CN105221931A - 一种带燃气加热的lng气化器及其加热控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带燃气加热的LNG气化器，包括n个LNG钢瓶(1)、紧急切断阀(2)、空温式气化器(3)、三通阀(5)、燃气加热装置(6)和调压系统，n≥1，其中，调压系统用于将气化后的中压天然气降压至用户需要的压力，其包括一级调压装置(7)、二级调压装置(8)、计量装置(9)和加臭装置(10)。本发明还公开了一种带燃气加热的LNG气化器的加热控制方法。本发明安全、高效、节能的辅助加热结构，效率高，可满足不同的用气负荷，可以根据用气负荷比例调节燃烧用燃气量，满足不同地区、不同季节的用气，达到更好的气化效果。

Description

一种带燃气加热的LNG气化器及其加热控制方法

技术领域

本发明涉及一种LNG气化及供气装置，具体的说本发明采用空温式气化器与使用燃气燃烧加热的气化器相结合，组装在一个撬上的一种带燃气燃烧加热的撬装式LNG气化器及其加热控制方法。

背景技术

目前LNG的气化大多采用空温式气化器，但空温式气化器的出口温度受环境温度影响较大，在冬季比较寒冷的地区，气化器出口温度比较低，此时通常还需要采用辅助加热的方法进行升温。对于辅助加热，目前大多气化站采用水浴式电加热方法。电加热一般加热的负荷较小，不能满足气化功率较大时的需要，同时由于单位热耗的电费高于燃气费，其运行费较燃气加热高。中小型区域供气LNG气化多采用空温气化器，当环境温度低于0℃时，空温气化器不能满足一般管道的输气要求。因此在冬季比较寒冷的地区，通常还需要采用补热的方法对天然气进一步加热。本发明采用使用燃气燃烧辅助加热，效率高、能够满足不同的用气负荷。

发明内容

为解决上述问题，达到更好的气化效果，满足不同地区、不同季节的用气，本发明提供了一种带燃气加热的LNG气化器。具体技术方案如下：

一种带燃气加热的LNG气化器，包括n个LNG钢瓶、紧急切断阀、空温式气化器、三通阀、燃气加热装置和调压系统，n≥1，其中，

调压系统用于将气化后的中压天然气降压至用户需要的压力，其包括一级调压装置、二级调压装置、计量装置和加臭装置；

所述LNG钢瓶、紧急切断阀、空温式气化器)、三通阀、燃气加热装置、一级调压装置、二级调压装置、计量装置和加臭装置依次连接；三通阀出气口一端连接燃气加热装置，另一端连接一级调压装置。

进一步，所述三通阀为电动三通阀。

一种带燃气加热的LNG气化器的加热控制方法，应用于上述一种带燃气加热的LNG气化器，包括以下步骤：

步骤1：当下游管网压力到达下限值时，判断气化区天然气浓度和钢瓶出液压力；

步骤2：确认气化区天然气浓度和钢瓶出液压力运行正常后，电动紧急切断阀开启；

步骤3：当下游管网压力到达上限值时，电动紧急切断阀关闭，LNG气化器处于待机状态；

步骤4：若空温式气化器出口天然气温度高于设定的温度，电动三通阀切换至旁通管道侧，天然气经一级调压装置、二级调压装置、计量装置和加臭装置进入下游管网；

步骤5：若空温式气化器出口天然气温度低于设定的温度，启动燃气加热装置；

步骤6：监测水浴温度，当水浴温度达到设定温度时，三通阀切换至燃气加热装置一侧补热，天然气经一级调压装置、二级调压装置、计量装置和加臭装置进入下游管网。

进一步，所述燃气加热装置采用连续负荷调节控制，随着气化量的变化连续改变加热功率，通过水浴温度的波动来控制加热功率。

进一步，所述燃气加热装置包括控制器，燃气加热装置运行调节阶段是根据控制参数θNG与设定值θ’NG的偏差对燃烧机负荷进行调节，控制器采用单回路反馈控制系统，水浴温度与加热功率的关联式如下：

$T_1\frac{\∂{\mathrm{\θ}}_w}{\∂t}+{\mathrm{\θ}}_w=K_1{V}_g+K_{1f}{\mathrm{\θ}}_{ino}$

T₁-水浴时间常数，T₁＝f(V_g)；

θ_w-水浴温度(℃)

K₁-水浴调节通道传递系数，K₁＝f(V_g)；

V_g-燃气流量(m³/s)

K_1f-水浴干扰通道传递系数，K_1f＝f(V_g)；

θ_ino-换热器表面温度(℃)。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明安全、高效、节能的辅助加热结构，效率高，可满足不同的用气负荷，可以根据用气负荷比例调节燃烧用燃气量，满足不同地区、不同季节的用气，达到更好的气化效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的燃气加热装置的运行调节控制流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述。本发明利用空气热源及燃气燃烧热源共同气化LNG。空温式气化器的LNG通过吸收外界大气环境热量而实现气化过程，能耗很低。为提高LNG与环境的换热效率，气化器主体部分一般采用耐低温的铝合金纵向翅片管，它结构简单，体积小，重量轻，制造和使用方便，换热面积大，因而在各种低温系统中广泛应用。影响气化器工作的因素主要有流量、工作周期、工作压力、大气温度、大气相对湿度、风力、日照等条件。气化器应满足以下条件：

①根据用气的实际状况进行设计，设计的最小气化量应满足在最恶劣工作环境下的最大用气量要求。

②气化器在设计布置时，每1台气化器的入口处和出口处应设有切断阀，并在出口切断阀之前设置安全阀。

③气化器应配备切断热源的装置来确保安全；还应安装温度检测设备，用来测量LNG和热交换介质的进出口温度，确保传热效率。

如图1所示，本发明为一种撬装式的带燃气燃烧加热的LNG气化器，其燃烧用燃气是利用LNG钢瓶自身气化的天然气，包括2个LNG钢瓶1、紧急切断阀2、空温式气化器3、安全散放口4、三通阀5、燃气加热装置6和调压系统。调压系统用于将气化后的中压(0.8MPa)天然气降压至用户需要的压力，其包括一级调压装置7、二级调压装置8、计量装置9和加臭装置10。

LNG钢瓶1、紧急切断阀2、空温式气化器3、三通阀5、燃气加热装置6、一级调压装置7、二级调压装置8、计量装置9和加臭装置10依次连接。

三通阀5出气口的一端连通燃气加热装置6，另一端通过旁通管道连通一级调压装置7。

燃气加热装置6具体采用燃气燃烧加热器，加热器可采用燃烧烟气直接加热水浴，再通过水浴加热天然气管道，进而加热天然气的浸没燃烧方式。由于浸没燃烧不设置传统的换热烟管，而是直接使烟气与水直接换热，且水浴温度为10-30℃，排烟温度不超过10-35℃，因此传热效率高，可达到98％。

燃气燃烧加热器，还可采用大气式燃烧。由于大气式燃烧采用引射器引射燃烧需要的空气，可不设置传统燃烧器所需要的鼓风机，因此设备运行时无风机噪声，更适合小型(功率小于30kW)的气化装置。其水浴温度为15-45℃，排烟温度为20-50℃。

燃气燃烧加热器采用连续负荷调节控制。连续负荷调节控制可适应用气负荷变化频繁的用户需求。

空温式气化器3是依靠吸收外界大气环境热量来实现气化功能的，其核心部分就是换热装置，可以在尽可能小的空间内从大气中获取强大的热能。由于同时设置了空温式气化器3和燃气加热装置6，在夏季气温高时可以不启动燃气加热装置6，达到节能的目的。

燃气燃烧加热器6是利用经过空温气化器3气化后的天然气燃烧的热量来加热天然气。在冬季气温较低时启动燃气加热装置6，满足天然气加热要求。当空温气化器3出口天然气温度满足要求(比如高于0℃)时，三通阀5自动切换到旁通管道的位置，气化后的天然气直接连通调压系统，即：不通过燃气加热装置6，而是直接通过一级调压装置7、二级调压装置8、计量装置9、加臭装置10进入天然气管网。当空温气化器3出口天然气温度不满足要求(比如低于0℃)时，三通阀5自动切换至燃气加热装置6一侧，进一步加热气化后的天然气通过一级调压装置7、二级调压装置8、计量装置9、加臭装置10进入天然气管网。

燃气燃烧加热器6为浸没燃烧加热器，其工作过程如下：燃气与空气在燃烧器燃烧后，高温烟气通过气泡出口进入水浴池，烟气将热传给水，被加热的天然气通过设在水浴中的换热盘管吸取水中的热量而升温。燃烧用燃气利用LNG钢瓶自身气化的天然气；燃烧用空气来自鼓风机。

本发明的LNG气化器通过监测下游管网的压力来控制整个装置设备的运行与否，即控制电动紧急切断阀2的开启。LNG气化器的加热控制方法如图2所示，当下游管网压力到达下限值时，此时首先判断气化区天然气浓度和钢瓶1出液压力两个辅助参数，确认运行正常后，电动紧急切断阀2开启；当下游管网压力到达上限值时，电动紧急切断阀2关闭，撬装式LNG气化装置处于待机状态。撬装式LNG气化装置正常运行过程中，通过对空温式气化器3出口NG温度，确定电动三通阀5的切换位置。若空温式气化器3出口天然气温度高于设定的温度(0℃)，电动三通阀5切换至旁通管道侧，天然气经一级调压装置7、二级调压装置8、计量装置9和加臭装置10进入下游管网；若空温式气化器3出口天然气温度低于设定的温度(0℃-Δt)，启动燃气燃烧加热器6，此时监测水浴温度，当水浴温度达到设定温度(30℃)时，电动三通阀5切换至燃气燃烧加热器6一侧，空温式气化器3出口的天然气再通过燃气燃烧加热器6补热，补热后天然气达到设定的温度(0℃)，天然气经一级调压装置7、二级调压装置8、计量装置9和加臭装置10进入下游管网。为了实现气化过程的负荷连续调节，燃气燃烧加热器6采用连续负荷调节控制，随着气化量的变化连续改变加热功率，此时通过水浴温度的波动来控制加热功率。燃气燃烧加热器6运行调节阶段是根据控制参数θ_NG与设定值θ’_NG的偏差对燃烧机负荷进行调节，控制器采用单回路反馈控制系统。

燃气加热装置6的运行调节控制原理为：管网压力P_net低于压力下限值P_min，燃气燃烧加热器6启动，如果气化区天然气浓度高于设定值3％，则报警，否则检测钢瓶出液压力。钢瓶出液压力高于工作压力下限，则打开空温式气化器3的进液阀，否则报警。空温式气化器3的进液阀打开后，三通阀5切换至旁通管道。若空温式气化器3出口温度低于0℃-Δt℃，燃气燃烧加热器6启动。当水浴温度大于设定值时，三通阀5切换至燃气加热装置6。若空温式气化器3出口温度高于0℃，三通阀5切换至旁通管，关闭燃气燃烧加热器6。

为了实现气化过程的负荷连续调节，在控制流程基础上，燃气燃烧加热器6采用连续负荷调节控制，可随着气化量的变化连续改变加热功率，此时通过水浴温度的波动来控制加热功率。燃气燃烧加热器6运行调节阶段是根据控制参数θNG与设定值θ’NG的偏差对燃烧机负荷进行调节，控制器采用单回路反馈控制系统，水浴温度与加热功率的关联式如下：

$T_1\frac{\∂{\mathrm{\θ}}_w}{\∂t}+{\mathrm{\θ}}_w=K_1{V}_g+K_{1f}{\mathrm{\θ}}_{ino}$

T₁-水浴时间常数(T₁＝f(V_g))

θ_w-水浴温度(℃)

K₁-水浴调节通道传递系数(K₁＝f(V_g))

V_g-燃气流量(m³/s)

K_1f-水浴干扰通道传递系数(K_1f＝f(V_g))

θ_ino-换热器表面温度(℃)

本发明采用下游管网允许压力波动范围控制气化装置的运行，本发明还包括远程通讯装置，控制具有信号远传功能，可实现远程控制。从而可适应无人值守的环境要求。

本发明利用空气热源及燃气燃烧热源气化LNG。首先利用环境的空气热源加热气化LNG，在空气热源加热的天然气达不到用气要求及输气安全要求时采用燃气燃烧补热。采用空温气化与燃气燃烧补热方法的撬装式LNG气化装置，与完全利用空温气化的系统相比，可以适应气温较低地区的LNG气化要求，且由于燃气燃烧加热器通常比同样功率的空温式气化器结构小，因此结构更加紧凑；采用这种空温气化与燃气燃烧补热方法的撬装式LNG气化装置，与完全利用燃气燃烧气化的系统相比，由于采用了部分空温气化，因此更加节能；与利用电水浴的系统相比，由于其利用自身气化的天然气作为热源，在不具备大功率用电条件的地方也可使用，因而适应环境能力更强；并且因为电为二次能源，天然气为一次能源，在热转换效率相同的情况下，直接使用天然气更加节能。

本发明由于其燃气加热装置采用浸没燃烧，且设定水浴加热温度不超过30℃，排烟温度不超过35℃，大幅减少了热量损失，因此热效率可达到98％，远高于传统天然气加热水套炉的84％；本发明的燃烧用燃气利用LNG钢瓶自身气化的天然气，从而解决了燃气加热装置的启动气源问题。

本发明由于采用下游管网允许压力波动范围控制气化装置的运行，可充分利用下游管网的储气功能，减少气化装置的启停频率，从而减少设备维护成本。

本发明由于燃气装置采用连续负荷调节控制，因此可适应用气负荷变化频繁的用户需求。本发明的撬装式LNG气化装置，由于其设备控制具有信号远传功能，可实现远程控制，从而可适应无人值守的环境要求。用燃气加热装置6加热空温式气化器3出口的天然气，具有效率高、满足不同的用气负荷、可以根据用气负荷比例调节燃烧用燃气量等特点。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种带燃气加热的LNG气化器，其特征在于，包括n个LNG钢瓶(1)、紧急切断阀(2)、空温式气化器(3)、三通阀(5)、燃气加热装置(6)和调压系统，n≥1，其中，

调压系统用于将气化后的中压天然气降压至用户需要的压力，其包括一级调压装置(7)、二级调压装置(8)、计量装置(9)和加臭装置(10)；

所述LNG钢瓶(1)、紧急切断阀(2)、空温式气化器(3)、三通阀(5)、燃气加热装置(6)、一级调压装置(7)、二级调压装置(8)、计量装置(9)和加臭装置(10)依次连接；三通阀(5)出气口一端连接燃气加热装置(6)，另一端连接一级调压装置(7)。

2.根据权利要求1所述的带燃气加热的LNG气化器，其特征在于，所述三通阀(5)为电动三通阀。

3.一种带燃气加热的LNG气化器的加热控制方法，应用于如权利要求1-2其一所述的一种带燃气加热的LNG气化器，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：当下游管网压力到达下限值时，判断气化区天然气浓度和钢瓶(1)出液压力；

步骤2：确认气化区天然气浓度和钢瓶(1)出液压力运行正常后，电动紧急切断阀(2)开启；

步骤3：当下游管网压力到达上限值时，电动紧急切断阀(2)关闭，LNG气化器处于待机状态；

步骤4：若空温式气化器(3)出口天然气温度高于设定的温度，电动三通阀(5)切换至旁通管道侧，天然气经一级调压装置(7)、二级调压装置(8)、计量装置(9)和加臭装置(10)进入下游管网；

步骤5：若空温式气化器(3)出口天然气温度低于设定的温度，启动燃气加热装置(6)；

步骤6：监测水浴温度，当水浴温度达到设定温度时，三通阀(5)切换至燃气加热装置(6)一侧补热，天然气经一级调压装置(7)、二级调压装置(8)、计量装置(9)和加臭装置(10)进入下游管网。

4.根据权利要求3所述的加热控制方法，其特征在于，所述燃气加热装置(6)采用连续负荷调节控制，随着气化量的变化连续改变加热功率，通过水浴温度的波动来控制加热功率。

5.根据权利要求3所述的加热控制方法，其特征在于，所述燃气加热装置(6)包括控制器，燃气加热装置(6)运行调节阶段是根据控制参数θNG与设定值θ’NG的偏差对燃烧机负荷进行调节，控制器采用单回路反馈控制系统，水浴温度与加热功率的关联式如下：

$T_1\frac{\∂{\mathrm{\θ}}_w}{\∂t}+{\mathrm{\θ}}_w=K_1{V}_g+K_{1f}{\mathrm{\θ}}_{ino}$

T₁-水浴时间常数，T₁＝f(V_g)；

θ_w-水浴温度(℃)

K₁-水浴调节通道传递系数，K₁＝f(V_g)；

V_g-燃气流量(m³/s)

K_1f-水浴干扰通道传递系数，K_1f＝f(V_g)；

θ_ino-换热器表面温度(℃)。