CN104154416B - 一种具有常压塔的利用液化天然气冷能的蓄冰方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有常压塔的利用液化天然气冷能的蓄冰方法及装置。在LNG气化过程中，先利用液体喷头喷水至第一换热盘管上，使水与LNG直接换热，LNG温度上升至接近冷媒最低工作温度，然后LNG再通过换热器与冷媒进行的换热气化，而降温后的冷媒通过第二换热盘管将冷量传递给水，并在常压塔的水中进行蓄冰，与此同时，常压塔中未凝结的水通过循环泵与外界补充水源混合进入液体喷头，经过第一换热盘管后又回到塔底。本发明一方面实现了水与LNG之间的直接换热，另一方面避免了由于LNG温度远低于冷媒最低工作温度而导致冷媒输送管中凝结堵塞现象的发生。

Description

一种具有常压塔的利用液化天然气冷能的蓄冰方法及装置

技术领域

本发明涉及液化天然气冷能利用领域，具体涉及一种具有常压塔的利用液化天然气冷能的蓄冰方法及装置。

背景技术

为了优化能源消费结构，响应节能减排的国际承诺，实现可持续发展，天然气作为化石能源中最为洁净环保、优质高效的能源燃料被世界各国广泛利用，它的需求量也日益增加。在我国“十二五”规划中对天然气的开发利用提出了更高的要求，同时明确指出了开发LNG冷能利用技术与装备。随着天然气需求量的不断增长，LNG的进口量也在不断上升，相应的LNG接收站、卫星站以及加气站等也在快速发展中。

LNG是由天然气经过净化处理后，通过低温工艺冷却液化而得到的低温(-162℃)液体混合物，生产1吨LNG需要消耗大约850kwh的电能。当LNG在1atm压力下气化时，释放出-162～5℃的冷量约为230kwh/t，合理规划和利用这部分冷能不仅可以提高能源利用率，还会带来显著地经济效益。

无论在大型的LNG接收站，还是相对较小的LNG卫星站或者LNG加气站，LNG冷能无疑蕴藏着巨大的财富。LNG冷能回收利用技术大致分为直接和间接两种。直接利用技术有空气分离技术、LNG冷能发电技术、海水淡化、冷藏冷冻以及蓄冰制冰技术等等，间接利用技术有低温粉碎、污水处理等等。对于LNG气化量较大的情况，如LNG接收站或大中型的卫星站等，一般会因地制宜的采用多种冷能回收技术综合利用LNG冷能，诸如空气分离技术、发电、海水淡化等梯级利用冷能，使得冷能利用率最大化；而对于LNG气化量相对较小的情况，如中小型的卫星站或加气站等，由于LNG释放的冷量有限，一般采用较为单一的冷能利用方式，这其中利用LNG冷能的蓄冰制冰技术等就成为了首选。

冰蓄冷技术通常用于冰蓄冷空调系统。中国发明专利CN103353151A公开了一种可实现LNG冷能回收利用的蓄冰空调系统。该系统利用LNG冷能与制冷机组协同供冷，有效地保障了用户空调的使用要求。另外，制冰装置方面，中国发明专利CN103256762A公开了一种利用液化天然气冷能制冰工艺及装置。该方法采用双管壳式换热器进行LNG与冷媒之间的换热，并且无需额外的机械设备推动冷媒流动，实现自动循环换热。中国实用新型专利CN2935025Y公开了一种液化天然气再气化冷回收蓄冰装置。该装置利用冷媒将LNG气化释放的冷量带到储冷装置的水中，有效回收利用了LNG冷能。

由于LNG气化温度(-162℃)比现阶段常用冷媒的最低工作温度(如乙二醇溶液，-60℃左右)低得多，因而在直接利用冷煤气化LNG的过程中很容易出现冷媒凝结的情况发生，不仅影响了换热器性能，甚至可能造成管道堵塞。另外，在通过冷媒实现间接地蓄冰过程中，一部分的冷量在换热过程中损失，降低了冷能利用率。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种具有常压塔的利用液化天然气冷能的蓄冰方法及装置。解决了现有技术冷能利用率、冷媒易凝结的问题。

一种具有常压塔的利用液化天然气冷能的蓄冰方法，包括以下步骤：

1)液化天然气先进入常压塔中与喷淋水换热，然后再与从冷媒储罐出来的冷媒换热气化，气化后的天然气进入天然气用户端，换热后的喷淋水流入常压塔底部与常压塔中的水混合；

2)步骤1)中换热冷却后的冷媒再与常压塔中的水换热，常压塔中此时，充注有冷媒的换热器的外表面上的水会凝结成冰，冷媒温度上升，返回冷媒储罐，冷媒完成一个换热循环；

3)重复步骤1)～步骤2)，不断对常压塔中的水进行冷却；

4)将常压塔中的被冷却的水输出至用户端进行利用。

作为优选，所述喷淋水为来自常压塔中的水。通过将常压塔中的水反复循环与LNG换热，不仅能对LNG进行预热，而且提高了冷能的利用率，且LNG通过预热，LNG与冷媒之间的温差变小，冷媒不易凝结。

作为优选，所述喷淋水为来自补水管路的水。当常压塔中的冷水有消耗时，通过补水管路能够添加水量，能够防止出现常压塔中的水过少，吸收冷能的能力下降的问题。

本发明还公开了一种具有常压塔的利用液化天然气冷能的蓄冰装置，包括：

LNG储罐；

第一液体泵，入口与LNG储罐的出口连通；

第一调压阀，入口与第一液体泵的出口连通；

换热器，包括第一通道和第二通道，所述第一通道的入口与所述第一调压阀的出口连通，第一通道的出口与天然气用户端连通；

冷媒罐，入口与所述第二通道的出口连通；

第二液体泵，入口与冷媒罐的出口连通；

第二调压阀，入口与第二液体泵的出口连通，出口与所述第二通道的入口接通，装置还包括：

第一换热盘管，设置在第一调压阀与换热器之间，且第一换热盘管的入口与第一调压阀的出口连通，出口与第一通道的入口连通；

第二换热盘管，设置在换热器与冷媒罐之间，且第二换热盘管的入口与第二通道的出口连通，出口与冷媒罐的入口连通；

常压塔，内部具有液态的水，所述第一换热盘管位于水面的上方，所述第二换热盘管位于水面内；

液体喷头，位于第一换热盘管的上方，用于向第一换热盘管喷水。

本装置通过设置第一换热盘管，使得液体喷头喷出的水直接跟LNG换热，这既能对LNG进行预热，使LNG与冷媒之间的温差变小，LNG温度上升至接近蓄冰系统冷媒最低工作温度，冷媒不易凝结，又能减少通过中间冷媒传递冷量所带来的损失，相比于传统的空气加热型汽化器具有更好的换热效果；随着系统的运行，第一换热盘管上将会有冰层形成，对于LNG间隙性汽化的情况而言，这一部分冰层可以起到较好的保温作用，减少了重新启动时冷量的损耗。

所述常压塔内还设有配水管，所述液体喷头设置在配水管上，常压塔底部具有循环水出口，所述循环水出口通过管路连接有循环泵，循环泵通过第三调压阀与所述配水管连通。

利用循环泵将未凝结的水重新送到液体喷头上，使得水进一步冷却，提高了系统的蓄冰率。

所述配水管通过补水管路与常温水连通，所述补水管路设有第四调压阀。当常压塔中的冷水有消耗时，通过补水管路能够添加水量，能够防止出现常压塔中的水过少，吸收冷能的能力下降的问题，即能保证常压塔内有足够的蓄水量和蓄冰量。

所述常压塔底部还具有冷水利用口，所述冷水利用口通过管路与冷冻水用户连接。

直接引出常压塔底部的冷冻水简化了冷量利用方式。

作为优选，所述常压塔底部还具回流口，所述回流口用于将冷冻水用户利用完的水回流至常压塔内。

所述冷冻水用户可以间接利用冷水的冷能，如空调系统等，冷冻水用户也可以直接利用冷水，如制冰厂等，当冷冻水用户为空调系统时，水可以回收再利用，并通过回流口流入常压塔中，当为制冰厂时，冷水会直接被降温成冰块，此时不再回流至常压塔中，补水管路需要向常压塔中补充水量。

本发明中，所述的天然气用户端指的是天然气管网、LCNG或L\CNG加气站的CNG储罐等一切利用、储存或运输天然气的设备及设施。

本发明的有益效果是：

(1)通过设置第一换热盘管，使得液体喷头喷出的水直接跟LNG换热，这既能对LNG进行预热，使LNG与冷媒之间的温差变小，冷媒不易凝结，又能减少通过中间冷媒传递冷量所带来的损失，相比于传统的空气加热型汽化器具有更好的换热效果。

(2)本发明特别适用于LNG间隙性汽化的情况，随着系统的运行，第一换热盘管上将会有冰层形成，对于LNG间隙性汽化的情况而言，这一部分冰层可以起到较好的保温作用，减少了重新启动时冷量的损耗。

(3)利用循环泵将未凝结的水重新送到液体喷头上，使得水进一步冷却，提高了系统的蓄冰率，且通过补水管路能够添加水量，能够防止出现常压塔中的水过少，吸收冷能的能力下降的问题，即能保证常压塔内有足够的蓄水量和蓄冰量。

(4)直接引出常压塔底部的冷冻水简化了冷量利用方式。

附图说明：

图1是本发明具有常压塔的利用液化天然气冷能的蓄冰装置结构示意图。

图中各附图标记为：

1.LNG储罐，2.第一液体泵，3.第一换热盘管，4.换热器，5.第二液体泵，6.冷媒罐，7.第二换热盘管，8.循环泵，9.常压塔，10.液体喷头，11.冷冻水用户，12.补水管路，13.液位控制器，14.温度传感器，V-1.第一调压阀，V-2.第二调压阀，V-3.第三调压阀，V-4.第四调压阀，V-5.第五调压阀，V-6.第六调压阀。

具体实施方式：

下面结合各附图，对本发明做详细描述。

一种具有常压塔的利用液化天然气冷能的蓄冰方法，包括以下步骤：

1)液化天然气先进入常压塔中与喷淋水换热，然后再与从冷媒储罐出来的冷媒换热气化，气化后的天然气进入天然气用户端，换热后的喷淋水流入常压塔底部与常压塔中的水混合；

2)步骤1)中换热冷却后的冷媒再与常压塔中的水换热，常压塔中此时，充注有冷媒的换热器的外表面上的水会凝结成冰，冷媒温度上升，返回冷媒储罐，冷媒完成一个换热循环；

3)重复步骤1)～步骤2)，不断对常压塔中的水进行冷却；

4)将常压塔中的被冷却的水输出至用户端进行利用。

步骤1)中喷淋水可以为来自常压塔中的水，也可以为来自补水管路的常温水。

如图1所示，本发明还公开了一种具有常压塔的利用液化天然气冷能的蓄冰装置，包括：

LNG储罐1；

第一液体泵2，入口与LNG储罐的出口连通；

第一调压阀V-1，入口与第一液体泵的出口连通；

换热器4，包括第一通道和第二通道，第一通道的出口与天然气用户端连通；

第一换热盘管3，入口与第一调压阀的出口连通，出口与第一通道的入口连通；

冷媒罐6；

第二换热盘管7，入口与第二通道的出口连通，出口与冷媒罐的入口连通；

第二液体泵5，入口与冷媒罐的出口连通；

第二调压阀V-2，入口与第二液体泵的出口连通，出口与第二通道的入口接通；

常压塔9，内部具有液态的水，第一换热盘管位于水面的上方，第二换热盘管位于水面内，常压塔的顶部第一换热盘管上方固定有配水管；

若干液体喷头10，设置在配水管上，用于向第一换热盘管喷水。

常压塔底部设有循环水出口、冷水利用口以及回流口，循环水出口通过管路连接有循环泵8，循环泵通过第三调压阀V-3与配水管连通，配水管通过补水管路12与常温水连通，补水管路上设有第四调压阀V-4。常压塔底部的冷水利用口通过第一管路与冷冻水用户11连接，第一管路上设有第五调压阀V-5。冷冻水用户可以间接利用冷水的冷能，如空调系统等，冷冻水用户也可以直接利用冷水，如制冰厂等。当冷冻水用户为空调系统时，水可以回收再利用，此时冷冻水用户通过第二管路将利用完冷能的水通过回流口流入常压塔中，第二管路上设有第六调压阀V-6；当为冷冻水用户制冰厂时，冷水会直接被降温成冰块，此时不再回流至常压塔中，补水管路12需要向常压塔中补充水量。

本实施例以LCNG或L\CNG加气站为例，装置工作时，LNG储罐中的LNG(-162℃，0.5MPa左右)经第一液体泵加压至20～25MPa后，由第一调节阀V-1进入第一换热盘管，与喷淋下来的水进行换热，换热后的LNG的温度上升至-100～-70℃再进入换热器与冷媒进行换热，进一步升温至-10～10℃变成气态的天然气，最后通过外部的空气加热型换热器变成常温高压天然气储存于压缩天然气(CNG)储罐中，以备供给压缩天然气汽车(CNGV)使用。

在此过程中，冷媒罐的冷媒(10～20℃)经第二液体泵加压后，由调节阀V-2进入换热器，与液态天然气换热后，冷媒的温度降低至-40～-15℃，冷媒再进入第二换热盘管与水进行换热并在第二换热盘管表面进行蓄冰，温度上升的冷媒回到冷媒罐中，完成一次蓄冰循环。

系统运行初期，第二换热盘管浸没在常温水中，利用循环泵将常压塔的水送至塔顶陪水管中，通过液体喷头将水喷洒在第一换热盘管上，未凝结的水最终又流回到常压塔底部，如此形成液体循环喷淋系统。这期间，水不断冲刷第一换热盘管表面，避免了第一换热盘管上形成过多积冰。

由于LCNG或L\CNG加气站中的LNG是间隙性进行气化，所以在系统停止气化时，凝结在换热器2上的冰层可以起到很好的保温作用，减少了下次启动时冷凉的损失。

为了使本实施例装置更加智能，使用更加稳定可靠，常温塔中还设有液位控制器13，液位控制器与第四调压阀V-4连接，用于控制第四调压阀，当液位控制器测到常温塔中液位低于阀值时，控制第四调压阀开启，向常温塔补充水量；当液位控制器测到常温塔中液位高于阀值时，控制第四调压阀关闭。

为了防止常温塔中的水全部被冷却凝结成冰，同时保证液化天然气的气化工作，LNG储罐还连接有备用的LNG汽化器，常温塔底部还设有一温度传感器14，当温度传感器测试的温度等于或大于0°时，第一调压阀V-1打开，当温度传感器测试的温度小于0°时，第一调压阀V-1调小或关闭，此时利用备用的LNG汽化器对LNG进行气化，以保证气化工作的正常进行。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种具有常压塔的利用液化天然气冷能的蓄冰方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)液化天然气先进入常压塔中与喷淋水换热，然后再与从冷媒储罐出来的冷媒换热气化，气化后的天然气输送至天然气用户端，换热后的喷淋水流入常压塔底部与常压塔中的水混合；

2)步骤1)中换热冷却后的冷媒再与常压塔中的水换热，此时，充注有冷媒的换热器的外表面上的水会凝结成冰，冷媒温度上升，返回冷媒储罐，冷媒完成一个换热循环；

3)重复步骤1)～步骤2)，不断对常压塔中的水进行冷却；

4)将常压塔中的被冷却的水输出至用户端进行利用。

2.如权利要求1所述的具有常压塔的利用液化天然气冷能的蓄冰方法，其特征在于，所述喷淋水为来自常压塔中的水。

3.如权利要求1所述的具有常压塔的利用液化天然气冷能的蓄冰方法，其特征在于，所述喷淋水为来自补水管路的水。

4.一种具有常压塔的利用液化天然气冷能的蓄冰装置，包括：

LNG储罐；

第一液体泵，入口与LNG储罐的出口连通，

第一调压阀，入口与第一液体泵的出口连通；

换热器，包括第一通道和第二通道，所述第一通道的入口与所述第一调压阀的出口连通，第一通道的出口与天然气用户端连通；

冷媒罐，入口与所述第二通道的出口连通；

第二液体泵，入口与冷媒罐的出口连通；

第二调压阀，入口与第二液体泵的出口连通，出口与所述第二通道的入口接通，其特征在于，还包括：

第一换热盘管，设置在第一调压阀与换热器之间，且第一换热盘管的入口与第一调压阀的出口连通，出口与第一通道的入口连通；

第二换热盘管，设置在换热器与冷媒罐之间，且第二换热盘管的入口与第二通道的出口连通，出口与冷媒罐的入口连通；

常压塔，内部具有液态的水，所述第一换热盘管位于水面的上方，所述第二换热盘管位于水面内；

液体喷头，位于第一换热盘管的上方，用于向第一换热盘管喷水。

5.如权利要求4所述的具有常压塔的利用液化天然气冷能的蓄冰装置，其特征在于，所述常压塔内还设有配水管，所述液体喷头设置在配水管上，常压塔底部具有循环水出口，所述循环水出口通过管路连接有循环泵，循环泵通过第三调压阀与所述配水管连通。

6.如权利要求5所述的具有常压塔的利用液化天然气冷能的蓄冰装置，其特征在于，所述配水管通过补水管路与常温水连通，所述补水管路设有第四调压阀。

7.如权利要求6所述的具有常压塔的利用液化天然气冷能的蓄冰装置，其特征在于，所述常压塔底部还具有冷水利用口，所述冷水利用口通过管路与冷冻水用户连接。

8.如权利要求7所述的具有常压塔的利用液化天然气冷能的蓄冰装置，其特征在于，所述常压塔底部还具回流口，所述回流口用于将冷冻水用户利用完的水回流至常压塔内。