CN114599931A - 冷却蒸发气体的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

一种冷却来自液化气罐的蒸发气体(BOG)流的方法，该方法至少包括在热交换器中将BOG流与第一制冷剂进行热交换的步骤，该热交换器具有入口和较暖出口，并且该方法至少包括以下步骤：(a)使第一制冷剂进入热交换器的入口、并进入热交换器的第一区以与BOG流进行热交换，以提供第一较暖制冷剂流；(b)在入口与较暖出口之间的中间出口处、从热交换器取出第一较暖制冷剂流；(c)使第一较暖制冷剂流通过位于热交换器的、比第一区更暖的第二区中的入口；(d)使含油制冷剂流通过位于热交换器的、比第一区更暖的第二区中的入口；(e)在热交换器中混合第一较暖制冷剂流和含油流以形成合并制冷剂流；和(f)使合并制冷剂流通过较暖出口离开热交换器。

Description

冷却蒸发气体的方法及其装置
本发明涉及一种使用制冷剂(诸如单级混合制冷剂/单混合制冷剂(single mixedrefrigerant，SMR))冷却来自液化气罐(例如，比如在浮动船舶(floating vessel)上的货罐)的蒸发气体(boil-off gas，BOG)流的方法、及其装置。特别地但非排他地，该方法是一种用于冷却来自浮动LNG储罐的BOG的方法。
在多流热交热器(诸如板翅式热交换器)的低温应用中，共同的特点是将侧流注入交换器中以与交换器中的内部流汇合。合并流然后沿着汇合之前原始内部流的方向继续。
这样的一种可能应用是使用混合制冷剂循环来重新液化LNG蒸发气体。传统上，来自运载LNG作为货物的船(通常是LNG运载器)上的液化天然气(liquefied natural gas，LNG)储罐的蒸发气体已用于船发动机中以向船提供动力。然后，任何多余的BOG都被视为“废气”，通常会被送到气体燃烧单元(gas combustion unit，GCU)，在GCU，多余的BOG通过燃烧进行处理。
然而，船发动机的效率越来越高，因此发动机所需的BOG更少。这意味着更大比例的BOG作为废气被送到GCU。通过将BOG再液化并将BOG返回货罐来减少这种气体损失在经济上具有吸引力。
使LNG BOG再液化的标准方法是使用混合制冷剂再循环系统中的单级混合制冷剂(SMR)循环和喷油螺杆压缩机。喷油螺杆压缩机在工业中得到了很好的证明并且具有成本效益，使得在可能的情况下优选使用喷油螺杆压缩机。然而，喷油螺杆压缩机在压缩过程中也有一定程度的油“夹带”进入SMR，并且夹带油暴露在LNG热交换器所需的最低温度将使油凝固并堵塞LNG交换器，导致性能降低，且最终导致系统故障。
因此，压缩后的SMR必须经受至少一个油/气分离步骤，以提供足够“无油”流，该“无油”流在用作主冷却流之前、可以膨胀到低于“油凝固”温度的温度。
带有喷油螺杆压缩机的传统SMR循环在图1中示出。来自货罐的蒸发气体在压缩机(未显示)中压缩并经由管道20发送用于冷却。压缩的蒸发气体首先在后冷却器14中使用容易获得的环境冷却介质(例如：海水、淡水、机舱冷却水、空气)冷却，然后在热交换器12中进一步冷却。这种预冷却的BOG被发送入至多流(即多于两流)热交换器7(通常是钎焊铝板翅式热交换器)，在该热交换器处使用SMR再循环系统冷却和冷凝预冷却的BOG。
热交换器12使用经由管道32供应并从单独的制冷剂级联13提供的制冷剂(通常为丙烷)。
在SMR再循环系统中，来自制冷剂接收器1的混合制冷剂气体流过管道22至喷油螺杆压缩机2。SMR气体被压缩到管道23中，然后进入油分离器3，在油分离器中大部分油作为油类流25(通过重力和/或过滤)被去除并由油泵4泵送，由冷却器5冷却，最后重新注入压缩机2。
来自油分离器3的气体被送入管道24。在管道24中气体大部分是无油的，但含有一小部分(按重量计可低至百万分之几)油。管道24中的气体被送入使用容易获得的冷却介质(例如：海水、淡水、机舱冷却水、空气)的后冷却器6。
在后冷却器6的下游，制冷剂气体的冷凝是在冷凝器11中使用与冷的外部制冷剂(通常是丙烷)进行热交换来执行的。这种外部制冷剂的低温在外部制冷剂级联13中产生。管道24中的制冷剂在通过冷凝器11后至少部分冷凝，然后制冷剂进入蒸气-液体分离器8以提供蒸气相和液相。冷凝器11中的冷凝和分离器8(可选地具有集成或单独的过滤器)中的(通常通过重力和可选的过滤)分离的显著特征是分离器3之后夹带的油现在实际上是全部在液相中，进入管道29，在管道26中留下基本上无油的蒸气。
管道29中的“液体和油”或含油制冷剂的压力被闪蒸阀9降低，导致部分汽化和温度降低。该温度不足以导致油凝固(上蜡或冻结)。部分汽化的制冷剂液体和油流42然后被送入多流交换器7，在多流交换器中被完全汽化，从而为交换器7中的热流提供部分冷却。同时，管道26中的无油制冷剂蒸气被送入交换器7，在交换器中被充分冷却。无油制冷剂蒸气离开交换器7，在管道27中完全或部分冷凝，然后无油制冷剂蒸气的压力通过节流阀10降低到SMR再循环系统中管道34中最低温度，以在交换器7中实现所需的冷却。这为交换器7提供了主要的冷流。由于管道34中制冷剂的温度将低于油的冻结温度，因此需要在管道27之前使用交换器11和分离器8去除尽可能多的油。
管道34中的冷的制冷剂被送入交换器7，在交换器中蒸发，冷却热流。该制冷剂与部分汽化的液体和油流42汇合，并且合并制冷剂流44作为蒸气经由管道28离开交换器7，重新进入制冷剂接收器1。
总的来说，图1所示的传统SMR循环中再液化过程的冷却负荷由SMR再循环系统和外部制冷剂级联13提供。
一个潜在的问题是来自分离器8的部分汽化的制冷剂液体和油流42与从管道34向上经过的制冷剂在交换器7中汇合。与管道26和管道34中的流相比，液体和油流42自然地具有更高的、通常高得多的油量，如果液体和油流42冻结，这将很快导致交换器7中的堵塞。因此，这些流的汇合被设计为在交换器7的高于油的冷凝温度的足够暖的部分发生。
同时，从管道34向上经过的制冷剂在向上经过交换器7时被加热(通过交换器7中的各种较热流导致温度和/或蒸气分数增加)，因此它应该在汇合点处在交换器7中具有足够的向上速度，以确保包含在合并流44中的油被向上夹带并离开交换器7。
然而，如果热交换器7没有在设计条件下运行(例如，由于在部分负载下运行，或外部过程干扰，或正在关闭)，则仍在热交换器7中的合并流44的速度可能速度将低于部分蒸发的制冷剂液体和油流42中引入的油颗粒的末端速度。这将导致油颗粒落向汇合点下方的交换器7的较冷部分，在该较冷部分油颗粒将冻结并迅速堵塞交换器7。
本发明的一个目的是提供一种在冷却BOG流期间汇合诸如含油流的改进方法和装置。
因此，根据本发明的第一方面，提供了一种冷却来自液化气罐的蒸发气体(BOG)流的方法，该方法至少包括在热交换器中将BOG流与第一制冷剂进行热交换的步骤，该热交换器具有入口和较暖出口，并且该方法至少包括以下步骤：
(a)使第一制冷剂进入热交换器的入口、并进入热交换器的第一区以与BOG流进行热交换，以提供第一较暖制冷剂流；
(b)在入口和较暖出口之间的中间出口处、从热交换器取出第一较暖制冷剂流；
(c)使第一较暖制冷剂流通过位于热交换器的、比第一区更暖的第二区中的入口；
(d)使含油制冷剂流通过位于热交换器的、比第一区更暖的第二区中的入口；
(e)在热交换器中混合第一较暖制冷剂流和含油流以形成合并制冷剂流；以及
(f)使合并制冷剂流通过较暖出口离开热交换器。
液化气罐为本领域中公知的。由于已知原因，所有液化气罐都会产生或释放蒸发气体，包括液化气运载器、驳船和其他船舶(包括运输船舶)上的罐。液化气可包括具有低于0℃(通常至少低于-40℃)的正常沸点(在1个大气压下)的那些气体，诸如各种石油或石化气体，并且包括具有低于-160℃的正常沸点的液化天然气(LNG)。
可选地，BOG来自浮动船舶中的液化货罐，可选地是LNG货罐。
已知许多系统、装置和过程以用于使用各种单一、混合和多种制冷剂来冷却来自液化气罐的蒸发气体(BOG)流，通常用于BOG的再液化，这些制冷剂可能涉及一个或多个回路、热交换器、和冷却过程的其他变体，从而通常使所需的能量输入最小化，并通常具有其他限制(例如空间等)。技术人员知道许多这样的系统。
许多这样的系统涉及至少一个制冷剂压缩机，该制冷剂压缩机通常涉及润滑剂。一种常见的润滑剂是油。喷油螺杆压缩机在工业中得到了很好的证明并且具有成本效益，使得在可能的情况下优选使用喷油螺杆压缩机。然而，喷油螺杆压缩机在压缩过程中也有一定程度的油“夹带”进入制冷剂，并且夹带油暴露在一些热交换器所需的最低温度将使油凝固并堵塞热交换器，从而导致性能降低，并最终导致系统故障。
如本文所用，术语“含油流”包括在已经通过喷油螺杆压缩机的制冷剂流中具有油的流。这种油通常完全或基本上是压缩机润滑油。如本文所用，术语“油类流(oil-basedstream)”涉及制冷剂流中具有更多、通常显著量的油的流，例如从已经通过喷油螺杆压缩机的制冷剂流中分离出的液体流。如本文所用，术语“含油流”通常用于指相比油类流在其中具有更少的油的流。
本发明的热交换器可以是实现来自液化气罐的蒸发气体(BOG)流所需冷却所需的唯一热交换器，或者可以是更大或更广泛的液化热交换器系统的一部分，该液化热交换器系统包括多个热交换器单元。本文对“液化热交换器系统”的任何提及意味着这种液化热交换器系统包括本发明的热交换器。
使BOG再液化的一种方法是使用单级混合制冷剂(SMR)循环、以及混合制冷剂再循环系统中的喷油螺杆压缩机。SMR是本领域中的术语，用于指一系列制冷剂，这些制冷剂通常包含一种或多种烃类(这些烃类特别地通常是甲烷、乙烷和丙烷，并且可能至少还是丁烷)和氮气的混合物，可选地具有一种或多种其他可能的制冷剂(诸如戊烷)。用于形成特定SMR的各种组分及其比率是已知的，在此不再进一步描述。
因此，根据本发明的一个实施方案，第一制冷剂是单级混合制冷剂(SMR)、或单级混合制冷剂的一部分。
SMR可以设置在SMR再循环系统中，该SMR再循环系统至少包括以下步骤：
(a)使用至少一台喷油螺杆压缩机压缩SMR以提供压缩后的SMR流；
(b)分离压缩后的SMR流以提供油类流和第一SMR蒸气流；
(c)使第一SMR蒸气流进入液化热交换器以提供冷凝的SMR流；以及
(d)使冷凝的SMR流膨胀以提供膨胀的最低温度SMR流，以通过液化热交换器系统用于与BOG流进行热交换。
分离如本文所定义的流中的一种或多种可在任何合适的分离器中进行，许多分离器是本领域已知的，并且这些分离器通常旨在提供至少一种气态流，通常是在分离器的上部处或附近可获得的较轻流、以及通常包含至少一种液相的通常在分离器的下端处可获得的较重流。
流的膨胀可以通过一个或多个合适的膨胀装置(通常包括阀门等)。
如本文所使用的，术语“环境冷却”涉及环境冷却介质的使用，该环境冷却介质通常在环境温度下提供。该环境冷却介质包括海水、淡水、机舱冷却水和空气、以及它们的任何组合，它们通常很易于获得以用于为流提供环境冷却。
制冷剂的压缩可能包括使用多于一个压缩机(这些压缩机任选地是并联、或是串联、或这两者)，以提供压缩后的流。
蒸发气体(BOG)流的冷却可以是液化热交换器系统的一部分，该液化热交换器系统可以是布置在一个或多个单元或级中的一个或多个热交换器的任何形式，并且能够允许在两个或更多个流之间热交换，且任选地在系统的一部分或部分中(特别是在BOG流与制冷剂流之一之间)具有至少一个与一个或多个其他流逆流运行的流。
当液化热交换器系统包括多于一个热交换器时，多于一个热交换器可以是串联、或并联、或串联和并联的组合，并且多于一个热交换器可以是分开的或联合的或邻接的，任选地在单个冷却单元或箱中是分开的或联合的或邻接的、并且任选地以一个或多个单元或级的形式提供以与BOG流所需的热交换以液化BOG流。
液化热交换器系统可以包括任何合适的两流或多流热交换器布置，该两流或多流热交换器被布置成一个或多个连接段、单元或级，就其中的平均温度而言，任选地一个段、一个单元或一个级比另一段、另一单元或另一级“更暖”。
任选地，本发明的热交换器是BOG液化热交换器系统中的单个液化热交换器。热交换器是多流热交换器，以用于在一个热交换器中从一个入口到一个出口将BOG液化。
任选地，本发明的热交换器是液化热交换器系统，该液化热交换器系统包括多单元液化热交换器，且包括两个、任选地多于两个热交换器单元，并且BOG流和第一制冷剂至少通过热交换器单元的最冷处。
许多液化热交换器是本领域已知的，它们能够成为液化热交换器系统的一部分或提供液化热交换器系统，该液化热交换器系统通常包括板翅式热交换器、壳管式热交换器、板框式热交换器、壳板式热交换器、盘管式热交换器、和印刷电路式热交换器，或它们的任何组合。
任选地，本发明的热交换器包括板翅式热交换器或印刷电路热交换器。
任选地，本发明中的热交换器为立式液化热交换器、或近立式液化热交换器、或倾斜式热交换器。
热交换器通常具有用于一个或多个流的入口点或入口，以及用于一个或多个流的出口点或出口，入口点(或入口)与出口点(或出口)之间具有温度梯度或梯度路径。通过热交换器的大多数流通常通过“所有”热交换器，即从热交换器一端或一侧的入口点或入口到任选地在另一端或另一侧(不限于此)处的出口点或出口，以实现入口和出口之间可能的最大热交换，即沿着温度梯度路径可能的最大温度变化或相变。这样的流已经“完全”或“全部”通过了热交换器。
一些流可能仅通过热交换器的一部分或一定程度，通常在中间温度处或沿着最大可能温度梯度路径的位置具有入口点或入口，或者在沿温度梯度路径的中间温度处具有出口点或出口，或两者兼而有之。这样的流仅通过热交换器的一部分，并且通常被称为“侧流”。
当液化热交换器由多于一个液化热交换器单元和/或级提供时，任选地第一制冷剂流进入第一单元和/或级，并且含油制冷剂流进入第二单元和/或级。
任选地，本发明的方法还包括在热交换器之后再循环合并制冷剂流以用于进一步的冷却负荷。
任选地，本发明的方法还包括在本发明第一方面的步骤(a)之前使第一制冷剂膨胀的步骤。
任选地，本发明第一方面的步骤(e)的温度高于热交换器中第一区的温度。进一步任选地，第二区的温度比含油制冷剂的油的油冷凝温度更暖。
任选地，中间出口位于热交换器的、比第一区更暖的第二区内。
在本发明的一个特定实施方案中，提供了一种SMR再循环系统，该SMR再循环系统用于与使用单级混合制冷剂(SMR)冷却来自液化气罐的蒸发气体(BOG)流的方法一起使用，该方法至少包括在液化热交换器系统中将BOG流与SMR进行热交换以提供冷却的BOG流的步骤，
其中，SMR设置在SMR再循环系统中，该SMR再循环系统至少包括以下步骤：
(a)使用至少一台喷油螺杆压缩机压缩SMR以提供压缩后的SMR流；
(b)分离压缩后的SMR流以提供油类流和第一SMR蒸气流；
(c)分离第一SMR蒸气流以提供含油液相SMR流和SMR蒸气流；
(d)使SMR蒸气流通过液化热交换器系统以提供冷凝的SMR流；
(e)使冷凝的SMR流膨胀以提供膨胀的最低温度SMR流，以进入液化热交换器系统的第一区用于与BOG流进行热交换，并提供较暖SMR流；
(f)在中间出口处从热交换器取出较暖SMR流；
(g)使第一较暖SMR流通过位于热交换器的比、第一区更暖的第二区中的入口；
(h)使含油液相SMR流通过位于热交换器的、比第一区更暖的第二区中的入口；
(i)在热交换器中混合第一较暖制冷剂流和含油液相SMR流以形成合并制冷剂流；以及
(j)使合并制冷剂流通过较暖出口离开热交换器。
任选地，分离第一SMR蒸气流(以提供含油液相SMR流和SMR蒸气流)可以在液化热交换器中对第一SMR蒸气流进行一些冷却之后进行。
因此，根据本发明的另一特定实施方案，提供了一种使用单级混合制冷剂(SMR)冷却来自液化气罐的蒸发气体(BOG)流的方法，该方法至少包括在液化热交换器系统中将BOG流与SMR进行热交换以提供冷却的BOG流的步骤，
其中，SMR设置在SMR再循环系统中，该SMR再循环系统至少包括以下步骤：
(a)使用至少一台喷油螺杆压缩机压缩SMR以提供压缩后的SMR流；
(b)分离压缩后的SMR流以提供油类流和第一SMR蒸气流；
(c)使第一SMR蒸气流进入液化热交换器系统以冷却第一SMR蒸气流并提供冷却的第一SMR蒸气流；
(d)从液化热交换器系统取出冷却的第一SMR蒸气流；
(e)分离冷却的第一SMR蒸气流以提供含油液相SMR流和无油SMR蒸气流；
(f)使无油SMR蒸气流通过液化热交换器系统以提供冷凝的SMR流；
(g)使冷凝的SMR流膨胀以提供膨胀的最低温度SMR流，以通过液化热交换器系统用于与BOG流进行热交换，并提供较暖SMR流；
(h)在中间出口处从液化热交换器系统取出较暖SMR流；
(i)使步骤(e)的含油液相SMR流膨胀以提供至少部分膨胀的含油制冷剂流；
(j)使步骤(h)的较暖SMR流和步骤(i)的至少部分膨胀的含油制冷剂流通过位于液化热交换器系统的、比第一区更暖的第二区中的单独入口进入液化热交换器系统；
(k)在热交换器中将较暖SMR流与含油制冷剂流合并以提供合并制冷剂流；
(l)使合并制冷剂流通过位于液化热交换器系统的、比第一区更暖的第二区中的入口进入液化热交换器系统；以及
(m)使合并制冷剂流通过较暖出口离开液化热交换器系统。
这种方法能够在没有外部制冷剂级联的情况下冷却BOG流。这种方法与SMR再循环系统能够提供所有子环境制冷剂冷却负荷，用于冷却来自液化气罐的蒸发气体流。
任选地，在液化热交换器系统是单个液化热交换器的情况下，在步骤(d)中，从液化热交换器系统取出冷却的第一SMR蒸气流可以在沿着热交换器中发生的热交换的中间温度下发生，任选地在类似于无油SMR蒸气流进入液化热交换器系统以提供冷凝的SMR流的入口的温度下发生。因此，任选地，本发明的该实施方案的步骤(d)包括在液化热交换器系统的最冷部分之前、从液化热交换器系统取出冷却的第一SMR蒸气流，即实现通过液化热交换器系统的部分通路。
无油SMR蒸气流可以在高于、低于、等于或类似于本发明的该实施方案的步骤(d)的被取出的冷却的第一SMR蒸气流的温度下、进入(返回)至液化热交换器系统中。任选地，无油SMR蒸气流可以在类似于本发明的该实施方案的步骤(d)的被取出的冷却的第一SMR蒸气流的温度下、进入至液化热交换器系统中。
可替代地，本发明的该实施方案的液化热交换系统可以是多单元液化热交换器或热交换器，该热交换器包括两个(可选地多于两个)单元、级、系统或框架等。
当本发明的该实施方案的液化热交换器由多于一个液化热交换器单元等提供时，任选地，第一SMR蒸气流进入第一单元，并且无油SMR蒸气流进入第二单元。可替代地，任选地，第一SMR蒸气流进入第一热交换器单元等，并且无油SMR蒸气流进入第一热交换器单元和第二热交换器单元这两者。可替代地，任选地，第一SMR蒸气流被分开进入两个或更多个单独的热交换器单元等，并且被分开的无油SMR蒸气流进入两个或更多个单独的热交换器单元等。技术人员可以看出，可以存在使用多单元液化热交换布置的液化热交换器系统的进一步的变型，该多单元液化热交换布置任选地还具有被冷却的BOG流的分流。
在本发明的该实施方案的液化热交换器由多于一个液化热交换器单元和/或级提供的情况下，还任选地，第一或较暖级包括多流热交换器(诸如板翅式热交换器)，或一系列不同的热交换器(可选地串联、并联、或这两者)，其中至少一个能够冷却第一SMR蒸气流并在分离冷却的第一SMR蒸气流之前提供冷却的第一SMR蒸气流，以提供含油液相SMR流和无油SMR蒸气流。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于冷却来自液化气罐的蒸发气体(BOG)流的装置，该装置包括本文限定的制冷剂系统和用于与所述BOG流进行热交换的热交换器。
根据本发明的另一方面，提供了一种设计或集成设计船舶的方法，该方法具有如本文所定义的冷却来自液化气罐的蒸发气体(BOG)流的方法。
根据本发明的另一方面，提供了一种设计或集成设计系统的方法，该系统与冷却来自液化气罐的蒸发气体(BOG)流的方法一起使用，该方法包括与本文相同或类似的步骤。
根据本发明的又一方面，提供了一种设计用于使用制冷剂来冷却液化气罐的蒸发气体(BOG)流的过程的方法，并且该方法包括与本文相同或类似的步骤。
根据本发明的又一方面，提供了一种设计系统的方法，该系统与冷却来自液化气罐的蒸发气体(BOG)流的方法一起使用，该方法包括与本文相同或类似的步骤。
如本文所讨论的设计方法可以结合计算机辅助过程，以用于将相关操作设备和控制结合到整个船舶构造中，并且可以将相关成本、操作参数的容量结合到方法学和设计中。本文描述的方法可以被编码到适合在计算机上读取和处理的介质上。例如，用于执行本文所述方法的代码可以被编码到可以被个人或大型计算机读取和复制到个人或大型计算机的磁介质或光介质上。然后可以由设计工程师使用这种个人或大型计算机来实施这些方法。
本发明提供了一种在具有多流热交换器(尤其是板翅式热交换器)的低温应用中的方便布置，将特定侧流与热交换器外部的向上流动的内部流汇合。汇合或合并流然后可以沿着汇合之前原始内部流的方向继续。
任选地，本发明涉及多流热交换器，其中热交换器中的主流路方向至少是向上的，通常是竖直的或倾斜的，使得热交换器的热端物理地位于冷端之上。
被取出的较暖第一制冷剂流和含油流的合并或汇合的过程、定位或布置可以在热交换器内使用任何合适的布置，包括但不限于一个或多个汇合管或管道，任选地将每个流散布在多个路径上，并且优选地能够提供跨越多个路径的均匀或一致的汇合，例如可能在板翅式热交换器中发生的汇合。
任选地，较暖第一制冷剂流和含油流的汇合可以比从热交换器取出第一较暖制冷剂流物理上更高(相对于热交换器的取向)，但本发明不是仅限于此。
任选地，含油流进入或第一较暖制冷剂流再进入、或两种所述流进入热交换器可在与第一较暖制冷剂的取出位置附近或不同的位置，通常接近或邻近或位于中间出口的位置，使得所述一个或多个流的返回温度与中间出口处较暖第一制冷剂流的温度相同或相似。
本发明包括将一个或多个另外的流、与第一制冷剂流和含油流之一或两者合并。
本发明可涉及具有多于两个温度区的热交换器。通常，在冷却BOG流的方法中包含的热交换器沿其“长度”(通常从“冷端/最冷端/冷端/较冷端”到“热端/最热端/暖端/较暖端/较热端”)具有温度范围。通常，热交换器沿其长度具有一个或多个温度梯度，使得在一个温度区和另一温度区之间没有明显的温度边界。本发明通过使用附图2和图3、使用术语“区A”和“区B”来说明，仅仅是为了说明能够冷冻来自压缩机的常规油的热交换器中的区域和温度高于油凝固点的区域之间的温度点或温度线或温度边界的概念。本文使用的对区域或区中的“温度”的任何提及均涉及该区域或区内具有所需温度或定义温度的所有点处的温度，从而允许跨越该区域或区的任何温度变化。
本领域技术人员意识到不同的油(包括不同的制冷剂压缩机润滑油)可能具有不同的冷冻点温度，使得热交换器的任何部分低于或高于油冷冻点的位置是可变的。然而，任何BOG液化系统都将用使用一种或多种已知润滑油的一台或多台已知制冷压缩机构建，使得将预先确定特定制冷或液化系统的压缩机的油冷冻点，以允许工厂制造商预先确定要在热交换器中形成的中间端口或每个中间端口的位置。
在液化热交换器系统包括多个热交换器单元的情况下，本发明不受第一单元和第二单元的相对定位的限制，第一单元和第二单元可以是连续的或分开的。
可以改变本发明中使用的任何SMR流中的组分的组成和/或比例，以实现本发明的每种布置的最佳效果。
现在将仅通过实施例并参考示意性附图来描述本发明的实施方案和实施例，在附图中：
图1是使用现有技术SMR系统冷却BOG流的现有技术方法的示意图；
图2是图1区域200的简化示意图；
图3是使用本发明的实施方案冷却BOG流的方法的一部分的简化示意图；
图4是根据本发明的第一实施方案冷却BOG流的方法的示意图；
图5是根据本发明的第二实施方案冷却BOG流的方法的示意图；以及
图6是根据本发明的另一实施方案冷却BOG流的方法的示意图。
在相应的情况下，在不同的图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的特征。
图1是上文描述的现有技术布置，其需要基于级联13的外部制冷剂回路和装置，以使用SMR再循环系统和喷油螺杆压缩机2实现压缩BOG的再液化。
图2示出了图1中区域200的简化示意图，其中第一制冷剂流34以其最低温度进入交换器7并进入仅为说明目的而指定为“区A”的区域，在该区A内热交换器7中的温度足够低使得残余在流34中的任何压缩机润滑油将冻结。然而，流34不应具有足够的油含量以通过阻塞而导致热交换器7的明显堵塞或故障。
该流34被通过交换器7的其他更热的流(诸如图1中来自交换器12的BOG流，未示出)加热，使得当流34向上通过交换器7时流的焓增加，从而导致温度和/或流的蒸气分数增加。
在交换器7中的较暖点(即在示例性较暖“区B”内)，并且在物理上高于冷流入口的位置，膨胀的含油流42(通常具有足够的油含量，这将导致如果流冷冻，则交换器7被阻塞)被注入交换器7，并与较暖流汇合以产生沿上述原始冷流的路径继续的合并流28。
“区B”足够暖以致注入流42中的油不会冻结。并且如果图2中所示的布置被适当地设计，在设计条件下交换器7中将有足够的向上速度以确保包含在流42中的任何油总是并且仅在合并流28中被向上运载。
然而，如果该过程没有在设计条件下运行(例如，由于在部分负载下运行、外部过程干扰、或正在关闭)，则仍在合并流7的速度可能速度将低于由含油流42引入的油颗粒的末端速度。此类事件会导致油颗粒落入“区A”，在区A油颗粒会冻结并阻塞交换器7。这然后需要关闭整个冷却过程以进入热交换器7，并以物理或化学方式去除阻塞油和/或其固体成分，从而导致不希望的延迟和成本问题。
本发明通过物理地防止油能够进入热交换器的最冷(通常是低温)段，提供了避免上述问题的替代布置。
本发明的说明示于图3中。图3示出了向上流动的第一制冷剂流34首先通过入口49进入热交换器50中的示例性温度“区A”，然后进入示例性的较暖温度“区B”，通过出口60取出作为较暖制冷剂流52。然后，较暖制冷剂流52经由区B中的入口43返回到热交换器50。
同时，含油制冷剂流42也经由区B中的入口63进入热交换器50，然后在合适的接合点47处合并，作为一个或多个路径，以形成合并制冷剂流54。该组合流54继续向上流动，通过较暖出口72离开热交换器50作为组合出口流28。热交换器50不同于图2中的热交换器7，因为热交换器50具有额外的取出出口60以取出第一制冷剂流34。
以此方式，如果热交换器50内的合并流54的流量太低，使得流的速度低于含油流42中引入的油颗粒的末端速度，油或油颗粒不会掉下或落入热交换器50的“区A”，在区A油或油颗粒会被冻结并导致问题以及可能损坏热交换器50，如上所述。
与图2中的布置相比，图3中的布置在物理上隔离了油的可能流动路径，使油无法进入热交换器的存在油冻结温度的部段。
图4示出了根据本发明的第一一般实施方案的冷却来自液化气罐的蒸发气体流的方法，并且该方法使用单级混合制冷剂(SMR)、以及至少包括在液化热交换器系统中将BOG流与SMR进行热交换以提供冷却的BOG流的步骤，并且其中在SMR再循环系统中提供SMR。
更详细地，图4示出了从一个或多个LNG货罐(未示出)提供并且已经在压缩机(也未示出)中压缩的BOG流20。BOG流20任选地在第一环境热交换器14中使用容易获得的冷却介质(例如海水、淡水、机舱冷却水、空气)进行环境冷却，和/或在热交换器12中使用从制冷剂级联13经由流30供应的外部制冷剂的部分流32进行环境冷却。该任选冷却(和压缩)的BOG流然后进入至液化热交换器系统62。
液化热交换器系统62可以包括一个或多个热交换器的任何形式或布置，该系统能够允许在两个或更多个流之间(任选地在多个流之间)热交换，且任选地具有至少一个与系统的一部分或部分中(特别是在BOG流和制冷剂之一之间)一个或多个其他流逆流运行的流。多于一个热交换器的任何布置可以是串联、或并联、或串联和并联的组合，并且热交换器可以是分开的或联合的或邻接的，任选地在单个冷却单元或箱中是分开的或联合的或邻接的、并且任选地以一个或多个级的形式提供以与BOG流所需的热交换以液化BOG流。
就其中的平均温度而言，包括多于一个热交换器的液化热交换器系统通常具有比另一段、单元或级“更暖”的段、单元或级。
下文讨论和示出了合适的液化热交换器系统的一些变体。技术人员可以认识到其他变体，并且本发明不限于此。
在图4中所示的一般液化热交换器系统62中，冷却(和压缩)的BOG流被较冷流冷凝，并且冷凝的BOG流经由管道21离开交换器系统62，并且可以返回到LNG货罐。
在SMR系统中，来自制冷剂接收器1的SMR制冷剂气体22的初始流被送到喷油螺杆压缩机2。喷油螺杆压缩机在本领域中是众所周知的，在此不再进一步描述。喷油螺杆压缩机在工业中得到了很好的证明并且具有成本效益，特别是对于小规模或小容量压缩而言，但公知的缺点是一些油、甚至可能是微量的油可能会被夹带在通过压缩机的气体中，从而成为从压缩机排出的气体的一部分。
在图4中，使用一个喷油螺杆压缩机2压缩初始SMR流22提供压缩后的SMR流23，该缩后的SMR流进入第一油分离器3，该第一油分离器任选地具有过滤器，该过滤器分离压缩后的SMR流23以提供油类流25和第一SMR蒸气流24。大多数油在分离器3中通常通过重力和/或过滤被去除。回收的油类流25被排放到管道中，在该管道处压力差或任选的油泵4将油送到油冷却器5来冷却油，然后将油作为流重新注入压缩机2。
第一SMR蒸气流24大部分是无油的，但确实包含一定程度的油夹带。第一SMR蒸气流24在第二环境热交换器6中使用容易获得的冷却介质(例如海水、淡水、机舱冷却水、空气)冷却，并在另一个冷却器11中使用单独回路13进一步冷却以送至分离器8。分离器8提供作为第一制冷剂进入液化热交换器62的蒸气流26，在液化热交换器处制冷剂被冷却并至少部分地冷凝。
同时，蒸气-液体分离器8提供底部液相SMR流29，该底部液相SMR流通常包含液体和残余油量。此后，含油液相SMR流29的压力可以通过闪蒸阀9降低，从而导致一些汽化和相应的温度降低以提供至少部分汽化的液相含油SMR流42。
在图4中，第一制冷剂蒸气流26被冷却直到第一制冷剂蒸气流部分或全部冷凝，作为冷凝的SMR流27离开热交换器系统62。此后，压力通过节流阀10降低，从而导致部分汽化和温度降低以提供膨胀的最低温度SMR流34。膨胀的最低温度SMR流34是SMR系统中最冷SMR制冷剂流，该底部液相SMR流具有的温度低于喷油螺杆压缩机2中油的油冻结或油凝固温度。
膨胀的最低温度SMR流34通过入口49被送回至热交换器62，在该热交换器处膨胀的最低温度SMR流在加热时汽化，并且在这样做时冷却热交换器系统62中较暖流以提供大部分冷却负荷。较暖SMR制冷剂流然后可通过出口60取出以提供较暖SMR制冷剂流52，然后通过入口63送回至热交换器62。同时，液相含油SMR流42也经由合适的单独入口(未示出)进入热交换器，然后在热交换器内62的一个或多个合适位置处与较暖SMR制冷剂流52合并或汇合，以形成单一或合并流54。合并流54通过较暖出口72继续通过和离开热交换器系统62，从而作为冷却后的蒸气流28离开，返回到制冷剂接收器1。
图5示出了根据本发明的第二一般实施方案的冷却来自液化气罐的蒸发气体流的方法，并且该方法使用单级混合制冷剂(SMR)、以及至少包括在液化热交换器系统中将BOG流与SMR进行热交换以提供冷却的BOG流的步骤，并且其中在SMR再循环系统中提供SMR。与图4相比，图5中所示的方法不需要外部级联13。为清楚起见，并非图4至图7中所示的热交换器的所有入口和出口都已专门标记。
图5示出了从一个或多个LNG货罐(未示出)提供并且已经在压缩机(也未示出)中压缩的BOG流70。BOG流70可选地在第一环境热交换器64中使用容易获得的冷却介质(例如海水、淡水、机舱冷却水、空气)进行环境冷却。该任选冷却(和压缩)的BOG流71然后进入液化热交换器系统57(通常是钎焊铝板翅式热交换器)，在该液化热交换器系统处冷却(和压缩)的BOG流71被本文讨论的较冷流在SMR再循环系统101中之前冷凝，以经由管道73离开交换器系统57，并且可选地返回到LNG货罐。
在SMR系统101中，来自制冷剂接收器51的SMR制冷剂气体74的初始流被送到喷油螺杆压缩机65。油会夹带在通过压缩机的气体中，从而成为从压缩机排出的气体的一部分。
在图5中，使用一个喷油螺杆压缩机65压缩初始SMR流74提供了压缩后的SMR流75，该缩后的SMR流进入油分离器53，该油分离器任选地具有过滤器，该过滤器分离压缩后的SMR流75以提供油类流76和第一SMR蒸气流79。大多数油在分离器53中通常通过重力和/或过滤被去除。回收的油类流76被排放到管道中，在该管道车压力差或任选的油泵66将油送到流77，且油冷却器55来冷却油，然后将油作为流78重新注入压缩机65。
第一SMR蒸气流79大部分是无油的，但确实包含一定程度的油夹带。第一SMR蒸气流79在第二环境热交换器56中使用容易获得的冷却介质(例如海水、淡水、机舱冷却水、空气)冷却，以提供较冷第一蒸气流80。根据制冷剂的成分和压力，以及在第二环境热交换器56中达到的温度，SMR可能会开始发生一些冷凝。
较冷第一蒸发流80进入液化热交换器57，在该液化热交换器处制冷剂被冷却并至少部分地冷凝。制冷剂被冷却到高于油的凝固温度的温度。冷却的第一SMR蒸气流81沿液化热交换器系统57在中间温度取出，并进入蒸气-液体分离器58。在分离器58中，通常包含液体和残余油量的含油液相SMR流82可以作为流82排出。
在分离器58中，无油(或基本无油)SMR蒸气流84被送入到热交换器系统57。在图5中，无油SMR蒸气流84在中间温度处、任选地在与冷却的第一SMR蒸气流81的取出时的温度相似的温度处进入热交换器系统57。在热交换器系统57中，该无油SMR蒸气流84被冷却直到无油SMR蒸气流部分或全部地冷凝，从而作为冷凝的SMR流85离开热交换器系统57。此后，压力通过节流阀61降低，从而导致部分汽化和温度降低以提供膨胀的最低温度SMR流86。膨胀的最低温度SMR流86是SMR系统中最冷SMR制冷剂流101，该最冷SMR制冷剂流具有的温度低于喷油螺杆压缩机65中油的油凝固温度。
膨胀的最低温度SMR流86被送回至热交换器系统57，在该热交换器系统处膨胀的最低温度SMR流在加热时变成较暖SMR制冷剂流67，并且这样做时冷却热交换器系统57中的较暖流以提供大部分冷却负荷。
较暖SMR制冷剂流67然后可以通过合适的中间出口取出以提供外部SMR流68，然后经由合适的入口返回到热交换器57，该入口与中间出口处于或接近相同的水平或位置。
同时，含油液相SMR流82的压力可以通过闪蒸阀59降低，从而导致一些汽化和相应的温度降低。SMR系统101被设计成使得该较低温度仍高于油的凝固温度。膨胀的流83经由合适的入口进入热交换器57，然后与返回的SMR流汇合以在热交换器57内形成单一或合并流69。合并流69继续通过和离开热交换器系统57，从而作为冷却后的蒸气流89离开，返回到制冷剂接收器51。
在图5中示出的液化热交换器系统可以包括一个或多个热交换器的任何形式或布置，该一个或多个热交换器能够允许在两个或更多个流之间(任选地在多个流之间)热交换，且任选地具有至少一个与系统的一部分或部分中(特别是在BOG流和制冷剂之一之间)一个或多个其他流逆流运行的流。多于一个热交换器的任何布置可以是串联、或并联、或串联和并联的组合，并且热交换器可以是分开的或联合的或邻接的，任选地在单个冷却单元或箱中是分开的或联合的或邻接的、并且任选地以一个或多个级的形式提供以与BOG流所需的热交换以液化BOG流。
就其中的平均温度而言，包括多于一个热交换器的液化热交换器系统通常具有比另一段、单元或级“更暖”的一个段、单元或级。
合适的液化热交换器系统的变体是已知的，包括含有两个热交换器的液化热交换器系统。本领域技术人员意识到在本发明的范围内可能的其他变化。
例如，代替图5中所示的单个液化热交换器系统，可以使用第一和第二平行液化热交换器系统，每个液化热交换器系统都使用根据本发明的冷却BOG流的方法，并且可能基于分流图5中较冷第一蒸气流80或膨胀的最低温度SMR流86或类似的流，以形成用于每个热交换器的分流。第一和第二液化热交换器系统可以相同或相似，即具有相同或相似的尺寸和/或容量；但是本发明延伸至不同的第一和第二液化热交换器系统，诸如具有不同的尺寸或容量。
两个热交换器系统的优点允许用户更好地调节热交换器系统，尤其是在货船上的有限或受限空间或间距内，和/或帮助分担所需的负载、装载负荷、冷却、冷却负荷，尤其是在由于待再液化的BOG流的量或性质变化而可能存在变化的情况下。
图6示出了根据本发明的另一个实施方案冷却来自液化气罐的蒸发气体流的方法，并且该方法使用单级混合制冷剂(SMR)。图6示出了从一个或多个LNG货罐提供的BOG流70，并且需要以关于上文描述的本发明的第一、第二和第三实施方案所描述的方式进行再液化。
图6示出了两个液化和分离系统110A和110B。每个系统都基于图5中标记为110的部分，并且该部分涵盖液化热交换器系统57、蒸气-液体分离器58、以及在110的边界内的流和与其相关联的管道。
因此，图6表示提供两个单独的液化和分离系统110A和110B。
图6示出了较冷第一蒸气流80的分流，以及任选冷却和压缩的BOG流71分流为分开的BOG流71A和71B，其中每个分开流进入各自的第一液化和分离系统110A和第二液化和分离系统110B。图6还示出了由第一液化和分离系统110A和第二液化和分离系统110B提供的所得液化BOG流73A和73B，然后这些流可以合并成如上所述的单个返回BOG流73。
第一液化和分离系统110A和第二液化和分离系统110B中的每一个的温度和/或操作可以与图5中系统110所示的相同或不同。图6中所示的本发明的实施方案为用户提供了上文所述的优点，特别是通常由于待再液化的BOG供应的变化，允许液化和分离系统的定位和/或位置方面的一些变化，和/或液化和分离系统110A和110B中的每个的容量方面的变化。
技术人员可以看出，本发明可以通过使用多于两个的单元、级、框架等(诸如使用多于两个的液化热交换器、多于两个的蒸气-液体分离器等)来提供，以便提供最有效的整体方法来冷却待提供给它的BOG，同时只需要提供一个SMR制冷系统。
本发明是对用于BOG冷却(特别是LNG再液化)的制冷剂循环的改进，其允许在制冷系统中使用具有成本效益的喷油螺杆压缩机。本发明还能够调节第一制冷剂流和含油制冷剂流的不同流量或流速的可能性，使得该过程的用户减少或不担心由含油制冷剂流的流量或流速的变化引起的热交换器的可能的油冻结和阻塞。此外，减少或完全消除了定期维护热交换器，以尤其是在热交换器的通常最冷的部分、或至少在低于油冷凝点的温度下操作的部分去除冷冻油的需要。

Claims (17)

1.一种冷却来自液化气罐的蒸发气体(BOG)流的方法，所述方法至少包括在热交换器中将所述BOG流与第一制冷剂进行热交换的步骤，热交换器具有入口和较暖出口，并且所述方法至少包括以下步骤：
(a)使所述第一制冷剂进入所述热交换器的所述入口、并进入所述热交换器的第一区以与所述BOG流进行热交换，以提供第一较暖制冷剂流；
(b)在所述入口与所述较暖出口之间的中间出口处、从所述热交换器取出所述第一较暖制冷剂流；
(c)使所述第一较暖制冷剂流通过位于所述热交换器的、比所述第一区更暖的第二区中的入口；
(d)使含油制冷剂流通过位于所述热交换器的、比所述第一区更暖的第二区中的入口；
(e)在所述热交换器中混合所述第一较暖制冷剂流和所述含油流以形成合并制冷剂流；和
(f)使所述合并制冷剂流通过所述较暖出口离开所述热交换器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述BOG来自浮动船舶中的液化货罐。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述BOG来自液化天然气(LNG)货罐。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述含油制冷剂为单级混合制冷剂(SMR)、或单级混合制冷剂的一部分。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述热交换器为BOG液化热交换器系统中的单个液化热交换器。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述热交换器是液化热交换器系统，所述液化热交换器系统包括多单元液化热交换器，且包括两个或更多个热交换器单元，并且所述BOG流和所述第一制冷剂至少通过所述热交换器单元的最冷处。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述热交换器为立式热交换器或接近立式的热交换器。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述热交换器包括板翅式热交换器或印刷电路热交换器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述含油制冷剂流中的油是压缩机润滑油。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括在步骤(a)之前使所述第一制冷剂膨胀的步骤。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤(e)的温度高于所述热交换器中所述第一区的温度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述中间出口位于所述热交换器的、比所述第一区更暖的所述第二区内。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，用于所述含油制冷剂流进入至所述热交换器的所述入口与用于所述第一较暖制冷剂流的所述入口在同一第二区内。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二区的温度比所述含油制冷剂的油的冻结温度更暖。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法使用单级混合制冷剂(SMR)、且至少包括在液化热交换器系统中将所述BOG流与所述SMR进行热交换以提供冷却的BOG流的步骤，
其中，所述SMR设置在SMR再循环系统中，所述SMR再循环系统至少包括以下步骤：
(a)使用至少一台喷油螺杆压缩机压缩所述SMR以提供压缩后的SMR流；
(b)分离所述压缩后的SMR流以提供油类流和第一SMR蒸气流；
(c)使所述第一SMR蒸气流进入所述液化热交换器系统以冷却所述第一SMR蒸气流并提供冷却的第一SMR蒸气流；
(d)从所述液化热交换器系统取出所述冷却的第一SMR蒸气流；
(e)分离所述冷却的第一SMR蒸气流以提供含油液相SMR流和无油SMR蒸气流；
(f)使所述无油SMR蒸气流通过所述液化热交换器系统以提供冷凝的SMR流；
(g)使所述冷凝的SMR流膨胀以提供膨胀的最低温度SMR流，以通过所述液化热交换器系统以与所述BOG流进行热交换，并提供较暖SMR流；
(h)在中间出口处从所述液化热交换器系统取出所述较暖SMR流；
(i)使步骤(e)的所述含油液相SMR流膨胀以提供至少部分膨胀的含油制冷剂流；
(j)步骤(h)的所述较暖SMR流和步骤(i)的所述至少部分膨胀的含油制冷剂流通过位于所述液化热交换器系统的、比所述第一区更暖的第二区中的单独入口进入所述液化热交换器系统；
(k)在所述热交换器中将所述较暖SMR流与所述含油制冷剂流合并以提供合并制冷剂流；
(l)使所述合并制冷剂流通过位于所述液化热交换器系统的、比所述第一区更暖的第二区中的入口进入所述液化热交换器系统；以及
(m)使所述合并制冷剂流通过所述较暖出口离开所述液化热交换器系统。
16.一种SMR再循环系统，所述SMR再循环系统与使用单级混合制冷剂(SMR)冷却液化气罐中蒸发气体(BOG)流的方法一起使用，所述方法至少包括在液化热交换器系统中将所述BOG流与所述SMR进行热交换以提供冷却的BOG流的步骤，
其中，所述SMR设置在SMR再循环系统中，所述SMR再循环系统至少包括以下步骤：
(a)使用至少一台喷油螺杆压缩机压缩所述SMR以提供压缩后的SMR流；
(b)分离所述压缩后的SMR流以提供油类流和第一SMR蒸气流；
(c)分离所述第一SMR蒸气流以提供含油液相SMR流和SMR蒸气流；
(d)使所述SMR蒸气流通过所述液化热交换器系统以提供冷凝的SMR流；
(e)使所述冷凝的SMR流膨胀以提供膨胀的最低温度SMR流，以进入所述液化热交换器系统的第一区以与所述BOG流进行热交换，并提供较暖SMR流；
(f)在中间出口处从所述热交换器取出所述较暖SMR流；
(g)使所述第一较暖SMR流通过位于所述热交换器的、比所述第一区更暖的第二区中的入口；
(h)使所述含油液相SMR流通过位于所述热交换器的、比所述第一区更暖的第二区中的入口；
(i)在所述热交换器中混合所述第一较暖制冷剂流和所述含油液相SMR流以形成合并制冷剂流；以及
(j)使所述合并制冷剂流通过所述较暖出口离开所述热交换器。
17.一种用于冷却来自液化气罐的蒸发气体BOG流的装置，所述装置包括根据权利要求1-16中任一项所述的制冷剂系统和用于与所述BOG流进行热交换的热交换器。
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