CN110573815B - 布置在水域表面的天然气液化设备以及相关的冷却方法 - Google Patents

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Abstract

设备(10)包括：至少一个空冷热交换器(22)，空冷热交换器(22)包括能够容纳待冷却流(24)的管束和能够使空气流穿过管束流通的风扇；喷水组件(26)。脱盐组件(20)包括用于在水域(12)中采集盐水的盐水采集器(100)，脱盐组件(20)在下游连接至喷水组件(26)。所述喷水组件(26)包括通到所述管束中的至少一个喷嘴，所述喷嘴朝向所述管束的管以喷射来自脱盐组件(20)的液态软化水来与管束的管接触。

Description

布置在水域表面的天然气液化设备以及相关的冷却方法
技术领域
本发明涉及一种布置在水域表面的天然气液化设备，包括：
-至少一个空冷热交换器，空冷热交换器包括能够容纳待冷却流的管束和能够使空气流穿过管束流通的风扇。
-喷水组件。
这种设备特别地旨在液化由位于水域下方或陆地上的油气藏产生且被输送直至该设备的天然气。
有利地，该设备是漂浮在水域上的设备，例如载有天然气液化单元的平台或驳船，其使用术语“浮式液化天然气”或“FLNG”装置来表示。
这种设备特别地旨在产生天然气，液化所产生的天然气，然后将液化天然气存储和/或转移到甲烷运输船或其他运输驳船上。这简化了向使用地点的气体输送，同时减小了运输量。此外，将设备布置在海上降低了这种设备布置在居住区中的相关风险，并减小了对环境的影响。
为了成本效益高地实施天然气液化方法，液化单元将大量的热量排放到周围的环境中，实际上排放到空气或水中。
背景技术
自20世纪60年代以来，已在陆地上建造了许多天然气液化单元。陆地上使用的冷却技术移用在海上时不能完全令人满意。
浮式天然气液化设备的优势在于，从本质上讲，其具有大量的低温冷却水源。因此，已知直接或通过淡水循环方式使从水域中取来的水循环以冷却液化单元的设施。这需要在设备上安装庞大笨重的冷却水回路和从海中大量取水的采集器。
为了克服这些问题，可以使用空冷交换器。这种交换器不需要将水引入设备中。然而，非常麻烦的是要提供足够的交换表面。
由于相对于陆地上的类似液化单元而言，浮式设备上可用的空间较小，因此交换器上通过水循环进行冷却的网络或空气冷却器不能完全令人满意。因此，为在浮式设备上容纳所有设施，设备的液化能力却受到限制。此外，由设备产生的大量热水必须排放到水域内，这会造成环境影响。
已知通过水蒸发进行冷却是有效且结构紧凑的。在陆地上，在冷却塔上提供一个蓄储槽并部分蒸发含盐和其他干渣的水成本效益高。
为了减小体积尺寸，WO2015/140044描述了一种浮式液化天然气生产设备，其设有空气式热交换器，所有这些空气式热交换器均由布置在船体上的中央进气管供给。这确保了给每个热交换器供应的空气是新鲜空气，而不是已经在热交换器中流通过的空气。
在特定实施例中，水滴在供气管的入口喷出以冷却和润湿进入的空气。水滴在管中蒸发，供给热交换器的空气流中没有液滴。
因此，这种设备提高了冷却能力，但是仍然非常笨重庞大，这影响了液化天然气的生产能力。
发明内容
本发明的一目的在于进一步增强浮式液化天然气设备的生产能力，同时限制设备的体积尺寸。
为此，本发明涉及一种前述类型的设备，其特征在于：
-脱盐组件，脱盐组件包括用于在水域中采集盐水的盐水采集器，脱盐组件在下游连接至喷水组件，
所述喷水组件包括通到所述管束中的至少一个喷嘴，所述喷嘴朝向所述管束的管以喷射来自脱盐组件的液态软化水来与管束的管接触。
根据特定的实施例，根据本发明的设备包括单独或根据任何技术上可能的组合考虑的以下一个或多个特征：
-所述管束具有多层级管，所述喷水组件包括通到第一层级管的管对面的至少一个第一喷嘴和通到第二层级管的管对面的至少一个第二喷嘴；
-空冷热交换器包括限定用于气流流通的内管的外壳，管束容纳于所述内管中，至少一个喷嘴通到由所述外壳限定的内管中；
-风扇能够使空气从下向上、从上向下或横向穿过管束流通；
-喷水组件包括控制单元，用于控制由所述喷嘴喷射的水的流量，控制单元能够调节水的流量，以防止来自喷水组件的液态软化水流到管束的下游；
-所述空冷热交换器布置在冷却循环环路中，所述冷却循环环路包括通过管束流通的冷却剂、在管束的上游能够压缩冷却剂的压缩机、在管束的下游布置的冷却剂膨胀构件、和主热交换器，主热交换器能够使冷却剂与待冷却的工艺流体处于热交换关系；
-冷却循环环路包括在空冷热交换器和冷却剂膨胀构件之间插入的中间热交换器，所述中间热交换器由能够与来自盐水采集器的盐水流形成热交换关系的冷却剂、由来自盐水采集器的盐水流和/或由来自盐水泵的未通过盐水采集器的盐水流进行供给；
-天然气液化设备包括至少一个燃气轮机、和连接到脱盐组件的至少一个副喷水组件，副喷水组件包括用于喷射来自脱盐组件的液态软化水到燃气轮机中的至少一个软化水副喷嘴；
-天然气液化设备包括船体和位于船体上方的至少一个甲板，空冷热交换器位于甲板上，脱盐组件布置在船体中；
-脱盐组件包括纯水生产系统，纯水生产系统例如通过反渗透、过滤系统和/或精加工装置来生产纯水。
本发明还涉及一种用于冷却流的冷却方法，包括以下步骤：
-使待冷却流在如上所定义的设备的空冷热交换器的管束中流通；
-向喷水组件供应在脱盐组件中产生的软化水；
-通过通到管束的管对面的至少一个喷嘴喷射软化水，喷嘴朝向管束的管，以便喷射来自脱盐组件的液态软化水来与管束的管接触，
-完全蒸发喷射的软化水。
根据特定的实施例，根据本发明的方法包括单独或根据任何技术上可能的组合考虑的以下一个或多个特征：
-管束具有至少一第一层级管和至少一第二层级管，所述冷却方法包括通过通到第一层级管的至少一个第一喷嘴并同时通过通到第二层级管的至少一个第二喷嘴喷射来自脱盐组件的软化水。
-冷却方法包括控制通过所述喷嘴喷射的水的流量，以防止来自喷水组件的液态软化水流到管束下游；
-冷却方法包括通过盐水采集器泵送盐水，将盐水输送到脱盐组件中，利用脱盐组件产生软化水，以便供应喷水组件。
附图说明
通过阅读参考附图进行并仅作为示例给出的下面的描述，将更好地理解本发明，附图中：
-图1是根据本发明的第一浮式天然气液化设备的示意图；
-图2是图1设备的空冷热交换器的细节的示意图；以及
-图3至图6是类似于图1的视图，示出了根据本发明的设备变型。
具体实施方式
在下文中，术语“上游”和“下游”应相对于管道中流的正常流通方向理解。
图1示意性地示出了根据本发明的第一天然气液化设备10。设备10旨在布置在水域12的表面。
水域12例如是海、湖泊或洋。设备10所在的水域12深度例如在15m至3000m之间。
设备10能够收集来自地下油气藏(未示出)的天然气。天然气直接在设备10上产生。在一种变型中，天然气在水域12表面上的另一生产单元上或在陆基生产单元上产生，并通过运输线输送至设备10。
设备10有利地是浮式设备。在一种变型中，设备10通过水下结构固定于水域底部。
在图1所示的示例中，设备10是浮式液化天然气(FLNG)单元。
设备10包括漂浮在水域12表面上的船体14、以及由船体14支撑的至少一个甲板16。甲板16布置在水域12的表面上方。
设备10包括：天然气液化单元18，其相关部件在图1中示出；以及水脱盐组件20，其适于从取自水域12的盐水中产生软化水。
天然气液化单元18有利地布置在甲板16上，并且脱盐组件20优选地容置在船体14中。
天然气液化单元18包括至少一个空冷热交换器22，该空冷热交换器22用于冷却在单元18中流通的流24以产生冷却流25。根据本发明，其包括喷水组件26，用于喷射来自脱盐组件20的软化水到空冷热交换器22中。
液化单元18还有利地包括副组件27，用于将软化水喷射到液化单元18的至少一个其他构件例如燃气轮机中。
在该示例中，液化单元18包括待冷却天然气源30、用于冷却来自源30的天然气的主热交换器32、以及用于液化来自主热交换器32的冷却天然气的系统34。
液化单元18还包括用于冷却主热交换器32的至少一个冷却循环环路36，冷却循环环路36包含空冷热交换器22。
天然气源30连接到天然气产生设备，有利地借助于旨在提取水、重化合物(例如C6+化合物)和含硫化合物的天然气净化单元进行这种连接。
为了降低天然气的温度，主热交换器32能够在来自源30的待冷却天然气与在冷却循环环路36中流通的冷却剂之间建立非接触式的热交换关系。
天然气的液化系统34有利地包括用于膨胀冷却天然气的至少一个膨胀构件(未示出)。它包括用于收集液化天然气的至少一个收集容器。
液化天然气收集和储存容器能够连接到甲烷运输船或其他运输驳船以释放在液化单元18中产生的液化天然气。
冷却循环环路36沿冷却剂从主热交换器32出口的流通方向包括最常连接至燃气轮机42的压缩机40、和空冷热交换器22。冷却循环环路36还包括冷却剂的膨胀构件46。
如图6的变型所示，压缩机40也可以由电动机驱动。在这种情况下，可以安装在船体中的发电燃气轮机也可以从注水中受益，从而改善其性能。
压缩机40能够回收来自主热交换器32的加热了的冷却剂并且对其进行再压缩。在该示例中，压缩机由燃气轮机42驱动。
燃气轮机42包括燃料喷射器48、容纳燃料的燃烧室50、在燃气轮机42上游部分中的空气压缩机和下游的涡轮机52。
膨胀构件46在此是静态膨胀阀。在变型中，膨胀构件46是动态膨胀涡轮。膨胀构件46能够在将来自中间热交换器44的冷却流60引入主热交换器32之前使其膨胀和液化。
参照图2，空冷热交换器22包括外壳70，外壳限定了用于使气流沿局部轴线A-A’流通的内管72，该内管72在进气口77和出气口78之间延伸。
通过进气口77进入外壳的气流处在大气条件下。在通过热交换器之后，通过出气口78提取的气流的温度要比进气口77处的气流温度高。它充满蒸汽，且不含自由水。
空冷热交换器22还包括管束74和至少一个风扇76，该管束74穿过内管72，以使待冷却流24穿过内管72流通，该风扇能够实现驱动气流围绕管束74的管通过内管72。
管束74包括多个管，这些管旨在通过内管72输送待冷却流24。这些管能够使待冷却流24与内管中流通的气流处于非接触式的热交换关系。
在该示例中，管束74的管相对于流通轴线A-A’横向延伸。它们沿流通轴线A-A’在数个层级N1至N2彼此平行布置。
在图2所示的实施例中，流通轴线A-A’竖直延伸。管束74的管沿竖直的轴线在彼此叠置的多个层级N1至N2上水平延伸。
管束74的管只含有待冷却流24。所述管可以在其外表面和/或内表面上是光滑的，或者可以具备使用金属加工成或附连的结构或翅片形式的改进表面。
风扇76的叶片相对于流通轴线A-A’横向布置。在该实施例中，风扇76的叶片相对于由外壳70限定的管72的出口处的气流流通方向定位在管束74的下游。在变型中，风扇76的叶片相对于气流流通方向布置在管束74的上游。
当风扇76的叶片旋转时，叶片驱动空气流在管72中从上游到下游围绕管束74的管流通。
风扇76的叶片在此布置在管束74的管的上方。叶片能够在管72中产生从下向上流通的空气流。
喷水组件26包括朝向管束74的管的、用于喷射来自脱盐组件20的软化水的多个喷嘴80，以便喷射液态软化水来与管束74的管接触。
此处，水以来自喷嘴80的射流的形式喷射。来自喷嘴80的射流直接喷射到管束74的管上。
喷水组件26还包括用于将软化水引向喷嘴80的进水管、和用于控制由喷嘴80喷射到管束74的管上的水的流量的控制单元84。
在图2所示的非限制性实施例中，喷水组件26包括与管束74的第一层级管面对的至少一个第一喷嘴杆85、和与管束74的相对于第一层级管沿流通轴线A-A'轴向偏移的第二层级管面对的至少一个第二喷嘴80杆86。
因此，通过喷嘴80进行的水分配沿着流通轴线A-A’分层。
在图2所示的实施例中，所有喷嘴80都布置在由管状外壳70限定的内管72内。每个喷嘴80与管束74的管直接相对放置，以便将水直接喷射在管上。
至少一些喷嘴80通到管束74的两个管之间。
喷嘴80在此朝下，以产生通过重力落到管束74的管上的水射流。
进水管82在上游连接到脱盐组件20，以便获得软化水供应。
控制单元84包括用于调节管82内流量的至少一个流量调节阀90、和控制站92，该控制站92能够通过流量调节阀90来调节供应喷嘴80的水流量，以使与管束74的管以液态形式接触的来自喷嘴80的水完全蒸发，从而防止了来自喷水组件26的过量液态软化水流到管束74下游。
由喷嘴80喷射的水射流仅朝向管束74的管表面。它们能够以液态形式到达管束74的管表面，并在那里完全蒸发。
因此，为避免集水盆并从水的最佳利用中受益，没有水被向下游驱动流到管束74以外。在变型中，驱动了由喷嘴80喷射的自由水形式的一小部分水。在任何情况下，在管束74的下游都不会发生由喷嘴80的水喷射导致的液体积聚。
参考图1，副喷水组件27包括通到燃气轮机42中的至少一个副喷嘴90A和进水给副喷嘴90A中的软化水进水管92A。
该中间水注入可以改善燃气轮机的性能。
驱动制冷压缩机40的燃气轮机42受益于通过注水而增加的功率。
脱盐组件20包括盐水采集器100、脱盐单元102、以及在盐水采集器100和脱盐单元102之间布置的上游的盐水采集泵104。
脱盐组件20还包括向水域12排放浓盐水的排放出口106和向喷水组件26、27排放软化水的排放泵108。
盐水采集器100向下通到水域12中。如申请人在法国申请FR3036412、FR 3037343之一中所描述的，其例如连接至立管。
脱盐单元102例如包括多级反渗透系统、过滤系统和精加工装置(polishing)。
脱盐单元能够从盐度通常大于20g/l的海水中产生盐度几乎为零(电导率<0.2μS)的软化水和盐度大于源盐度的浓盐水。浓盐水能够通过排放出口106排出。能够通过泵108将软化水分配到喷水组件26、27。
泵108在下游分别连接到进水管82、92A。
现在将参照图1和图2描述根据本发明的天然气液化设备10的运行。
首先，从地下油气藏中产生加压天然气，并将其引导至设备10上的源30。天然气输送经过主热交换器32，以与在冷却循环环路36中流通的冷却剂形成热交换关系。
因此，根据燃气质量和液化方法，将天然气冷却至例如-100℃至-164℃之间的温度。在液化系统34中，天然气可能经历闪蒸膨胀而被液化。液化天然气在通过甲烷运输船或驳船输出之前，先回收于储集器中。
由主热交换器32导致加热了的冷却剂被带到压缩机40以在其中被压缩。然后，将冷却剂以待冷却流24的形式输送到空冷热交换器22，以便在管束74的管中流通。
同时，启动脱盐组件20的泵104，以便通过水采集器100泵送盐水并将其带至脱盐单元102。在脱盐单元102中，将盐水脱盐以产生软化水和浓盐水。软化水由泵108泵送到进水管82、92A。
然后，启动喷水组件26。来自脱盐组件20的软化水被输送到每个喷嘴80，以产生直接喷射到管束74的管上的水射流。
喷射在管上的水与管外表面接触而蒸发，从而产生了用于冷却流经管束74的管的待冷却流24的热功率。
当喷嘴80分布在管束74的不同高度处时，例如分布在第一杆85和第二杆86上时，这则特别有效。
还启动了风扇76以在管72中沿流通轴线A-A’产生空气流的流通，从而排出提取的热量。
在管束74的管上尚未蒸发的残留水在管72中在逐渐变热的空气中逐渐蒸发。
控制单元84控制流经过进水管82的水流量，以使得在管束74的出口处，由喷嘴80喷射的所有水都被蒸发完。
自动确定供应给喷嘴80的最佳水流量，以便在部分冷凝的情况下满足待冷却流或需供应冷量的温度的设定值。
风扇76的运行状态可以与该水流流量优化相关联。最佳水流量还可以通过控制单元84在每时每刻根据热交换器的物理参数、周围空气的温度和/或湿度、由风扇76产生的空气流量和将在工艺侧释放的热量计算进行预测。使用中的喷嘴数量可以根据负载进行优化。
这优化了通过蒸发进行冷却的效率，同时避免了管束74下游的自由水回收。
流量优化的计算基于用于确定设施的热交换计算的算法。
因此，利用无需在设备10中引入繁复进水管的空冷热交换器22，待冷却流24获得了特别有效的冷却。
大部分或甚至所有的软化水制备设备可以位于与碳氢化合物生产区例如FLNG的船体分开的区域。因此，空冷热交换器22的紧凑性是最佳的，这增加了天然气产生或液化设施的可用空间。因此设备10的总容量增加了。
在图2所示的实施例中，外壳70限定在管束74的上游向下开通的竖直管72。
在变型中，根据需要优化设计参数，即在所有情况下都要考虑气流的方向、管束和喷嘴的数量、液态水与管直接接触的原则及其在表面上的完全蒸发。
在变型中，空气流在管72中从上向下驱动。
当采用这种方法通过直接蒸发可获得的温度明显高于通过冷却水(直接海水或冷却到海水的淡水)可获得的温度时，来自交换器22的冷却流25被输送到集成在环路中的中间热交换器44，以便在膨胀构件46中膨胀之前经历额外的冷却，然后被重新引入主热交换器32。这如图3所示。
在这种情况下，冷却方法在能量或产量方面再次变得等同于用常规的水冷却所获得的，而且还具有大大减少常规冷却水需求的优点。
如图3所示，热交换器44被来自水域12的海水冷却。
在具有附加冷却的图3的变型中，液化单元18包括附加冷却循环环路120，该附加冷却循环环路集成有中间热交换器44，冷却剂在中间热交换器中变热。
如图3所示的附加冷却循环环路120还包括：初级热交换器122，用于在冷却剂通过中间热交换器44之后冷却冷却剂；以及附加泵124，能够将来自附加热交换器44的冷却剂泵入初级热交换器122。
初级热交换器122还由来自盐水采集器100的盐水的流通管126供应。
流通管126连接在泵104的下游和脱盐单元102的上游。它穿过热交换器122，以使盐水采集器100回收的海水与来自泵124的冷却剂形成非接触式的热交换关系。
流通管126在下游通到水域12。
在运行期间，来自水域12的盐水通过盐水采集器100抽出，并借助于泵104部分地导向流通管126。在冷却剂流到中间热交换器44中之前，盐水变热同时冷却在初级热交换器122中流通的冷却剂。
在图3的变型中，如图4和5所示，热交换器44被海水直接冷却。
在图4的实施例中，通过泵124从用于将海水引向脱盐系统102的管道泵送提供热交换器44冷却的海水。海水流通管在下游通到水域12。
在图5的实施例中，确保热交换器44冷却的海水从独立于船体的外部泵站泵送，该泵站悬臂式地安装在包括热交换器44的模块上。

Claims (13)

1.一种天然气液化设备(10)，布置在水域(12)的表面，包括：
-至少一个空冷热交换器(22)，空冷热交换器(22)包括能够容纳待冷却流(24)的管束(74)和能够使空气流(77)穿过管束(74)流通的风扇(76)，管束(74)包括多个管；
-喷水组件(26)；
其特征在于：
-脱盐组件(20)，脱盐组件包括用于在水域(12)中采集盐水的盐水采集器(100)，脱盐组件(20)在下游连接至喷水组件(26)，
所述喷水组件(26)包括通到所述管束(74)中的至少一个喷嘴(80)，所述喷嘴(80)朝向所述管束(74)的管以喷射来自脱盐组件(20)的液态软化水来与管束(74)的管接触，
所述管束(74)具有多层级管，所述喷水组件(26)包括通到第一层级管的管对面的至少一个第一喷嘴和通到第二层级管的管对面的至少一个第二喷嘴。
2.根据权利要求1所述的天然气液化设备(10)，其特征在于，空冷热交换器(22)包括限定用于气流流通的内管(72)的外壳(70)，管束(74)容纳于所述内管(72)中，至少一个喷嘴(80)通到由所述外壳(70)限定的内管(72)中。
3.根据权利要求1或2所述的天然气液化设备(10)，其特征在于，风扇(76)能够使空气从下向上、从上向下或横向穿过管束流通。
4.根据权利要求1或2所述的天然气液化设备(10)，其特征在于，喷水组件(26)包括控制单元(84)，用于控制由所述喷嘴(80)喷射的水的流量，控制单元(84)能够调节水的流量，以防止来自喷水组件(26)的液态软化水流到管束(74)的下游。
5.根据权利要求1或2所述的天然气液化设备(10)，其特征在于，所述空冷热交换器(22)布置在冷却循环环路(36)中，所述冷却循环环路包括通过管束(74)流通的冷却剂、在管束(74)的上游能够压缩冷却剂的压缩机(40)、在管束(74)的下游布置的冷却剂膨胀构件(46)、和主热交换器(32)，主热交换器能够使冷却剂与待冷却的工艺流体处于热交换关系。
6.根据权利要求5所述的天然气液化设备(10)，其特征在于，冷却循环环路(36)包括在空冷热交换器(22)和冷却剂膨胀构件(46)之间插入的中间热交换器(44)，所述中间热交换器(44)由能够与来自盐水采集器(100)的盐水流形成热交换关系的冷却剂、由来自盐水采集器(100)的盐水流和/或由来自盐水泵的未通过盐水采集器(100)的盐水流进行供给。
7.根据权利要求1或2所述的天然气液化设备(10)，其特征在于，天然气液化设备包括至少一个燃气轮机(42)、和连接到脱盐组件(20)的至少一个副喷水组件(27)，副喷水组件(27)包括用于喷射来自脱盐组件的液态软化水到燃气轮机(42)中的至少一个软化水副喷嘴(90)。
8.根据权利要求1或2所述的天然气液化设备(10)，其特征在于，天然气液化设备包括船体(14)和位于船体(14)上方的至少一个甲板(16)，空冷热交换器(22)位于甲板(16)上，脱盐组件(20)布置在船体(14)中。
9.根据权利要求1或2所述的天然气液化设备(10)，其特征在于，所述喷嘴(80)能够产生直接喷射到所述管束(74)的管上的至少一股水射流。
10.一种用于冷却流的冷却方法，包括如下步骤：
-使待冷却流(24)在根据权利要求1或2所述的天然气液化设备(10)的空冷热交换器(22)的管束(74)中流通；
-向喷水组件(26)供应在脱盐组件(20)中产生的液态软化水；
-通过通到管束(74)的管对面的至少一个喷嘴(80)喷射液态软化水，喷嘴(80)朝向管束(74)的管，以便喷射来自脱盐组件(20)的液态软化水来与管束(74)的管接触，
-完全蒸发喷射的液态软化水；
管束(74)具有至少一第一层级管和至少一第二层级管，所述冷却方法还包括通过通到第一层级管的至少一个第一喷嘴并同时通过通到第二层级管的至少一个第二喷嘴喷射来自脱盐组件(20)的液态软化水。
11.根据权利要求10所述的冷却方法，其特征在于，所述冷却方法包括控制通过所述喷嘴(80)喷射的水的流量，以防止来自喷水组件(26)的液态软化水流到管束(74)下游。
12.根据权利要求10所述的冷却方法，其特征在于，冷却方法包括通过盐水采集器(100)泵送盐水，将盐水输送到脱盐组件(20)中，利用脱盐组件(20)产生液态软化水，以便供应喷水组件(26)。
13.根据权利要求10所述的冷却方法，其特征在于，将来自所述脱盐组件(20)的液态软化水输送至所述喷嘴(80)以产生直接喷射到所述管束(74)的管上的水射流，
喷射到管束(74)的管上的水在与管束(74)的管的外表面接触时蒸发，从而产生用于冷却通过管束(74)的管流通的待冷却流(24)的热功率。
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