CN209623215U - Lng储罐用bog自循环再液化回收换热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种BOG自循环再液化回收换热系统。本实用新型包括BOG液化单元、循环换热网络和LN2再生单元，BOG液化单元和LN2再生单元通过循环换热网络连接循环换热及再生，循环换热网络是由多通道预冷器、多通道过冷器和多通道冷凝器封装集成的一体式复合型循环换热装置。本实用新型系统具有结构紧凑、无冻结、高效液化等特点，本实用新型系统不仅能按照设计要求进行BOG的再液化与回收，还能通过LN2反复循环供冷，且所需动力装置少，BOG前期可通过自身压力推动液化循环，而LN2循环及其再生过程也不需要额外的制冷机，降低了相关设备的能耗，具有结构简单、安全节能的优点，满足了大流量BOG再液化回收的需求。

Description

LNG储罐用BOG自循环再液化回收换热系统

技术领域

本实用新型涉及低温气体液化领域，围绕液化天然气设备技术，具体涉及一种BOG自循环再液化回收换热系统。

背景技术

众所周知，化石燃料包括煤、石油和天然气。迄今为止，煤炭一直作为主要的能量来源满足全球能源需求。在全球能源需求中，煤炭份额占42％，而天然气份额仅为21％。然而，对比煤炭和石油的高排放值，天然气被认为是一种清洁能源，利用其燃烧提供动力或热量时可大量减少颗粒物、硫氧化物(SOx) 和氮氧化物(NOx)废料的排放，且在其同等热质条件下其温室气体排放量仅为柴油燃料的40％左右。

天然气的沸点约为-162℃，通过液化形成液化天然气LNG的方式，可使天然气的存储体积缩小超过620倍。由于世界范围内天然气储量的分布不均，其通常采用液体形式进行长距离运输和储存。迄今为止，全球在运行的LNG接收站约有124个，并以每年1％的增速上涨。若按照每个接收站大约4个储罐估算，陆上超大型LNG储罐总量约有600个。此外，海运和货船运输的小型储罐总数更是不计其数。由于环境因素以及加注操作等人为因素的影响，LNG受热部分气化变为BOG低温气体漂浮在储罐顶部，将逐渐增大储罐内部压力，甚至达到储罐临界值，若不加处理将产生严重后果。

目前，传统处理BOG的方法是排空或利用火炬燃烧，既浪费能源又会带来安全隐患和环境污染。因此，基于对LNG储罐经济性和安全性的考虑，急需一种可靠简易连续循环的BOG再液化系统。鉴于传统再液化系统流程复杂，需要添加额外制冷机与气液分离器或是改变液化天然气储罐结构、加装其他设备等，同时还存在BOG液化效率低、换热设备冻结、额外制冷量不匹配以及造价过高等缺点，导致其难以推广使用。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型公开了一种基于液氮LN2供冷的BOG自循环再液化回收换热系统及方法，使BOG依靠自身压力在特制的循环换热网络中反复循环进行液化后，经LNG泵重新回到储罐内；气化后的氮气则通过膨胀机和节流阀重新液化为液氮，继续循环使用。本实用新型克服了传统BOG液化效率低的缺点，而且液氮在膨胀节流过程中没有额外机械功输入，不需额外润滑即可循环使用，整个系统仅需初始的LN2泵以及末端的LNG泵作为动力源推动循环，安全节能，降低了相关设备的能耗，同时兼顾了无冻结、结构紧凑的特性，满足了大流量BOG再液化回收的需求。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

LNG储罐用BOG自循环再液化回收换热系统，包括BOG液化单元、循环换热网络和LN2再生单元，BOG液化单元和LN2再生单元通过循环换热网络连接循环换热及再生；其中：

所述的BOG液化循环单元，包括LNG储罐、压力开关阀和LNG返回泵； LNG储罐通过压力开关阀与循环换热网络入口连通，并且通过LNG返回泵与循环换热网络出口连通；LNG储罐内过热BOG通过安全压力开关阀进入循环换热网络，经过循环换热网络的已完全冷凝后液化的液化天然气经过与循环换热网络出口连接的LNG返回泵返回至LNG储罐内继续储存；

所述循环换热网络，包括多通道预冷器、多通道过冷器、多通道冷凝器、以及相应连接的管道，所述的多通道预冷器、多通道过冷器和多通道冷凝器均为多股流换热器，其中，多通道预冷器连接压力开关阀，接收LNG储罐的过热 BOG，多通道预冷器与多通道过冷器连通组成BOG预冷循环回路，多通道预冷器与多通道冷凝器连通构成BOG冷凝液化循环回路，同时，多通道过冷器和多通道冷凝器分别接收LN2循环再生单元的两股液氮作为冷源，进入BOG预冷循环回路和BOG冷凝液化循环回路与BOG换热，多通道过冷器和多通道冷凝器的液氮出口换热后的液氮过热蒸汽回流至LN2循环再生单元，多通道冷凝器冷凝液化后的LNG出口连接LNG返回泵；

所述的LN2循环再生单元，包括液氮储罐、LN2液体泵、膨胀机、J-T节流阀以及连接的低温管道，所述的液氮储罐连接LN2液体泵，LN2液体泵连接分配器，经分配器分配后的两股液氮分别进入到循环换热网络的多通道过冷器和多通道冷凝器，换热后流出多通道过冷器和多通道冷凝器的两股液氮过热蒸汽汇集进入膨胀机，膨胀机通过J-T节流阀连接LN2储罐，使经过膨胀机再生的液氮返回LN2储罐。

进一步地，所述的循环换热网络的多通道预冷器、多通道过冷器和多通道冷凝器为板翅式、板式、缠绕管式或壳管式多股流换热器。

进一步地，所述的循环换热网络是将多通道预冷器、多通道过冷器和多通道冷凝器三部分封装集成在同一个换热器内部构成的一体式复合型循环换热装置。

进一步地，所述的多通道预冷器、多通道过冷器和多通道冷凝器中的换热通道内均采用翅片结构，考虑到液氮液体粘度较大，换热通道宜选用平直翅片或开孔翅片，而氮气及BOG的过热、过冷蒸气的换热通道宜选用锯齿型或波纹型翅片。

进一步地，所述的多通道预冷器、多通道过冷器和多通道冷凝器的布置方式采用冷热流体单层、双层或组合方式进行配置，即在两个相邻的热通道之间夹有一个冷通道或在两个相邻的冷通道之间夹有一个热通道，并重复堆叠。

进一步地，所述的多通道预冷器为单个多股流板翅式换热器，多通道过冷器和多通道冷凝器组合为一体结构的换热器，换热通道内选用工业板翅换热器翅片，多通道预冷器、多通道过冷器和多通道冷凝器的两侧均分别设置有真空隔热层，用于隔绝换热器与外界的热量传递。

进一步地，过冷器和冷凝器两侧均分别设置真空隔热层，用于隔绝换热器与外界以及换热器之间的热量传递。

LNG储罐用BOG自循环再液化回收换热方法，其特征在于，步骤如下：

(1)过热的BOG预冷

由于环境及人为操作等因素的影响，LNG储罐内的BOG不断增多，LNG 储罐内压力达到安全限定值后激活LNG储液罐压力开关阀P-1，过热的BOG通过其自身压力排入到循环换热网络的多通道预冷器1中，过热的BOG利用已经经过多通道过冷器2与LN2换热后的流回多通道预冷器1中的第一回流过冷 BOG进行预冷换热，然后进入多通道过冷器2中与LN2换热后的流回多通道预冷器1中作为的第一回流过冷BOG；

(2)BOG冷凝液化

第一回流过冷BOG经过多通道预冷器1回热后进入多通道冷凝器3中与 LN2进行冷凝换热液化，从而完成第一次液化循环；未液化的BOG再次流回多通道预冷器1中，作为下一次液化循环的开始，预冷初始的过热BOG之后再次流回多通道冷凝器3中继续冷凝；

(3)BOG液化后回流

通过循环换热网络的反复预冷、液化循环n次后，循环次数n≥2，最终BOG 被液化为LNG，并通过LNG泵P-LNG输送回LNG储罐内，从而完成BOG的液化回收循环；

在上述BOG的液化回收循环中，BOG经过循环换热网络液化回收，BOG 的显热被多通道过冷器2中第一股LN2吸收，剩余的BOG液化潜热被多通道冷凝器3中第二股LN2继续吸收；

(4)LN2的冷却循环

LN2储罐中的液氮LN2被分为两股流体，经LN2液体泵P-LN2加压后，一股通入多通道过冷器2中吸收BOG的显热，另一股通入多通道冷凝器3中吸收BOG的潜热；两股LN2换热后成为氮蒸汽，并汇集至同一低温管道中；然后通过膨胀机4膨胀降温，并通过J-T节流阀重新转变为液体返回LN2储罐内，从而完成LN2的冷却再生循环。

进一步地，根据所需的BOG流量大小，循环换热网络的循环次数n能够设计，循环换热网络的循环换热次数n与所需液化的BOG流量关系如下：

式中：m为BOG质量流量，r为BOG液化潜热，c_p为BOG的比热容，t_LNG-0为循环网络出口流出的LNG的温度，t_BOG-0为循环网络入口初始过热BOG的温度，t_BOG-3为经过多通道过冷器与LN2换热后的流回多通道预冷器中的第一回流过冷BOG的温度，t_LN2-2和t_LN2-3分别为多通道过冷器入口和出口端的液氮及其过热蒸汽的温度，t_LN2-4和t_LN2-5分别为多通道冷凝器入口和出口端的液氮及其过热蒸汽的温度，式中，液氮及其过热蒸汽的温度则通过LN2循环流量控制。

进一步地，所述的BOG液化冷凝循环次数n，根据换热网络中的能量守恒即可计算得出，BOG及LN2的换热量Q、质量流量m以及循环换热次数n的关系式如下：

式中：m_BOG和m_LN2分别为BOG和LN2的质量流量，h_BOG0和h_LNG0分别为循环网络入口和出口过热BOG和LNG的焓值，h_LN2-2和h_LN2-3分别为多通道过冷器入口和出口端的液氮及其过热蒸汽的焓值，h_LN2-4和h_LN2-5分别为分别为多通道冷凝器入口和出口端的液氮及其过热蒸汽的焓值，△h为焓差，n表示换热网络中的循环换热次数。

进一步地，所述的液氮LN2被分为两股流体，第一股LN2流体和第二股 LN2流体的流量是根据BOG的温度、物性以及不同换热网络的循环次数n和外界环境工况进行具体选择的，其计算关系式如下：

式中：m_BOG和m_LN2分别为BOG和LN2的质量流量，m_LN2-2和m_LN2-4分别为两股LN2流体的质量流量，T_BOG-2n为第n-1次循环中经多通道预冷器换热后的 BOG过热蒸汽的温度，T_BOG-2n+1为第n次回流至多通道预冷器的BOG过冷蒸汽的温度，T_LN2-2和T_LN2-3分别为多通道过冷器入口和出口端的液氮及其过热蒸汽的温度，T_LN2-4和T_LN2-5分别为分别为多通道冷凝器入口和出口端的液氮及其过热蒸汽的温度，r_BOG和r_LN2分别为BOG的液化潜热和LN2的气化潜热，c_p为相应流体的比热容，n表示换热网络中的循环换热次数。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

1、由于BOG在预冷器内多次同自身过冷气体换热，其显热全部传递给了自身过冷蒸汽，避免了在传统换热设备中利用制冷机直接对BOG预冷液化而产生的现冻结现象；

2、本实用新型循环换热网络的独特设计在于，多通道预冷器中BOG和自身过冷蒸汽之间具有较小的换热温差，有利于BOG完全预冷，并可获得相对较高的冷能回收效率；而在冷凝器中LN2和BOG过冷蒸汽采用大温差换热，可使LN2完全吸收BOG的相变潜热，有利于获得相对较高的BOG液化效率；

3、本实用新型系统还增加了多通道过冷器，综合利用多通道过冷器和多通道冷凝器中两股LN2对BOG在不同温差的温度梯度下进行冷却再液化，而不是利用传统的单股LN2直接液化BOG，可通过分配不同流量给多通道预冷器和多通道冷凝器以添加多种自由度，满足不同场合、不同LNG储罐的BOG回收需求；

4、LN2再生循环在不添加额外制冷机等动力装置的同时，还保证了系统冷量的持续供应，满足节能生成运输需求；

综上所述，本实用新型系统具有结构紧凑、无冻结、高效液化等特点，本实用新型系统和方法不仅能按照设计要求进行BOG的再液化与回收，还能通过 LN2反复循环供冷，且所需动力装置少，BOG前期可通过自身压力推动液化循环，而LN2循环及其再生过程也不需要额外的制冷机，降低了相关设备的能耗，具有结构简单、安全节能的优点，满足了大流量BOG再液化回收的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例1中一种LNG储罐用BOG自循环再液化回收换热系统的结构示意图；

图2是图1中循环换热网络的装置结构示意图；

图3是本实用新型实施例1中循环换热网络的多通道预冷器的换热通道排列方式示意图；

图4是本实用新型实施例1中循环换热网络的多通道过冷器及多通道冷凝器的换热通道的排列方式示意图；

图中：LNG、LNG储罐，1、多通道预冷器，2、多通道过冷器，3、多通道冷凝器，4、膨胀机，P-LNG、LNG液体泵，P-LN2、LN2液体泵，LN2、液氮储罐，J-T、节流阀，P-1、压力开关阀。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

实施例1

如图1所示，LNG储罐用BOG自循环再液化回收换热系统，包括BOG 液化单元、循环换热网络和LN2再生单元，BOG液化单元和LN2再生单元通过循环换热网络连接循环换热及再生；其中：

所述的BOG液化循环单元，包括LNG储罐LNG、压力开关阀P-1和LNG 返回泵P-LNG；LNG储罐LNG通过LNG压力开关阀P-1与循环换热网络入口连通，并且通过LNG返回泵P-LNG与循环换热网络出口连通；LNG储罐内过热BOG通过安全压力开关阀P-1进入循环换热网络，经过循环换热网络的已完全冷凝后液化的LNG经过与循环换热网络出口连接的LNG返回泵P-LNG返回至LNG储罐内继续储存；

如图2所示，所述循环换热网络，是将多通道预冷器1、多通道过冷器2和多通道冷凝器3三部分封装集成在同一个换热器内部构成的一体式复合型循环换热装置，方便连接及使用。所述的多通道预冷器1、多通道过冷器2和多通道冷凝器3均为板翅式、板式、缠绕管式或壳管式多股流换热器。其中，多通道预冷器1连接压力开关阀P-1，接收LNG储罐的过热BOG，多通道预冷器1与多通道过冷器2连通组成BOG预冷循环回路，多通道预冷器1与多通道冷凝器3连通构成BOG冷凝液化循环回路，同时，多通道过冷器2和多通道冷凝器3 分别接收LN2循环再生单元的两股LN2作为冷源，进入BOG预冷循环回路和 BOG冷凝液化循环回路与BOG换热，多通道过冷器2和多通道冷凝器3的LN2 出口换热后的过热蒸汽LN2回流至LN2循环再生单元，多通道冷凝器3冷凝液化后的LNG出口连接LNG返回泵P-LNG；

所述的多通道预冷器1、多通道过冷器2和多通道冷凝器3中的换热通道内均采用翅片结构，考虑到LN2液体粘度较大，换热通道宜选用平直翅片或开孔翅片，而氮气及BOG的过热、过冷蒸气的换热通道宜选用锯齿型或波纹型翅片。且多通道预冷器1、多通道过冷器2和多通道冷凝器3的布置方式采用冷热流体单层、双层或组合方式进行配置，即在两个相邻的热(或冷)通道之间夹有一个冷(或热)通道，并重复堆叠。

如图3所示，所述的多通道预冷器1为单个多股流板翅式换热器，包括5 股换热流体BOG-1、BOG-3、BOG-5、BOG-7和BOG-9，12层换热通道，换热通道排列方式采用冷热流体单层、双层或组合方式进行配置，即在两层相邻的热(或冷)通道之间夹有一层冷(或热)通道，并重复堆叠；多通道预冷器1 两侧各布置有一层真空隔热层K，多通道预冷器1进出口两端布置有封头及分配器等。

如图4所示，所述的多通道过冷器2和多通道冷凝器3组合为一体结构的换热器，换热通道排列方式采用冷热流体单层、双层或组合方式进行配置，即在两层相邻的热(或冷)通道之间夹有一层冷(或热)通道，并重复堆叠；多通道过冷器2包括2股换热流体BOG-2和LN2-2，3层换热通道，通道内布置换热翅片；所述的多通道冷凝器3包括5股换热流体BOG-4、BOG-6、BOG-8、 BOG-10和LN2-4，17层换热通道，换热通道内布置换热翅片，多通道过冷器2和多通道冷凝器3两侧均各布置有一层真空隔热层K，用于隔绝换热器与外界以及换热器之间的热量传递；且进出口两端布置有封头及分配器等。

如图1所示，所述的LN2循环再生单元，包括LN2储罐LN2、LN2液体泵 P-LN2、膨胀机4、J-T节流阀以及连接的低温管道，所述的LN2储罐连接LN2 液体泵P-LN2，LN2液体泵P-LN2连接分配器，经分配器分配后的两股LN2分别进入到循环换热网络的多通道过冷器2和多通道冷凝器3，换热后流出多通道过冷器2和多通道冷凝器3的两股过热蒸汽LN2汇集进入膨胀机4，膨胀机4 通过J-T节流阀连接LN2储罐，使经过膨胀机4再生的LN2返回LN2储罐。

本实用新型LNG储罐用BOG自循环再液化回收换热系统中，BOG气体热量最终被循环换热网络中的多通道过冷器2中的LN2-2和多通道冷凝器3中的LN2-4这两股液氮流体以不同的温度梯度条件进行吸收。循环换热网络采用多个循环对BOG进行预冷和液化，入口的BOG-1为BOG气体，出口的LNG-0为 LNG液体输出。

LNG储罐用BOG自循环再液化回收换热方法，其特征在于，步骤如下：

(1)过热的BOG预冷

由于环境及人为操作等因素的影响，LNG储罐内的BOG不断增多，LNG 储罐内压力达到安全限定值后激活LNG储液罐压力开关阀P-1，LNG储罐内的过热的BOG-0通过其自身压力进过压力开关阀P-1转变为BOG-1排入到循环换热网络的多通道预冷器1中，BOG-1作为热流体被多通道预冷器1中的已经经过多通道过冷器2与LN2-2换热后的流回多通道预冷器1中的第一回流过冷 BOG-3预冷；预冷后变为BOG-2流出多通道预冷器1，继续进入过冷器2中作为热流体，与LN2-2换热后的流回多通道预冷器1中转变为的第一回流过冷 BOG-3；

(2)BOG冷凝液化

第一回流过冷BOG-3经过在多通道预冷器1中与BOG-1换热后变为 BOG-4，作为热流体进入多通道冷凝器3中与LN2-4进行冷凝换热液化，从而完成第一次液化循环；在多通道冷凝器3中未液化的BOG(BOG-5、BOG-7、 BOG-9)，再次流回多通道预冷器1中，作为下一次液化循环的开始，预冷初始的过热BOG之后再次流回多通道冷凝器3中继续冷凝；

(3)BOG液化后回流

通过循环换热网络的反复预冷、液化循环4次后，最终BOG在冷凝器3中被液化为LNG-0，并通过LNG泵P-LNG输送回LNG储罐内，从而完成BOG 的液化回收循环；

在上述BOG的液化回收循环中，由过热BOG的初始压力以及LNG返回泵 P-LNG提供循环动力，BOG经过循环换热网络液化回收，BOG的显热被多通道过冷器2中第一股LN2吸收，剩余的BOG液化潜热被多通道冷凝器3中第二股LN2继续吸收。

(4)LN2的冷却循环

用于液化BOG的LN2在吸热气化后，需要对其生成的氮气进行液化再生，以保证整个工作系统的循环运行。LN2储罐中液氮LN2-0经液体泵P-LN2加压后变为LN2-1，LN2-1经由分配器分为两股液氮流体LN2-2和LN2-4，其中LN2-2 通入多通道过冷器2中吸收BOG的显热，LN2-4通入多通道冷凝器3中吸收 BOG的潜热；两股LN2换热后成为氮蒸汽LN2-3和LN2-5，并汇集至同一低温管道中变为LN2-6；然后通过膨胀机4膨胀降温转化为LN2-7，并通过J-T节流阀后重新转变为液氮LN2-8返回LN2储罐内，从而完成LN2的冷却再生循环。

在上述LNG储罐用BOG自循环再液化回收换热方法中，根据所需的BOG 流量大小，循环换热网络的循环次数n能够设计，循环换热网络的循环换热次数n与所需液化的BOG流量关系如下：

式中：m为BOG质量流量，r为BOG液化潜热，c_p为BOG的比热容，t 为图1中换热网络中每个对应流体的温度，式中，液氮及其过热蒸汽的温度则通过LN2循环流量控制，即通过控制换热网络中液氮的流量及两股液氮流体的比例来控制换热网络中液氮及其过热蒸汽的温度。

所述的BOG液化冷凝循环次数n，根据换热网络中的能量守恒即可计算得出，BOG及LN2的换热量Q、质量流量m以及循环换热次数n的关系式如下：

式中：m_BOG和m_LN2分别为BOG和LN2的质量流量，h为图1中换热网络中每个对应流体的的焓值，△h为焓差，n表示换热网络中的循环换热次数。

所述的液氮LN2被分为两股流体，第一股流体LN2-2和第二股流体LN2-4 的流量是根据BOG的温度、物性以及不同换热网络的循环次数和外界环境工况进行具体选择的，其计算关系式如下：

式中：m_BOG和m_LN2分别为BOG和LN2的质量流量，T为图1中换热网络中每个对应流体的温度，r_BOG和r_LN2分别为BOG的液化潜热和LN2的气化潜热， c_p为相应流体的比热容，n表示换热网络中的循环换热次数。

本实施例中的一种LNG储罐用BOG自循环再液化回收换热网络及设备，设定循环换热网络循的环次数n为4次，在多通道预冷器1中，初始BOG作为热流体的通路设计为4层通道，而每次循环的过冷BOG作为冷流体的通路设定为2层通道、循环4次，共计8层通道。上述多通道预冷器1通道的排列方式如图3所示为冷、热流体“三明治”排列，即同一循环的2层冷流体通道包裹1 层热流体通道。在多通道过冷器2中，第一股LN2-2冷流体被分配为2层通道，预冷后的BOG作为热流体被分配为1层通道，冷、热流体彼此相间排列。在多通道冷凝器3中，每次循环的BOG过冷蒸汽作为热流体被设定为2层通道、4 次循环，共计8层通道；而第二股LN2-4作为冷流体被设定为9层通道，相间排列并包裹每个BOG过冷通路。上述多通道过冷器2和多通道冷凝器3一体结构通道排列形式如图4所示。

如图1所示的循环换热网络原理图，LNG储罐由于加注、操作以及环境漏热等因素使部分LNG气化为BOG-0，导致LNG储罐内压力上升，当LNG储罐内压力升高到安全预设限值时压力控制阀P-1开启，将具有一定压力和温度的 BOG-1送入循环换热网络中。

首先，在BOG液化循过程中：BOG-1经过多通道预冷器1把高温显热传递给其自身过冷蒸汽(BOG-3、BOG-5、BOG-7、…、BOG-2n+1)，随后变为BOG-2 进入多通道过冷器2中，同第一股液氮LN2-2进行换热，在被液氮LN2-2换热冷却成为BOG-3后，便作为第一回流过冷流体返回多通道预冷器1中继续对 BOG-1经行预冷；预冷BOG-1后，过冷蒸汽(BOG-3、BOG-5、BOG-7、…、 BOG-2n+1)变为过热蒸汽(BOG-4、BOG-6、BOG-8、…、BOG-2n)，继续循环流入多通道冷凝器3；在多通道冷凝器3中，第二股液氮LN2-4循环液化过热蒸汽BOG-4、BOG-6、BOG-8、…、BOG-2n，换热后BOG-4变为BOG-5重新回到多通道预冷器1中，从而完成换热网络的第一次循环；BOG-5成为第二回流过冷流体返回多通道预冷器1，继续预冷BOG-1，从而开启下一次循环。

采用上述方式，BOG-1将温度显热释放给其自身过冷蒸汽(BOG-3、BOG-5、 BOG-7、…、BOG-2n+1)，而其过冷蒸汽则通过多通道过冷器2释放热量给第一股液氮流体LN2-2，并继续在冷凝器3中释放BOG的相变潜热给第二股液氮流体LN2-4。在多通道预冷器1和多通道冷凝器3中，上述循环进行n次后，最终从冷凝器3出口输出LNG-0作为BOG的再液化产物，并通过液态天然气泵 P-LNG送回至LNG储罐中，从而完成BOG自循环再液化回收换热过程。

其次，在LN2循环再生过程中：从液氮储罐LN2中引出液氮LN2-0被泵 P-LN2增压变为LN2-1，根据具体工况需求将其分为两股，其中一股液氮LN2-2 通入换热网络中的多通道过冷器2内，用于过冷BOG-2，LN2-2换热后变为LN2-3 流出多通道过冷器2；另一股液氮LN2-4则通入多通道冷凝器3内，用于冷凝 BOG-4、BOG-6、BOG-8、…、BOG-2n，换热后作为LN2-5流出多通道冷凝器3。上述换热后，具有一定压力的LN2-3和LN2-5氮气汇合成为LN2-6，被通入膨胀机4中进行低温膨胀并降温为LN2-7流体，随后经J-T节流阀重新液化为液氮LN2-8并返回液氮储罐LN2中。

本实施例中所述循环换热网络的采用多通道板翅式换热器，如图3和图4 所示，其具体结构及管道排布描述如下：

多通道板翅式预冷器为1股热流体BOG-1和4股冷流体BOG-3、BOG-5、 BOG-7、BOG-9进行换热，如图3所示。其中，热流体BOG-1被分配为4层通道，每层通道的翅片均为锯齿翅片，翅高9.5mm、翅宽1.4mm、翅厚0.2mm、锯齿节距3mm，4层通道内的BOG-1由导流片汇聚至对应封头处排出，导流片型号为95D4205；过冷蒸汽BOG-3、LNG-5、LNG-7、LNG-9被分为4个换热循环回路，每个回路被分为2层，共计8层换热通道，每层通道的翅片均为锯齿型翅片，翅高6.5mm、翅宽1.4mm、翅厚0.2mm、锯齿节距3mm，8层通道内的BOG由导流片汇聚至对应封头处排出，导流片型号为65D4205。此外，为了缩小换热器尺寸、方便通道排布分配，热流体换热层设计为对称结构，比例为1比1，即：4通道包括BOG-3和BOG-5，4层通道包括BOG-7和BOG-9。为了适当保温，两端分别设置了隔热层K。上述每层通道均由封头、封条、侧板、导流片及换热翅片组成。多通道预冷器1内的4个换热回路BOG-3、BOG-5、 BOG-7、BOG-9采用依次换热而非同时换热，能够更大限度的提高冷能回收效率。

多通道板翅式冷凝器3为1股冷流体LN2-4和4股热流体BOG-4、BOG-6、 BOG-8、BOG-10进行换热，如图4所示。其中，过热蒸汽BOG-4、BOG-6、 BOG-8、BOG-10被分为4个换热循环回路，每个回路被分为2层，共计8层换热通道，每层通道的翅片均为打孔型翅片，翅高6.5mm、翅宽1.4mm、翅厚0.2mm， 8层通道内的BOG冷凝液由导流片汇聚至对应封头处排出，导流片型号为 65D4205。此外，为了缩小换热器尺寸、方便通道排布分配，热流体换热层设计为对称结构，比例为1比1，即：4层通道包括BOG-4和BOG-6，4层通道包括BOG-8和BOG-10。多通道板翅式冷凝器3中的1股冷流体被分配为9层换热通道，每层通道的翅片均为平直翅片，翅高6.5mm、翅宽2mm、翅厚0.3mm，9 层通道内的冷流体由导流片汇聚至对应封头进入与排出，导流片型号为 65D4205。多通道板翅式冷凝器3内的4个换热循环回路BOG-4、BOG-6、BOG-8、 BOG-10也为依次换热而非同时换热，以进一步提高冷能回收效率。

为了缩小结构尺寸，多通道过冷器2被集成在多通道冷凝器3内部，并通过2个隔热层K隔开。多通道过冷器2设置了2个液氮LN2-2换热层以及1个 BOG-2通道层进行换热，其结构与上述结构相同，不再赘述。上述每层通道均由封头、封条、侧板、导流片以及换热翅片组成，具体通道排列情况见图4。最后，多个换热通道通过相应的管道串联，形成紧凑封装的整体换热设备。

本实用新型将LNG储罐中的BOG进行压力调控并通入循环换热网络内进行高效再液化与回收，并通过巧妙的设计将系统中的LN2进行再生以继续循环供给循环换热网络以冷量。该实用新型结构简单、适用广泛，可根据不同场合、不同LNG储罐的特殊要求进行定制设计，能够满足各类大、中、小型LNG储罐的BOG再液化需求。同时，本实用新型所涉及的换热网络通过巧妙的设计使 BOG在多次循环中完全液化，且供冷介质为LN2及BOG自身过冷蒸汽，因此该换热网络不会出现冻结现象。此外，LN2的再生循环过程在不添加额外制冷机等动力装置的同时，还保证了系统冷量的持续供应。因此，本实用新型为LNG 储罐中的BOG再液化回收过程提供了一种紧凑、高效的换热网络及设备。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.LNG储罐用BOG自循环再液化回收换热系统，其特征在于，包括BOG液化单元、循环换热网络和LN2循环再生单元，BOG液化单元和LN2循环再生单元通过循环换热网络连接循环换热及再生；其中：

所述的BOG液化单元，包括LNG储罐(LNG)、压力开关阀(P-1)和LNG返回泵(P-LNG)；LNG储罐(LNG)通过压力开关阀(P-1)与循环换热网络入口连通，并且通过LNG返回泵(P-LNG)与循环换热网络出口连通；LNG储罐(LNG)内过热BOG通过压力开关阀(P-1)进入循环换热网络，经过循环换热网络的已完全冷凝后液化的液化天然气经过与循环换热网络出口连接的LNG返回泵(P-LNG)返回至LNG储罐(LNG)内继续储存；

所述循环换热网络，包括多通道预冷器(1)、多通道过冷器(2)、多通道冷凝器(3)、以及相应连接的管道，所述的多通道预冷器(1)、多通道过冷器(2)和多通道冷凝器(3)均为多股流换热器，其中，多通道预冷器(1)连接压力开关阀(P-1)，接收LNG储罐的过热BOG，多通道预冷器(1)与多通道过冷器(2)连通组成BOG预冷循环回路，多通道预冷器(1)与多通道冷凝器(3)连通构成BOG冷凝液化循环回路，同时，多通道过冷器(2)和多通道冷凝器(3)分别接收LN2循环再生单元的两股液氮作为冷源，进入BOG预冷循环回路和BOG冷凝液化循环回路与BOG换热，多通道过冷器(2)和多通道冷凝器(3)的液氮出口换热后的液氮过热蒸汽回流至LN2循环再生单元，多通道冷凝器(3)冷凝液化后的LNG出口连接LNG返回泵(P-LNG)；

所述的LN2循环再生单元，包括液氮储罐(LN2)、LN2液体泵(P-LN2)、膨胀机(4)、J-T节流阀(J-T)以及连接的低温管道，所述的液氮储罐(LN2)连接LN2液体泵(P-LN2)，LN2液体泵(P-LN2)连接分配器，经分配器分配后的两股液氮分别进入到循环换热网络的多通道过冷器(2)和多通道冷凝器(3)，换热后流出多通道过冷器(2)和多通道冷凝器(3)的两股液氮过热蒸汽汇集进入膨胀机(4)，膨胀机(4)通过J-T节流阀(J-T)连接液氮储罐(LN2)，使经过膨胀机(4)再生的液氮返回液氮储罐(LN2)。

2.根据权利要求1所述的LNG储罐用BOG自循环再液化回收换热系统，其特征在于，所述的循环换热网络的多通道预冷器(1)、多通道过冷器(2)和多通道冷凝器(3)为板翅式、板式、缠绕管式或壳管式多股流换热器。

3.根据权利要求1或2所述的LNG储罐用BOG自循环再液化回收换热系统，其特征在于，所述的循环换热网络是将多通道预冷器(1)、多通道过冷器(2)和多通道冷凝器(3)三部分封装集成在同一个换热器内部构成的循环换热装置。

4.根据权利要求3所述的LNG储罐用BOG自循环再液化回收换热系统，其特征在于，所述的多通道预冷器(1)、多通道过冷器(2)和多通道冷凝器(3)中的换热通道内均采用翅片结构，考虑到液氮液体粘度较大，换热通道宜选用平直翅片或开孔翅片，而氮气及BOG的过热、过冷蒸气的换热通道宜选用锯齿型或波纹型翅片。

5.根据权利要求3所述的LNG储罐用BOG自循环再液化回收换热系统，其特征在于，所述的多通道预冷器(1)、多通道过冷器(2)和多通道冷凝器(3)的布置方式采用冷热流体单层、双层或组合方式进行配置，即在两个相邻的热通道之间夹有一个冷通道或在两个相邻的冷通道之间夹有一个热通道，并重复堆叠。

6.根据权利要求3所述的LNG储罐用BOG自循环再液化回收换热系统，其特征在于，所述的多通道预冷器(1)为单个多股流板翅式换热器，其换热通道内选用工业板翅换热器翅片，换热器两侧设置真空隔热层(K)，用于隔绝换热器与外界的热量传递。

7.根据权利要求3所述的LNG储罐用BOG自循环再液化回收换热系统，其特征在于，所述的多通道过冷器(2)和多通道冷凝器(3)组合为一体结构的换热器，过冷器和冷凝器两侧均分别设置真空隔热层(K)，用于隔绝换热器与外界以及换热器之间的热量传递。