CN109563968B - 用于向气体消耗构件供给可燃气体并用于液化所述可燃气体的设备 - Google Patents

用于向气体消耗构件供给可燃气体并用于液化所述可燃气体的设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于向气体消耗构件(3，4，5)供给可燃气体并用于液化所述可燃气体的设备(1)；设备(1)包括：‑密封且隔热的罐(2)；‑一种强制汽化装置(10)，包括：‑用于与可燃气体接触的汽化室(13，14)；和‑进气回路(11)，其设置成从罐(2)中抽出液相可燃气体流并将其在汽化室(13，14)的内部空间(15)中汽化；‑包括第一通道(25)的热交换器(20)，第一通道(25)连接到汽化室(13，14)以加热已在汽化室(13，14)中汽化的可燃气体；‑压缩机(27)，其连接到热交换器(20)的第一通道(25)和三通连接器(29)，该三通连接器能够将第一部分可燃气体流输送到气体消耗构件(5)并将第二部分可燃气体流输送到热交换器(20)以冷却第二部分可燃气体的第二通道(26)；和‑膨胀装置(33)，其上游连接到热交换器(20)的第二通道(26)的出口(26b)并且下游连接到通向罐(2)的返回回路(34)。

Description

用于向气体消耗构件供给可燃气体并用于液化所述可燃气体 的设备
技术领域
本发明涉及用于处理例如液化天然气(LNG)的可燃气体的设备领域。
本发明更具体地涉及一种用于一方面向气体消耗构件供给可燃气体并且另一方面液化所述可燃气体的设备。
背景技术
液化天然气储存在密封且隔热的罐中，在低温下处于液态/汽态两相平衡状态。液化天然气储罐的隔热屏障是热流的位置，其倾向于加热罐的内容物，这通过液化天然气的汽化来反映。自然汽化出的气体通常用于供给气体消耗构件以对其升级。因此，在甲烷罐车上，例如，汽化的气体用于供给动力传动系以推进船舶或供应车载设备运行所需电力的发电机。然而，尽管这种实践使得可以升级从罐中自然汽化的气体，但是不能减少其量。
因此，现有技术，尤其是US 2015/0 316 208公开了这样的设备，其既可以通过一个或多个气体消耗构件升级一部分来自自然汽化的气体，也可以液化另一部分来自自然汽化的气体。这种设备包括收集回路，该收集回路收集罐的气态顶部空间中的气相气体，然后将其输送到热交换器以在其中加热。在离开交换器时，加热的气体流被压缩至与气体消耗构件的操作条件相容的高压。此后，将第一部分压缩气体输送到一个或多个气相气体消耗构件，以便在其中燃烧，而将第二部分压缩气体返回到交换器以便将热量传递给从罐的气态顶部空间中收集的气相气体流。这样冷却的第二部分气体然后在膨胀装置中减压，该膨胀装置借助于焦耳汤姆逊效应进行减压，气体流的温度在其膨胀期间进一步降低，从而使气体流部分地液化。在离开膨胀装置时，相分离器允许在将液相输送到罐中并将气相送回到热交换器上游的气相气体收集回路中之前分离液相和气相。
这种设备的特别有利之处在于，使用气体流的压缩，既使一部分气体流与气体消耗构件的工作条件相容，又允许随后对另一部分气体流再液化。因此，该设备得以简化并且附加的再液化功能的成本不高。
但是，这种类型的装置并不完全令人满意。特别地，在某些临界操作条件下，例如当罐仅部分填充时，再液化产率低。具体地，当罐仅部分填充时，存在于罐的气态顶部空间中的蒸汽/汽化物的温度可能明显高于气体的平衡温度。因此，在罐中收集的气体流与待液化的第二部分压缩气体之间的热交换存在不足以使第二部分压缩气体的大部分再液化的风险。
另外，这种设备的再液化效力取决于输送到一个或多个气体消耗构件的第一部分可燃气体与返回到交换器的第二部分可燃气体之间的分配。具体地，当气体消耗构件的需求增加并且因此返回到交换器的气体量减少时，再液化的气体量大幅降低。
此外，源自自然汽化的气相天然气比储存在罐中的液态的液化天然气更富含挥发性组分(例如氮)。因此，对于氮的摩尔浓度为0.5％的液化天然气货物，来自自然汽化的气体易于具有14％至15％的氮浓度。此外，使用焦耳汤姆逊膨胀的膨胀装置并且在其出口处将气相返回到气相气体收集回路导致氮气在由所述设备处理的气体流中浓缩。因此，输送到一个或多个气体消耗构件的压缩气体部分易于具有远高于20％的氮浓度。那么，高浓度的氮气导致气体在气体消耗构件中的不理想燃烧并导致气体消耗构件的运行故障。
最后，虽然该方法可以使气体再液化，但是不能在源头限制储存在罐中的液化气体的自然汽化。
发明内容
构成本发明基础的构思是提出一种用于向气体消耗构件供给可燃气体并用于再液化所述可燃气体的设备，其具有良好的可燃气体再液化产率。
根据一个实施例，本发明提供了一种用于向气体消耗构件供给可燃气体并用于液化所述可燃气体的设备；该设备包括：
-密封且隔热的罐，其包括用于填充液汽两相平衡态的可燃气体的内部空间；
-强制汽化装置，其包括：
-汽化室，其用于与可燃气体接触并包括用于在汽化室的内部空间与所述可燃气体进行热交换的热交换壁；和
-进气回路，其包括：
-入口，其伸入罐的内部空间，设置成从罐的内部空间抽取液相可燃气体流；和
-减压构件，其伸入汽化室的内部空间，使得所抽取的可燃气体流在汽化室的内部空间中汽化；
-热交换器，其包括第一通道、第二通道和用于从第二通道向第一通道传递热量的热交换壁，第一通道和第二通道各自包括入口和出口；第一通道的入口连接到汽化室以在热交换器中加热已在汽化室中汽化的可燃气体流；
-压缩机，其上游连接到热交换器的第一通道的出口以压缩在热交换器中加热的可燃气体流，并且其下游联接到三通连接器，该三通连接器能够将第一部分可燃气体流输送到气体消耗构件并将第二部分可燃气体流输送到热交换器的第二通道的入口以冷却第二部分可燃气体流；和
-膨胀装置，其上游连接到热交换器的第二通道的出口并且下游连接到通向罐的返回回路；膨胀装置设置成对来自热交换器的第二通道的第二部分可燃气体流进行减压。
因此，汽相气体流旨在通过强制汽化过程被输送到热交换器的第一通道的入口，可控制汽相气体流温度以便无论罐的液位如何都在储存压力下保持接近液汽平衡温度。因此，第二部分气体流的再液化产率显著提高。
此外，通过这种强制汽化装置，可以在不使用外部热源的情况下进行液化气体的汽化，这与使用与海水、中间液体或来自机动或特定燃烧器的燃气进行热交换的强制汽化设备相反。因此，可燃气体作为吸热部分的热源。因此，当汽化室布置在罐的内部空间中时，强制汽化装置使得可以冷却和冷凝来自罐的气态顶部空间中的自然汽化的汽相和/或可以将储存在罐中的液相气体冷却至低于其在罐中气体储存压力下的平衡温度的温度，从而限制自然汽化。
因此，上述强制汽化装置和上述热交换器的组合具有协同效应。具体地，一方面，向热交换器供应源自上述汽化装置的气体流使得可以显著增加热交换器出口处的膨胀装置中的再液化程度。另一方面，由于强制汽化装置的冷却功率随着汽化室内汽化气体流的流速而增加，因此在其中只有一部分汽流将被引向气体消耗构件的装置的上游使用该强制汽化装置使得可以显著增加其功率。
此外，通过使用来自强制汽化过程的汽相，最易挥发的化合物的含量基本上等于储存在罐中的气体的液相的含量。因此，经处理的气体流的最易挥发的化合物的浓度受到限制并且基本长期恒定。因此，当可燃气体由包含氮气的气体混合物构成时，这导致降低在装置中处理的汽相中的氮气浓度，使氮气浓度保持在与气体消耗构件的正确运行相容的范围内。此外，装置入口处的汽相气体含有的富含挥发性成分的组分越少，液化产率越大。所以，使用来自强制汽化过程的汽相使得可以增大在膨胀装置中减压过程中的液化程度。
因此，进入交换器的气体的热力学条件是最佳的并且不随时间变化，因为大多数挥发性化合物的浓度和进入交换器的气体流的温度不依赖于填充水平或罐的热历程。
根据实施例，这种装置可包括以下特征中的一个或多个。
根据一个实施例，进气回路入口位于罐的底部，靠近罐的基底，以便抽取储存在罐中的液相可燃气体，而不管罐的填充水平如何。
根据一个实施例，汽化室位于罐的内部空间中，并且热交换壁因此允许汽化室的内部空间与储存在罐中的可燃气体之间进行热交换。
根据一个实施例，所述设备包括泵，所述泵设置成产生可燃气体流并且在所述汽化室的内部空间中施加比所述罐的内部空间中的可燃气体的存储压力低的压力P1。
根据一个实施例，泵是真空泵，其能够在内部空间中施加12与95千帕之间的绝对压力P1。
根据一个实施例，泵位于热交换器的第一通道的下游，在所述第一通道和压缩机之间。
根据一个实施例，进气回路包括泄压构件/耗压构件上游的压力调节器。
根据一个实施例，进气回路在压力调节器的上游包括附加的泵，该泵能够吸入液化的液相气体流并且产生输送压力，该输送压力大于在进气回路入口处在罐的内部空间中可以实现的最大流体静压。
根据一个实施例，进气回路可包括一个或多个泄压构件。
根据一个实施例，进气回路包括多个由喷嘴形成的泄压构件，所述喷嘴能够将液化气体喷射到汽化室内。
根据另一个实施例，该泄压构件或每个泄压构件选自进气回路流动横截面、多孔材料或等熵减压机的各种变型。
根据一个实施例，热交换壁包括用于增加汽化室的交换表面积的翅片。
根据一个实施例变型，强制汽化装置包括两个汽化室，两个汽化室中的一个放置在所述罐的上部，以便允许所述汽化室的内部空间与储存在罐中的汽相可燃气体之间进行热交换，另一个放置在罐的下部，以便允许所述汽化室的内部空间与储存在所述罐中的液相可燃气体之间进行热交换。
根据一个有利的变型，每个汽化室经由回路部分连接至进气回路的入口并连接到热交换器的第一通道的入口，该回路部分与将其他汽化室连接到进气回路的入口并连接到热交换器的第一通道的入口的相应回路部分并联设置。有利地，并联布置的两个回路部分中的每一个都配备有流速控制阀。
根据有利的变型，压缩机是多级压缩机。有利地，压缩机包括多个压缩级和多个中间热交换器，每个中间热交换器设置在一个压缩级的出口处。
根据一个实施例，膨胀装置是膨胀阀，也称为焦耳汤姆逊阀。
根据一个实施例，膨胀装置是涡轮膨胀机。
根据一个实施例，该装置包括相分离器，所述相分离器在上游连接到所述膨胀装置，下游一方面连接到通向所述罐的返回回路，另一方面连接到返回管，该返回管连接到热交换器的第一通道的入口；相分离器设置成将液相可燃气体流输送到返回回路并将汽相可燃气体流输送到返回管。
根据一个实施例，可燃气体是含有氮气的LNG或LPG类型的气态混合物。
根据一个实施例，可燃气体是含有氮气的气态混合物，氮气是气态混合物中最易挥发的组分。
根据一个实施例，本发明提供了一种通过上述装置向气体消耗构件供给可燃气体并液化所述可燃气体的方法，包括：
-从含有液汽两相平衡态的可燃气体的罐中抽取液化可燃气体流并将其输送到汽化室；
-对汽化室内部空间中的液化气体流进行减压；
-汽化室中的减压可燃气体流与罐中所含的可燃气体之间通过汽化室的壁进行热交换，以便通过从罐中所含的可燃气体吸收热量来汽化所抽取的气体流；
-在汽化室和热交换器的第一通道的入口之间输送汽相可燃气体流；
-将热量从热交换器的第二通道传递到第一通道；
-压缩离开热交换器的第一通道的可燃气体流；
-将压缩可燃气体流的第一部分输送到气体消耗构件，将压缩气体流的第二部分输送到热交换器的第二通道的入口；
-将可燃气体流的第二部分从热交换器的第二通道输送到膨胀装置；
-将减压的可燃气流的第二液相部分的至少一部分输送到罐。
根据一个实施例，为了使汽化室中的液化气体流减压，通过真空泵在罐中产生低于液化可燃气体的存储压力的压力P1。
根据有利的变型，压力P1在12与95千帕绝对压力之间，例如约50千帕绝对压力。
根据一个实施例，本发明提供了一种包括上述设备的船舶。
根据一个实施例，本发明还提供了一种用于装载或卸载这种船舶的方法，其中，可燃气体通过低温输送管从浮动或陆基存储设备输送到所述船舶的罐或者从所述船舶的罐输送到浮动或陆基存储设备。
根据一个实施例，本发明还提供了一种可燃气体传输系统，该系统包括上述船舶；低温输送管，其布置成将安装在船体中的罐连接到浮动或陆基存储设备；以及泵，其用于驱动可燃气体通过低温输送管从浮动或陆基存储设备到船舶的罐或者从船舶的罐到浮动或陆基存储设备。
根据另一个实施例，本发明提供了一种用于向气体消耗构件供给可燃气体并用于液化所述可燃气体的设备；该设备包括：
-密封且隔热的罐，包括用于填充液汽两相平衡态的可燃气体的内部空间；
-强制汽化装置，包括：
-汽相气体收集回路，其包括伸入罐的内部空间的入口，入口设置成从罐的内部空间抽取液相可燃气体流；和
-压缩机，其能够通过入口抽吸罐中的汽相气体流并且能使罐中的压力P1维持在低于大气压，从而促进罐中的液相气体流的汽化并使罐中的液化气设置于液汽两相平衡态，在该液汽两相平衡态下，液化气体的温度低于所述液化气体在大气压下的液汽平衡温度；
-热交换器，包括第一通道、第二通道和用于从第二通道向第一通道传递热量的热交换壁，第一通道和第二通道各自包括入口和出口；第一通道的入口连接到汽相气体收集回路以在热交换器中加热已在罐中汽化的可燃气体流；压缩机，其上游连接到热交换器的第一通道的出口以压缩在热交换器中加热的可燃气体流，并且其下游联接到三通连接器，该三通连接器能够将第一部分可燃气体流输送到气体消耗构件并将第二部分可燃气体流输送到热交换器的第二通道的入口以冷却第二部分可燃气体流；和
-膨胀装置，其上游连接到热交换器的第二通道的出口并且下游连接到通向罐的返回回路；膨胀装置设置成对来自热交换器的第二通道的第二部分可燃气体流进行减压。
附图说明
通过以下参照附图对本发明的几个特定实施例——其仅用于说明而非限制——的描述，本发明将被更好地理解，并且其进一步的目的、细节、特征和优点将更明显。
-图1是用于向气体消耗构件供给可燃气体并用于液化所述可燃气体的设备的示意图。
-图2是用于装载/卸载可燃气体的船舶和传送系统的示意图。
-图3是曲线图，一方面示出再液化气体的流速/流量(单位为kg/小时)随船舶速度(以海里/小时为单位)的变化，经由根据图1的设备供给船舶的发动机的可燃气体在热交换器入口处的温度分别为-40℃、-120℃和-160℃(曲线a，b和c)，另一方面根据它是否位于仅将一部分气体流导向气体消耗构件的设备的上游表示可通过强制汽化装置再液化的气体的流速(曲线d，e)。
-图4是根据另一实施例的用于向气体消耗构件供给可燃气体并用于液化所述可燃气体的设备的示意图。
具体实施方式
在说明书和权利要求书中，术语“可燃气体”具有一般性质，并且不特指由单一纯物质构成的气体或由多种组分构成的气态混合物。
在图1中，示出了用于一方面向一个或多个气体消耗构件供给可燃气体并且另一方面液化所述可燃气体的设备1。这种设备1可以安装在陆地上或浮式结构上。在浮式结构的情况下，设备1可以用于液化船或再气化船或用于液化天然气货船，例如甲烷罐船，或者更一般地可以用于任何装有气体消耗构件的船舶。
图1中所示的设备1包括三种不同类型的可燃气体消耗构件，即燃烧器3、发电机4和用于推进船舶的发动机5。
燃烧器3可以集成到发电设备中，或者可以集成到气体燃烧单元(GCU)中。发电设备尤其可以包括蒸汽发生器。蒸汽可以用于供给蒸汽涡轮机以产生能量和/或供给船舶的供热网络。燃烧器3能够利用氮浓度高的可燃气体运行，例如标准的气体燃烧单元可利用氮浓度高于30％至35％的可燃气体运行，但是供应燃料可能远高于此值。
发电机4包括例如柴油/天然气混合供给热力发动机，例如DFDE(双燃料柴油电动)技术。这种热力发动机可以燃烧柴油和天然气的混合物或使用这两种可燃物中其中一种。供给这种热力发动机的天然气必须具有几巴到几十巴的压力，例如约6至8巴的绝对压力。另外，为了使这种热力发动机具有相应工作能力，天然气的氮浓度必须低于大约15％至20％的极限工作浓度。
用于推进船舶的发动机5例如是由MAN公司开发的“ME-GI”技术的双燃料二冲程低速发动机。这种发动机5使用天然气作为可燃物和在注入天然气之前注入用于点燃天然气的少量引燃燃料。为了给这种发动机5供给燃料，必须首先将天然气压缩在150至400巴绝对压力、更特别是250至300巴绝对压力的高压下。另外，这种发动机对天然气的质量极其敏感，并且为了使其发挥相应作用，天然气的氮浓度必须不超过15％至20％的阈值。
设备1包括密封且隔热的罐2。根据一个实施例，罐2是膜罐。举例来说，在专利申请WO 14/057221，FR 2 691 520和FR 2 877 638中描述了这种膜罐。这种膜罐用于储存处于基本上等于大气压或稍高的压力下的可燃气体。根据其他替代实施例，罐2也可以是独立式罐，并且具体可以是平行六面体、棱柱形、球形、圆柱形或多叶形。某些类型的罐2允许储存处于明显高于大气压的压力下的气体。
罐2包括用于填充可燃气体的内部空间7。可燃气体尤其可以是液化天然气(LNG)，即主要包含甲烷以及一种或多种其他烃，例如乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、新戊烷以及少量氮气的气体混合物。可燃气体也可以是乙烷或液化石油气(LPG)，即源自炼油厂的烃的混合物，其基本上包含丙烷和丁烷。
可燃气体以液汽两相平衡态储存在罐2的内部空间7中。因此，可燃气体以汽相存在于罐2的上部8中，并且以液相存在于罐2的下部9中。在大气压下储存时，液化天然气的对应于其液汽两相平衡态的平衡温度为大约-162℃。
设备1包括强制汽化装置10，用于吸收罐2的内部空间7中的液相可燃气体流并使其减压从而利用气体的汽化潜热将所述液相可燃气体汽化以冷却留存在罐2的内部空间7中的液化气。
强制汽化装置10包括进气回路11，进气回路11包括浸入液相部分中的入口12，该入口12能够将收集的液相气体流输送到一个或多个汽化室13、14。
汽化室13、14浸没在储存在罐2中的可燃气体中。每个室13、14包括内部空间15和热交换壁，热交换壁用于在所述内部空间15与罐2中储存的可燃气体之间进行热交换。
根据一个实施例，汽化室13、14配备有翅片(未示出)，翅片与汽化室13、14的热交换壁结合并且可以增加热交换壁的用于与罐2中储存的可燃气体进行热交换的表面积。
此外，进气回路11包括泄压构件(未示出)，泄压构件伸入每个汽化室13、14的内部空间15中以使所吸收的可燃气体流在汽化室13、14的内部空间中汽化。
此外，在工作时，汽化室13、14的内部空间15的压力低于罐2的内部空间7中现存的压力。为此，该设备包括真空泵17，其尺寸设置成用于使汽化室13、14的内部空间15中的绝对压力保持低于罐2的内部空间7中现存的压力。例如，当可燃气体是液化天然气并在罐中储存在大气压力下时，汽化室13、14内部的工作绝对压力在12与95千帕绝对压力之间，例如是大约50千帕绝对压力。
这种强制汽化装置10的工作原理如下。当液相可燃气体进入罐2中然后在汽化室13、14中减压时，由此减压的可燃气体经历温度的降低。从而，由于所取得的可燃气体通过汽化室13、14与罐2中留存的可燃气体发生热接触，该所取得的可燃气体至少部分地汽化，并且在汽化时从罐2中留存的可燃气体中吸取汽化所需的热量，这使得留存在罐2中的可燃气体得以冷却。
根据一个实施例，进气回路11包括多个由喷嘴形成的泄压构件/耗压构件，所述喷嘴能够将液化气体喷射到每个汽化室13、14的内部空间15中。有利地，喷嘴将液化气精细均匀地喷到汽化室13、14的内壁上。可替代地，每个泄压构件可选自进气回路流动横截面、多孔材料或绝热减压机的各种变型。
真空泵17由控制单元30控制，控制单元30能够根据标称流速控制真空泵17。真空泵的流速/压力特性适于为设备的工作流速产生在12和95千帕绝对压力之间、例如约50千帕绝对压力的真空。
进气回路11在泄压构件的上游包括压力调节器(未示出)，用于将液化气体的压力限制在强制汽化装置10的进气处的阈值压力。这种压力调节器使得可以保持进入进气回路11的液化气体的压力恒定，而与罐2内的液化气施加的流体静压力无关，因此，与罐2的填充水平无关。例如，由压力调节器施加的压力阈值是大气压的级别。
另外，在所示的实施例中，进气回路11在压力调节器的上游包括附加的泵18，其能够产生高于由罐1内的液化气在进气回路11的入口高度处施加的流体静压力的返回压力。这样的布置是有利的，因为泄压构件处的驱动压力因此增加，这使得一方面可以限制泄压构件的数量，另一方面确保流速更稳定。
在所示的实施例中，强制汽化装置10包括位于罐2的内部空间7中的两个汽化室13、14。其中一个汽化室14放置在罐2的底部9中，因此用于允许汽化室14的内部空间15与储存在罐2中的液相可燃气体之间进行热交换。因此该汽化室14可以将留存在罐2中的液相可燃气体冷却至低于其平衡温度。因此，留存在罐2中的液相可燃气体自身处于冷却/激冷的热力学状态。
另一个汽化室13放置在罐2的顶部8中，即在气态顶部空间中，因此用于允许汽化室13的内部空间15与留存在罐2中的汽相可燃气体之间进行热交换。因此，该汽化室13能够冷凝和/或冷却来自罐2的内部空间7中的自然汽化的汽相可燃气体。
在未示出的一个实施例中，该设备可包括辅助的密封和隔热罐，其经由输送管和返回管连接到上述罐2。设备1还包括泵，用于通过输送管和返回管在主罐和辅助罐之间流通液化气。辅助罐的容量小于罐2的容量，并且强制汽化装置10容纳在辅助罐中。这样的实施方式是有利的，因为它允许液化气的温度更好地均匀化并且限制罐2内部产生热分层。此外，这种辅助罐还可以实现变型实施例，其中，辅助罐连接到多个罐2以共用强制汽化装置10。
回到图1，可以看到强制汽化装置10下游连接到汽相气体收集回路19，汽相气体收集回路19通向位于罐2外部的热交换器20。在所示的实施例中，两个汽化室13、14彼此并联布置。换句话说，每个汽化室13、14都一方面连接到浸没在液相部分中的入口12，另一方面经由与另一汽化室13、14的相应回路部分并联的回路部分连接到汽相气体收集回路19。两个并联部分中的每一个都配备有阀21、22以便调节通过两个汽化室13、14中的每一个的气体流速。这种布置还使得可以例如根据更想冷凝汽相部分还是更想激冷液相部分而选择使用两个汽化室13、14中的一个或另一个。
在另一实施例中，汽化室13、14串联布置。在另一实施例中，强制汽化装置10仅包括一个汽化室13、14，该汽化室可以放置在罐2的上部8中或者放置在罐2的下部9中。
此外，在所示的实施例中，设备1包括伸入罐2的气态顶部空间中、即高于罐2的最大填充高度的入口23。该入口23经由阀24连接到汽相气体收集回路19。这种布置使得可以在不使用强制汽化装置10的情况下操作设备1或者通过将来自自然汽化的汽相与来自强制汽化设备10的汽相相结合来运行设备2。在这种情况下，设备1可以配备有分支回路(未示出)，其与真空泵17并联，用于在设备1不使用强制汽化装置10的情况下操作时绕过真空泵17。
热交换器20包括第一和第二通道25、26，每个通道具有入口25a、26a和出口25b、26b以及用于将热量从第二通道26传递到第一通道25的热交换壁。为了优化热交换，热交换器20是逆流交换器。第一通道25上的入口25a连接到汽相气体收集回路19，以加热来自强制汽化装置10的气体流。
上述泵17位于热交换器20的第一通道25的下游，因此可以通过热交换器20的第一通道25吸入来自强制汽化装置10或来自气态顶部空间的气体流。第一通道25的出口25b通过泵17连接到压缩机27，泵17使气体流沿压缩机27的方向返回。压缩机27用于将气体流压缩到与气体消耗构件的操作压力相适应的压力。
在所示的实施例中，压缩机27是多级压缩机。换句话说，压缩机27包括多个压缩级27a、27b、27c、27d、27e和多个中间热交换器28a、28b、28c、28d、28e，中间热交换器放置在各个压缩级27a、27b、27c、27d、27e的出口处。中间热交换器28a、28b、28c、28d、28e用于在两个压缩级之间冷却压缩气体。例如，热交换器28a、28b、28c、28d、28e可以特别地提供与海水的热交换，从而可以使压缩气体流达到基本上等于海水温度的温度。
根据未示出的实施例，真空泵17可以由压缩机27的第一压缩级构成。
压缩机27的尺寸根据要供给的可燃气体消耗构件而变化，特别是根据可燃气体必须分配到可燃气体消耗构件上的最大供给流量和压力水平而变化。因此，当其中一个气体消耗构件是如前所述的ME-GI型发动机5时，压缩机27的尺寸使得离开压缩机27的气体流通常具有在250与300巴之间的绝对压力。
在压缩机27的下游，设备1包括三通连接器29，用于将第一部分气体流输送到发动机5以推进船舶，并将第二部分气体流输送到热交换器20的第二通道26的入口26a。该三通连接器29由控制单元30引导。因此，控制单元30能够根据发动机5的可燃气体需求和/或待再液化的气体量改变分别流向发动机5和热交换器30的第二通道26的入口26a的气体的比例。
此外，在如所示实施例中的可燃气体消耗构件具有不同供给压力的情况下，设备1包括中间三通连接器31，其位于两个压缩级27b、27c之间，因此可以在压缩机27的出口之前转移一部分气体流到可燃气体消耗构件，在本实施例的情况下是转移到燃烧器3和发电机4。这样的布置使得可以在可燃气体已达到对应于所述消耗构件的供给压力时将可燃气体转移到可燃气体消耗构件。
根据优选实施例，真空泵17和压缩机27的操作流速是恒定的并且基本上对应于气体消耗构件的最大供给流量。因此，控制单元30作用于三通连接器29、31从而根据需要改变输送到气体消耗构件的气体流的流速。
在将热量传递给来自汽相气体收集回路19的汽相气体期间，可燃气体流的第二部分在热交换器20的第二通道26中被冷却。
热交换器20的第二通道26的出口26b经由膨胀装置33连接到相分离器32，可燃气体流将通过膨胀装置33减压至其压力基本上等于罐2中存在的压力，例如接近大气压的压力。因此，气体流经历膨胀，其通过焦耳汤姆逊效应至少部分地发生温度降低和液化。膨胀装置32例如是膨胀阀。
相分离器32(有时称为雾分离器)允许液相与气相分离。在下游，相分离器32一方面连接到通向罐2的返回回路34，另一方面连接到返回管35，返回管35连接到汽相气体收集回路19。因此，相分离器32将液相可燃气体输送到罐2，而汽相可燃气体返回到热交换器20的第一通道25的入口25a。
下面将描述使用在大气压下储存的液化天然气运行的前述装置的实施例。
液化天然气在约-162℃的温度下以两相平衡态储存在罐2中。然后将液态天然气吸入强制汽化装置10的汽化室14、15中，其中的压力低于大气压，例如为约50千帕绝对压力的级别。由此取出的液相天然气体流在汽化室14、15中汽化，从而从留存在罐2中的天然气提取热量。
因此，被输送到热交换器20的第一通道25的入口25a的汽相气体流的绝对压力为约50千帕并且温度接近罐2中气体的两相平衡温度，通常为约-165℃。
在借助于热交换器20加热然后借助于压缩机27的部分或全部压缩级27a、27b、27c、27d、27e压缩之后，将第一部分气体流按需求输送到一个或多个气体消耗构件。在离开压缩机27时，具有高压(通常在250和300巴之间)和温度在20至80℃的第二部分气体流被输送到热交换器20的第二通道26以在其中冷却。在离开热交换器20的第二通道26时，气体流通常具有-140℃的级别的温度。然后气体流借助于膨胀阀33减压并随后被输送到相分离器32，相分离器32分离液相和气相以便将液相返回至罐2并将气相返回至热交换器20的第一通道25的入口25a。
因此可以理解，借助于使用上述类型的强制汽化装置10，热交换器20的第一通道25的入口25a处的气体流的温度与罐的填充水平无关并处于-140℃的级别，而来自罐2的自然汽化的气体的温度可能在-140和-50℃之间的范围内。因此，使用强制汽化装置10可以获得液相焦耳汤姆逊减压的特别高的转化率。使用强制汽化装置10还可以从储存在罐中的可燃气体中提取热量，以限制自然汽化现象。
参照图3可见，膨胀装置33中的再液化天然气的流速(kg/小时)根据船舶的速度而变化，其船舶用于推进船舶的发动机5由来自图1的设备的天然气体流供给。真空泵17和压缩机27的工作流速为4700kg/小时。
曲线a、b和c表示当交换器20的第一通道25的入口25a处的气体温度分别为-40℃、-120℃和-160℃时，膨胀装置33的出口处的再液化天然气的流速。因此观察到，当在热交换器20的上游使用强制汽化装置10时，根据返回到热交换器的第二通道26的入口26a的气体的比例，膨胀装置中的再液化程度可以提高10％至80％，强制汽化装置10使得能获得的交换器20的第一通道25的入口25a处的气体温度接近天然气在大气压下的液汽平衡温度，即-160℃。
此外，对于具有热漏失为约400kW的罐2和工作流速为4700kg/小时的真空泵17的船，强制汽化装置10使得可以产生大约650kW的冷却功率，这首先能够补偿热漏失，其次能够将留存在罐2中的液相天然气冷却到其平衡温度以下以及/或者冷凝和/或冷却来自罐2的内部空间7中的自然汽化的气相天然气。相对于平衡态的过剩冷却功率表示相当于约1500kg/小时至1700kg/小时的液化能力(由曲线d表示)，该冷却功率能够通过降低储存在罐中的液相天然气的温度来储存和/或用于重新冷凝罐2的气态顶部空间中的气相天然气。
为了比较的目的，图3的曲线e表示强制汽化装置13的液化能力，如图1所示，其直接连接到发动机5以推进船舶。在这种情况下，汽化室中汽化的天然气体流的流速对应于发动机5的需求。因此观察到，在这种情况下，仅强制汽化装置就使得可以在船速为18海里/小时及更高时平衡热漏失，因此仅该装置就使得可以在速度高于18海里/小时的情况下将留存在罐2中的液相天然气冷却到其平衡温度以下以及/或者冷凝和/或冷却来自罐的内部空间中的自然汽化的气相天然气。
因此可以注意到，根据本发明，强制汽化装置可以全力运行，几乎与气体消耗构件的实际消耗无关。
还观察到的是，通过使用来自在热交换器20的第一通道25的入口25a处的强制汽化过程的汽相，在设备中流通的气体流中的氮含量最高的液化天然气的氮含量从未超过10％，大多数情况下为5％。膨胀装置33中焦耳汤姆逊减压的转化平衡证明仅受到这种低氮含量的轻微影响，并且完全消除了向气体消耗构件3、4、5发送氮浓度过高的蒸汽的风险。
图4示出了根据另一实施例的设备1。该设备1与图1的设备的不同之处主要在于，热交换器20的第二通道26的出口26b连接到由涡轮膨胀机36形成的膨胀装置。这样的涡轮膨胀机36使得可以利用在热交换器20的第二通道26的出口26b处的气体流膨胀来产生能量。
这里使用能量驱动一个或多个压缩机37，用于压缩热交换器20的第一通道25的出口25b处的气体流。为此，涡轮膨胀机36具有连接到压缩机37的轴38。因此，涡轮膨胀机36中的压缩气体流的膨胀使得可以驱动压缩机37以压缩气体流。
在另一个未示出的实施例中，可以在罐2的内部空间中施加负压来代替汽化室13、14。这样的实施例适合于例如当货物中含有的天然气的氮含量很低时，无论是天然的氮含量低还是由于预先降低了氮含量。
在该实施例中，汽相气体收集回路9直接连接到伸入罐2的气态顶部空间中的入口23。然后由压缩机17产生几十毫巴的负压并且直接在罐2的内部空间中发生强制汽化。具体地说，通过在罐2的内部空间中产生负压，促进了液相的汽化，这也使得可以将液化气体置于液汽平衡状态，在液汽平衡状态下，液化气的温度低于液化气体在大气压下的液汽平衡温度。因此，充分利用气体的汽化，通过从其中提取潜在的汽化热来冷却储存在罐中的液化气体。换言之，本实施例使得可以将液化气保持在激冷的热力学状态，允许其以大气压储存在罐中或转移到罐中，同时保持液化气的低的、甚至为零的汽化水平。
在该实施例中，不存在与控制氮含量有关的益处，因为汽化发生在罐的总体积上，氮的优先汽化是不可控制的。然而，在这样的实施例中，可以设想这样来限制在热交换器20的第一通道25的入口25a处的气体流的氮富集：在相分离器32的气相出口处提供三通连接器，使得汽相可以选择性地返回到热交换器20的第一通道25的入口25a或者输送到燃烧器3。因此，这种新的气体出口可以用作净气装置，其能在气体混合物相对于消耗构件4、5的操作阈值变得过于富含氮的情况下被间歇性地激活。
为了能够在罐的内部空间中提供负压，可能需要一些建设性和操作性的布置。该罐必须是真空密封的，以确保周围的空气不会进入罐中。因此，密封凸缘和其他接口的密封优选通过焊接实现。此外，选择减压阀使得它们在背压下具有零漏失水平。
此外，当罐是基于隔热屏障的膜罐时，希望调节所述隔热屏障中的压力，使得隔热屏障中的压力不会大大超过罐的内部空间中的压力，这将容易损坏密封膜，特别是与容纳在罐中的气体接触的密封膜，从而导致其剥离。另外，在罐的气态顶部空间中喷射液化气体可以限制热分层。
图2示出了用于装载/卸载诸如液化天然气的可燃气体并在船舶41和未示出的浮动或陆基设施之间形成接口的传送系统40。如上所述，船舶41配备有用于向气体消耗构件供给可燃气体并用于液化所述可燃气体的设备。作为示例，未示出的流体密封和隔热罐通常是棱柱形的并且安装在船舶的双船体中。
通过标记为42的浸入式低温管线确保产品传送。形成船舶41与浮动或陆基设施之间的接口的传送系统40包括至少一个承载存储/处理台架44的平台43和主平台45，以携带能够将浸入式低温管线42连接到柔性传送管46的所有设备。每个柔性输送管46用于通过连接模块48连接到船舶的歧管47。船舶的歧管47借助于布置在船舶41上甲板上的装载/卸载管线连接到罐，从而将液化气货物传送进出所述罐。
台架44的主要功能是能够借助于起重机和绞盘处理以及存储传送部件，即每个连接模块48和柔性传送管46的移动端。
根据一个实施例，输送系统包括三个并行的柔性传送管46，其中两个使得可以在浮动或陆基设备与船舶之间输送液化天然气，而第三个传送管使得可以输送气体以平衡船舶的罐的气态顶部空间中的压力。
为了产生液化气体输送所需的压力，使用船舶41中的船载泵，和/或安装在陆基设备中的泵，和/或安装在输送系统40上的泵。
尽管已经结合若干特定实施例描述了本发明，但本发明显然绝不限于此并且包括所述设备的落入本发明的范围内的所有技术等同物及其组合。
动词“包含”或“含有”或“包括”及其变化形式的使用不排除权利要求中所述之外的元素或步骤的存在。
这样，根据本技术的一些非限制性实施例实现的方法和装置可以表示如下，以编号的条款呈现。
[条款1]设备(1)，用于向气体消耗构件(3，4，5)供给可燃气体并用于液化所述可燃气体；设备(1)包括：
-密封且隔热的罐(2)，其包括用于填充液汽两相平衡态的可燃气体的内部空间(7)；
-强制汽化装置(10)，其包括：
-汽化室(13，14)，其用于与可燃气体接触并包括用于在汽化室(13，14)的内部空间(15)与所述可燃气体进行热交换的热交换壁；和
-进气回路(11)，其包括：
-入口(12)，其伸入罐(2)的内部空间(7)中并设置成从罐(2)的内部空间(7)中抽取液相可燃气体流；和
-泄压构件，其伸入汽化室(13，14)的内部空间(15)中，使所抽取的可燃气体流在汽化室(13，14)的内部空间(15)中汽化；
-热交换器(20)，包括第一、第二通道(25，26)和用于从第二通道(26)向第一通道(25)传递热量的热交换壁，第一通道(25)和第二通道(26)各自包括入口(25a，26a)和出口(25b，26b)；第一通道(25)的入口(25a)连接到汽化室(13，14)，以便在热交换器(20)中加热已在汽化室(13，14)中汽化的可燃气体流；
-压缩机(27)，其上游连接到热交换器(20)的第一通道(25)的出口(25b)以压缩在热交换器(20)中加热的可燃气体流，并且其下游连接到三通连接器(29)，该三通连接器(29)能够将第一部分可燃气体流输送到气体消耗构件(5)并将第二部分可燃气体流输送到热交换器(20)的第二通道的入口(26a)以冷却第二部分可燃气体流；和
-膨胀装置(33，36)，其上游连接到热交换器(20)的第二通道(26)的出口(26b)并且下游连接到通向罐(2)的返回回路(34)；膨胀装置(33)设置成对来自热交换器(20)的第二通道(26)的第二部分可燃气体流进行减压。
[条款2]根据条款1所述的设备(1)，其中，汽化室(13，14)位于罐(2)的内部空间(7)中，并且热交换壁因此允许所述汽化室(13，14)的内部空间(15)与存储在所述罐(2)中的可燃气体之间进行热交换。
[条款3]根据条款2所述的设备(1)，包括泵(17)，其设置成产生可燃气体流并且在汽化室(13，14)的内部空间(15)中施加低于所述罐(2)的内部空间(7)中的可燃气体的存储压力的压力。
[条款4]根据条款2或3所述的设备(1)，其中强制汽化装置(10)包括两个汽化室(13，14)，两个汽化室(13)中的一个放置在罐(2)的上部(8)，以便允许所述汽化室(13)的内部空间(15)与储存在罐(2)中的汽相可燃气体之间进行热交换，另一个放置在罐(2)的下部(9)，以便允许所述汽化室(14)的内部空间(15)与储存在罐(2)中的液相可燃气体之间进行热交换。
[条款5]根据条款4所述的设备(1)，其中，每个汽化室(13，14)经由回路部分连接至进气回路(11)的入口(12)并连接到热交换器(20)的第一通道(25)的入口(25a)，该回路部分与将另一汽化室(13，14)连接到进气回路(11)的入口(12)并连接到热交换器(20)的第一通道(25)的入口(25a)的相应回路部分并联设置。
[条款6]根据条款4所述的设备(1)，其中并联布置的两个回路部分中的每一个都配备有流速控制阀(21，22)。
[条款7]根据条款1至6中任一项所述的设备(1)，其中所述压缩机是包括多个压缩级(27a，27b，27c，27d，27e)和多个中间热交换器(28a，28b，28c，28d，28e)的多级压缩机，每个中间热交换器放置在一个压缩级(27a，27b，27c，27d，27e)的出口处。
[条款8]根据条款1至7中任一项所述的设备，其中，膨胀装置(33，36)是膨胀阀或涡轮膨胀机。
[条款9]根据条款1至8中任一项所述的设备，包括相分离器(32)，所述相分离器(32)在上游连接到所述膨胀装置(33)，并且在下游一方面连接到通向所述罐(2)的返回回路(34)，另一方面连接到返回管(35)，返回管(35)连接到热交换器(20)的第一通道(25)的入口(25a)；相分离器(32)设置成将液相可燃气体流输送到返回回路(34)并将汽相可燃气体流输送到返回管(35)。
[条款10]通过根据条款1至9中任一项所述的设备向气体消耗构件供给可燃气体并用于液化所述可燃气体的方法，该方法包括：
-从含有液汽两相平衡态的可燃气体的罐(2)中抽取液化可燃气体流并将其输送到汽化室(13，14)；
-对汽化室(13，14)的内部空间(15)中的液化气体流进行减压；
-汽化室(13，14)中的减压可燃气体流与罐(2)中所含的可燃气体之间通过汽化室(13，14)的壁进行热交换，以便通过从罐(2)中所含的可燃气体吸收热量来汽化所抽取的燃气体流；
-在汽化室(13，14)和热交换器(20)的第一通道(25)的入口(25a)之间输送汽相可燃气体流；
-将热量从热交换器(20)的第二通道(26)传递到第一通道(25)；
-压缩离开热交换器(20)的第一通道(25)的可燃气体流；
-将压缩的可燃气体流的第一部分输送到气体消耗构件(3，4，5)，将压缩的可燃气体流的第二部分输送到热交换器(20)的第二通道(26)的入口(26a)；
-将可燃气体流的第二部分从热交换器的第二通道输送到膨胀装置(33)；和
-将减压的可燃气体流的第二液相部分的至少一部分输送到罐(2)。
[条款11]根据条款10所述的方法，其中，为了使汽化室(13，14)中的液化气体流减压，通过真空泵(17)在罐(2)中产生低于液化可燃气体的存储压力的压力P1。
[条款12]根据条款11所述的方法，其中，压力P1在12与95千帕绝对压力之间。
[条款13]船舶(41)，包括根据条款1至9中任一项所述的设备(1)。
[条款14]用于装载或卸载根据条款13所述的船舶(41)的方法，其中，可燃气体通过低温输送管(42，46)从浮动或陆基存储设备输送到船舶的罐或者从船舶的罐输送到浮动或陆基存储设备。
[条款15]用于输送可燃气体的系统，该系统包括：根据条款13所述的船舶(41)；低温输送管(42，46)，其布置成将安装在船体中的罐连接到浮动或陆基存储设备；以及泵，其用于驱动可燃气体通过低温输送管从浮动或陆基存储设备到容器的罐或者从容器的罐到浮动或陆基存储设备。

Claims (15)

1.用于向气体消耗构件供给可燃气体并用于液化所述可燃气体的设备；该设备包括：
-密封且隔热的罐，其包括用于填充液汽两相平衡态的可燃气体的内部空间；
-强制汽化装置，其包括汽化室和进气回路，其中，所述汽化室用于与可燃气体接触并包括在汽化室的内部空间与所述可燃气体进行热交换的热交换壁，并且所述进气回路包括入口和泄压构件，其中，所述入口伸入罐的内部空间，设置成从罐的内部空间抽取液相可燃气体流，并且所述泄压构件伸入汽化室的内部空间，使得所抽取的可燃气体流在汽化室的内部空间中汽化；
-热交换器，包括第一通道、第二通道和用于从第二通道向第一通道传递热量的热交换壁，第一通道和第二通道各自包括入口和出口；第一通道的入口连接到汽化室以在热交换器中加热已在汽化室中汽化的可燃气体流；
-压缩机，其上游连接到热交换器的第一通道的出口以压缩在热交换器中加热的可燃气体流，并且其下游联接到三通连接器，该三通连接器能够将第一部分可燃气体流输送到气体消耗构件并将第二部分可燃气体流输送到热交换器的第二通道的入口以冷却第二部分可燃气体流；和
-膨胀装置，其上游连接到热交换器的第二通道的出口并且下游连接到通向罐的返回回路；膨胀装置设置成对来自热交换器的第二通道的第二部分可燃气体流进行减压。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述汽化室位于所述罐的内部空间中，并且所述汽化室的热交换壁因此允许所述汽化室的内部空间与存储在所述罐中的可燃气体之间进行热交换。
3.根据权利要求2所述的设备，包括泵，所述泵设置成产生可燃气体流并且在所述汽化室的内部空间中施加低于所述罐的内部空间中的可燃气体的存储压力的压力。
4.根据权利要求2或3所述的设备，其中，所述强制汽化装置包括两个汽化室，所述两个汽化室中的一个放置在所述罐的上部，以便允许所述汽化室的内部空间与储存在罐中的汽相可燃气体之间进行热交换，另一个放置在罐的下部，以便允许所述汽化室的内部空间与储存在所述罐中的液相可燃气体之间进行热交换。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，每个汽化室经由回路部分连接至进气回路的入口并连接到热交换器的第一通道的入口，该回路部分与将其他汽化室连接到进气回路的入口并连接到热交换器的第一通道的入口的相应回路部分并联设置。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，将所述两个汽化室中的一个连接到所述进气回路的入口并且连接到所述热交换器的第一通道的入口的回路部分和将所述两个汽化室 中的另一个连接到所述进气回路的入口并且连接到所述热交换器的第一通道的入口的回路部分都配备有流速控制阀。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述压缩机是多级压缩机，其包括多个压缩级和多个中间热交换器，每个中间热交换器位于一个压缩级的出口处。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述膨胀装置是膨胀阀或涡轮膨胀机。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，包括相分离器，所述相分离器在上游连接到所述膨胀装置，并且在下游一方面连接到通向所述罐的返回回路，另一方面连接到返回管，该返回管连接到热交换器的第一通道的入口；相分离器设置成将液相可燃气体流输送到返回回路并将汽相可燃气体流输送到返回管。
10.一种方法，所述方法通过根据权利要求1至3中任一项所述的设备向气体消耗构件供给可燃气体并液化所述可燃气体，该方法包括：
-从含有液汽两相平衡态的可燃气体的罐中抽取液化可燃气体流并将其输送到汽化室；
-对汽化室内部空间中的液化气体流进行减压；
-通过汽化室的壁执行汽化室中的减压可燃气体流与罐中所含的可燃气体之间的热交换，以便通过从罐中所含的可燃气体吸收热量来汽化所抽取的气体流；
-在汽化室和热交换器的第一通道的入口之间输送汽相可燃气体流；
-将热量从热交换器的第二通道传递到第一通道；
-压缩离开热交换器的第一通道的可燃气体流；
-将压缩的可燃气体流的第一部分输送到气体消耗构件，将压缩气体流的第二部分输送到热交换器的第二通道的入口；
-将可燃气体流的第二部分从热交换器的第二通道输送到膨胀装置；以及
-将减压的可燃气体流的第二液相部分的至少一部分输送到罐。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，为了使汽化室中的液化气体流减压，通过真空泵在罐中产生低于液化可燃气体的存储压力的压力P1。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，压力P1在12与95千帕绝对压力之间。
13.一种船舶，其包括根据权利要求1至3中任一项所述的设备。
14.用于装载或卸载根据权利要求13所述的船舶的方法，其中，可燃气体通过低温输送管从浮动或陆基存储设备输送到所述船舶的罐或者从所述船舶的罐输送到浮动或陆基存储设备。
15.一种用于输送可燃气体的系统，该系统包括：根据权利要求13所述的船舶；低温输送管，其布置成将安装在船体中的罐连接到浮动或陆基存储设备；以及泵，其用于驱动可燃气体通过低温输送管从浮动或陆基存储设备到船舶的罐或者从船舶的罐到浮动或陆基存储设备。
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