CN113983352A - 加氢、加液化天然气合建站的氢气冷却系统 - Google Patents

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Abstract

一种加氢、加液化天然气合建站的氢气冷却系统，包括加氢系统、加液化天然气系统，加液化天然气系统的LNG储存容器下部的液相出口连接第一LNG输液管、第二LNG输液管，上部的气相出口连接一BOG输气管，第一LNG输液管通过加压泵与LNG加注设备进口连接，BOG输气管、第二LNG输液管并联于一LNG/BOG共用输送管，该LNG/BOG共用输送管一端连接热交换器冷侧进口端，另一端经第一控制阀连接第一LNG输液管，热交换器冷侧出口端经LNG/BOG共用输出管分别通过第二控制阀连接LNG/BOG共用回流管，通过第三控制阀连接BOG气化器，LNG/BOG共用回流管的下游端连接LNG储存容器下部的回液口，BOG气化器通过管道连接天然气储存容器，LNG加注设备的返回管与LNG/BOG共用回流管连接。

Description

加氢、加液化天然气合建站的氢气冷却系统
技术领域
本发明涉及加氢、加液化天然气合建站领域，特别涉及一种加氢、加液化天然气合建站的氢气冷却系统。
背景技术
加氢站的气源设备的压力通常为45MPa及以上，由气源设备输出的氢气通过加氢设备为客户容器充装加注压力一般为35MPa及以上，氢气充装加注过程是氢气的压缩过程，气体在客户容器内压缩会产生热量，为了保证充装加注至客户容器的安全，在氢气充装加注过程中需要对氢气进行预冷却，确保充装加注过程中客户容器内的氢气温度不能大于85℃。
现有加氢站的充装加注过程的氢气冷却是通过热交换器进行，热交换器分为热侧和冷侧，热侧为氢气通道，上游端连接氢气顺序/程序控制盘，下游端连接加氢设备，为加氢设备充装加注提供氢气；冷侧为冷却介质通道，上、下游端与加氢站专门设置制冷设备连接，使冷却介质形成循环，氢气在热交换器进行热交换，实现对氢气的冷却后，再通过加氢设备对客户容器进行充装加注。
现有加氢站的制冷设备是采用冷水机组或冷冻机组，该冷水机组或冷冻机组内包含压缩机、冷凝器、水泵等，运行中消耗电能，根据不同制冷量，机组的功率在十几千瓦到几十千瓦不等，电能消耗较大，运营成本高。并且，专门设置制冷设备不仅占地面积大，建设成本也增大，导致加氢站的建设投资和运营成本都相对较大，也不利于节约能源和降低运营成本。
液化天然气加气站的液化天然气（英文缩写LNG），是天然气经压缩、冷却至其凝点温度-161.5℃后变成的液体，通常液化天然气储存在-162℃、0.1～1.0MPa左右的低温储存罐内。然而即使液化天然气储存在低温状态的储罐内，但是在储罐内和通过管道输送过程中，都会因外界环境热量的入侵使LNG气化产生闪蒸气（英文缩写BOG），并且在LNG储罐内泵运行时部分机械能转化为热能，也会使罐内LNG气化产生闪蒸气，这些闪蒸气在常温下形成天然气，如果任其排入空气中，不但危险，会对大气环境造成污染，并且在经济上也有相当损失。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提出一种加氢、加液化天然气合建站的氢气冷却系统，它通过将合建站的液化天然气加注系统与加氢系统的热交换器的冷侧相连，利用液化天然气（LNG）的低温与加注氢气进行热交换，既能满足对加注氢气的冷却，又能满足液化天然气的加注，还能对液化天然气在储存、输送过程中产生的闪蒸气（BOG）进行回收利用，不需另外设置专门的氢气冷却设备，能够减少成本，降低能耗，有利于环境保护。
本发明的目的是这样实现的：
一种加氢、加液化天然气合建站的氢气冷却系统，包括加氢系统的气源设备、氢气程序/顺序控制盘、热交换器、加氢设备，所述气源设备、氢气程序/顺序控制盘、热交换器热侧的氢气通道、加氢设备依次通过氢气输送管连接，还包括加液化天然气系统的LNG储存容器、LNG加注设备、BOG气化器、BOG储存或加注设备，所述LNG储存容器下部的液相出口连接第一LNG输液管、第二LNG输液管，所述LNG储存容器上部的气相出口连接一BOG输气管，所述第一LNG输液管的下游端连接LNG加注设备进口，第一LNG输液管上设置加压泵，所述BOG输气管、第二LNG输液管并联于一LNG/BOG共用输送管，该LNG/BOG共用输送管一端连接热交换器冷侧的冷却介质通道的进口端，另一端通过第一控制阀与第一LNG输液管连接，所述热交换器冷侧的冷却介质通道的出口端与LNG/BOG共用输出管一端连接，所述LNG/BOG共用输出管的下游端分别通过第二控制阀连接LNG/BOG共用回流管，通过第三控制阀与一BOG气化器连接，所述LNG/BOG共用回流管的位置低于BOG输气管，LNG/BOG共用回流管的下游端连接LNG储存容器下部的回液口，所述BOG气化器通过管道连接天然气储存容器，所述LNG加注设备的返回管与LNG/BOG共用回流管连接。
所述LNG/BOG共用回流管通过一BOG支管与BOG输气管相连，该BOG支管上设有第四控制阀。
所述LNG/BOG共用输送管上设有输入控制阀，在输入控制阀和第一控制阀之间连接BOG输气管、第二LNG输液管，所述BOG输气管、第二LNG输液管上分别设有控制阀，所述LNG/BOG共用输出管上设有输出控制阀。
所述热交换器热侧的上、下游端，以及热交换器冷侧的进口端、出口端均分别设有压力表、压力变送器、温度表、温度变送器。
所述加压泵的上、下游端分别设有控制阀。
所述LNG加注设备的进口端和返回端分别设有控制阀，所述加氢设备上游端设有控制阀。
所述氢气程序/顺序控制盘的上、下游端分别设有控制阀，上游端控制阀的上游设置一迈过氢气程序/顺序控制盘的氢气输送旁路与下游端控制阀的下游相连，所述氢气输送旁路上设有控制阀。
所述BOG气化器通过管道分别连接天然气压缩机、调压撬。
采用上述方案，加氢、加液化天然气合建站加氢系统的气源设备、氢气程序/顺序控制盘、热交换器热侧的氢气通道、加氢设备依次通过氢气输送管连接；将加液化天然气系统的LNG储存容器下部的液相出口连接第一LNG输液管、第二LNG输液管，LNG储存容器上部的气相出口连接一BOG输气管，所述第一LNG输液管的下游端连接LNG加注设备进口，第一LNG输液管上设置加压泵，BOG输气管、第二LNG输液管并联于一LNG/BOG共用输送管，该LNG/BOG共用输送管一端连接热交换器冷侧的冷却介质通道的进口端，另一端通过第一控制阀与第一LNG输液管连接，所述热交换器冷侧的冷却介质通道的出口端与LNG/BOG共用输出管一端连接，所述LNG/BOG共用输出管的下游端分别通过第二控制阀连接LNG/BOG共用回流管，通过第三控制阀与一BOG气化器连接，所述LNG/BOG共用回流管的位置低于BOG输气管，LNG/BOG共用回流管的下游端连接LNG储存容器下部的回液口，所述BOG气化器通过管道连接天然气储存容器，所述LNG加注设备的返回管与LNG/BOG共用回流管连接。这种结构，当LNG加注设备为LNG用户加注LNG时，LNG经第一LNG输液管为LNG加注设备输送LNG，从LNG加注设备返回的LNG/BOG通过LNG/BOG共用回流管返回LNG储存容器。需要加注氢气时，利用LNG储存容器内的自有压力，将LNG和/或BOG从第二LNG输液管、BOG输气管输出，不依靠动力就可以通过LNG/BOG共用输送管输送进加氢系统的热交换器冷侧对氢气进行预冷却，能够将氢气预冷至零下10°～零下40°，确保在氢气用户加注过程中，用户容器的氢气温度不会大于85℃。采用合建站中加液化天然气系统的LNG、BOG作为冷却介质，合理利用LNG、BOG的冷损对加氢系统的氢气进行预冷却，取消现有加氢系统中需专门设置的依靠电能为氢气预冷提供冷却介质的冷水机组或冷冻机组制冷设备，实现氢气冷却的零能耗；进行热交换后的LNG和/或BOG从热交换器冷侧通过LNG/BOG共用输出管经LNG/BOG共用回流管返回LNG储存容器，或者经BOG气化器形成天然气后用于储存或加注。这样不需另外采用专门的制冷设备对氢气加注进行预冷却，既可以减少购买专门的制冷设备的费用，又可以不用耗能就能满足对氢气加注预冷却，减少能耗费用，极大地降低运营成本，同时使产生的BOG也能得到回收或利用，避免BOG排放大气造成污染环境。
所述LNG/BOG共用回流管通过一BOG支管与BOG输气管相连，该BOG支管上设有第四控制阀。由于BOG的单位体积重量轻于LNG，只要打开第四控制阀，就可以使流经LNG/BOG共用回流管中的BOG从BOG支管上升到BOG输气管，通过LNG/BOG共用输送管进入热交换器冷侧，参与氢气预冷却，只是LNG/BOG共用回流管中的LNG返回LNG储存容器内。这样可以减少返回LNG储存容器的BOG量，防止过量的BOG返回LNG储存容器导致容器内的压力过度增大，影响LNG储存容器内压力稳定。
本发明通过将加氢、加液化天然气合建站中加液化天然气系统的LNG/BOG共用输送管与加氢系统中的热交换器冷侧进口端相连，热交换器冷侧出口端通过LNG/BOG共用输出管与LNG/BOG共用回流管和BOG气化器连接，利用加液化天然气系统的LNG和/或BOG作为对氢气进行预冷却的冷却介质，不需另外设置专门的氢气冷却设备，就能够对加氢系统的加注氢气实现预冷却，既减少成本，降低能耗。在加氢系统工作时，加液化天然气系统能够同时工作，两者互不影响。并且，产生的闪蒸气（BOG）还能通过BOG气化器形成天然气后用于储存或加注，有利于环境保护。
附图说明
图1为本发明的系统管路结构图。
具体实施方式
参见图1，一种加氢、加液化天然气合建站的氢气冷却系统，加氢、加液化天然气合建站包括加氢系统、加液化天然气系统。所述加氢系统包括气源设备16、氢气程序/顺序控制盘17、热交换器18、加氢设备19，所述气源设备16、氢气程序/顺序控制盘17、热交换器18热侧的氢气通道、加氢设备19依次通过氢气输送管23连接。所述热交换器18热侧的上、下游端均分别设有压力表PI、压力变送器PT、温度表TI、温度变送器TT，用于检测氢气压力和氢气温度。所述氢气程序/顺序控制盘17的上游端设有控制阀36，下游端设有控制阀37，上游端控制阀36的上游设置一迈过氢气程序/顺序控制盘17的氢气输送旁路24与下游端控制阀的下游相连，所述氢气输送旁路24上设有控制阀38，打开氢气输送旁路24上的控制阀38，关闭氢气程序/顺序控制盘17上游端的控制阀36、下游端的控制阀37，可以使氢气从气源设备16经氢气输送旁路24进入热交换器18，关闭氢气输送旁路24上的控制阀38，打开氢气程序/顺序控制盘17上游端的控制阀36、下游端的控制阀37，就可以使氢气从气源设备16经氢气程序/顺序控制盘17进入热交换器18。所述加氢设备19上游端设有控制阀39，一旦关闭该控制阀39，氢气不能进入加氢设备19，加氢设备19不工作。所述加液化天然气系统包括LNG储存容器1、LNG加注设备8、BOG气化器9、BOG储存容器。所述LNG储存容器1下部的液相出口连接第一LNG输液管4、第二LNG输液管3，所述LNG储存容器1上部的气相出口连接一BOG输气管2。所述第一LNG输液管4的下游端连接LNG加注设备8进口，第一LNG输液管4上设置加压泵5，所述加压泵5的上游端设有控制阀32、下游端设有控制阀33，不使用加压泵5时，关闭加压泵5上游端的控制阀32、下游端的控制阀33，使用加压泵5对LNG进行加压时，打开加压泵5上游端的控制阀32、下游端的控制阀33，使LNG经加压泵5加压后输送。所述BOG输气管2、第二LNG输液管3并联于一LNG/BOG共用输送管10，该LNG/BOG共用输送管10一端连接热交换器18冷侧的冷却介质通道的进口端，另一端通过第一控制阀12与第一LNG输液管4连接，第一控制阀12用于控制LNG/BOG共用输送管10与第一LNG输液管4的通断。所述LNG/BOG共用输送管10上设有输入控制阀20，在输入控制阀20和第一控制阀12之间连接BOG输气管2、第二LNG输液管3。所述BOG输气管2上设有控制阀30，用于控制BOG输送，第二LNG输液管3上设有控制阀31，用于控制LNG输送。所述热交换器18冷侧的冷却介质通道的出口端与LNG/BOG共用输出管11一端连接，所述LNG/BOG共用输出管11上设有输出控制阀21。所述热交换器18冷侧的进口端、出口端均分别设有压力表PI、压力变送器PT、温度表TI、温度变送器TT，用于检测冷却介质的压力和温度。所述LNG/BOG共用输出管11的下游端分别通过第二控制阀13连接LNG/BOG共用回流管6，通过第三控制阀14与一BOG气化器9连接，所述BOG气化器9用于对BOG加热形成天然气。所述第二控制阀13、第三控制阀14分别用于控制LNG/BOG共用输出管11中进行热交换后的冷却介质的流向。所述LNG/BOG共用回流管的位置低于BOG输气管，LNG/BOG共用回流管6的下游端连接LNG储存容器1下部的回液口，使热交换后的LNG能够返回LNG储存容器1。所述BOG气化器9通过管道连接天然气储存容器25，将天然气储存，用于二次利用；并且BOG气化器9还可以通过管道分别连接天然气压缩机、调压撬，通过天然气压缩机经加气机为天然气加气用户供应天然气，通过调压撬经天然气管道为天然气使用终端供气，由此避免BOG直接排放大气，有利于环境保护。所述LNG加注设备8的返回管7与LNG/BOG共用回流管6连接。所述LNG加注设备8的进口端设有控制阀34、返回端设有控制阀35，LNG加注设备8的出口端通过加液软管连接加液枪，用于为LNG用户加注LNG。
本发明不仅仅局限于上述实施例，所述LNG/BOG共用回流管6还通过一BOG支管15与BOG输气管2相连，该BOG支管15上设有第四控制阀22。打开第四控制阀22，可以使进入LNG/BOG共用回流管6的BOG，因单位体积重量比LNG轻，而从BOG支管15上升到BOG输气管2中，通过LNG/BOG共用输送管10进入热交换器18冷侧，参与氢气预冷却，这样可以减少返回LNG储存容器1的BOG量，防止过量的BOG返回LNG储存容器1导致容器内的压力过度增大，影响LNG储存容器1内压力稳定。关闭第四控制阀22，进入LNG/BOG共用回流管6的LNG、BOG返回LNG储存容器1内。
本系统中的第一控制阀12、第二控制阀13、第三控制阀14、第四控制阀22、输入控制阀20、输出控制阀21，以及其余各处采用的控制阀30、31、32、33、34、35、36、37、38、39，均为气动阀或电动阀，本实施例以气动阀为佳，其中除输入控制阀20、输出控制阀21、控制阀34、35、39为常开状态外，其它各控制阀均为常闭状态，这些控制阀和各压力表PI、压力变送器PT、温度表TI、温度变送器TT均与系统设有的PLC电连接，通过PLC控制这些控制阀工作，控制氢气、LNG、BOG的流向。
本系统中的气源设备16可以是卸氢柱、氢气压缩机、氢气储存容器。
本加氢、加液化天然气合建站的氢气冷却系统，在通过加氢系统的氢气输送旁路24或者氢气程序/顺序控制盘17经热交换器18热侧、加氢设备19为氢气用户加注氢气时，可以首先打开BOG输气管2上的控制阀30和第三控制阀14，从LNG/BOG共用输送管10为热交换器18冷侧提供BOG作为冷却介质对氢气进行冷却，热交换后的BOG从第三控制阀14流向BOG气化器9，经BOG气化器9加热形成天然气后，进入天然气储存容器25储存，用于二次利用，或者，天然气通过天然气压缩机为天然气加气用户供应天然气，或者天然气通过调压撬经天然气管道为天然气使用终端供气。当检测到热交换器18热侧下游端的温度没有达到氢气预冷温度时，打开第二LNG输液管3上的控制阀31，从LNG/BOG共用输送管10为热交换器18冷侧提供LNG作为冷却介质对氢气进行冷却，并检测热交换器18冷侧出口端的温度，当检测到温度不高于LNG储存容器1的最高工作压力饱和温度时，打开第二控制阀13，关闭第三控制阀14，使热交换后的LNG从LNG/BOG共用输出管11经LNG/BOG共用回流管6返回LNG储存容器1；当检测到温度高于LNG储存容器1的最高工作压力饱和温度时，打开第三控制阀14，关闭第二控制阀13，使热交换后的LNG从LNG/BOG共用输出管11经BOG气化器9加热形成天然气后，进入天然气储存容器25储存，或通过天然气压缩机为天然气加气用户供应天然气，或通过调压撬经天然气管道为天然气使用终端供气。通过加液化天然气系统为LNG用户加注LNG时，在LNG储存容器1的压力满足加注压力的状况下，打开第二LNG输液管3上的控制阀31和LNG/BOG共用输送管10上的第一控制阀12，使LNG储存容器1内的LNG从第二LNG输液管3依次经第一控制阀12、第一LNG输液管4进入LNG加注设备8为LNG用户加注LNG。当LNG储存容器1的压力不能满足加注压力时，关闭第一控制阀12，打开第一LNG输液管4上加压泵5上游端的控制阀32、下游端的控制阀33，启动加压泵5为LNG加注设备8输送LNG。LNG用户加注完成后，LNG加注设备8中残留的LNG从返回管7经LNG/BOG共用回流管6返回LNG储存容器1。在PLC的控制下，加氢、加液化天然气合建站的加氢系统和加液化天然气系统能够同时工作，分别为氢气用户、LNG用户以及天然气用户服务。

Claims (8)

1.一种加氢、加液化天然气合建站的氢气冷却系统，包括加氢系统的气源设备、氢气程序/顺序控制盘、热交换器、加氢设备，所述气源设备、氢气程序/顺序控制盘、热交换器热侧的氢气通道、加氢设备依次通过氢气输送管连接，其特征在于：还包括加液化天然气系统的LNG储存容器、LNG加注设备、BOG气化器、BOG储存或加注设备，所述LNG储存容器下部的液相出口连接第一LNG输液管、第二LNG输液管，所述LNG储存容器上部的气相出口连接一BOG输气管，所述第一LNG输液管的下游端连接LNG加注设备进口，第一LNG输液管上设置加压泵，所述BOG输气管、第二LNG输液管并联于一LNG/BOG共用输送管，该LNG/BOG共用输送管一端连接热交换器冷侧的冷却介质通道的进口端，另一端通过第一控制阀与第一LNG输液管连接，所述热交换器冷侧的冷却介质通道的出口端与LNG/BOG共用输出管一端连接，所述LNG/BOG共用输出管的下游端分别通过第二控制阀连接LNG/BOG共用回流管，通过第三控制阀与一BOG气化器连接，所述LNG/BOG共用回流管的位置低于BOG输气管，LNG/BOG共用回流管的下游端连接LNG储存容器下部的回液口，所述BOG气化器通过管道连接天然气储存容器，所述LNG加注设备的返回管与LNG/BOG共用回流管连接。
2.根据权利要求1所述的加氢、加液化天然气合建站的氢气冷却系统，其特征在于：所述LNG/BOG共用回流管通过一BOG支管与BOG输气管相连，该BOG支管上设有第四控制阀。
3.根据权利要求1所述的加氢、加液化天然气合建站的氢气冷却系统，其特征在于：所述LNG/BOG共用输送管上设有输入控制阀，在输入控制阀和第一控制阀之间连接BOG输气管、第二LNG输液管，所述BOG输气管、第二LNG输液管上分别设有控制阀，所述LNG/BOG共用输出管上设有输出控制阀。
4.根据权利要求1所述的加氢、加液化天然气合建站的氢气冷却系统，其特征在于：所述热交换器热侧的上、下游端，以及热交换器冷侧的进口端、出口端均分别设有压力表、压力变送器、温度表、温度变送器。
5.根据权利要求1所述的加氢、加液化天然气合建站的氢气冷却系统，其特征在于：所述加压泵的上、下游端分别设有控制阀。
6.根据权利要求1所述的加氢、加液化天然气合建站的氢气冷却系统，其特征在于：所述LNG加注设备的进口端和返回端分别设有控制阀，所述加氢设备上游端设有控制阀。
7.根据权利要求1所述的加氢、加液化天然气合建站的氢气冷却系统，其特征在于：所述氢气程序/顺序控制盘的上、下游端分别设有控制阀，上游端控制阀的上游设置一迈过氢气程序/顺序控制盘的氢气输送旁路与下游端控制阀的下游相连，所述氢气输送旁路上设有控制阀。
8.根据权利要求1所述的加氢、加液化天然气合建站的氢气冷却系统，其特征在于：所述BOG气化器通过管道分别连接天然气压缩机、调压撬。
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