CN1283777A - 低温液体蒸发器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于有效地抑制热应力产生的方法和装置,是当加热低温液体的热交换器起动时进行缓慢冷却情况下会产生热应力。在装备有入口室的热交换器中进行缓慢冷却的方法中,将一种低温液体送入该入口室,低温液体在入口室内喷射,其流速在缓慢冷却过程中低于在通常操作过程中。一种缓慢冷却装置带有缓慢冷却液体天然气供送装置,该供送装置具有喷射低温液体的喷射装置。

Description

低温液体蒸发器
本发明涉及一种蒸发器，用于在低温下使用具有加热介质的热交换器来蒸发液体例如液化天然气(下文中称为LNG)。
作为蒸发低温液体如天然气的一种装置，一般使用在低温液体与加热介质之间的热交换。例如，日本专利昭53-5207公开了一种中间介质类型的蒸发器，该蒸发器除热源流体外使用中间介质通过使用在中间介质与液化天然气之间的热交换来蒸发液化天然气。
图7表示这种热交换器的一例。该简图表示一个液化天然气蒸发器，它包括一个中间介质蒸发器E1，一个液化天然气蒸发器E2，及一个天然气(下文称为NG)加热器E3。进一步，作为热源流体(在该所示例中为海水)的路径，其中顺序设置有入口室10，较大数目的热源管12、中间室14、较大数目的热源管16以及出口室18，热源管12和热源管16是分别装设在天然气加热器E3中和中间介质蒸发器E1中。在中间介质蒸发器E1中容纳有中间介质(例如丙烷)17，它的沸点低于热源流体的海水沸点。
如图8所示，液化天然气蒸发器E2包括一个胶囊形外壳21，外壳的密闭端部分通过管板25与其它部分隔离开。而且，水平隔板20是安置在该密闭端部，以此限定了入口室22和出口室24，它们是彼此隔开的，室22和室24是与许多基本为U一字形的热传递管23相通。每个热传递管23的中间部分是在中间介质蒸发器E1上部延伸出来，而它们的末端部分是通过管板25并固定于其上。
在入口室22中，设有一个导入液化天然气的供送部分28，它是通过供送路径(未示出)连接于液化天然气供给源。在出口室24中，设有一个天然气卸出装置29，它是通过天然气导管26连接于天然气加热器E3的内部。
在该蒸发器中，作为热源流体的海水，通过入口室10、热源管12、中间室14及各热源管16，然后达到出口室18。在通过各热源管16的海水与中间介质蒸发器E1中的液体中间介质17之间进行热交换来蒸发中间介质17。
作为蒸发对象的液体天然气被从入口室22引入各热传递管23。在热传递管23中的液体天然气与中间介质蒸发器E1中的中间蒸发介质17之间通过热交换，中间介质发生冷凝，冷凝热便蒸发液体天然气并随后得到天然气。将这种天然气从出口室24通过天然气管26引入天然气加热室E3中，并进一步与流经天然气加热室E3中各管12的海水进行热交换，然后供送到所需要的地方。
在上述液体天然气蒸发器中(和各种类型的其它低温液体加热热交换器中)，当低温液体在开始时突然以较大的流速被引入时，会产生一种大的热应力。鉴于这种情况，在讲述时，如图8所示，供送流速被减低以便能进行缓慢冷却操作，在其中液体天然气的供送只能一点一点地从液体天然气供应部分28送至入口室22。
然而，当流速如此减低和液体天然气一点一点地从液体天然气供应部分28流出时，该液体天然气首先流至外壳21的底部，然后分布于整个入口室22中，这样以来入口室22的底部先于其它部分而局部冷却。例如在图8中所示的结构中，在缓慢冷却过程中会产生一种图9所示的明显的温度梯度和产生一种归因于这种温度的热应力。
就是说，很难如已有技术那样，仅仅通过减低液体天然气的流速，来有效地缓解在入口室22中所产生热应力。特别是，在热交换器中，由于热交换器频繁地起动/停止，有可能产生疲劳破裂，例如在外壳21与管板25之间的焊接部分或在管板25与水平隔板20之间的焊接部分。而且，不仅起动时容易产生类似的温度梯度，而且在热交换器操作临时中断降低液体天然气流速以缓慢冷却时也易产生类似温度梯度。
本发明正是根据上述问题的解决而完成的。本发明的目的是提供用来蒸发低温液体的一种蒸发器，在其中当开始进行缓慢冷却等时有可能抑制热应力的产生。
为了达到上述目的，本发明提供了一种热交换器中缓慢冷却用于加热一种低温液体方法，热交换器装设有一入口室，在入口室中引入低温液体，其中当进行缓慢冷却时，低温液体便以低于正常操作时的流速喷洒在入口室中。
在此方法中，低温液体以低于正常操作时的流速被扩散和供送至入口室内的一宽广区域，这样便减少了在入口室内的温度梯度，以此有效地降低了热应力。
更具体地说，入口室装备有一正常操作供送装置和一带有喷射功能的缓慢冷却供送装置；在正常操作过程中，低温液体至少是从正常操作供送装置送入入口室，和在缓慢冷却过程中低温液体只是从喷射装置中供送，以此便有可能供给在缓慢冷却时通过上述缓慢冷却供送装置将适合于缓慢冷却的低温液体送入入口室，以及在完成缓慢冷却之后有可能通过正常操作供送装置来供应适合于正常操作的液体天然气。
而且，按照本发明，上述方法是由一个蒸发器来进行，蒸发器包括一个入口室；一个热传递管，低温液体从所述入口室引入热传递管，并在热传递管中被蒸发；及一个在入口室内喷射低温液体的装置。
作为喷射装置，可采用各种类型的。例如，构造成这样的喷射装置，使低温液体从入口室内的多处喷射出来，这样便有了可能进一步加宽喷射区域，使比从一个喷射处喷布的液体区更宽。
进一步，通过安装喷射装置使至少入口室内壁的上半部分包括在喷射区内，这样低温液体便在对着上半部分内壁喷洒后逐渐向下流动，这便有可能将低温液体分布得更加均匀。
还有，通过安装喷射装置使入口室中的焊接部分地也包括在喷射区域内，这便有可能同时冷却焊接部分两侧的多个组件，这样便可减少这些组件之间的温度差别，从而便可能更有效地防止由于焊接部分的温差引起的热应力所造成的破坏。
在该装置中，更理想的是提供一种入口室，它既有喷射装置，又有正常的操作供送装置，用来以比喷射装置更高的流速供送低温液体。
在那种情况下，通过设置一种从共同低温液体供应源分支的供送路径到正常操作的供给装置和到喷射装置，以及通过在通入喷射装置的供送路径中提供一个用来改变供送流速的流速变化装置，它与通往正常操作供送装置的供给路径单独分开，这样便有可能根据具体情况在缓慢冷却过程中自由调节低温液体供送量。
流速改变装置可以是一个遥控阀，能通过手工遥控来改变低温液体的流速，或者是一个温度调节阀，能调节低温液体流速，从而保持入口室中的温度在一预定目标温度内。在后一种情况下，有可能自动进行操作以保持入口室中的温度在预定温度范围，例如，在热交换器的操作暂时中断过程中(所谓的冷却保持操作)。
在本发明中，对整个热交换器的具体结构没有特殊限制。然而，在入口室邻近于出口室，通过隔板的中介作用来进行低温液体蒸发kuro的结构中，隔板被通过出口室的加热了的流体加热，在隔板与构成入口室的其它组件之间的温度差别趋于增大，因而本发明应用于热交换器特别有效。
附图简述
图1是本发明液体天然气蒸发器的入口室的剖视图；
图2是沿图1的Ⅰ-Ⅰ线拍摄的剖视图；
图3A和3B表示本发明的喷射部分；
图4是表示将液体天然气供入液体天然气蒸发器的一个系统简图；
图5是本发明一实施例的入口室的剖视图；
图6是本发明一实施例中一个热电偶和一个畸变测量计的剖视图；
图7是装有液体天然气蒸发器的中间介质类型蒸发器的剖视图，它是用于低温流体的热交换器的一例；
图8是传统式液天然气蒸发器的入口室的剖视图；
图9是表示在传统式液体天然气蒸发器中入口室的温度梯度的线图。
优选实施例的描述
图1至图4表示本发明一个实施方案。该实施方案的结构如图1和图2所示，这种结构不同于图8中所示的传统式结构之处在于设有入口室22，除过一个管式液体天然气供送部分28用于正常操作之外，它带有一个喷射装置30，并且所处的位置比正常操作液体天然气供应28离管板25距离更远(位置在图1和图2中左侧)。
在本发明中，对在正常操作液体天然气供应部分28与喷射装置30之间的位置关系没有特别限制。
在图2中，一个主管部分34在外壳宽度方向(图2中的垂直方向)上从入口部分32向下延伸。多个喷射部36安排在主管部分34纵轴方向中。
每个喷射部分36可有任何一种构造，只要能够通过主管部34强制供给喷射液体天然气。喷射部分的适合例子包括图3A中所示的喷咀36a和图3B中所示的一个多孔板喷淋喷咀36b。也可以采用这样的构造，在其中只设置一个单一的喷咀，通过摇摆喷咀进行喷射。
如图1所示，在此实施方案中，每个喷射部分36的方向稍许向上倾斜，并且喷射部分36应这样安排，使喷射区域基本上包括管板25的整个内壁、在外壳21的底壁与管板25之间的连接部分(焊接部分)27A、以及在管板25与隔板20之间的连接部分(焊接部分)27B。
图4表示该实施方案的液体天然气供送系统。从液体天然气供给源起的供送路径，分支成为一个正常的操作供送路径38和一个缓慢冷却供送路径40；正常操作供送路径38是连接于正常的操作液体天然气供给部分28，而缓慢冷却供送路径40是连接于喷射装置30。
遥控阀42和44作为流速调节装置分别设置在供送路径38和40中。在正常操作供送路径38一侧的遥控阀44是用来保持液体天然气供送速率于预设的目标流速中。另一遥控阀42可用手工进行遥控(流动速率调节)。
下面，将描述这种装置的操作方法。
首先，当该装置在室温起动时，关闭流速调节阀42，将在正常操作供送路径38中的液体天然气流速减少至零，并将遥控阀44开启到适当程度来将液体天然气以缓慢流速(流速低于正常操作过程中的流速)通过缓慢冷却路径40送入入口室22。这种液体天然气从总管道部分34分布于喷射部分36中，并喷射部分36朝向管板25喷射到一宽广的范围内。
因此，在这种缓慢冷却方法中，完全不用担心产生入口室22的下部分局部冷却，正如在传统缓慢冷却方法中那样，液体天然气从正常操作流体天然气供给部分28一点一点向下流动，而在本发明方法中入口室22的内部在整个垂直范围内可实现基本上均匀地冷却。结果，在形成入口室22的各构件中所产生的热应力便被有效地减小。特别是，如附图中所示，当在隔板20与管板25之间的连接部分(焊接部分)27B，和在管板25与外壳21之间的连接部分(焊接部分)27A都被包括在喷射区域时，便有可能更可靠地减少在隔板20与管板25之间的，和管板25与外壳21之间的温度差，以此便有可能更有效地防止由温差产生的热应力引起的焊接部分的疲劳断裂。
在这样完成缓慢冷却后，完全关闭遥控阀44，或使流动速率调节阀42起动操作，随着远距离遥控阀42开启，便通过正常操作供送路经38供给液体天然气并且正常操作液体天然气供给部分28也像在已有技术中那样运行。通过监测，例如，在入口室22中的温度，可以确定是否缓慢冷却已经完成。
图5是表示第二实施方案，在此实施方案中，省略了第一实施方案的总管道部分34，而将喷射部分36直接安装在外壳21的底壁上。喷射部分将液体天然气倾斜地向上喷射，并且如此安排，使隔板20与管板25之间的连接部分(焊接部分)27B也包括在喷射区域中。
在此实施方案中，入口室22的内壁的上半部分也包括在喷淋区域中，这样，特别是入口室22的下部分的局部冷却也被缓解了，以此可防止产生大的热应力。而且，由于在隔板20与管板25之间的连接部分(焊接部分)也包括在喷射区内，所以有可能更加有效地防止在焊接部分的疲劳断裂。
而且，在此实施方案中，也有可能安置和分布多个喷射部分36。然而，如果只设置一个喷射部分36，或者如果喷射区域并非在上述实施方案中所示的区域，则在本发明中也有可能通过喷射将在入口室22中产生的热应力减少到比已有技术中更高的程度。
除过上述之外，例如下面的实施方案在本发明中也是可能的。
在图4所示的供送系统中，当不用附图中所示的遥控阀44而设置一个能保持入口室22中的温度处于预定目标温度内的温度调节阀时，便有可能将本发明应用，例如，于缓慢冷却，即当热交换器的操作临时中断时使用。而且，不用说这样也是可行的，即通过使用遥控阀44在临时中断时手工进行缓慢冷却操作。
在本发明中，对入口室22的具体结构，没有特别的限制。例如本发明也能够应用于如下构造，其中入口室22是单独形成在与出口室24隔离的位置上。然而，在附图中所示的构造中，入口室22是邻近于出口室24，而中间有一间隔构件如隔板20，该隔板保持在相对高的温度，在相反一侧，与外壳底壁相对的温度梯度极陡，因而本发明应用于这种构造可获得更加显著的效果。
在本发明中，对用于热交换器的低温液体的种类没有特别的限制，本发明可广泛应用于加热除液体天然气之外的低温液体的热交换器。而且，热交换器的一般构造并不限于上述的中间介质类型；本发明还可应用于这样一种构造，其中在低温液体与热源如海水之间直接进行热交换，或者应用于这样一种构造，其中在低温液体与大气空气之间进行热交换。一些实施例
热电偶是排列在A、B、C、D、E、F、G及H的八个位点上，如图6所示，而畸形量规是排列在1、2、3、4、5、6和7的七个位点上，如附图所示，当用传统的缓慢冷却方法和本发明的方法进行时，可用上述热电偶和畸形量规来测量温度分布和热应力分布。结果示于表1和表2
表1
    温度分布(℃)
热电偶序号     已有技术     本发明
    ABCDEFGH     -32-84-133-142-142-26-47-130     -71-100-142-145-145-68-85-135
表2
Figure 0010967700101
注：方框中的数字表示最大应力产生
正如这些表中所示，与传统式缓慢冷却方法相比，本发明结果证明温度分布均匀，周围热应力的最大值(畸变量规序号1，传统方法：-11.7Kg/mm2，本发明：-6.8Kg/mm2)减低至大约60％，和轴心热应力的最大值(畸变量规号3，传统方法：-18.8 Kg/mm2，本发明：-6.0 Kg/mm2)减低至大约30％。
表3表示当上述操作完成时，主体需要的起始时间。如该表所示，在传统方法情况下在缓慢冷却过程中不可能增加液体天然气的流速，而本发明在缓慢冷却过程中有可能增加液体天然气的流速，与已有技术相比本发明可减少需要的起始时间至大约1/2。同时如上所述，实现了热应力的缓解或减低。
表3
    已有技术     本发明
额定液体天然气的处理数量 150吨/小时 150吨/小时
在缓慢冷却过程中液体天然气的流速 大约1.0吨/小时 大约1.7吨/小时
对主体所需要的起始时间 大约3小时 大约2小时
如上所述，根据本发明，已经提供一种新方法，在其中当把低温液体送入热交换器的入口室时，在入口室中喷射的低温液体的流速，在缓慢冷却的过程中低于在通常操作过程中的流速。而且提供了一种装置，它带有喷射液体的器件，以此便有可能减少在缓慢冷却过程中所产生的温度梯度，因此可有效地抑制热应力的产生。

Claims (8)

1．一种用于低温液体的蒸发器，其特征在于包含有一个入口室，一个将低温液体从所述的入口室送入其中并在其中蒸发的热传递管及一个在所述入口室中喷射低温液体的装置。
2．如权利要求1所述的蒸发器，其特征在于其中的喷射装置是这样装置，使低温液体喷射到至少入口室内壁的上半部分。
3．如权利要求1所述的蒸发器，其特征在于其中的喷射装置是这样安置，使低温液体能喷射到入口室的焊接部分上。
4．如权利要求1所述的蒸发器，其特征在于还包括将低温液体以比喷射装置更高的流速送入入口室的供送装置。
5．如权利要求4所述的蒸发器，其特征在于还包括连接于从低温液体源供送低温液体的装置的第一供送路径，连接于从低温液体源喷射低温液体的装置的第二供送路径，以及设置在所述第二路径中的流动速率变换装置。
6．如权利要求5所述的蒸发器，其特征在于流动速率变换装置是一个遥控阀。
7．如权利要求5所述的蒸发器，其特征在于所述的流动速率变换装置是一温度调节阀，用来调节低温液体的流速使入口室内的温度保持在一预定温度。
8．一种用于蒸发低温液体的方法，包括以下各步骤：
在所说的入口室内通过喷射低温液体来冷却入口室，将低温液体从供给部分送入所述的入口室中，在连接于所述入口室的热传递管中蒸发低温液体。
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