CN109973816A - 一种大型lng与空气间接换热气化系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大型LNG与空气间接换热气化系统和方法，系统主要包括LNG存储装置、增压泵、空气热交换器、集气装置、空气输送装置、天然气管道、LNG气化换热单元和中间介质气液循环换热单元。本发明利用空气热交换器来间接加热LNG，并提升天然气温度，降低了换热器制造成本，减少了对环境的影响，避免原来海水换热器要求钛金属管材的高成本、避免了利用海水加热造成的海水温度变化、高性价比地完成LNG气化和天然气升温加热、避免了原来燃气加热器的高燃料成本和运行维护费用。

Description

一种大型LNG与空气间接换热气化系统和方法
技术领域
本发明涉及LNG气化加热技术领域，具体涉及一种利用大型空气加热塔来加热LNG实现气化的系统及方法。
背景技术
根据我国能源中长期发展规划，天然气将成为我国能源发展战略的一个亮点和绿色能源支柱之一。在未来的时间内，我国将会大量进口天然气，其中大部分天然气将以液化天然气(LNG)的方式输送到中国。大量进口的LNG，同时携带着大量的冷能，目前LNG的气化主要依靠海水换热加热气化。
而海水换热器及海水管道最大的问题是需要特殊金属材料，管材和换热器板材的制造成本高昂，一般采用含钛管材或板材，以避免海水中氯离子对金属的腐蚀。如果能够找到一种不用海水就能够实现LNG加热气化的换热系统，将极大降低LNG海水换热系统的整体设备造价。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种大型LNG与空气间接换热气化系统和方法，可以有效降低LNG气化的成本。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种大型LNG与空气间接换热气化系统，包括LNG存储装置、增压泵、空气输送装置、LNG气化换热单元和中间介质气液循环换热单元；
所述LNG气化换热单元包括气液存储联箱、LNG气化换热管和天然气管道，所述LNG气化换热管的进口和出口分别与所述气液存储联箱的液体出口和气体进口连通；所述天然气管道的进口与所述气液存储联箱的气体出口连通；气液存储联箱的液体进口通过增压泵与LNG存储装置相连通；
所述中间介质气液循环换热单元包括空气热交换器、集气装置、集液管和中间介质循环泵，所述集液管的进口连通于所述集气装置的出口，集液管的出口则通过中间介质循环泵连通于所述空气热交换器的进口，所述空气热交换器的出口连通于所述集气装置的进口；所述LNG气化换热管设于所述集气装置内；
所述空气输送装置用于将空气输送至空气热交换器的表面。
进一步地，所述天然气管道上设有空气除湿单元，所述空气除湿单元的进口和出口分别与天然气管道相连通，用于对空气进行预冷除湿，所述空气输送装置将经过空气除湿单元预冷除湿的空气输送至空气交换器的表面。
进一步地，所述系统设置多个空气热交换器，每个空气热交换器的进口分别连通有液相分配管，各个液相分配管分别连通有中间介质循环泵，所有中间介质循环泵均连通于所述集液管的出口。
进一步地，所述空气输送装置包括风机。
进一步地，所述空气热交换器、LNG气化换热管和空气除湿单元均采用光管式换热管束或翅片管式换热管束。
本发明还提供一种利用上述大型LNG与空气间接换热气化系统的方法，具体为：
液态天然气LNG从LNG存储装置中被增压泵抽出增压，然后送入气液存储联箱中，气液存储联箱中的LNG液相进入LNG气化换热管内，在集气装置中通过LNG气化换热管与集气装置中的气体状态的中间介质进行热交换，被中间介质加热气化形成低温天然气重新回到气液存储联箱中的气侧，气侧的低温天然气进入天然气管道对外输出；
与LNG换热后的中间介质冷凝为液态，进入集气装置底部的集液管中，中间介质循环泵将液态中间介质打入空气热交换器中内，与空气热交换器外的空气进行热交换，被加热沸腾到完全气化，甚至进入过热状态后变为气体状态的中间介质进入集气装置中，继续与LNG气化换热管内的LNG进行热交换，在LNG气化换热管外冷凝为液体进入集气装置底部的集液管中；上述过程循环进行。
进一步地，天然气管道中设置有空气除湿单元，低温天然气会流经空气除湿单元；外界的空气首先经过空气除湿单元，空气和空气除湿单元中的低温天然气进行热交换，低温天然气吸收空气中的热量后升温继续通过天然气管道输送并对外供给，空气中的水蒸气冷却凝结在空气除湿单元的表面并排出，预冷后的空气经过空气输送装置送至空气热交换装置的外表面，在空气热交换装置外表面和空气热交换装置内的液态中间介质进行热交换，空气热交换装置内的液态中间介质吸收空气的热量气化为气体状态的中间介质，而冷却后的空气排入大气。
进一步地，当系统设有多个空气热交换器中时，中间介质循环泵先将液态中间介质分别打入各个液相分配管中，液相分配管将液态中间介质分配至各个空气热交换器中内，与空气热交换器外的空气进行热交换。
本发明还提供一种上述系统的设计方法，包括如下步骤：
S1、根据LNG存储装置的容量、LNG增压泵的流量，以及最终天然气的所需供气温度，按照如下公式核算气化设定流量的LNG所需要的换热量，包括LNG气化换热量：
Q总＝Q气化+Q升温＝FLNG*qLNG潜热+FLNG*(T供-T1)*Cp气 (1)；
Q总为LNG气化并达到供气温度需要的总能量，kJ/h；Q气化为LNG气化所需能量，kJ/h；Q升温为气态天然气升温至供气温度所需能量，kJ/h；FLNG为LNG流量，kg/h；qLNG潜热为LNG的气化潜热，kJ/kg；Cp气为天然气的比热容，kJ/kg℃；T供为对外供天然气的温度，℃；T1为LNG气化后的温度，℃；
S2根据选用的换热管的类型，查询换热器设计手册得到空气在所选用的光管式换热管或翅片管式换热管的表面的对流换热系数α0；
S4、查询LNG液相到气相气化过程中，在选用的光管式换热管或翅片管式换热管内的升温、气化及过热整个过程的平均换热系数αi；
Q气化＝K0A0△tm＝KfAf△tm (2)
其中1/K0＝1/α0+1/αi；Kf＝BK0；△tm为对数平均温差，由光管式换热管或翅片管式换热管内LNG气化温度和光管式换热管或翅片管式换热管外空气温度决定；K0为光管式换热管的换热系数，Kf为翅片管式换热管的换热系数,B为利用光管式换热管换热系数计算翅片管式换热管换热系数的修正系数，通过翅片管式换热管内外换热系数及管壁的导热系数计算得到；A0为光管式换热管束的总内表面积，Af为翅片管式换热管束的总外表面积；
将公式(2)代入公式(1)就可以得到计算光管式换热管束或翅片管式换热管束的总内表面积及翅片管式换热管束的总外表面积的公式，计算得到光管式换热管束或翅片管式换热管束的总内表面积和翅片管式换热管束的总外表面积后分配到每根翅片换热管就可以完成换热器的设计计算；
S5、按照步骤S4得到的设计计算结果制造光管式换热管束或翅片管式换热管束；
S6、完成大型LNG与空气间接换热气化系统的整体安装、连接及试运行。
本发明的有益效果在于：
1)利用空气热交换器来间接加热LNG，并提升天然气温度，降低了换热器制造成本，减少了对环境的影响。
2)避免原来海水换热器要求钛金属管材的高成本。
3)避免了利用海水加热造成的海水温度变化。
4)高性价比地完成LNG气化和天然气升温加热；
5)避免了原来燃气加热器的高燃料成本和运行维护费用。
附图说明
图1为本发明实施例1的系统结构示意图；
图2为本发明实施例1中的一体式翅片换热管(横翅)示意图；
图3为本发明实施例1中的一体式翅片换热管(纵翅)示意图；
图4为本发明实施例1中的空气除湿单元(矩形翅片)的示意图；
图5为本发明实施例1中的空气除湿单元(圆形翅片)的示意图。
图中LNG存储装置1、增压泵2、空气热交换器3、集气装置4、空气输送装置5、天然气管道6、空气除湿单元7、液相分配管8、气液存储联箱9、LNG气化换热管10、集液管11、中间介质循环泵12。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
实施例1
本实施例提供一种LNG大型空气换热气化系统，如图1所示，包括LNG存储装置1、增压泵2、空气输送装置5、LNG气化换热单元和中间介质气液循环换热单元；
所述LNG气化换热单元包括气液存储联箱9、LNG气化换热管10和天然气管道6，所述LNG气化换热管10的进口和出口分别与所述气液存储联箱9的液体出口和气体进口连通；所述天然气管道6的进口与所述气液存储联箱9的气体出口连通；气液存储联箱9的液体进口通过增压泵2与LNG存储装置1相连通；
所述中间介质气液循环换热单元包括空气热交换器3、集气装置4、集液管11和中间介质循环泵12，所述集液管11的进口连通于所述集气装置4的出口，其出口则通过中间介质循环泵12连通于所述空气热交换器3的进口，所述空气热交换器3的出口连通于所述集气装置4的进口；所述LNG气化换热管10至少部分设于所述集气装置4内；
所述空气输送装置5用于将空气输送至空气热交换器3的表面。
在本实施例中，所述天然气管道6上设有空气除湿单元7，所述空气除湿单元7的进口和出口分别与天然气管道6相连通，用于对空气进行预冷除湿，所述空气输送装置5将经过空气除湿单元7预冷除湿的空气输送至空气交换器3的表面。预先采用空气除湿单元对空气进行除湿可以防止空气中的水份结冰对空气热交换器的影响，而且同时提升了输出天然气的温度，避免了原来燃气加热器的高燃料成本和运行维护费用。
在本实施例中，所述空气输送装置5包括风机。
在本实施例中，所述系统设置多个空气热交换器3，每个空气热交换器3的进口分别连通有液相分配管8，各个液相分配管8分别连通有中间介质循环泵12，所有中间介质循环泵12均连通于所述集液管11的出口。
在本实施例中，所述空气热交换器3、LNG气化换热管10和空气除湿单元7均采用翅片管式换热管束。
具体地，所述空气热交换器3和LNG气化换热管10可采用一体式翅片换热管，其中一体式翅片换热管包括横翅(如图2所示)和纵翅(如图3所示)两种，翅片材料与管材用同一种金属材料一次性机械加工成型，可耐受LNG或低温工质的超低温。
所述空气除湿单元7可采用如图4或图5所示的翅片管式换热管，翅片和光管的材料不同，翅片可成圆形或矩形，适用于低温气态天然气与空气换热的温度相对较高的空气除湿单元。
本实施例系统的工作原理在于：液态天然气LNG从LNG存储装置中被增压泵抽出增压，然后送入气液存储联箱中，气液存储联箱中的LNG进入LNG气化换热管内，在集气装置中通过LNG气化换热管与集气装置中的气体状态的中间介质进行热交换，被中间介质加热气化形成低温天然气重新回到气液存储联箱中，低温天然气进入天然气管道对外输出。
与LNG换热后的中间介质呈液态，通过集气装置进入集液管中，中间介质循环泵将液态中间介质抽入空气热交换器中与空气进行热交换，被加热沸腾到完全汽化，甚至进入过热状态后重新变为气体状态的中间介质进入集气装置中，继续与LNG气化换热管内的LNG进行热交换。上述过程循环进行。
在本实施例中，天然气管道中设置有空气除湿单元，低温天然气会流经空气除湿单元。外界的空气首先经过空气除湿单元，空气和空气除湿单元中的低温天然气进行热交换，低温天然气吸收空气中的热量后继续通过天然气管道输送并对外供给，空气中的水蒸气冷却凝结在空气除湿单元的表面并排出，预冷后的空气经过空气输送装置送至空气热交换装置的外表面，在空气热交换装置外表面和空气热交换装置内的液态中间介质进行热交换，空气热交换装置内的液态中间介质吸收空气的热量气化为气体状态的中间介质，而冷却后的空气排入大气。
预先采用空气除湿单元对空气进行除湿可以防止空气中的水份结冰对空气热交换器的影响，而且同时提升了输出天然气的温度，避免了原来燃气加热器的高燃料成本和运行维护费用。
在本实施例中，系统设有多个空气热交换器中，中间介质循环泵先将液态中间介质分别打入各个液相分配管中，液相分配管将液态中间介质分配至各个空气热交换器中内，与空气热交换器外的空气进行热交换。
实施例2
本实施例提供一种如实施例1所述的系统的设计方法，具体为：
S1、根据LNG存储装置的容量、LNG增压泵的流量，以及最终天然气的所需供气温度，按照如下公式核算气化设定流量的LNG所需要的换热量，包括LNG气化换热量：
Q总＝Q气化+Q升温＝FLNG*qLNG潜热+FLNG*(T供-T1)*Cp气 (1)；
Q总为LNG气化并达到供气温度需要的总能量，kJ/h；Q气化为LNG气化所需能量，kJ/h；Q升温为气态天然气升温至供气温度所需能量，kJ/h；FLNG为LNG流量，kg/h；qLNG潜热为LNG的气化潜热，kJ/kg；Cp气为天然气的比热容，kJ/kg℃；T供为对外供天然气的温度，℃；T1为LNG气化后的温度，℃；
S2根据选用的换热管的类型，查询换热器设计手册得到空气在所选用的光管式换热管或翅片管式换热管的表面的对流换热系数α0；
S4、查询LNG液相到气相气化过程中，在选用的光管式换热管或翅片管式换热管内的升温、气化及过热整个过程的平均换热系数αi；
Q气化＝K0A0△tm＝KfAf△tm (2)
其中1/K0＝1/α0+1/αi；Kf＝BK0；△tm为对数平均温差，由光管式换热管或翅片管式换热管内LNG气化温度和光管式换热管或翅片管式换热管外空气温度决定；K0为光管式换热管的换热系数，Kf为翅片管式换热管的换热系数,B为利用光管式换热管换热系数计算翅片管式换热管换热系数的修正系数，通过翅片管式换热管内外换热系数及管壁的导热系数计算得到；A0为光管式换热管束的总内表面积，Af为翅片管式换热管束的总外表面积；
将公式(2)代入公式(1)就可以得到计算光管式换热管束或翅片管式换热管束的总内表面积及翅片管式换热管束的总外表面积的公式，计算得到光管式换热管束或翅片管式换热管束的总内表面积和翅片管式换热管束的总外表面积后分配到每根翅片换热管就可以完成换热器的设计计算；
S5、按照步骤S4得到的设计计算结果制造光管式换热管束或翅片管式换热管束；
S6、完成大型LNG与空气间接换热气化系统的整体安装、连接及试运行。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大型LNG与空气间接换热气化系统，其特征在于，包括LNG存储装置、增压泵、空气输送装置、LNG气化换热单元和中间介质气液循环换热单元；
所述LNG气化换热单元包括气液存储联箱、LNG气化换热管和天然气管道，所述LNG气化换热管的进口和出口分别与所述气液存储联箱的液体出口和气体进口连通；所述天然气管道的进口与所述气液存储联箱的气体出口连通；气液存储联箱的液体进口通过增压泵与LNG存储装置相连通；
所述中间介质气液循环换热单元包括空气热交换器、集气装置、集液管和中间介质循环泵，所述集液管的进口连通于所述集气装置的出口，集液管的出口则通过中间介质循环泵连通于所述空气热交换器的进口，所述空气热交换器的出口连通于所述集气装置的进口；所述LNG气化换热管设于所述集气装置内；
所述空气输送装置用于将空气输送至空气热交换器的表面。
2.根据权利要求1所述的大型LNG与空气间接换热气化系统，其特征在于，所述天然气管道上设有空气除湿单元，所述空气除湿单元的进口和出口分别与天然气管道相连通，用于对空气进行预冷除湿，所述空气输送装置将经过空气除湿单元预冷除湿的空气输送至空气交换器的表面。
3.根据权利要求1所述的大型LNG与空气间接换热气化系统，其特征在于，设置多个空气热交换器，每个空气热交换器的进口分别连通有液相分配管，各个液相分配管分别连通有中间介质循环泵，所有中间介质循环泵均连通于所述集液管的出口。
4.根据权利要求1所述的大型LNG与空气间接换热气化系统，其特征在于，所述空气输送装置包括风机。
5.根据权利要求1所述的大型LNG与空气间接换热气化系统，其特征在于，所述空气热交换器、LNG气化换热管和空气除湿单元均采用光管式换热管束或翅片管式换热管束。
6.一种利用权利要求1-5任一所述的大型LNG与空气间接换热气化系统的方法，其特征在于，具体为：
液态天然气LNG从LNG存储装置中被增压泵抽出增压，然后送入气液存储联箱中，气液存储联箱中的LNG液相进入LNG气化换热管内，在集气装置中通过LNG气化换热管与集气装置中的气体状态的中间介质进行热交换，被中间介质加热气化形成低温天然气重新回到气液存储联箱中的气侧，气侧的低温天然气进入天然气管道对外输出；
与LNG换热后的中间介质冷凝为液态，进入集气装置底部的集液管中，中间介质循环泵将液态中间介质打入空气热交换器中内，与空气热交换器外的空气进行热交换，被加热沸腾到完全气化，甚至进入过热状态后变为气体状态的中间介质进入集气装置中，继续与LNG气化换热管内的LNG进行热交换，在LNG气化换热管外冷凝为液体进入集气装置底部的集液管中；上述过程循环进行。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，天然气管道中设置有空气除湿单元，低温天然气会流经空气除湿单元；外界的空气首先经过空气除湿单元，空气和空气除湿单元中的低温天然气进行热交换，低温天然气吸收空气中的热量后升温继续通过天然气管道输送并对外供给，空气中的水蒸气冷却凝结在空气除湿单元的表面并排出，预冷后的空气经过空气输送装置送至空气热交换装置的外表面，在空气热交换装置外表面和空气热交换装置内的液态中间介质进行热交换，空气热交换装置内的液态中间介质吸收空气的热量气化为气体状态的中间介质，而冷却后的空气排入大气。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当系统设有多个空气热交换器中时，中间介质循环泵先将液态中间介质分别打入各个液相分配管中，液相分配管将液态中间介质分配至各个空气热交换器中内，与空气热交换器外的空气进行热交换。
9.一种权利要求1-5任一所述的大型LNG与空气间接换热气化系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据LNG存储装置的容量、LNG增压泵的流量，以及最终天然气的所需供气温度，按照如下公式核算气化设定流量的LNG所需要的换热量，包括LNG气化换热量：
Q总＝Q气化+Q升温＝FLNG*qLNG潜热+FLNG*(T供-T1)*Cp气 (1)；
Q总为LNG气化并达到供气温度需要的总能量，kJ/h；Q气化为LNG气化所需能量，kJ/h；Q升温为气态天然气升温至供气温度所需能量，kJ/h；FLNG为LNG流量，kg/h；qLNG潜热为LNG的气化潜热，kJ/kg；Cp气为天然气的比热容，kJ/kg℃；T供为对外供天然气的温度，℃；T1为LNG气化后的温度，℃；
S2根据选用的换热管的类型，查询换热器设计手册得到空气在所选用的光管式换热管或翅片管式换热管的表面的对流换热系数α0；
S4、查询LNG液相到气相气化过程中，在选用的光管式换热管或翅片管式换热管内的升温、气化及过热整个过程的平均换热系数αi；
Q气化＝K0A0△tm＝KfAf△tm (2)
其中1/K0＝1/α0+1/αi；Kf＝BK0；△tm为对数平均温差，由光管式换热管或翅片管式换热管内LNG气化温度和光管式换热管或翅片管式换热管外空气温度决定；K0为光管式换热管的换热系数，Kf为翅片管式换热管的换热系数,B为利用光管式换热管换热系数计算翅片管式换热管换热系数的修正系数，通过翅片管式换热管内外换热系数及管壁的导热系数计算得到；A0为光管式换热管束的总内表面积，Af为翅片管式换热管束的总外表面积；
将公式(2)代入公式(1)就可以得到计算光管式换热管束或翅片管式换热管束的总内表面积及翅片管式换热管束的总外表面积的公式，计算得到光管式换热管束或翅片管式换热管束的总内表面积和翅片管式换热管束的总外表面积后分配到每根翅片换热管就可以完成换热器的设计计算；
S5、按照步骤S4得到的设计计算结果制造光管式换热管束或翅片管式换热管束；
S6、完成大型LNG与空气间接换热气化系统的整体安装、连接及试运行。
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