CN116558228A - 一种利用lng冷能和节流制冷的天然气bog直接再液化系统及方法 - Google Patents

一种利用lng冷能和节流制冷的天然气bog直接再液化系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用LNG冷能和节流制冷的天然气BOG直接再液化系统，属于天然气液化技术领域，包括增压单元、回热器、膨胀阀、换热器、BOG缓冲罐、LNG贮罐、LNG缓冲罐；其中，增压单元的出口顺次连接回热器的第一通道、膨胀阀、换热器的第一通道、回热器的第二通道以及增压单元的进口；所述的BOG缓冲罐顺次连接换热器的第二通道、LNG贮罐的进口端；所述的LNG缓冲罐的出液口与一级换热器的第三通道相连接。本发明利用LNG的冷能和氮气节流制冷技术，将低温低压的BOG直接进行液化，系统具有安全、工艺结构简单、经济性好的特征。

Description

一种利用LNG冷能和节流制冷的天然气BOG直接再液化系统及 方法
技术领域
本发明涉及天然气液化技术领域，尤其是涉及一种利用LNG冷能和节流制冷的天然气BOG直接再液化系统及方法。
背景技术
天然气产业链中，常将天然气制成液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)(其体积约为原来气态体积的1/600)，以便于贮运。在LNG生产过程中，需要通过末级节流阀将液化压力降至贮罐压力。天然气中各组分的沸点不同(常压下，氮气：77.36K，甲烷111.7K，丙烷：231.03K)，在贮罐压力下，节流过程相当于对LNG进行一次简单蒸发，沸点较低的气体分子率先从LNG中逸出，称为闪蒸气(Boil Off Gas,BOG)。此外，将LNG流经节流阀后形成的气液混合物通过低温管道送至LNG罐贮存，贮存过程中因环境向贮罐漏热，也会产生BOG，其组分主要是氮气和甲烷。为了避免LNG贮罐的超压，需要将BOG去除，常用的处理方式有燃烧和再液化，其中，后者因回收甲烷而更具有经济和社会效益。
常见的BOG再液化制冷工艺主要包括：混合制冷剂循环和氮气逆布雷顿循环。其中，氮气逆布雷顿循环采用氮气为工质，整个过程中氮气不发生相变，具有安全、鲁棒性好、占地面积小及操作和维护成本低等优点，在天然气液化流程中被广泛采用，其原理为，高压的氮气通过膨胀机膨胀降低自身温度，然后低温低压的氮气通过显热变化提供BOG再液化所需要的冷量。
如公开号为CN108870866A的中国专利文献公开了一种采用BOG作制冷剂适用于LNG运输船的BOG再液化回收工艺。该工艺包括如下步骤：原料BOG经过换热器复热后，进入压缩机、膨胀机压缩端压缩冷却后进入换热器进一步冷却，输入至冷箱中经冷却降温、节流后进入气液分离罐，液相LNG进入储罐储存；制冷剂BOG与经复热的原料BOG一起进入压缩机、膨胀机压缩端压缩冷却后进入换热器进一步冷却，输入至冷箱中进行预冷，预冷后的制冷剂BOG从冷箱中引出，进入膨胀机膨胀端，经膨胀节流降温后，返回冷箱为冷箱提供冷量；经过复热后的制冷剂BOG与经复热的原料BOG重复上述操作。
然而，现有的BOG再液化流程多采用将BOG复温至常温后加压(提高液化温度)，然后二次降温液化，再节流至常压的方式，增加了换热损失、设备投资(如BOG压缩机组、多流股换热器、节流阀)及系统复杂度(如多流股换热器中各流股流量的控制)，且节流后不可避免有新的BOG产生，降低了液化产量。
发明内容
为改善现有工艺的不足，本发明提供了一种利用LNG冷能和节流制冷的天然气BOG直接再液化系统，利用LNG的冷能和氮气节流制冷技术，将低温低压的BOG直接进行液化，系统具有安全、工艺结构简单、经济性好的特征。
本发明的技术方案如下：
一种利用LNG冷能和节流制冷的天然气BOG直接再液化系统，包括增压单元、回热器、膨胀阀、换热器、BOG缓冲罐、LNG贮罐、LNG缓冲罐；
其中，增压单元的出口顺次连接回热器的第一通道、膨胀阀、换热器的第一通道、回热器的第二通道以及增压单元的进口；
所述的BOG缓冲罐顺次连接换热器的第二通道、LNG贮罐的进口端；所述的LNG缓冲罐的出液口与一级换热器的第三通道相连接。
进一步地，所述的增压单元采用单级或多级压缩，级间冷却的方式。优选地，选用水冷却的方式。
进一步地，来自所述的增压单元的带压常温氮气在所述回热器的第一通道内，被来自换热器预热后的冷氮气和来自LNG缓冲罐的LNG预冷，预冷后的带压氮气经过膨胀阀节流降温，复温气化后的LNG加压计量后外输使用，复温后的氮气进入增压单元。
进一步地，采用氮气节流制冷技术提供BOG液化所需要的冷量；经过膨胀阀节流后的工质为气-液两相状态，且温度低于液化后BOG的饱和温度，优选地温度差为1.5～3℃。该设置是因为两股流换热器的夹点温差一般出现在换热器的冷端，小的夹点温差意味着较大的换热器(影响投资成本、占地面积等)，但传热效率更高(根据热二律，降低低温段传热温差对提高系统能效更显著)，综合考虑换热器的换热面积和低温段的传热温差，优选了1.5～3℃的冷端温差。
进一步地，经过换热器加热后的氮气温度低于膨胀阀膨胀前工质的温度，优选地温差为3-5℃。该设置是因为换热器加热后的氮气温度同时影响换热器的热端温差和回热器的冷端温差，为避免回热器的换热面积过大，同时兼顾换热器和回热器的传热效率，优选温差为3-5℃。
进一步地，所述的BOG缓冲罐中的BOG温度为-120℃～-140℃，气压为120kPa～160kPa。所述LNG缓冲罐中的LNG为气压120kPa-160kPa的饱和液体。
进一步地，所述回热器的第二和第三通道出口处的氮气和天然气的温度相等，且高于0℃。
进一步地，所述的回热器和换热器均采用板翅式结构。
本发明还提供了一种天然气BOG直接再液化的方法，使用上述天然气BOG直接再液化系统，包括以下步骤：
步骤1，循环氮气在压缩单元中进行增压冷却，然后进入回热器的第一通道与来自换热器的冷氮气以及来自LNG缓冲罐的低压饱和LNG进行换热，同时自身被冷却；
步骤2，将经过回热器气化至接近常温的低压天然气送至天然气计量加压装置，将经过回热器冷却后的氮气送入膨胀阀进行节流降温，成为气-液混合物；
步骤3，通过膨胀阀降压得到的氮气-液混合物进入换热器的第一通道，与来自BOG缓冲罐的低压低温BOG进行换热，同时自身被加热至过热状态，液化后的BOG进入LNG贮罐贮存；
步骤4，经过换热器加热后的低压过热氮气进入回热器的第二通道，与来自增压单元的增压常温的氮气进行换热，同时自身被加热复温；
步骤5，在回热器中复温后的氮气进入增压单元进行增压冷却，完成一个循环。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明同时利用LNG的冷能与氮气节流制冷技术。利用LNG气化释放的冷能提供预冷氮气所需的大部分冷量，从而省去了氮气膨胀需要的透平膨胀机，且回收了宝贵的LNG冷能；此外，将LNG气化后加压，省去了昂贵的低温潜液泵。利用节流后氮的气-液混合物提供BOG再液化需要的冷量，降低了氮气流量和传热损(尤其是低温段)，提高了系统的能效和经济性。
2、本发明将来自LNG贮罐的低温低压BOG直接液化，省去了BOG复温、压缩及节流需要的设备，简化了工艺结构，提高了经济性。其次，避免了对BOG复温及二次降温过程造成的损失，提高了系统的综合能源利用效率。再次，BOG液化后不进行节流，避免了产生新的BOG，提高了BOG的液化产量。
附图说明
图1为本发明一种利用LNG冷能和节流制冷的天然气BOG直接再液化系统的工艺流程图。
图中：增压单元1、回热器2、膨胀阀3、换热器4、BOG缓冲罐5、LNG贮罐6、LNG缓冲罐7。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种利用LNG冷能和节流制冷的天然气BOG直接再液化系统，包括增压单元1、回热器2、膨胀阀3、换热器4、BOG缓冲罐5、LNG贮罐6、LNG缓冲罐7。
其中，增压单元1的出口顺次连接回热器2的第一通道、膨胀阀3、换热器4的第一通道、回热器2的第二通道、以及增压单元1的进口。
BOG缓冲罐5顺次连接换热器4的第二通道、LNG贮罐6的进口端；LNG缓冲罐7的出液口与一级换热器2的第三通道相连接。
本实施例中，增压单元1采用单级压缩、水冷却的方式。预冷氮气所需的冷量由LNG的冷能和返流的冷氮气提供。
本发明通过采用氮气节流制冷技术，提供液化BOG所需的冷量，经过所述的膨胀阀3节流后的工质为气-液两相状态，且温度低于液化后BOG的饱和温度，温差为3℃。
换热器4加热后的氮气温度为-153.1℃，膨胀阀膨胀前工质的温度为-150℃。
回热器2的第二和第三通道出口处氮气和天然气的温度相等，为4.4℃。
BOG缓冲罐8中的BOG的温度和压力分别为-140℃、160kPa，所述的LNG缓冲罐7中的LNG的压力和温度分别为160kPa，-162℃。
回热器2和换热器4采用板翅式结构。
利用上述液化系统的液化方法，包括以下步骤：
步骤1，流量、压力和温度分别为1215kmol/h、1296kPa和4.4℃的循环氮气在压缩单元1中进行增压冷却至3910kPa和31.85℃，然后进入回热器2的第一通道，与来自换热器4的冷氮气(-153.1℃)和来自LNG缓冲罐7的LNG(365kmol/h)进行换热，同时自身被冷却至-150℃；
步骤2，将经过回热器2气化后的天然气(150kPa，4.4℃)送至天然气计量加压装置，将经过回热器2冷却后的氮气(3890kPa，-150℃)送入膨胀阀3进行节流降温，成为气-液混合物；
步骤3，通过膨胀阀3降压得到的氮气-液混合物(1300kPa，-165℃)进入换热器4的第一通道，与来自BOG缓冲罐5的BOG(446.1kmol/h，160kPa，-140℃)进行换热，同时自身被加热至-153.1℃，液化后的BOG(150kPa，-162℃)进入LNG贮罐6贮存。
步骤4，经过换热器4加热后的氮气(1306kPa，-153.1℃)进入回热器2的第二通道，与来自增压单元1的增压常温氮气(1215kmol/h，3900kPa，31.85℃)进行换热，同时自身被加热至4.4℃；
步骤5，在回热器2中复温后的氮气(1296kPa，4.4℃)进入增压单元1进行增压，完成一个循环。
采用该液化系统的实施例中，省去了复杂昂贵的低温透平膨胀机，回收了宝贵的LNG冷能；压缩机的压比不超过3，只需要一台单级压缩机即可满足；系统最高运行压力为3900kPa，降低了对设备和管路的强度要求；系统单位液化产品能耗低至0.17kW·h/kg(BOG)。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用LNG冷能和节流制冷的天然气BOG直接再液化系统，其特征在于，包括增压单元(1)、回热器(2)、膨胀阀(3)、换热器(4)、BOG缓冲罐(5)、LNG贮罐(6)、LNG缓冲罐(7)；
其中，增压单元(1)的出口顺次连接回热器(2)的第一通道、膨胀阀(3)、换热器(4)的第一通道、回热器(2)的第二通道以及增压单元(1)的进口；
所述的BOG缓冲罐(5)顺次连接换热器(4)的第二通道、LNG贮罐(6)的进口端；所述的LNG缓冲罐(7)的出液口与回热器器(2)的第三通道的进口相连接。
2.根据权利要求1所述的利用LNG冷能和节流制冷的天然气BOG直接再液化系统，其特征在于，所述的增压单元(1)采用单级或多级压缩，级间冷却的方式。
3.根据权利要求1所述的利用LNG冷能和节流制冷的天然气BOG直接再液化系统，其特征在于，来自所述增压单元(1)的带压常温氮气在回热器(2)的第一通道内，被来自换热器(4)预热后的冷氮气和来自LNG缓冲罐(7)的LNG预冷，预冷后的带压氮气经过膨胀阀(3)节流降温，复温气化后的LNG加压计量后外输使用，复温后的氮气进入增压单元(1)。
4.根据权利要求1所述的利用LNG冷能和节流制冷的天然气BOG直接再液化系统，其特征在于，采用氮气节流制冷技术提供BOG液化所需要的冷量；经过膨胀阀(3)节流后的工质为气-液两相状态，且温度低于液化后BOG的饱和温度，温差为1.5～3℃。
5.根据权利要求1所述的利用LNG冷能和节流制冷的天然气BOG直接再液化系统，其特征在于，经过换热器(4)加热后的氮气温度低于膨胀阀(3)膨胀前工质的温度，温差为3-5℃。
6.根据权利要求1所述的利用LNG冷能和节流制冷的天然气BOG直接再液化系统，其特征在于，所述的BOG缓冲罐(8)中的BOG温度为-120℃～-140℃，气压为120kPa～160kPa。
7.根据权利要求1所述的利用LNG冷能和节流制冷的天然气BOG直接再液化系统，其特征在于，所述LNG缓冲罐(7)中的LNG为气压120kPa-160kPa的饱和液体。
8.根据权利要求1所述的利用LNG冷能和节流制冷的天然气BOG直接再液化系统，其特征在于，所述回热器(2)的第二和第三通道出口处的氮气和天然气的温度相等，且高于0℃。
9.根据权利要求1所述的利用LNG冷能和节流制冷的天然气BOG直接再液化系统，其特征在于，所述的回热器(2)和换热器(4)均采用板翅式结构。
10.一种天然气BOG直接再液化的方法，其特征在于，使用权利要求1～9任一所述的天然气BOG直接再液化系统，包括以下步骤：
步骤1，循环氮气在压缩单元(1)中进行增压冷却，然后进入回热器(2)的第一通道与来自换热器(4)的冷氮气以及来自LNG缓冲罐(7)的低压饱和LNG进行换热，同时自身被冷却；
步骤2，将经过回热器(2)气化至接近常温的低压天然气送至天然气计量加压装置，将经过回热器(2)冷却后的氮气送入膨胀阀(3)进行节流降温，成为气-液混合物；
步骤3，通过膨胀阀(3)降压得到的氮气-液混合物进入换热器(4)的第一通道，与来自BOG缓冲罐(5)的低压低温BOG进行换热，同时自身被加热至过热状态，液化后的BOG进入LNG贮罐(6)贮存；
步骤4，经过换热器(4)加热后的低压过热氮气进入回热器(2)的第二通道，与来自增压单元(1)的增压常温的氮气进行换热，同时自身被加热复温；
步骤5，在回热器(2)中复温后的氮气进入增压单元(1)进行增压冷却，完成一个循环。
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