CN109916135B - 一种用于小型气体液化装置的无泵循环方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于小型气体液化装置的无泵循环方法，包括进气系统、出液管路、回气系统、释压系统、低温冷源系统、控制系统和储液系统等。低温冷源系统是指能够为气体液化提供冷量的设备或者设施。气体在气源和储液罐压差作用下流入进气管路，经冷源换热器冷却、液化后，在自身流动惯性和重力的作用下由出液管路进入储液罐，未被液化部分气体在流出出液管路后分散进入储液罐中的过冷液体内，在上浮过程中与过冷液体进行换热被二次液化。本发明无需采用循环设备，依靠自身压差实现气体流动，具有冷量损失小、液化效率高、简单可靠、成本低、结构紧凑及运营经济性好等优点，特别适合于小型撬装式BOG再液化回收系统。

Description

一种用于小型气体液化装置的无泵循环方法

技术领域

本发明涉及气体液化技术领域，具体涉及一种用于小型气体液化装置的无泵循环方法。

背景技术

煤炭的大量燃烧是我国北方城市雾霾频发的主要元凶，积极推进清洁能源的使用，加快改变当前能源消费结构是解决环境污染的必行之路。天然气作为一种清洁能源，其凭借热值高、价格低廉、燃烧后污染小和环境友好性等优点得到迅速发展。近几年，天然气在我国一次能源消费结构中占比不断提高，国家提出逐步将其培养成为我国现代清洁能源体系的主体能源之一。2016年天然气在一次能源消费结构中占比6.4％，预计2020年天然气在一次能源消费结构中占比达到10％，2030年天然气在一次能源消费中占比将提高到15％。

由于天然气的密度小，贮存或运输时占用空间较大，近年来，液化天然气(LNG)作为天然气的一种重要储运和贸易形式受到广泛关注。相比于气态天然气，LNG具有体积小、便于运输和储存效率高等优点，但是在LNG储存、运输、卸载或者加注过程中，其都会不可避免地从外界吸收热量产生蒸发气体(BOG：Boiling ofGas)。特别是在储存过程中，BOG的产生导致LNG储罐内的压力快速升高，当压力超过许用工作压力时，LNG储罐安全保护装置开启，对BOG进行排放、减压，不仅造成大量的能源浪费，还造成严重的环境污染和安全隐患等问题。

中国发明专利CN103759498A公开了一种气体液化无泵循环方法，具有工艺流程简单、结构紧凑、适合撬装化使用等优点，但系统内液体流动仅依靠自身的重力和负压压差实现，致使气体液化过程换热效率低；为实现制冷机输出冷量与系统热负荷匹配，使用加热装置进行加热，造成大量冷量的浪费。

中国发明专利CN107449220A公开了一种气体再液化回收方法，其采用了低温风机对低温气体进行增压或将低温气体复温至常温后再使用常温压缩机进行增压的方式为整个气体液化过程提供动力，结构简单、易行，但其使用的增压设备或成本高，又或气体温升过高，致使系统液化效率较低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于小型气体液化装置的无泵循环方法，该气体液化方法具有液化效率高、系统能耗低、工艺流程简单、结构紧凑、易于实现撬装化及运营经济性好等特点，并可较好地使用在液化天然气BOG再液化回收领域，具有较高的社会经济价值。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种用于小型气体液化装置的无泵循环方法，包括进气系统、出液管路、回气系统、释压系统、低温冷源系统、控制系统、储液系统。本发明所述的出液系统采用液体内部出液方式，提高了液化效率；所述的回气管路回收储罐内的低温气体，避免大量的冷量浪费，提高了液化产量。

具体地说：

气体在气源和储液罐两者压差的作用下进入进气管路，经冷源换热器冷却、液化后，在自身流动惯性和重力的作用下由出液管路进入储液罐。流过冷源换热器吸收冷量而又未被液化的气体，其流出出液管路后分散进入储液罐内过冷液体中，在上浮过程中与过冷液体进行换热，吸收冷量后被二次液化。

进一步的，与储液罐内过冷液体换热后仍未被二次液化的部分气体以及被液化气体流动和储存过程中因从外界环境吸热而产生的低温蒸发气体，通过所述的回气系统进入冷源换热器再次液化，最终经回液管路流入储液罐内，降低释压系统排气所造成的冷量浪费。

进一步的，所述的释压系统，在液化初始阶段，因储液罐内液位较低，进气系统、低温冷源系统、出液管路和回气系统相互连通，回气系统无法正常工作，此时控制系统调节进气系统的气动调节阀和释压系统的第二气动截止阀，实现储液罐和进气系统气动调节阀后气体压差，均匀低温换热器的进气；当储液罐和进气系统气动调节阀后气体压差不足以维持正常气体液化所需的压差时，释压系统第二气动截止阀打开放气，如此循环，直至储液罐内液位高度大于H，释压系统停止工作。

进一步的，所述的回气系统，在正常液化阶段，释压系统第二气动截止阀和回气系统第一气动截止阀关闭，随着低温气体在储液罐内聚集，储液罐内压力逐渐升高，当储液罐和进气系统气动调节阀后气体压差不足以维持正常气体液化所需压差时，控制系统关闭进气系统的气动调节阀，而后打开回气系统的第一气动截止阀，低温气体在冷源换热器产生的负压作用下经回气管路进入冷源换热器内再次液化，开始回气液化过程，储罐内压力逐渐降低，当储液罐和进气系统气动调节阀后气体压差达到正常气体液化所需压差设定值后，控制系统关闭回气系统的第一气动截止阀，而后打开进气系统的气动调节阀，回气液化过程结束，开始正常气体液化过程。

进一步的，所述的控制系统，通过处理压力、压差和液位信号，协调控制进气系统气动调节阀和回气系统第一气动截止阀的启闭，实现液化系统的高效运行。特别是，在正常液化过程中，控制系统控制进气系统气动调节阀直至完全打开，实现较高液化压力下较大的液化产量。

进一步的，所述的压差变送器旨在保证液化系统具有气体液化流动所需压差，提高气体在冷源换热器内的液化效率，避免气体流速过小或过大所造成的换热恶化，降低系统的液化效率。

本发明的优点：

(1)本发明无需要引入其他动力设备，通过系统自身压差实现气体液化流动，液化后气体通过自身流动惯性和重力流入储液罐内，有效地避免了仅依靠自身重力流动时在冷源换热器表面冻结现象的发生；消除了采用低温风扇等增压驱动气体循环液化时造成的设备成本增加和气体温升所造成的液化率下降。因此，具有液化效率高、设备成本低、简单可靠等优点。

(2)本发明通过将出液管路的出口置于过冷液体液面以下的方法，实现了从冷源换热器吸收冷量而未被液化部分气体在液体内的流动换热，吸收过冷液体的多余冷量，达到二次液化的目的，进一步提升了液化系统的液化效率。

(3)本发明通过设置回气系统，实现了未被二次液化的部分气体及被液化气体流动和储存过程中因从外界环境吸热而产生的低温蒸发气体的再次回收、液化，达到循环液化之目的，将系统冷量损失降到最低。

附图说明

图1是本发明公开的流程示意图；

图2是本发明公开的液化初始阶段过程示意图；

图3是本发明公开的正常液化过程示意图；

图4是本发明公开的回气液化过程示意图；

其中，1为进气系统、101为气动调节阀、102为进气管路、103为压力传感器，2为出液管路，3为回气系统、301为第一气动截止阀、302回气管路，4为释压系统、401为第二气动截止阀、402为放气管路，5为低温冷源系统、501为冷源换热器，6为控制系统、601为压差变送器、602为压力传感器、603为液位计，7为储液系统、701为储液罐、702为低温气体、703为放液管路、704和705为手动截止阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1-4所示的一种用于小型气体液化装置的无泵循环方法，包括进气系统(1)、出液管路(2)、回气系统(3)、释压系统(4)、低温冷源系统(5)、控制系统(6)、储液系统(7)。

具体地说，如图1、图3所示，在正常液化过程中，第一气动截止阀(301)和第二气动截止阀(401)关闭，气动调节阀(101)打开，气体在储液罐(701)和气动调节阀(101)后气体压差的作用下进入进气管路(102)，并从冷源换热器(501)吸收冷量，气体温度降低，直至液化。液化气体在自身流动惯性和重力的作用下沿出液管路(2)进入储液罐(701)。流过冷源换热器(501)吸收冷量而又未被液化的气体，其流出出液管路(2)后分散进入储液罐(701)内过冷液体中，在上浮过程中与过冷液体进行换热，吸收冷量后被二次液化。

由于未被二次液化的部分气体及被液化气体流动和储存过程中因从外界环境吸热而产生的低温蒸发气体在低温储罐内(701)顶部聚集，致使低温气体(702)的压力逐渐升高，当压差变送器(601)感知储液罐(701)和气动调节阀(101)后气体压差小于维持正常气体液化所需的压差时，控制系统(6)控制关闭进气系统(1)的气动调节阀(101)，而后打开回气系统(3)的第一气动截止阀(301)，低温气体(702)在冷源换热器(501)产生的负压作用下经回气管路(302)进入冷源换热器(501)内再次液化，开始回气液化过程，如图4所示。随着低温气体(702)不断地被液化，储罐内(701)内压力逐渐降低，当储液罐(701)和进气系统(1)气动调节阀(101)后气体压差达到正常气体液化所需压差设定值后，控制系统(6)关闭回气系统(3)的第一气动截止阀(301)，而后打开进气系统(1)的气动调节阀(101)，回气液化过程结束，开始正常气体液化过程，如图3所示。

进一步的，如图2所示，在液化初始阶段，由于储液罐(701)内过冷液体的液位低于出液管路(2)出口，进气系统(1)、低温冷源系统(5)、出液管路(2)和回气系统(3)相互连通，回气系统(3)无法正常工作，此时回气系统(3)第一气动截止阀(301)处于关闭状态，控制系统(6)控制调节气动调节阀(101)和第二气动截止阀(401)，建立储液罐(701)和气动调节阀后(101)气体压差，由于进入冷源换热器(501)的气体不能全部液化，造成低温气体(702)的压力逐渐升高，当压差变送器(601)感知调节气动调节阀(101)无法实现进气压差时，控制系统(6)控制打开释压系统(4)的第二气动截止阀(401)进行放气。当气体压差达到正常气体液化所需压差设定值后，控制系统(6)控制关闭第二气动截止阀(401)，如此往复循环。

进一步的，随着气体不断地被液化，当液位计(603)感知储液罐(701)内液位高度大于H时，控制系统(6)控制关闭第二气动截止阀(401)，释压系统(4)停止工作，气体由气源依次通过进气管路(102)、冷源换热器(501)与出液管路(2)进入储液罐(701)，进行正常气体液化流程，如图3所示。

进一步的，当液位计(603)感知储液罐(701)内液位高度达到设定值时，系统停止运行，系统内所有阀门关闭，控制系统(6)控制打开气动截止阀(704)，液化气体通过放液管路(703)输送到用户。当需要增压放液时，控制系统(6)控制打开气动截止阀(705)，液化气体进入自增压器换热盘管(706)吸热蒸发，储液罐(701)内压力增大，进而将储液罐内(701)液体压出，当压力传感器(602)感知储液罐(701)内压力达到排液所需的压力时，控制系统(6)控制关闭气动截止阀(705)，储液罐(701)停止增压。为避免每次开机液化过程中都要经历液化初始阶段释压系统放气过程，要求液体放液后储液罐(701)内液位最低值务必大于高度值H，从而有效地减少释压系统(4)的工作频率，提高系统液化效率，降低运行成本。

进一步的，可以通过进气管路(102)上压力传感器(103)感知气源压力，由控制系统(6)自动控制液化系统的启闭，实现无人值守，达到控制系统(6)设置的上限压力后，系统自动开启；达到控制系统(6)设置的下限压力，系统自动停机。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于小型气体液化装置的无泵循环方法，其特征在于：包括进气系统(1)、出液管路(2)、回气系统(3)、释压系统(4)、低温冷源系统(5)、控制系统(6)、储液系统(7),所述的进气系统(1)在进气液化时气动调节阀(101)打开，并通过阀门开度调节实现气体流量的控制，气体在气源与储液罐(701)压差的作用下由进气管路(102)进入冷源换热器(501)内吸收冷量被液化，并经过位于储液罐(701)底部的出液管路(2)出口进入储液罐(701),流过冷源换热器(501)吸收冷量而又未被液化部分气体，其流出出液管路(2)后分散进入储液罐(701)内过冷液体中，在上浮过程中与过冷液体进行换热，吸收冷量后被二次液化,所述的低温冷源系统(5)是指能够为气体液化提供冷量的设备或设施，可以是回热式低温制冷机或液氮供冷、复叠制冷或混合制冷系统；

所述的回气系统(3)包括第一气动截止阀(301)和回气管路(302)，在正常液化过程中，当压差变送器(601)感知储液罐(701)和气动调节阀(101)后气体压差不足以维持气体液化所需压差时，控制系统(6)控制关闭气动调节阀(101)，而后打开第一气动截止阀(301)，低温气体(702)在冷源换热器(501)产生的负压作用下经回气管路(302)进入冷源换热器(501)内被再次液化，储液罐(701)内的压力降低，重新建立压差。

2.根据权利要求1所述的一种用于小型气体液化装置的无泵循环方法，其特征在于：所述的气动调节阀(101)和第一气动截止阀(301)为常闭型,回气系统(3)开始工作时，所述的气动调节阀(101)关闭后，第一气动截止阀(301)方可打开；回气系统(3)停止工作时，须先关闭第一气动截止阀(301)，然后再打开气动调节阀(101)。

3.根据权利要求2所述的一种用于小型气体液化装置的无泵循环方法，其特征在于：所述的出液管路(2)的出口须高于储液罐(701)的内壁底面，距离H为3～5mm，在液化初始阶段，所述的第一气动截止阀(301)始终保持关闭，控制系统(6)调节气动调节阀(101)和设有的第二气动截止阀(401)实现储液罐(701)和气动调节阀(101)后气体压差；当气体压差不足以维持正常气体液化所需的压差时，释压系统(4)的第二气动截止阀(401)打开放气，如此循环，直至储液罐(701)内液位高度大于H，所述的释压系统(4)停止工作，开始正常液化过程中。

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