CN107304974A - 液化天然气冷能回收系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及液化天然气冷能回收技术领域，具体公开了一种液化天然气冷能回收系统和方法。回收系统包括冷能回收塔、换热媒介保安冷凝器、冷冻水储槽、气体复热器、空温式汽化器及控制系统。LNG经换热媒介保安冷凝器进行一次换热后进入冷能回收塔塔顶冷凝器释放大量汽化潜热，气态换热媒介吸收冷能后冷凝回流进入冷能回收塔塔底再沸器，在再沸器内循环冷冻水被换热媒介冷却，换热媒介因吸收冷冻水热量而汽化，汽化后的换热媒介气体经塔中部的气液分离进入塔顶冷凝器。本发明冷能回收系统整体撬装，并采用新型、高效冷能回收设备，节能高效，安全可靠，经济环保，非常适合在LNG接收站和气化站中推广。

Description

液化天然气冷能回收系统和方法
技术领域
本发明涉及液化天然气冷能回收技术领域，具体涉及一种采用新型冷能回收塔、循环制冷装置及DCS控制工艺制取不同用户需求冷冻水的LNG冷能回收系统和方法。
背景技术
液化天然气(LNG)是天然气经过脱酸、脱水处理，再通过深度冷冻工艺液化而成的低温液体混合物。LNG中蕴含巨大冷能，主要是气化过程中的气化潜热，如果不加以利用是对能源的极大浪费。经可行性研究表明，一个350万吨/年的LNG项目，如果其冷能能够达到充分利用，其总经济效益可达4亿元/年。
目前，LNG接收站及气化站中，LNG气化主要使用海水或空气作为热源，同时使用加热炉作为补充热源使之再气化。LNG吸收海水或空气的热量，即释放出冷量给海水或空气，从而气化成为可以燃烧的天然气。在传统的气化过程中不但没有利用LNG的冷能资源而且对环境造成潜在的威胁。
随着全球性石油资源的紧缺以及不断加剧的环境污染，使得污染小、燃烧性能好、储量丰富的天然气的应用越来越广泛，LNG冷能的回收利用将有非常好的发展前景。
发明内容
本专利旨在提供一种新型的LNG接收站、气化站中LNG的冷能回收系统和方法，采用新型冷能回收塔、循环制冷装置及DCS控制，完成LNG冷能回收制取不同用户需求的冷冻水，实现LNG冷能的充分应用，解决目前LNG冷能资源浪费及冷能资源对环境的潜在威胁问题。
为实现上述技术目的，本发明采用以下的技术方案：
液化天然气冷能回收系统，包括用于储存LNG的液化天然气储罐，还包括用于将LNG冷能利用的冷能回收塔以及冷冻水储槽；
所述冷能回收塔包括冷凝器和再沸器；所述液化天然气储罐与所述冷凝器相连通，液化天然气经过冷凝器内的换热媒介升温气化后排出所述冷能回收塔供用户使用；所述冷冻水储槽通过泵与所述再沸器相连通，冷冻水经过再沸器内的换热媒介冷却降温后排出所述冷能回收塔并回流入冷冻水储槽内循环冷却，再沸器内的换热媒介与冷冻水换热升温气化后再次进入所述冷凝器内与液化天然气进行换热。
作为优选，所述冷能回收塔包含上下两个部分，上部为缠绕式冷凝器，LNG走壳程，换热媒介走管程；下部为浮头式再沸器，冷冻水走壳程，换热媒介走管程，利于提高设备换热效率，使设备小型化，减少设备投资。
作为优选，所述液化天然气储罐与所述冷能回收塔之间还设置有换热媒介保安冷凝器，所述换热媒介保安冷凝器的换热媒介进料管口与冷能回收塔的顶部相连通，所述换热媒介保安冷凝器的LNG出料管与冷能回收塔的冷凝器相连通，所述换热媒介保安冷凝器换热媒介出料管口与冷能回收塔的再沸器相连通。
作为优选，所述冷能回收塔与所述冷冻水储槽之间还设置有气体复热器，所述冷能回收塔的LNG出口管路与气体复热器的吸热程相连通，所述冷能回收塔的冷冻水出口管路与气体复热器的放热程相连通；所述冷能回收塔排出的液化天然气经气体复热器进一步升温后满足用户用气需求，所述冷能回收塔排出的冷冻水经气体复热器进一步冷却后回流入冷冻水储槽内。
作为优选，还包括空温式汽化器，所述液化天然气储罐通过管线、截止阀、紧急切断阀和调节阀分别与换热媒介保安冷凝器和空温式汽化器相连通。
作为优选，所述换热媒介保安冷凝器设置安全调节装置，调节换热媒介压力，控制换热媒介温度。
作为优选，所述气体复热器和空温式汽化器的天然气出口管线分别设置温度变送器。
作为优选，所述冷冻水储槽设置有冷冻水用水系统和补水系统。
为进一步实现系统的DCS控制，所述冷能回收塔塔顶冷凝器设置LNG液位变送器，并与LNG进料管线上调节阀、冷冻水进料泵相控制连锁，控制进入系统中LNG和冷冻水的进料量；所述冷能回收塔设置换热媒介液位变送器，并与冷冻水进料泵相控制连锁，保证冷能回收塔中换热媒介液化量；所述冷能回收塔设置温度变送器，实时检测装置运行条件，确保工艺安全、平稳运行。
作为优选，所述冷能回收塔顶部低温天然气出口管线设置温度变送器、压力变送器和调节阀，控制和调节天然气管道的压力和流量，而后送至气体复热器进行进一步的升温，以保证液化天然气升温后满足用户用气需求。
作为优选，所述换热媒介保安冷凝器设置安全调节装置，调节换热媒介压力控制换热媒介温度，当换热媒介无法及时冷凝，装置系统压力过高时，调节阀开启，将部分换热媒介排出装置系统，确保系统的安全运行。
作为优选，所述冷能回收系统采用循环制冷方式制取冷冻水，所述冷冻水储槽设置冷冻水温度变送器，并与冷冻水进冷能回收塔进料泵和冷冻水用户泵相控制连锁，根据储槽冷冻水温度控制进入系统的冷冻水量，同时在冷冻水储槽处设置补水和用水系统。
作为优选，所述低温气化天然气余冷回收气体复热器和空温式汽化器的天然气出口管线分别设置温度变送器，确保天然气出口温度满足用户用气要求。
作为优选，将液化天然气气化时的冷能进行转换用于制备冷冻水的中间换热媒介介质，可以选用氟利昂R404A、R502、R22、液氨和丙烷等，通过选用不同的换热媒介，调节系统压力可以制备不同用户需求的冷冻水。
作为优选，所述冷能回收系统内设置一套天然气和换热媒介介质的安全阀，保证装置系统安全、平稳运行。同时设置低温放散介质加热器和放散塔，以满足安全放散要求。
作为优选，还包括换热媒介储罐，所述换热媒介储罐设置压力表和安全阀，并应用压缩氮气为冷能回收系统补充换热媒介介质，同时设置换热媒介回收管线，以回收停车后系统内的换热媒介介质。
本发明还提供了采用上述系统的液化天然气冷能回收方法，包括如下步骤：
S1.液化天然气储罐中的LNG通过管路、截止阀、紧急切断阀和调节阀送至换热媒介保安冷凝器，与冷能回收塔中出来的不凝换热媒介气进行第一级换热，然后将LNG送入冷能回收塔塔顶冷凝器壳程中；在换热媒介保安冷凝器上设置安全调节装置，调节换热媒介压力控制换热媒介温度，当换热媒介无法及时冷凝，装置系统压力过高时，调节阀开启，将部分换热媒介排出装置系统，确保系统的安全运行；
S2.冷能回收塔包含上下两个部分，上部为缠绕式的冷凝器，LNG走壳程，换热媒介走管程；下部为浮头式的再沸器，冷冻水走壳程，换热媒介走管程；在冷能回收塔上部壳程的LNG(约-142℃)与管程中气化后的换热媒介(-20℃至-60℃)进行换热，气态的换热媒介经冷凝液化后流入冷能回收塔塔底再沸器，液化天然气经换热升温气化后，在冷能回收塔顶部经调节阀调节压力后送至余热回收气体复热器进行进一步的升温，以保证天然气升温后满足用气需求；
S3.换热媒介在冷能回收塔和换热媒介保安冷凝器中以气液转换且循环利用的形式存在，换热媒介在冷能回收塔底部再沸器中与冷冻水进行换热，通过选用不同换热媒介和设定不同的压力可得到不同适用范围的冷冻水(-35℃至7℃)；换热媒介(-20℃至-60℃)在塔底再沸器中升温气化，以鼓泡的形式汇集至再沸器顶部后进入上部缠绕式冷凝器中；
S4.设置换热媒介储罐，在装置开车时通过压缩氮气将换热媒介压入冷能回收塔中，通过冷能回收塔底部换热媒介液位变送器控制进入制冷系统的换热媒介量，同时在换热媒介管线中设置截止阀和紧急切断阀，以实现在制冷过程中和停车时换热媒介的补充和回收；
S5.冷冻水储槽中的冷冻水经泵送入冷能回收系统的塔底再沸器，泵与冷冻水储槽的液位变送器控制连锁，控制进入系统的冷冻水的量；冷冻水与液化后的换热媒介(-30℃至-60℃)进行一级换热，而后送入气体复热器中进行二级换热，冷却后的冷冻水(-35℃至7℃)再送入冷冻水储槽循环制冷；同时在冷冻水储槽处设置补水系统和用水系统，冷冻水经泵送至需用冷冻水区域；
S6.设置一备用空温式汽化器，与冷能回收装置一用一备，在系统检修时不影响用气的需要；
S7.在液化天然气和换热媒介管线中设置一套安全阀，保证装置系统安全、平稳运行，并满足规范和设计要求；同时设置低温放散介质加热器和放散塔，以满足安全放散要求。
本发明采用中间介质换热媒介将液化天然气气化时的冷能用于制备冷冻水，减少了机械制冷造成的大量电能消耗，具有可观的经济和社会效益；采用新型、高效的冷能回收塔装置，降低能耗，提高冷能利用效率；对整个冷能回收装置进行撬装，同时采用DCS对冷能回收撬进行控制，安全可靠，操作简单，经济环保。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1是本发明冷能回收系统的系统结构示意图；
图2是冷能回收塔的结构示意图；
图中：1-液化天然气储罐；2-换热媒介保安冷凝器；3-冷能回收塔；4-气体复热器；5-空温式汽化器；6-冷冻水储槽；9-换热媒介储罐；10-放散气汽化器；11-截止阀；12-紧急切断阀；13-调节阀；14-安全阀；15-止回阀；30-压缩氮气；31-冷冻水回水；32-冷冻水上水。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
如图1所示，液化天然气冷能回收系统，包括用于储存LNG的液化天然气储罐1、用于将LNG冷能利用的冷能回收塔3、换热媒介保安冷凝器2、气体复热器4、冷冻水储槽6以及备用空温式汽化器5；所述液化天然气储罐1通过管线、截止阀、紧急切断阀和调节阀分别与换热媒介保安冷凝器2和空温式汽化器5相连通；所述换热媒介保安泠凝器2的换热媒介进料管口与冷能回收塔3的顶部相连通，所述换热媒介保安冷凝器2的LNG出料管与冷能回收塔3的塔顶冷凝器相连通，所述换热媒介保安冷凝器2出料管与冷能回收塔3塔底再沸器相连通；所述冷能回收塔3塔顶LNG出口管路通过管线、调节阀与气体复热器4相连通；所述冷冻水储槽6通过管线、冷冻水泵与冷能回收塔3塔底再沸器入口相连通，所述再沸器冷冻水出口管通过管线、气体复热器4与冷冻水储槽6相连通；所述冷冻水储槽6分别设置了冷冻水用水和补水系统，具有冷冻水回水31管道和冷冻水上水32管道。
为进一步实现系统的DCS控制，所述冷能回收塔3分别设置了液化天然气的液位变送器、换热媒介的液位变送器和换热媒介温度变送器，所述液位变送器分别与LNG进料管线调节阀和冷冻水泵相控制连锁；所述冷能回收塔3塔顶LNG出料管线设置压力变送器和温度变送器，并与该管线调节阀相控制连锁；所述冷冻水储槽设置温度变送器，并分别与两个冷冻水泵相控制连锁。
参考图2，所述冷能回收塔包含上下两个部分，上部为缠绕式冷凝器，LNG走壳程，换热媒介走管程；下部为浮头式再沸器(换热器)，冷冻水走壳程，换热媒介走管程，利于提高设备换热效率，使设备小型化，减少设备投资。
参考图1，采用以上所述系统回收液化天然气冷能的方法，包括如下步骤：
S1.液化天然气储罐1中的LNG通过管路、截止阀、紧急切断阀和调节阀送至换热媒介保安冷凝器2，与冷能回收塔3中出来的不凝换热媒介气进行第一级换热，然后将LNG送入冷能回收塔3塔顶冷凝器壳程中；在换热媒介保安冷凝器2上设置安全调节装置，调节换热媒介压力控制换热媒介温度，当换热媒介无法及时冷凝，装置系统压力过高时，调节阀开启，将部分换热媒介排出装置系统，确保系统的安全运行；
S2.冷能回收塔3包含上下两个部分，上部为缠绕式的冷凝器，LNG走壳程，换热媒介走管程；下部为浮头式的再沸器，冷冻水走壳程，换热媒介走管程。在冷能回收塔上部壳程的LNG(约-142℃)与管程中气化后的换热媒介(-20℃至-60℃)进行换热，气态的换热媒介经冷凝液化后流入冷能回收塔3塔底再沸器，液化天然气经换热升温气化后，在冷能回收塔顶部经调节阀调节压力后送至余热回收气体复热器4进行进一步的升温，以保证天然气升温后满足用气需求；
S3.换热媒介在冷能回收塔3和换热媒介保安冷凝器2中以气液转换且循环利用的形式存在，换热媒介在冷能回收塔3塔底再沸器中与冷冻水进行换热，通过选用不同换热媒介和设定不同的压力可得到不同适用范围的冷冻水(-35℃至7℃)；换热媒介(-20℃至-60℃)在塔底再沸器中升温气化，以鼓泡的形式汇集至再沸器顶部后进入塔顶冷凝器中；
S4.设置换热媒介储罐9，在装置开车时通过压缩氮气30将换热媒介压入冷能回收塔3中，通过冷能回收塔底部换热媒介液位变送器控制进入系统的换热媒介量，同时在换热媒介管线中设置截止阀和紧急切断阀，以实现在制冷过程中和停车时换热媒介的补充和回收；
S5.冷冻水储槽6中的冷冻水经冷冻水泵送入冷能回收系统的塔底再沸器，冷冻水泵与冷冻水储槽6的液位变送器相控制连锁，控制进入系统的冷冻水的量；冷冻水与液化后的换热媒介(-30℃至-60℃)进行一级换热，而后送入气体复热器4中进行二级换热，冷却后的冷冻水(-35℃至7℃)再送入冷冻水储槽6循环制冷，同时在冷冻水储槽6处设置补水系统和用水系统，冷冻水经另一台冷冻水泵送至需用冷冻水区域；
S6.并联设置一备用空温式汽化器5，与冷能回收装置一用一备，在系统检修时不影响用气的需要；
S7.在液化天然气和换热媒介管线中设置一套安全阀，保证装置系统安全、平稳运行，并满足规范和设计要求，同时设置放散气汽化器10(低温放散介质加热器)和放散塔，以满足安全放散要求。
本发明采用中间介质换热媒介(如：氟利昂R404A、R502、R22、液氨和丙烷等)将液化天然气气化时的冷能用于制备冷冻盐水，减少了机械制冷造成的大量电能消耗，具有可观的经济和社会效益；采用新型、高效的冷能回收塔装置，降低能耗，提高冷能利用效率；对整个冷能回收装置进行撬装，同时采用DCS对冷能回收撬进行控制，安全可靠，操作简单，经济环保。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。如冷能回收塔也可以采用两个独立的换热器组合结构进行实现，气体复热器可以采用浮头式换热器、内螺纹盘管水浴式换热器等不同的换热器，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.液化天然气冷能回收系统，包括用于储存LNG的液化天然气储罐(1)，其特征在于：还包括用于将LNG冷能利用的冷能回收塔(3)以及冷冻水储槽(6)；
所述冷能回收塔(3)包括冷凝器和再沸器；所述液化天然气储罐(1)与所述冷凝器相连通，液化天然气经过冷凝器内的换热媒介升温气化后排出所述冷能回收塔(3)供用户使用；所述冷冻水储槽(6)通过泵与所述再沸器相连通，冷冻水经过再沸器内的换热媒介冷却降温后排出所述冷能回收塔(3)并回流入冷冻水储槽(6)内循环冷却，再沸器内的换热媒介与冷冻水换热升温气化后再次进入所述冷凝器内与液化天然气进行换热。
2.如权利要求1所述的液化天然气冷能回收系统，其特征在于：所述液化天然气储罐(1)与所述冷能回收塔(3)之间还设置有换热媒介保安冷凝器(2)，所述换热媒介保安冷凝器(2)的换热媒介进料管口与冷能回收塔(3)的顶部相连通，所述换热媒介保安冷凝器(2)的LNG出料管与冷能回收塔(3)的冷凝器相连通，所述换热媒介保安冷凝器(2)换热媒介出料管口与冷能回收塔(3)的再沸器相连通。
3.如权利要求2所述的液化天然气冷能回收系统，其特征在于：所述冷能回收塔(3)与所述冷冻水储槽(6)之间还设置有气体复热器(4)，所述冷能回收塔(3)的LNG出口管路与气体复热器(4)的吸热程相连通，所述冷能回收塔(3)的冷冻水出口管路与气体复热器(4)的放热程相连通；所述冷能回收塔(3)排出的液化天然气经气体复热器(4)进一步升温后满足用户用气需求，所述冷能回收塔(3)排出的冷冻水经气体复热器(4)进一步冷却后回流入冷冻水储槽(6)内。
4.如权利要求3所述的液化天然气冷能回收系统，其特征在于：还包括空温式汽化器(5)，所述液化天然气储罐(1)通过管线、截止阀、紧急切断阀和调节阀分别与换热媒介保安冷凝器(2)和空温式汽化器(5)相连通。
5.如权利要求4所述的液化天然气冷能回收系统，其特征在于：所述换热媒介保安冷凝器(2)设置安全调节装置，调节换热媒介压力，控制换热媒介温度。
6.如权利要求4或5所述的液化天然气冷能回收系统，其特征在于：所述气体复热器(4)和空温式汽化器(5)的天然气出口管线分别设置温度变送器。
7.如权利要求1所述的液化天然气冷能回收系统，其特征在于：所述冷冻水储槽(6)设置有冷冻水用水系统和补水系统。
8.如权利要求1所述的液化天然气冷能回收系统，其特征在于：所述冷能回收塔(3)分别设置有液化天然气的液位变送器、换热媒介的液位变送器和换热媒介的温度变送器，所述液位变送器分别与LNG进料管线调节阀和冷冻水泵相控制连锁；所述冷能回收塔(3)塔顶LNG出料管线设置压力变送器和温度变送器，并与该管线调节阀相控制连锁；所述冷冻水储槽(6)设置液位变送器和温度变送器，并分别与冷冻水泵相控制连锁。
9.如权利要求1所述的液化天然气冷能回收系统，其特征在于：还包括换热媒介储罐(9)，所述换热媒介储罐(9)设置压力表和安全阀，并应用压缩氮气为冷能回收系统补充换热媒介介质，同时设置换热媒介回收管线，以回收停车后系统内的换热媒介介质。
10.液化天然气冷能回收方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.液化天然气储罐(1)中的LNG送至换热媒介保安冷凝器(2)，与冷能回收塔(3)中出来的不凝换热媒介气进行第一级换热，然后将LNG送入冷能回收塔(3)塔顶冷凝器壳程中；
S2.在冷能回收塔上部壳程的LNG与管程中气化后的换热媒介进行换热，气态的换热媒介经冷凝液化后流入冷能回收塔(3)塔底再沸器，液化天然气经换热升温气化后，在冷能回收塔顶部经调节阀调节压力后送至余热回收气体复热器(4)进行进一步的升温，以保证天然气升温后满足用气需求；
S3.换热媒介在冷能回收塔(3)和换热媒介保安冷凝器(2)中以气液转换且循环利用的形式存在，换热媒介在冷能回收塔(3)底部再沸器中与冷冻水进行换热，通过选用不同换热媒介和设定不同的压力可得到不同适用范围的冷冻水；换热媒介在塔底再沸器中升温气化，以鼓泡的形式汇集至再沸器顶部后进入上部冷凝器中；
S4.设置换热媒介储罐(9)，通过压缩氮气将换热媒介压入冷能回收塔(3)中，通过冷能回收塔(3)底部换热媒介液位变送器控制进入系统的换热媒介量；
S5.冷冻水储槽(6)中的冷冻水经冷冻水泵送入塔底再沸器，冷冻水泵与冷冻水储槽(6)的液位变送器控制连锁，控制进入系统的冷冻水的量；冷冻水与液化后的换热媒介进行一级换热，而后送入气体复热器(4)中进行二级换热，冷却后的冷冻水再送入冷冻水储槽(6)循环制冷，同时在冷冻水储槽(6)处设置补水系统和用水系统，冷冻水经冷冻水泵送至需用冷冻水区域；
S6.并联设置一备用空温式汽化器(5)，在系统检修时不影响用气的需要。
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