隔热的容器内液化气体的受控存储的方法，所述密闭隔热的容器设有液体空间和缺量空间，其中所述液体的部分被抽出并在外部制冷单元内经过低温冷却，过冷液体通过一个或多个集管从所述外部制冷单元被重新引入所述容器内，其特征在于，所述缺量空间内的压力由此处的至少一个压力传感器监控并且所述液体空间内的温度由此处的至少一个温度传感器监控，来自所述传感器的信号被送进控制系统，所述控制系统操作所述缺量空间内至少一个阀门控制的集管和所述液体空间内至少一个阀门控制的集管，以此将过冷液体重新引入所述缺量空间和/或所述液体空间。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述外部制冷单元属于可调类型。
14.如权利要求12或13所述的方法，其中制冷的水平根据所接收的来自所述压力和温度传感器的信号而被所述控制系统改变。
15.如权利要求12或13所述的方法，其中所述制冷循环是布雷顿循环。
16.如权利要求12或13所述的方法，用于LNG冷却，其中所述制冷液是氮。
17.如权利要求12或13所述的方法，其中所有或大部分所述过冷液体被重新引入所述液体空间内。
18.如权利要求17所述的方法，其中低温冷却的程度和过冷材料返回的速率被调节成使得充分少的蒸发的量发生，以此维持必要的缺量空间压力。
19.如权利要求12或13所述的方法，其中过冷液体以向上的方向被重新引入所述存储的液体内。
20.如权利要求12或13所述的方法，其中通过位于所述容器底部或附近的浸入式泵将液体从所述容器内抽出。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述泵由所述控制系统操作以匹配主要的温度和压力需求。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述泵是连续运行的。
23.如权利要求20所述的方法，其中所述泵被装配了可变频率驱动。
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