CN113915523A - 一种bog加热利用与lng再汽化系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种BOG加热利用与LNG再汽化系统，包括LNG储罐、换热工质循环子系统和冷能回收子系统，换热工质循环子系统包括换热工质、第一换热器和第二换热器，换热工质依次通过第一换热器、第二换热器进行换热，冷能回收子系统包括第三换热器、空气，换热工质经过第二换热器后经过第三换热器与空气进行换热，得到低温空气，LNG储罐设置连接第一换热器的BOG出口，且LNG储罐内部设置连接第二换热器的抽取LNG的潜液泵。通过增加换热工质进行换热过渡，换热工质在换热器中产生相变，吸收或释放大量潜热，实现空气热能与LNG和BOG冷能的互换，同时完成BOG加热、LNG再汽化和冷能回收，避免能量浪费，且系统简洁高效，经济效益高。

Description

一种BOG加热利用与LNG再汽化系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及天然气生产，尤其是一种BOG加热利用与LNG再汽化系统及其控制方法。
背景技术
随着天然气(Natural Gas，简称NG)需求的快速增加和液化天然气(LiquefiedNatural Gas，简称LNG)产业链的发展，海上LNG浮式储存和再汽化装置(Floating Storageand Revaporization Unit，FSRU)的应用日益广泛，目前已经逐步形成了一个从生产、储运、装运到接收、再汽化、冷量利用、调峰等完整的工业体系。在LNG储运过程中，在风浪流的作用下，FSRU将产生晃荡，同时LNG储罐或绝热舱不可避免地与外界发生热交换，因此导致LNG不断汽化而产生大量的闪蒸汽(Boil Off Gas，简称BOG)。BOG持续产生会导致储罐内部压力增大，如不进行有效处理，压力不断上升会导致严重的安全隐患。
目前，市场上针对BOG气体问题采取如下方案，其一，燃烧BOG气体，直接排空，该方案不仅污染环境而且浪费能源；其二，增设储罐储存BOG气体，进行BOG气体利用，但BOG储存密度低，单位体积的经济价值低，并且储罐占用空间较大，导致该方案的成本高，且操作繁琐；其三，采用制冷技术将BOG液化，但由于技术的限制，通过加压降温将BOG气体再液化回收，会造成巨大的能耗且工艺流程复杂。
而收集BOG气体，采用换热技术加热BOG，回收其释放的冷能，从而直接利用BOG气体，更符合当前节能环保的趋势且工艺流程简单。同时，LNG在输送至NG用户端前，需先将其再汽化，在此过程中，LNG需要吸收大量热量，释放冷能。现有技术中，采用不同的热源分别作用于BOG加热利用和LNG再汽化两个过程，使整个换热系统繁琐，成本高。而且在换热过程中，热源与BOG和LNG直接换热，易造成换热介质结冰或者汽化不完全的现象。
发明内容
发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种共用一个热源，且通过换热工质介质与热源换热的BOG加热利用与LNG再汽化系统。
技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种BOG加热利用与LNG再汽化系统，包括LNG储罐，还包括换热工质循环子系统和冷能回收子系统，所述换热工质循环子系统包括换热工质、第一换热器和第二换热器，所述换热工质依次通过第一换热器、第二换热器进行换热，所述冷能回收子系统包括第三换热器和空气，所述换热工质经过第二换热器后经过第三换热器，换热工质与通过第三换热器的空气进行换热，经过第三换热器换热后形成低温空气，所述LNG储罐设置BOG出口，且LNG储罐内部设置抽取LNG的潜液泵，所述BOG出口连接第一换热器，潜液泵输出端连接第二换热器。
进一步的，所述换热工质循环子系统还包括设置于第二换热器和第三换热器之间的换热工质缓冲罐、设置于第一换热器和第二换热器之间的气液分离器，所述气液分离器的气体出口与第二换热器入口连通，气液分离器的液体出口与换热工质缓冲罐入口连通。
进一步的，所述换热工质循环子系统还包括设置于第一换热器和气液分离器之间的第一三通阀，第一三通阀三端分别连接第一换热器、气液分离器、换热工质缓冲罐。
进一步的，所述换热工质缓冲罐输出端设置循环泵，所述换热工质采用丙烷工质。
进一步的，所述冷能回收子系统还包括设置于第三换热器出口的空气压力调节阀。
进一步的，所述冷能回收子系统还包括空气净化器、空气压缩机，所述空气压缩机输出端与空气净化器输入端连通，空气净化器的输出端与第三换热器的入口端连通。
进一步的，所述第一换热器和第二换热器采用微通道换热器，所述第三换热器采用翅片式换热器。
进一步的，所述第一换热器和第二换热器均为3D打印结构。
进一步的，所述BOG出口与第一换热器之间设置BOG气体压缩机。
本发明还采用一种BOG加热利用与LNG再汽化系统的控制方法，包括以下步骤：
S1：选择系统的工作模式：工作模式一为单独进BOG加热利用，选择工作模式一时进入步骤S2；工作模式二为同时进行BOG加热利用和LNG再汽化，选择工作模式二时进入步骤S3；
S2：打开LNG储罐的BOG出口，然后BOG进入第一换热器(4)与换热工质循环子系统换热；
同时，换热工质循环子系统的工作过程为：换热工质通过第三换热器(14)与空气进行换热，然后进入第一换热器(4)与BOG换热，切换换热工质循环子系统中的第一三通阀(16)，换热工质进入第一换热器(4)之后经第一三通阀(16)进入换热工质缓冲罐(12)，进行下一个循环；
同时，冷能回收子系统的工作过程为：空气进入第三换热器(14)与换热工质进行换热，得到低温空气，低温空气送至冷能利用端；
S3：打开LNG储罐的BOG出口，且打开潜液泵(7)，BOG进入第一换热器(4)，LNG进入第二换热器(9)，第一换热器(4)和第二换热器(9)均与换热工质循环子系统换热；
同时，换热工质循环子系统的工作过程为：换热工质通过第三换热器(14)与空气进行换热，然后进入第一换热器(4)与BOG换热，切换换热工质循环子系统中的第一三通阀(16)，换热工质进入第一换热器(4)之后经第一三通阀(16)进入第二换热器(9)与LNG换热，然后进入换热工质缓冲罐(12)，进行下一个循环；
同时，冷能回收子系统的工作过程为：空气进入第三换热器(14)与换热工质进行换热，得到低温空气，低温空气送至冷能利用端。
有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是通过增加换热工质(丙烷)循环子系统进行换热过渡，换热工质在各换热器中产生相变，吸收或释放大量潜热，实现空气热能与LNG或BOG的冷能互换，避免了能量浪费，同时完成了BOG加热利用、LNG再汽化和低温空气制备等三个工艺流程，且系统简洁、操作方便、换热效率高、经济效益高。避免了空气与LNG和BOG进行直接换热，空气直接换热为单相换热，热量传递效率低，且空气中的水气易结冰，堵塞换热器。利用液态丙烷相变成气态丙烷从空气中吸收大量的热量，再通过第一换热器将气态丙烷中的热量传递给低温BOG气体，完成BOG加热。BOG加热过程中，BOG不存在相变，所吸收的热量相对较少，所以在同时进行BOG加热利用与LNG再汽化时，丙烷在与BOG换热时，丙烷不进行相变，保留大量潜热，气态丙烷再通过第二换热器将热量传递给LNG，丙烷液化，完成LNG再汽化。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例中一种BOG加热利用与LNG再汽化系统，包括BOG加热利用子系统、LNG再汽化子系统、换热工质循环子系统和冷能回收子系统。冷能回收子系统作为间接热源能同时给BOG和LNG加热，并将BOG和LNG的冷能回收利用，冷能回收子系统通过换热工质循环子系统作为换热媒介为BOG和LNG加热。换热工质循环子系统与冷能回收子系统通过第三换热器14(翅片式换热器)进行热交换；BOG加热利用子系统、LNG再汽化子系统先后分别与换热工质循环子系统通过第一换热器4(微通道换热器)和第二换热器9(微通道换热器)进行热交换。
本系统适用于FSRU或FLNG，集成了LNG再汽化、BOG加热利用和冷能回收等三个工艺流程，同时保证了系统的简洁高效，能够有效地避免FSRU或FLNG空间有限的局限性，提高空间利用率，创造更高的经济效益。
一种BOG加热利用与LNG再汽化系统的控制方法，根据工况需求可分为两种工作模式：其一是同时进行BOG加热利用与LNG再汽化，LNG在输送至NG用户端前，需先进行LNG再汽化，在此过程中BOG也会持续产生，通常LNG储罐中也会残留大量BOG，不能排尽，本系统满足同时进行BOG加热利用与LNG再汽化的需求，避免资源浪费，经济效益最大化；其二是单独进行BOG加热利用，在LNG储运等情况下，不需要进行LNG再汽化，但储运的大量LNG会持续汽化产生大量的BOG气体，本系统满足单独进行BOG加热利用的需求，及时处理BOG，避免资源浪费，降低安全隐患。
换热工质循环子系统包括通过管道依次连接的换热工质缓冲罐12、循环泵13、第三换热器14、第一换热器4、第一三通阀16、气液分离器17、第二换热器9、丙烷压力调节阀15，在本实施例中，换热工质循环子系统中的换热工质选择丙烷，丙烷传热系数高、标准沸点较低。液态丙烷无色微毒，化学性质稳定安全，属于碳氢化合物，与氟利昂等传统换热工质相比，不会破坏大气臭氧层，不会造成温室效应，绿色环保。并且丙烷易得，成本较低，正在逐渐取代传统换热工质，成为最主流的换热工质。液态丙烷通过第三换热器14与空气进行热交换，液态丙烷汽化，产生相变储存大量潜热，之后经过管道先后与BOG和LNG进行热交换，丙烷液化，释放大量潜热，换热效率高，能满足BOG加热利用和LNG再汽化的需求。
换热工质缓冲罐12中丙烷的压力为0.1～0.3MPa，温度为-45℃～-15℃。调节循环泵13的频率，增大丙烷压力，将液相丙烷体积流量控制在3.5～4.5m3/h。增压后的液态丙烷进入翅片式换热器12，与空气进行换热，丙烷吸热汽化，温度升高。气化后的丙烷经丙烷压力调节阀15进入微通道换热器4与BOG进行换热，调节丙烷压力调节阀15的开度，丙烷的运行压力控制在0.4～0.8MPa。通过微通道换热器4前后压力变送器和温度变送器分别读取丙烷在与BOG换热前后的压力和温度。在与BOG换热前，丙烷压力值为0.4～0.8MPa，温度值为-5℃～20℃；在与BOG换热后，丙烷压力值为0.2～0.6MPa，温度值为-30℃～10℃。计算当前压力下，与BOG换热前后丙烷的饱和温度，从而计算与BOG换热前后丙烷的过热度或过冷度。在单独进行BOG加热利用时，将与BOG换热前的丙烷过热度控制为3～5℃，保证丙烷在进入微通道换热器4之前，处于完全气相状态；将与BOG换热后的丙烷过冷度控制为3～5℃，保证丙烷的气相到液相的相变过程主要是在微通道换热器4中进行，充分利用相变过程中巨大的潜热，提高换热器效率。在同时进行BOG加热利用与LNG再汽化时，将与BOG换热前的丙烷过热度控制为5～10℃，将与BOG换热后的丙烷过热度控制为3～5℃，保证气相丙烷在微通道换热器4中不进行相变，与BOG换热后仍然含有足够的热量，用于后续的LNG再气化。与BOG换热后的丙烷，经第一三通阀16被分为两个流向，其一是在单独进行BOG加热利用时，液态丙烷经第一三通阀16流向换热工质缓冲罐12，进行下一次循环；其二是同时进行BOG加热利用与LNG再汽化时，丙烷经第一三通阀16流入气液分离器17，丙烷与BOG进行换热时，不可避免地会在测量、计算和控制上产生延时和误差，从而产生少量液相丙烷，液相丙烷经气液分离器17的液相口重新回到换热工质缓冲罐12，绝大部分气相丙烷经气相口流入微通道换热器9与LNG进行换热，LNG再汽化，丙烷液化，通过微通道换热器9后的压力变送器和温度变送器分别读取气相丙烷的压力和温度，压力值为0.1～0.3MPa，温度值为-45℃～-15℃。计算当前压力下，微通道换热器9后丙烷的饱和温度，从而计算并控制微通道换热器9后的丙烷过冷度为3～5℃，保证丙烷的气相到液相的相变过程主要是在微通道换热器9中进行，充分利用相变过程中巨大的潜热，提高换热器效率。经过微通道换热器9换热后的丙烷回到换热工质缓冲罐12，进行下一次循环。
第三换热器14采用翅片式换热器，其换热性能良好、稳定，液态丙烷在管内流通，丙烷冷量通过紧绕在钢管上的翅片传给流经翅片间的空气，达到冷却空气、加热丙烷的作用。为防止可能出现的空气中残留水分在换热器内凝结，造成换热率下降，翅片式换热器设置备用。在本实施例中，微通道换热器4和微通道换热器8均为基于3D打印结构的微通道换热器，该种换热器与传统换热器相比，大大提高换热效率的同时，有效减小了换热器的体积尺寸，较大程度地缩减了整个系统的占据空间，以满足在FSRU有限空间内布置系统的需求，其具有的钢结构承载压力大，也可以满足系统高压力的运行要求，此外，采用3D打印结构的微通道换热器易于系统模块化组装。
换热工质循环子系统，可控性较高，根据是否需要进行LNG再汽化，通过调节第一三通阀16控制丙烷流向，可实现两种工作模式，其一是同时进行BOG加热利用与LNG再汽化；其二是单独进行BOG加热利用。根据工况需求，简便灵活地调整系统，充分利用气态丙烷的热量，保持较高的换热效率。通过调节循环泵13的来增大丙烷的压力和质量流量，控制丙烷循环的速度，即控制丙烷将空气的热量传递给LNG的速度，以匹配BOG加热利用和LNG再汽化的所需要求。
冷能回收子系统包括通过管道依次连接的空气进气阀18、空气压缩机19、空气净化器20、翅片式换热器14、空气压力调节阀21。打开空气进气阀18后，空气进入空气压缩机19进行压缩，进入空气进气阀18的空气温度为5℃～30℃，调节空气压缩机19的频率，将空气体积流量控制在1000～1200m3/h，增大空气压力，调节空气压力调节阀21的开度，空气的运行压力控制在0.5～1.5MPa。压缩后的空气进入空气净化器20，净化(除尘和干燥)后的空气进入翅片式换热器14与液态丙烷进行换热，空气温度下降得到低温空气，空气温度为-20～0℃。低温空气经空气压力调节阀21输送至冷能利用端。当BOG加热量和LNG再汽化量较小时，调节空气进气阀18，使空气吸入量减小，调节空气压缩机19的频率减小空气体积流量，调节空气压缩机19和空气压力调节阀21减小空气压力；当BOG加热量和LNG汽化量较大时，调节方法相反。通过调节空气压缩机19的频率来控制空气的质量流量，通过调节空气压力调节阀21的开度来控制空气压力，可控性高，因此便于调节空气的操作参数来快速匹配BOG加热利用和LNG再汽化的所需要求，来达到所需工况下的最佳换热效果。
空气净化器20包括空气除尘器与空气干燥机，外界空气通过空气进气阀18进入子系统，经空气压缩机19加压后，进入空气净化器20，去除空气中的水分及各种微颗粒杂质，净化后的空气进入翅片式换热器14与丙烷进行热交换。冷能回收子系统中回收BOG加热利用和LNG再汽化两个过程中释放的冷能，将收集冷能储存在低温空气中，生产的低温空气沿管道输送至冷能利用端，低温空气能够直接产生经济价值，低温空气可用于FSRU的冷能用户端，例如透平的油冷却器、机泵舱通风、仓库冷藏及烟气降温等，实现能量的综合利用。
BOG加热利用子系统包括通过管道依次连接的LNG储罐1、BOG进气阀2、BOG气体压缩机3、微通道换热器4、第二三通阀6。LNG储罐1中BOG气体的压力为0.1～0.3MPa，温度为-162℃～-120℃。打开BOG进气阀2后，LNG储罐1中产生的BOG进入管道，然后进入BOG气体压缩机3，调节BOG气体压缩机3的频率，增大BOG压力，将BOG体积流量控制在600～1000m3/h，调节BOG压力调节阀5的开度，使BOG的运行压力控制在0.5～1.5MPa。经BOG气体压缩机3加压后进入微通道换热器4与气态丙烷进行换热，完成BOG加热，加热后的BOG经第二三通阀6被分为两个流向，其一是在单独进行BOG加热利用时，BOG经第二三通阀6输送至燃料气用户端，如船舶主机、船舶发电机等；其二是同时进行BOG加热利用与LNG再汽化时，BOG经第二三通阀6汇入LNG再汽化产生的NG，沿输送管道送入NG用户端。在单独进行BOG加热利用时，BOG升温至0～10℃；在同时进行BOG加热利用与LNG再汽化时，BOG升温至-30℃～-10℃。收集BOG的管道与LNG储罐1连接，保证管道入口位于LNG液面以上，避免LNG进入BOG气体压缩机3造成其损坏，延长压缩机使用寿命。
LNG再汽化子系统包括通过管道依次连接的LNG储罐1、潜液泵7、LNG进液阀8、微通道换热器9、调节阀10。在本实施例中，潜液泵7为低温潜液泵，置于LNG储罐内底部，打开LNG进液阀8后，调节潜液泵7的频率，将LNG体积流量控制在3～3.5m3/h，增大LNG压力，调节LNG压力调节阀10的开度，使LNG的运行压力控制在7～13MPa。潜液泵7将LNG储罐1中的LNG输送至微通道换热器9，与经分离的气态丙烷进行换热，LNG再汽化成NG，通过微通道换热器9后的压力变送器和温度变送器分别读取NG的压力，得到NG的压力值为6～12MPa，温度值为-30℃～-10℃。高压NG经降压孔板11降压至0.1～0.7MPa，沿输送管道送入NG用户端。潜液泵6放置在LNG储罐1内最低位置处，保证潜液泵6一直处于液面下，用于LNG增压并给LNG再汽化子系统提供动力。
在LNG储运过程中，不需要进行LNG再汽化，但储运的大量LNG会持续汽化产生大量的BOG气体，如果不及时处理，安全隐患将大大增加。本系统可通过第一三通阀16实现单独进行BOG加热利用，及时处理大量BOG，降低安全隐患，且充分利用资源，避免浪费。本系统所有设备通过焊接或者法兰连接的形式，使用不锈钢管连接，因此可以满足系统内部高压的要求，同时可根据现场情况灵活安装。本系统解决了BOG加热利用与LNG再汽化系统的技术问题，具有实际的工程意义，可供相关工程人员参考。在实施例和说明书附图仅重点阐述了一种BOG加热利用与LNG再汽化系统中的核心设备和装置，此外大量的辅助型装置和仪表未在本专利和图示中重点阐述，如相应位置的液位、流量、压力和温度变送器，辅助型阀门，PLC控制系统等。

Claims (10)

1.一种BOG加热利用与LNG再汽化系统，包括LNG储罐(1)，其特征在于，还包括换热工质循环子系统和冷能回收子系统，所述换热工质循环子系统包括换热工质、第一换热器(4)和第二换热器(9)，所述换热工质依次通过第一换热器(4)、第二换热器(9)进行换热，所述冷能回收子系统包括第三换热器(14)和空气，所述换热工质经过第二换热器(9)后经过第三换热器(14)，换热工质与通过第三换热器(14)的空气进行换热，经过第三换热器(14)换热后形成低温空气，所述LNG储罐(1)设置BOG出口，且LNG储罐(1)内部设置抽取LNG的潜液泵(7)，所述BOG出口连接第一换热器(4)，潜液泵(6)输出端连接第二换热器(9)。
2.根据权利要求1所述的BOG加热利用与LNG再汽化系统，其特征在于，所述换热工质循环子系统还包括设置于第二换热器(9)和第三换热器(14)之间的换热工质缓冲罐(12)、设置于第一换热器(4)和第二换热器(9)之间的气液分离器(17)，所述气液分离器(17)的气体出口与第二换热器(9)入口连通，气液分离器(17)的液体出口与换热工质缓冲罐(12)入口连通。
3.根据权利要求2所述的BOG加热利用与LNG再汽化系统，其特征在于，所述换热工质循环子系统还包括设置于第一换热器(4)和气液分离器(17)之间的第一三通阀(16)，第一三通阀(16)三端分别连接第一换热器(4)、气液分离器(17)、换热工质缓冲罐(12)。
4.根据权利要求3所述的BOG加热利用与LNG再汽化系统，其特征在于，所述换热工质缓冲罐(12)输出端设置循环泵(13)，所述换热工质采用丙烷工质。
5.根据权利要求1所述的BOG加热利用与LNG再汽化系统，其特征在于，所述冷能回收子系统还包括设置于第三换热器(14)出口的空气压力调节阀(21)。
6.根据权利要求5所述的BOG加热利用与LNG再汽化系统，其特征在于，所述冷能回收子系统还包括空气净化器(20)、空气压缩机(19)，所述空气压缩机(19)输出端与空气净化器(20)输入端连通，空气净化器(20)的输出端与第三换热器(14)的入口端连通。
7.根据权利要求1所述的BOG加热利用与LNG再汽化系统，其特征在于，所述第一换热器(4)和第二换热器(9)采用微通道换热器，所述第三换热器(14)采用翅片式换热器。
8.根据权利要求7所述的BOG加热利用与LNG再汽化系统，其特征在于，所述第一换热器(4)和第二换热器(9)均为3D打印结构。
9.根据权利要求1所述的BOG加热利用与LNG再汽化系统，其特征在于，所述BOG出口与第一换热器(4)之间设置BOG气体压缩机(3)。
10.一种根据权利要求3所述的BOG加热利用与LNG再汽化系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选择系统的工作模式：工作模式一为单独进BOG加热利用，选择工作模式一时进入步骤S2；工作模式二为同时进行BOG加热利用和LNG再汽化，选择工作模式二时进入步骤S3；
S2：打开LNG储罐的BOG出口，然后BOG进入第一换热器(4)与换热工质循环子系统换热；
同时，换热工质循环子系统的工作过程为：换热工质通过第三换热器(14)与空气进行换热，然后进入第一换热器(4)与BOG换热，切换换热工质循环子系统中的第一三通阀(16)，换热工质进入第一换热器(4)之后经第一三通阀(16)进入换热工质缓冲罐(12)，进行下一个循环；
同时，冷能回收子系统的工作过程为：空气进入第三换热器(14)与换热工质进行换热，得到低温空气，低温空气送至冷能利用端；
S3：打开LNG储罐的BOG出口，且打开潜液泵(7)，BOG进入第一换热器(4)，LNG进入第二换热器(9)，第一换热器(4)和第二换热器(9)均与换热工质循环子系统换热；
同时，换热工质循环子系统的工作过程为：换热工质通过第三换热器(14)与空气进行换热，然后进入第一换热器(4)与BOG换热，切换换热工质循环子系统中的第一三通阀(16)，换热工质进入第一换热器(4)之后经第一三通阀(16)进入第二换热器(9)与LNG换热，然后进入换热工质缓冲罐(12)，进行下一个循环；
同时，冷能回收子系统的工作过程为：空气进入第三换热器(14)与换热工质进行换热，得到低温空气，低温空气送至冷能利用端。
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