CN104215105A - 一种防冻结的lng换热方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防冻结的LNG换热方法及装置，该装置为U形管式换热器，所述装置为U形管式换热器，其特征在于，包括U形管、套管、管箱、纵向折流板、分程板和壳体。U形管由LNG气化段和NG加热段组成，LNG气化段为套管结构；NG加热段为单管结构，管内为低温气态天然气流通通道。中间冷媒为C3C4混合物，利用C3C4混合物不断的进行气液相变循环来实现LNG与常规换热介质高效地间接换热过程。本发明换热器结构紧凑、成本低、换热效率高、运行安全稳定，且可有效的解决常规换热介质与LNG换热时发生冻堵的问题，C3C4混合物通过自身的沸腾和冷凝实现自动循环流动，不需要额外的动力设备，节约了设备成本和能耗。具有良好的应用前景。

Description

一种防冻结的LNG换热方法及装置

技术领域

本发明涉及液化天然气的换热气化领域，具体涉及一种防冻结的LNG换热方法及装置。

背景技术

自2006年我国沿海地区开始进口使用液化天然气（简称LNG）这一清洁能源以来，我国LNG市场迅速发展，2012年我国年LNG进口量约一千五百万吨。在将LNG供给用户之前需要经过换热升温气化转换为气态的天然气（简称NG），由于LNG为-162℃左右的低温液体，一些常规的冷媒如盐水、乙二醇水溶液和氨气等凝固点较高，若与LNG换热会由于产生局部过冷从而结冰，且随着时间的延长冰层有增厚的倾向，使换热装置的传热性能变差，LNG无法实现顺利气化，因此LNG换热器是实现LNG气化的关键设备。

目前LNG气化设备有应用在大型LNG接收站的海水开架式气化器和浸没燃烧式气化器以及应用在LNG小型卫星站的空温式气化器和水浴式气化器。其中开架式气化器以水或海水为热源将LNG升温气化，对海水清洁度要求高；浸没燃烧式气化器以消耗自身产生的天然气为热源将LNG升温气化，运行成本较高；空温式气化器是直接以外界的空气为热源将LNG升温气化，在LNG卫星站应用空温式气化器会产生冷雾而影响站场的安全；水浴式气化器是一种立式的特殊形式的管壳式气化器，以水为热源将LNG升温气化，故耗水量大。以上LNG换热器除浸没燃烧式气化器外，都有管外冷媒结冰的可能，导致换热器换热效率下降，影响LNG气化工段的正常运行。

LNG冷能利用系统如利用液化天然气冷能生产冷水，一般采用二级换热即采用两台换热器，LNG-中间冷媒换热器和中间冷媒-冷水换热器，来实现LNG的气化和冷水的生产；但此方法因采用两台换热器，设备投资大，设备的占地面积大、维护费用增加，导致总成本较高。

上述现有技术均未涉及针对常规换热介质的防冻结的LNG换热方法及装置的设计。因此，有必要开发一种投资费用低、操作灵活且可有效防止常规换热介质与LNG换热发生冻结的换热器，继而拓宽可与LNG换热的常规换热介质的种类范围。

 

发明内容

本发明目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种防冻结的常规换热介质与LNG换热方法及装置，即在LNG气化段采用中间冷媒实现LNG与常规换热介质的间接换热。本发明可有效的解决常规换热介质与LNG换热时发生凝结的问题，常规换热介质选择余地大、成本低、换热效率高、运行安全稳定。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种防冻结的LNG换热方法，具体包括以下步骤：

（1）所述换热装置为U形管式换热器，LNG走管程，换热介质走壳程，LNG由LNG进口进入管箱下部，再进入U形管， -162~-140℃的低温LNG进入U形管， U形管的LNG气化段与套管之间环隙中的中间冷媒换热后升温气化为-70~-50℃的气态天然气，进入U形管的NG加热段与壳体壳程的常规换热介质换热后，升温后进入管箱上部，并由天然气出口流出；所述中间冷媒凝固点小于-140℃；

（2）所述低凝固点的中间冷媒为丙烷丁烷混合物即C3C4混合物，C3C4混合物在所述环隙内发生气液相变，气态C3C4混合物与U形管中LNG换热后，降温冷凝为液态C3C4混合物并滴落至所述环隙底部，再经与壳体壳程的常规换热介质换热后，升温气化为气态C3C4混合物并升至所述环隙上部，再次与U形管的LNG换热冷凝为液态C3C4混合物，如此不断的进行冷凝-气化循环，将LNG的冷能传递给常规换热介质，发挥其作为中间冷媒的作用；常规换热介质由冷媒进口进入换热器壳程，经过在换热器上部与气态天然气换热和在换热器下部与C3C4混合物换热后，降温至低温状态并流出换热器。

优选地，步骤（2）中当 常规换热介质为凝固点为0~-50℃的常规换热介质时，中间冷媒采用丙烷摩尔分数为50~100%的C3C4混合物。

一种防冻结的LNG换热装置，所述装置为U形管式换热器，包括管箱和壳体，所述装置还包括U形管、套管、纵向折流板和分程板，所述纵向折流板将壳体分为上、下相通的两部分；分程板将管箱分为上、下两部分，管箱下部设有LNG进口，靠近LNG进口的壳体外设有冷媒出口，管箱上部设有天然气出口，靠近天然气出口的壳体外设有冷媒进口；管箱的上、下部通过U形管相连通；所述U形管由位于换热器下部的LNG气化段和位于换热器上部的NG加热段组成；所述U形管位于壳体下部的LNG气化段外部套有套管。

上述装置中，U形管为LNG流通通道，LNG气化段与套管之间的环隙内填装低凝固点的C3C4混合物；所述NG加热段为单管结构，管内为低温气态天然气流通通道。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、占地小、投资低、操控方便。本发明公开的用于LNG气化的无冻结换热器，通过将LNG-中间冷媒换热器和中间冷媒-常规换热介质换热器有机的整合为一台换热器，减小了设备投资、设备占地面积及对设备的操作维护工作。

2、避免凝固冻堵现象。在LNG气化段，低温LNG与凝固点较低的C3C4混合物换热，C3C4混合物再与常规换热介质换热，实现LNG与常规换热介质的间接换热，该过程可有效避免常规换热介质直接与LNG换热可能造成的常规换热介质冻堵问题。

3、换热效率高、能耗低。利用C3C4混合物不断的进行气液相变来实现LNG与常规换热介质高效地间接换热过程，C3C4混合物因气液相变潜热大而换热效率高，所需的C3C4混合物量少，节约换热器空间；套管环隙空间内C3C4混合物通过自身的沸腾和冷凝实现自动循环流动，因此本发明不需要额外的动力设备推动C3C4的流动,节约了设备成本和动力消耗。

4、应用前景广阔。本发明控制方便、安全，各种LNG的换热气化设备，如空温式气化器、水浴式气化器以及其它换热介质与LNG换热的换热设备，皆可很好地应用本发明。

附图说明

图1为防冻结的LNG换热装置的结构示意图。

图中示出：U形管1、LNG气化段2、NG加热段3管箱4、LNG进口5、天然气出口6、冷媒进口7、冷媒出口8、分程板9、纵向折流板10、壳体11。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但具体实施方式并不构成对本发明要求保护范围的限定。

参照图1所示的一种防冻结的LNG换热装置，所述装置为U形管式换热器，包括U形管1、套管2、管箱4、纵向折流板10、分程板9和壳体3，所述纵向折流板10将壳体3分为上、下相通的两部分；分程板9将管箱分为上、下两部分，管箱2下部设有LNG进口5，靠近LNG进口5的壳体外设有冷媒出口8，管箱4上部设有天然气出口6，靠近天然气出口6的壳体外设有冷媒进口7；管箱4的上、下部通过U形管1相连通；所述U形管1由位于换热器下部的LNG气化段11和位于换热器上部的NG加热段12组成；所述U形管1位于壳体下部的LNG气化段外部设置有套管2。所述U形管1即LNG气化段11内为LNG流通通道，套管2的环隙空间内填装低凝固点的C3C4混合物；NG加热段12为单管结构，管内为低温气态天然气流通通道。

-162~-140℃的低温LNG进入LNG气化段11，经LNG气化段11的管壁与中间冷媒换热后升温气化为-70~-50℃的气态天然气，再进入换热器上部的NG加热段11，与壳体3的高温常规换热介质换热后，升温为较高温度的气态天然气并流出换热器，完成气化过程。套管2环隙内的中间冷媒优选为C3C4混合物；气态C3C4混合物在套管2的环隙内与LNG气化段11内的LNG换热后，降温冷凝为液态C3C4混合物并滴落至环隙的底部，液态C3C4混合物再经套管2外管管壁与壳体3的高温常规换热介质换热后，升温气化为气态C3C4混合物，气态C3C4混合物再与LNG气化段11的LNG换热冷凝为液态C3C4混合物，如此不断的进行冷凝-气化循环。高温常规换热介质进入换热器壳体3，经过在换热器上部与NG加热段11的气态天然气换热和在换热器下部与套管2环隙内的气态C3C4混合物、液体C3C4混合物换热后，降温至低温状态并流出换热器。

实施例1

本实施例以2bar、-162℃、100kg/h的LNG为气化任务，2bar、25℃、950kg/h水为常规换热介质。2bar、-162℃、100kg/h LNG由LNG进口5进入管箱4下部，再进入换热器下部的LNG气化段11，-162℃的低温LNG经LNG气化段11管壁与C3C4气体换热后升温气化为-70℃的气态天然气，再进入换热器上部的NG加热段12与壳体3的2bar、25℃、950kg/h水换热，升温至-10℃进入管箱4上部，并由天然气出口6流出，完成气化过程；套管2环隙的C3C4混合物气体与LNG气化段11内的LNG换热降温冷凝为C3C4混合物液体，并滴落至环隙的底部，再经套管2的外管壁与壳体3的2bar、25℃、950kg/h水换热，C3C4混合物液体升温气化为C3C4混合物气体，并再次与LNG气化段11内的LNG换热降温冷凝为C3C4混合物液体，如此不断的进行冷凝-气化循环；2bar、25℃、950kg/h水由常规换热介质进口7进入换热器壳体3，经过在换热器上部与NG加热段12内的气态天然气换热和在换热器下部与套管2环隙内的C3C4混合物液体、气体换热后，降温至5℃并由常规换热介质出口8流出换热器，C3C4混合物的气化、液化速率为180kg/h。水的冰点为0℃，直接与LNG换热易结冰，而通过以上设置，可保证在LNG气化段有处于气化、液化平衡状态的C3C4混合物作为中间冷媒与水换热和在NG加热段天然气与水的温度差已大大减小，故可以实现无冻结的LNG-水换热过程。

实施例2

本实施例以2bar、-162℃、100kg/h的LNG为气化任务，2bar、25℃、850kg/h的30%乙二醇水溶液为常规换热介质。2bar、-162℃、100kg/h LNG由LNG进口5进入管箱4下部，再进入换热器下部的LNG气化段11，-162℃的低温LNG经LNG气化段11管壁与C3C4气体换热后升温气化为-70℃的气态天然气，再进入换热器上部的NG加热段12与壳体3的2bar、25℃、850kg/h的30%乙二醇水溶液换热，升温至-10℃进入管箱4上部，并由天然气出口6流出，完成气化过程；套管2环隙的C3C4气体与LNG气化段11内的LNG换热降温冷凝为C3C4液体，并滴落至环隙的底部，再经套管2的外管壁与壳体3的2bar、25℃、850kg/h的30%乙二醇水溶液换热，C3C4液体升温气化为C3C4气体，并再次与LNG气化段11内的LNG换热降温冷凝为C3C4液体，如此不断的进行冷凝-气化循环；2bar、25℃、850kg/h的30%乙二醇水溶液由常规换热介质进口7进入换热器壳体3，经过在换热器上部与NG加热段12内的气态天然气换热和在换热器下部与套管2环隙内的C3C4混合物液体、气体换热后，降温至-8℃并由常规换热介质出口8流出换热器。30%乙二醇水溶液的冰点约为-13℃，直接与LNG换热易凝固，而通过以上设置，可保证在LNG气化段有处于气化、液化平衡状态的C3C4混合物作为中间冷媒与30%乙二醇水溶液换热和在NG加热段天然气与水的温度差已大大减小，故可以实现无冻结的LNG-30%乙二醇水溶液的换热过程。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种防冻结的LNG换热方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）所述换热装置为U形管式换热器，LNG走管程，换热介质走壳程，LNG由LNG进口进入管箱下部，再进入U形管， -162~-140℃的低温LNG进入U形管， U形管的LNG气化段与套管之间环隙中的中间冷媒换热后升温气化为-70~-50℃的气态天然气，进入U形管的NG加热段与壳体壳程的常规换热介质换热后，升温后进入管箱上部，并由天然气出口流出；所述中间冷媒凝固点小于-140℃；

（2）所述低凝固点的中间冷媒为丙烷丁烷混合物即C3C4混合物，C3C4混合物在所述环隙内发生气液相变，气态C3C4混合物与U形管中LNG换热后，降温冷凝为液态C3C4混合物并滴落至所述环隙底部，再经与壳体壳程的常规换热介质换热后，升温气化为气态C3C4混合物并升至所述环隙上部，再次与U形管的LNG换热冷凝为液态C3C4混合物，如此不断的进行冷凝-气化循环，将LNG的冷能传递给常规换热介质，发挥其作为中间冷媒的作用；常规换热介质由冷媒进口进入换热器壳程，经过在换热器上部与气态天然气换热和在换热器下部与C3C4混合物换热后，降温至低温状态并流出换热器。

2.根据权利要求1所述的一种防冻结的LNG换热方法，其特征在于，步骤（2）中当 常规换热介质为凝固点为0~-50℃的常规换热介质时，中间冷媒采用丙烷摩尔分数为50~100%的C3C4混合物。

3.实现权利要求1所述的防冻结的LNG换热方法的装置，所述装置为U形管式换热器，包括管箱和壳体，其特征在于，所述装置还包括U形管、套管、纵向折流板和分程板，所述纵向折流板将壳体分为上、下相通的两部分；分程板将管箱分为上、下两部分，管箱下部设有LNG进口，靠近LNG进口的壳体外设有冷媒出口，管箱上部设有天然气出口，靠近天然气出口的壳体外设有冷媒进口；管箱的上、下部通过U形管相连通；所述U形管由位于换热器下部的LNG气化段和位于换热器上部的NG加热段组成；所述U形管位于壳体下部的LNG气化段外部套有所述套管。

4.根据权利要求3所述的一种防冻结的LNG换热装置，其特征在于U形管为LNG流通通道，LNG气化段与套管之间的环隙内填装低凝固点的C3C4混合物；所述NG加热段为单管结构，管内为低温气态天然气流通通道。