CN113417764A - 一种船用新型低阻力lng自增压器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种船用新型低阻力LNG自增压器，其特征在于，包括外壳以及设于外壳内的N根直管式换热管一，N≥1；外壳设有热源介质出口以及热源介质入口；低温冷冻液体经由低温冷冻液体入口管进入直管式换热管，低温冷冻液体受热气化后的天然气出直管式换热管后经由天然气出口管出所述船用新型低阻力LNG自增压器；低温冷冻液体入口管与直管式换热管之间和/或直管式换热管与天然气出口管之间设有用于补偿热胀冷缩带来的变形伸缩量的弯管。本发明用于船舶LNG液罐增压，可大幅降低LNG自增压器的内部阻力、顺畅气液分离、提高进液量，以此实现LNG自增压器低阻力、高增压效率的有益效果。

Description

一种船用新型低阻力LNG自增压器
技术领域
本发明涉及一种新型低阻力、高效率的LNG自增压器，该LNG自增压器可用于气化LNG用于提升船舶LNG液罐的压力。
背景技术
随着日趋严格的船舶环保要求，采用清洁能源液化天然气(Liquefied NaturalGas，LNG)代替传统燃油已成为船舶燃料的主要方向之一。LNG通常存储在真空绝热形式或者保温材料包覆的低温LNG液罐内，当需要提升LNG液罐的压力时，通常会采用一种叫LNG自增压器的LNG气化器，用于提高LNG液罐的压力。
典型的船用LNG气化器方案形式参见公开发表的论文：上海交通大学制冷与低温工程研究所的田雅洁、林文胜在2018年化工学报第69卷第S2期论文《船用绕管式LNG气化器方案比较》。该论文中绕管式LNG气化器的结构形式见图1。
传统船上的LNG自增压器通常采用热水、热油、蒸汽等各种介质作为热源的管壳式换热器，其换热器内的盘管通常采用细管进行螺旋缠绕制造。LNG自增压器属于LNG气化器的大类别，但由于其使用场合的特殊性，LNG换热管的阻力大小直接影响LNG自增压器的实际效果，采用传统绕管式LNG气化器形式设计制造的LNG自增压器在实际使用时时常会出现自增压效果不明显的问题，特别当LNG增压器阻力过大时，会大大影响LNG自增压器的工作效率。
传统船舶LNG液罐增压的技术方案见图2，其中，1为LNG液罐，2为机械弹簧自力式增压阀，3为螺旋绕管式LNG自增压器。
LNG通过LNG液罐1和LNG自增压器3之间的高度差，依靠自重流入LNG 自增压器3内，因此LNG自增压器3的内部阻力大小直接决定了LNG自增压器的液体流入量以及LNG自增压的增压效率。
传统LNG自增压器为在有限的空间尽可能增大换热面积、提高换热效率，同时考虑补偿LNG自增压器进出口巨大温差引起的管道冷热膨胀变形量，往往采用将一组或者多组小口径管道，以螺旋缠绕盘管形式来设计。这类LNG自增压器在船舶实际工程应用时往往会出现增压能力不足或增压缓慢的现象，其原因在于：
首先，由于LNG液罐1的液体仅仅依靠液位高度差产生的自重流入LNG自增压器3，尤其是LNG液罐液位低时，高度差产生的入口净压头小，LNG流入 LNG自增压器3的动力本身很小；
其次，液变气的过程中，体积大幅膨胀，导致流速迅速提高，从而引起管道阻力也大幅提高。冷冻液体进入LNG自增压器3后气化，螺旋管形式的设计造成气液分离不及时，从而气液混流阻力大，甚至出现气体反窜回流将液体从入口吹出，导致LNG难以持续流入LNG自增压器3；
最后，LNG自增压器3内的小口径螺旋盘管设计方式本身管道阻力过大，当其阻力与LNG自增压器3入口由液位高度差产生净压头相抵消时，LNG自增压器会明显出现进液不足，导致增压效果变差，出现增压能力不足或者增压过程非常缓慢的现象。
发明内容
本发明的目的是：提供一种用于船用LNG液罐增压的新型低阻力、高效率的LNG自增压器。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种船用新型低阻力LNG 自增压器，其特征在于，包括外壳以及设于外壳内的N根直管式换热管一，N≥1；
外壳设有热源介质出口以及热源介质入口；
低温冷冻液体经由低温冷冻液体入口管进入直管式换热管，低温冷冻液体受热气化后的天然气出直管式换热管后经由天然气出口管出所述船用新型低阻力 LNG自增压器；低温冷冻液体入口管与直管式换热管之间和/或直管式换热管与天然气出口管之间设有用于补偿热胀冷缩带来的变形伸缩量的弯管。
优选地，所述弯管采用同一水平面内弯曲结构或者上下立体弯曲结构。
优选地，所述外壳及所述直管式换热管一的布置形式均为与水平方向小角度倾斜布置，使得所述热源介质出口位于低处而所述热源介质入口位于高处，并且使得所述低温冷冻液体入口管位于低处而所述天然气出口管位于高处，来自低温冷冻液体液罐底部的低温冷冻液体经由所述低温冷冻液体入口管从所述船用新型低阻力LNG自增压器底部进入，气化后的蒸发气经由所述天然气出口管从所述船用新型低阻力LNG自增压器顶部透出，从而避免气液混合流动导致增压器阻力过大。
优选地，所述外壳及所述直管式换热管一与水平面夹角在30°以内。
优选地，所述低温冷冻液体入口管的内径小于所述直管式换热管一的内径；在所述低温冷冻液体入口管与所述直管式换热管一之间设有扩径接头，扩径接头的内径大于所述低温冷冻液体入口管的内径，经由所述低温冷冻液体入口管进入的所述低温冷冻液体流经扩径接头后再进入所述直管式换热管一内。
本发明增大换热管的管径，增大进液量，减少管道流速及管道阻力，经过扩径后的冷冻液体管道再进入LNG自增压器的内部进行换热气化。
优选地，所述低温冷冻液体入口管、所述直管式换热管一、所述天然气出口管、所述弯管及所述扩径接头之间采用对接焊形式连接成为整体。
优选地，在所述N根所述直管式换热管一外部套上M组缠绕螺旋管式的换热管，M≥1，换热管具有独立的进出所述外壳的接口。
优选地，还包括M组直管式换热管二，M≥1，M组直管式换热管二与所述 N根直管式换热管一并排布置，M组直管式换热管二具有独立的进出所述外壳的接口。
本发明将M组缠绕螺旋管式的换热管或M组直管式换热管二与N根所述直管式换热管一组合在一起形成一体式的多功能换热器，其中，N根所述直管式换热管一用于船舶LNG液罐的压力提升用途，M组缠绕螺旋管式的换热管或M组直管式换热管二则可扩展用于其他用途。
优选地，所述热源为热水、热油、蒸汽或乙二醇-水。对于采用热油、蒸汽、乙二醇-水、或其他防冻液等各种形式的热源，只要采用相同或相似的LNG自增压器设计方法，均属于本发明保护范围内。
优选地，所述低温冷冻液体为LNG、液氮、液化石油气、液氢或液氨。对于液氮、液化石油气、液氢、液氨及其他各种低温冷冻液体，只要采用相同或相似的LNG自增压器的设计方法，均属于本发明保护范围内。
本发明用于船舶LNG液罐增压，可大幅降低LNG自增压器的内部阻力、顺畅气液分离、提高进液量，以此实现LNG自增压器低阻力、高增压效率的有益效果。与现有技术相比，本发明具体具有如下有益效果：
(1)LNG自增压器的布置形式为与水平方向小角度倾斜布置，与水平面夹角一般在30°以内，液体从底部流入LNG自增压器入口，气化后的蒸发气从上部透气至LNG自增压器出口。传统螺旋绕管式的LNG自增压器由于始终处于气液混合状态、且气液均随着螺旋管上下旋转出气，液体对气体透气会产生明显的阻塞作用，甚至出现气体反窜回流将液体从入口吹出，导致冷冻液体间歇性流入 LNG自增压器、难以持续增压。在本发明中，由于液体气化后蒸发气体积迅速膨胀，流速大幅提高，气体比重也又低于液体，该倾斜布置可以最高效的实现气液分离、蒸发气迅速透气至LNG自增压器出口，不会产生液体对气体的阻塞作用。
(2)LNG自增压器内部的换热管采用完全直管式的设计方法，直管设计形式阻力最小，远优于传统螺旋缠绕盘管设计形式，其原理在于：首先，直管设计本身阻力也低于其他任何形式的设计；其次，在相同横截面积下，螺旋缠绕盘管受弯曲半径的影响只能选择细管子缠绕，而直管式的管径要远远大于螺旋缠绕盘管，相同流量下换热管内的流速要大幅降低，相应管道阻力也会大幅降低，进液量又能大大提高，LNG自增压器对LNG流出的阻力会大幅降低、进液效率也会大大提高。
(3)在冷冻液体管道进入LNG自增压器入口后设置扩径接头，由于采用直管式设计，其管径远大于螺旋缠绕盘管。换热直管管径增大后，通过增加扩径接头可以提高进液通流面积、降低内部管道的流速，相应管道阻力也会降低，LNG 自增压器的效率提高。
(4)由于采用直管式设计，而换热管进出口两端的温差大，换热管的热胀冷缩会对LNG自增压器产生不利影响，在直管式的换热管的两端增加补偿热胀冷缩的弯管，从而消除换热管的热胀冷缩变形影响。
附图说明
图1为绕管式LNG气化器示意图；
图2为传统船舶LNG液罐增压的技术方案示意图；
图3A为实施例1公开的一种船用新型低阻力LNG自增压器的侧视图；
图3B为实施例1公开的一种船用新型低阻力LNG自增压器的俯视图；
图4A为实施例2公开的一种船用新型低阻力LNG自增压器的侧视图；
图4B为实施例2公开的一种船用新型低阻力LNG自增压器的俯视图；
图5A为实施例3公开的一种船用新型低阻力LNG自增压器的侧视图；
图5B为实施例3公开的一种船用新型低阻力LNG自增压器的俯视图；
图6A为实施例4公开的一种船用新型低阻力LNG自增压器的侧视图；
图6B为实施例4公开的一种船用新型低阻力LNG自增压器的俯视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
采用自增压原理给船用LNG液罐增压时，LNG自增压器为关键核心设备。如图3A及图3B所示，本实施例公开的一种船用新型低阻力LNG自增压器包括外壳100，外壳100前后两端分别设有热水或其他热源介质出口102以及热水或其他热源介质入口101。外壳100内有一根直管式换热管106。外壳100及其内的直管式换热管106的布置形式均为与水平方向小角度倾斜布置，使得热水或其他热源介质出口102位于低处而热水或其他热源介质入口101位于高处。外壳100的轴线以及直管式换热管106的轴线与水平面之间的夹角一般在30°以内。
直管式换热管106分别与位于外壳100左右两侧的LNG液体入口管103及 LNG受热气化后的天然气出口管107相连通。其中，LNG液体入口管103依次经由扩径接头104及弯管105-1与直管式换热管106相接；天然气出口管107 经由弯管105-2与直管式换热管106相接。设LNG液体入口管103的内径为 R1，扩径接头104的内径为R2，直管式换热管106的内径为R3，弯管105-1 及弯管105-2的内径为R4，天然气出口管107的内径为R5，则有：R1<R2， R2＝R3＝R4＝R5，天然气出口管107之后可根据实际需要进一步扩大管径。利用弯管105-1及弯管105-2补偿热胀冷缩。LNG液体入口管103与扩径接头104 之间、扩径接头104与弯管105-1之间、弯管105-1与直管式换热管106之间、直管式换热管106与弯管105-2之间、弯管105-2与天然气出口管107之间的连接均采用对接焊形式。
本实施例公开的一种船用新型低阻力LNG自增压器通过在LNG自增压器内部及时实现气液分离、降低LNG自增压器的内部阻力来解决现有LNG自增压器的技术问题：(1)通过LNG气化过程中在换热器内部及时有效的实现气液分离，避免气液混流甚至气体反窜，从而避免LNG气化后气液混合流动形成的高阻力，便于持续进液，提高LNG增压器的效率。(2)通过采用直管式的换热盘管，管道阻力本身要低于螺旋绕管式，降低LNG自增压器的阻力。同时相同截面积下直管式的管径可以远高于螺旋绕管式，大幅降低LNG换热管的流速，从而降低 LNG换热管的阻力，提高LNG增压效率。
实施例2
实施例1公开的一种船用新型低阻力LNG自增压器中，内部仅包含一根直管式换热管106。LNG自增压器在实际工程应用时有多种应用方案。如图4A及图4B所示，本实施例公开的一种船用新型低阻力LNG自增压器与实施例1的区别在于：有多根直管式换热管106，所有直管式换热管106相互平行且位于同一水平面。本实施例的其他结构及工作原理同实施例1。
实施例3
如图5A及图5B所示，本实施例公开的一种船用新型低阻力LNG自增压器与实施例2的区别在于：多根直管式换热管106上下交错布置。本实施例的其他结构及工作原理同实施例2。
实施例4
本发明公开的一种船用新型低阻力LNG自增压器还可以与其他换热器结合在一起设计为多功能一体式的换热器，设计方法为将一组或者多组不同功能的换热盘管套在同一个LNG自增压器的外壳100内。其典型的设计方法如图6A 及图6B所示，本实施例公开的一种船用新型低阻力LNG自增压器与实施例1 的区别在于：在LNG自增压器内增加1组或多组其他功能用途的换热管108，换热管108采用螺旋缠绕式盘管，将换热管108套在直管式换热管106外。换热管108有独立的进口109和出口110。应当注意的是：换热管108也可采用其他布置形式，例如：换热管108与直管式换热管106相似的直管式并排布置方法等，此处不再赘述。本实施例的其他结构及工作原理同实施例1。

Claims (10)

1.一种船用新型低阻力LNG自增压器，其特征在于，包括外壳以及设于外壳内的N根直管式换热管一，N≥1；
外壳设有热源介质出口以及热源介质入口；
低温冷冻液体经由低温冷冻液体入口管进入直管式换热管，低温冷冻液体受热气化后的天然气出直管式换热管后经由天然气出口管出所述船用新型低阻力LNG自增压器；低温冷冻液体入口管与直管式换热管之间和/或直管式换热管与天然气出口管之间设有用于补偿热胀冷缩带来的变形伸缩量的弯管。
2.如权利要求1所述的一种船用新型低阻力LNG自增压器，其特征在于，所述弯管采用同一水平面内弯曲结构或者上下立体弯曲结构。
3.如权利要求1所述的一种船用新型低阻力LNG自增压器，其特征在于，所述外壳及所述直管式换热管一的布置形式均为与水平方向小角度倾斜布置，使得所述热源介质出口位于低处而所述热源介质入口位于高处，并且使得所述低温冷冻液体入口管位于低处而所述天然气出口管位于高处，来自低温冷冻液体液罐底部的低温冷冻液体经由所述低温冷冻液体入口管从所述船用新型低阻力LNG自增压器底部进入，气化后的蒸发气经由所述天然气出口管从所述船用新型低阻力LNG自增压器顶部透出，从而避免气液混合流动导致增压器阻力过大。
4.如权利要求3所述的一种船用新型低阻力LNG自增压器，其特征在于，所述外壳及所述直管式换热管一与水平面夹角在30°以内。
5.如权利要求1所述的一种船用新型低阻力LNG自增压器，其特征在于，所述低温冷冻液体入口管的内径小于所述直管式换热管一的内径；在所述低温冷冻液体入口管与所述直管式换热管一之间设有扩径接头，扩径接头的内径大于所述低温冷冻液体入口管的内径，经由所述低温冷冻液体入口管进入的所述低温冷冻液体流经扩径接头后再进入所述直管式换热管一内。
6.如权利要求5所述的一种船用新型低阻力LNG自增压器，其特征在于，所述低温冷冻液体入口管、所述直管式换热管一、所述天然气出口管、所述弯管及所述扩径接头之间采用对接焊形式连接成为整体。
7.如权利要求1所述的一种船用新型低阻力LNG自增压器，其特征在于，在所述N根所述直管式换热管一外部套上M组缠绕螺旋管式的换热管，M≥1，换热管具有独立的进出所述外壳的接口。
8.如权利要求1所述的一种船用新型低阻力LNG自增压器，其特征在于，还包括M组直管式换热管二，M≥1，M组直管式换热管二与所述N根直管式换热管一并排布置，M组直管式换热管二具有独立的进出所述外壳的接口。
9.如权利要求1所述的一种船用新型低阻力LNG自增压器，其特征在于，所述热源为热水、热油、蒸汽或乙二醇-水。
10.如权利要求1所述的一种船用新型低阻力LNG自增压器，其特征在于，所述低温冷冻液体为LNG、液氮、液化石油气、液氢或液氨。
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