用于从液化天然气罐中将蒸发气体再冷凝的系统和方法与流程

背景技术：

本发明涉及一种从储存容器(也称为储罐)中回收液化天然气(lng)蒸发气体(bog)的工艺。

在运载液态天然气(lng)的货物的远洋油轮以及陆基储罐中，由于通过围绕lng储存容器的绝热层的热泄漏，一部分液体通过蒸发而损失。此外，热泄漏到陆地和海洋上的lng储存容器中会导致一些液相蒸发，从而增加容器压强。禁止在大都市区附近通过排放或燃烧的方式对含烃流进行油轮处理的法规，以及日益增长的节约能源成本的愿望，导致在回收lngbog的新油轮的设计中加入了再液化剂。

bog再液化的一种现有方法是使用压缩循环，其中bog被压缩至高压、冷却，并且在返回储存容器之前使其膨胀。压缩bog所需的设备很大，由于空间限制，这在油轮或其它漂浮产品应用中并不理想。附加地，bog在高压下通过系统的各个部分循环，这增加了可燃气体泄漏的风险。

第4,843,829号美国专利描述了一种lngbog再液化工艺，其中主要是甲烷的bog被压缩，然后在闭环氮气循环制冷工艺中被气态氮敏感地冷却，然后使用沸腾的液氮将其冷凝。

第6,192,705号美国专利描述了一种lng蒸发气体再液化工艺，其中在开环甲烷制冷循环中将蒸发气体冷凝，蒸发气体被温热、压缩、用环境冷却来冷却，然后闪蒸至低压形成液体。在这种情况下，在压缩和冷却之前，bog被温热到环境温度。

需要一种改进的bog液化系统，该改进的bog液化系统能够在不需要压缩bog也不需要过冷却bog的情况下再液化bog。

技术实现要素：

提供本发明内容以介绍简化形式的概念，在下面的具体实施方式中进一步描述上述概念。本发明内容并非旨在标识要求保护的主题的主要特征或基本特征，也非旨在用于限制要求保护的主题的范围。

系统和方法的几个方面概述如下。

方面1：一种用于将来自储罐的包括天然气的蒸发气体流再冷凝的方法，该方法包括：

(a)在第一热交换器中由两相制冷剂流将蒸发气体流至少部分地冷凝，以形成至少部分地冷凝的蒸发气体流和气态制冷剂流，该两相制冷剂流包括不超过5mol％的烃和至少90mol％的选自氮气和氩气群组的至少一种，该两相制冷剂流在第一热交换器中具有气相部分和液相部分；

(b)使至少部分地冷凝的蒸发气体流返回到储罐；

(c)在第二热交换器中由高压制冷剂流对气态制冷剂流进行加热以形成温热的制冷剂流；

(d)在压缩系统中对温热的制冷剂流进行压缩以形成压缩的制冷剂流；

(e)在第三热交换器中对压缩的制冷剂流进行冷却以形成高压制冷剂流；

(f)在第二热交换器中由气态制冷剂流冷却高压制冷剂流，以形成高压冷却的制冷剂流；

(g)将高压冷却的制冷剂流分离为第一部分和第二部分；

(h)使高压冷却的制冷剂流的第二部分膨胀以形成膨胀的制冷剂流。

方面2：根据方面1的方法，进一步包括：

(i)在执行步骤(c)的至少一部分之前，将膨胀的制冷剂流与气态制冷剂流合并。

方面3：根据方面2的方法，其中步骤(i)进一步包括在执行步骤(c)之前，将膨胀的制冷剂流与气态制冷剂流和冷却的制冷剂流的一部分合并。

方面4：根据方面1至3中任一项的方法，其中步骤(a)进一步包括在第一热交换器中由两相制冷剂流在基本恒定的温度下将蒸发气体流至少部分地冷凝，以形成至少部分地冷凝的蒸发气体流和气态制冷剂流。

方面5：根据方面1至4中任一项的方法，进一步包括：

(j)在执行步骤(a)和(b)期间，将蒸发气体保持在不超过储罐的压强的110％的压强下。

方面6：根据方面1至5中任一项的方法，其中步骤(a)进一步包括在第一热交换器的第一容器中由流过第二容器的两相制冷剂流将蒸发气体流至少部分地冷凝，以形成至少部分地冷凝的蒸发气体流和气态制冷剂流，在第二容器中含有第一容器。

方面7：根据方面1至6中任一项的方法，其中两相制冷剂流包括至少99％的氮气。

方面8：根据方面1至7中任一项的方法，进一步包括：

(k)使用从步骤(h)的执行中回收的能量来驱动压缩系统或发电机的至少一部分。

方面9：根据方面1至8中任一项的方法，其中步骤(i)包括在对气态制冷剂流执行了步骤(c)的一部分冷却之后，将膨胀的制冷剂流与气态制冷剂流合并。

方面10：根据方面1至9中任一项的方法，进一步包括：

(l)在第二热交换器中由气态制冷剂流将天然气流冷凝。

方面11：根据方面1至10中任一项的方法，进一步包括：

(m)提供鼓风机，该鼓风机导致通过冷凝热交换器的蒸发气体流的流量的增加。

方面12：根据方面1至11中任一项的方法，其中步骤(a)包括在位于储罐的顶部空间内的第一热交换器中，由两相制冷剂流将蒸发气体流至少部分地冷凝，以形成至少部分地冷凝的蒸发气体流和气态制冷剂流，两相制冷剂流包括至少90％的氮气，并且在第一热交换器中具有气相部分和液相部分。

方面13：根据方面1至12中任一项的方法，进一步包括：

(n)在执行步骤(b)之前，将至少部分地冷凝的蒸发气体流相分离为蒸汽流和液体流，并且仅对液体流执行步骤(b)。

方面14：根据方面1至13中任一项的方法，进一步包括：

(o)通过位于储罐的蒸汽空间中的喷射头从储罐泵送液态天然气。

方面15：根据方面1至14中任一项的方法，进一步包括：

(p)根据气态制冷剂流的压强与第一设定点的函数控制第一阀的位置，该第一阀在第一热交换器的下游和第二热交换器的上游定位，并且与气态制冷剂流流体流动连通；以及

(q)将第一设定点设定为储罐的压强的函数。

方面16：根据方面15的方法，其中步骤(q)进一步包括将第一设定点设定为储罐的压强与压缩系统的功耗的函数。

方面17：根据方面1至16中任一项的方法，进一步包括：

(r)通过控制位于与第二热交换器的下游和第一热交换器的上游的冷却的制冷剂流流体流动连通的位置的膨胀阀的位置，将执行步骤(c)之前的气态制冷剂流的温度和冷却的制冷剂流的温度之间的差保持在第二预定范围内。

方面18：一种蒸发气体再冷凝系统，包括：

第一热交换器，该第一热交换器适于由两相制冷剂流将从储罐中取出的蒸发气体流至少部分地冷凝，以产生返回到储罐的气态制冷剂流和至少部分地冷凝的蒸发气体流，两相制冷剂流包括不超过5mol％的烃和至少90mol％的选自氮气和氩气群组的一种；

第二热交换器，该第二热交换器适于由高压冷却的制冷剂流冷却气态制冷剂流，以形成温热的制冷剂流；

压缩系统，该压缩系统具有至少一个压缩阶段和第三热交换器，该压缩阶段适于压缩温热的制冷剂流以形成压缩的制冷剂流，该第三热交换器适于将压缩的制冷剂流冷却以形成高压制冷剂流；

膨胀机，该膨胀机适于使高压冷却的制冷剂流的第二部分等熵膨胀，以形成与气态制冷剂流流体流动连通的膨胀的制冷剂流；以及

阀，该阀适于使高压冷却的制冷剂流的第一部分能够膨胀以形成两相制冷剂流。

方面19：根据方面18的系统，其中第一热交换器适于在基本恒定的温度下将蒸发气体流至少部分地冷凝。

方面20：根据方面18至19中任一项的系统，其中系统适于在从蒸发气体作为蒸发气体流从储罐中取出的点开始，直到蒸发气体作为至少部分地冷凝的蒸发气体流返回到储罐的点为止将蒸发气体保持在不超过储罐的压强的110％的压强下。

方面21：根据方面18至20中任一项的系统，其中第一热交换器包括与蒸发气体流流体流动连通的内容器和与两相制冷剂流流体流动连通的外容器，在外容器中含有内容器。

方面22：根据方面18至21中任一项的系统，进一步包括至少一个控制器，该控制器适于根据气态制冷剂流的压强与第一设定点的函数设定第一阀的位置，该第一阀在第一热交换器的下游和第二热交换器的上游定位，并且与气态制冷剂流流体流动连通，该第一设定点是储罐的压强的函数。

方面23：根据方面18至22中任一项的系统，其中至少一个控制器进一步适于通过控制膨胀阀的位置来将气态制冷剂流的温度和冷却的制冷剂流的温度之间的差保持在第二预定范围内，该膨胀阀位于与第二热交换器的下游和第一热交换器的上游的冷却的制冷剂流流体流动连通的位置。

附图说明

图1是用于lng储罐的第一示例性bog再冷凝系统的示意性流程图；

图2是用于lng储罐的第二示例性bog再冷凝系统的示意性流程图；

图3是用于lng储罐的第三示例性bog再冷凝系统的示意性流程图，其中bog流主要是甲烷；

图4是用于lng储罐的第四示例性bog再冷凝系统的示意性流程图，其中bog流主要是甲烷；

图5是示意性流程图，示出了与图1的bog再冷凝系统一起使用的示例性控制件；以及

图6是用于lng储罐的第五示例性bog再冷凝系统的示意性流程图。

具体实施方式

随后的详细描述仅提供优选的示例性实施例，而非旨在限制其范围、适用性或配置。相反，随后对优选的示例性实施例的详细描述将为本领域技术人员提供可行的描述以实施优选的示例性实施例。对元件的功能和布置可以进行各种改变，而不脱离其精神和范围。

在说明书中结合附图引入的附图标记可以在一个或多个后续附图中重复，而无需说明书中的附加的描述，以便为其它特征提供上下文。

申请包含多个示例性实施例。存在于多于一个的实施例中的特征由相差100倍的附图标记表示。例如，图1的实施例的储罐101对应于图2的储罐201和图3的储罐301。除非特征被具体描述为不同于在附图中示出的其它实施例，否则可以假设该特征与描述它的实施例中的相应特征具有相同的结构和功能。此外，如果该特征在随后描述的实施例中没有不同的结构或功能，则在说明书中可能没有具体提及。

说明书和权利要求书中使用的术语“流体流动连通”是指两种或更多种部件之间的连通性质，其使得液体、蒸汽和/或两相混合物能够以受控的方式(即无泄漏)直接或间接地在部件之间输送。将两个或更多个部件耦合使得它们彼此流体流动连通，这种耦合可以涉及本领域已知的任何合适的方法，诸如使用焊接、法兰导管、垫圈和螺栓。两个或更多个部件也可以通过可以将它们分离的系统的其它部件耦合在一起，例如，阀、门或可以选择性地约束或引导流体流动的其它设备。

说明书和权利要求书中使用的术语“导管”是指一个或多个结构，流体可以通过该结构在系统的两个或多个部件之间输送。例如，导管可以包含输送液体、蒸汽和/或气体的管材、管、通道及其组合。

说明书和权利要求书中使用的术语“天然气”表示主要由甲烷组成的烃气体混合物。

说明书和权利要求书中使用的术语“烃”、“烃气体”或“烃流体”表示包含至少一种烃的气体/流体，并且此类烃占气体/流体的总组成的至少80％，更优选至少90％。

在权利要求书中，字母用于标识要求保护的步骤((例如(a)、(b)和(c))。这些字母用于帮助指代方法步骤，而非旨在指示执行所要求保护的步骤的顺序，除非在权利要求中具体陈述了此类顺序并且仅在权利要求中具体陈述此类顺序的范围内。

说明书和权利要求书中可以使用方向性术语(例如，上、下、左、右等)。这些方向性术语仅仅是旨在帮助描述示例性实施例，而非旨在限制其范围。如本文所使用的，术语“上游”旨在表示从参考点起与导管中流体流动方向相反的方向。类似地，术语“下游”旨在表示从参考点起与导管中流体流动方向相同的方向。

如说明书和权利要求书中所使用的，术语“高-高”、“高”、“中”、“低”和“低-低”旨在表示使用这些术语的元件的特性的相对值。例如，高-高压流旨在指示比本申请中描述或要求保护的相应的高压流或中压流或低压流具有更高压强的流。类似地，高压流旨在指示比在说明书或权利要求书中描述的相应的中压流或低压流具有更高压强的流，但是低于本申请中描述或要求保护的相应的高-高压流的流。类似地，中压流旨在指示比在说明书或权利要求书中描述的相应的低压流具有更高压强的流，但是低于本申请中描述或要求保护的相应的高压流的流。

除非本文另有说明，否则说明书、附图和权利要求书中标识的任何和所有百分比应理解为基于重量百分比。除非本文另有说明，否则说明书、附图和权利要求书中标识的任何和所有压强应理解为表示表压。

如说明书和权利要求书中所使用的，术语“压缩系统”定义为一个或多个压缩阶段。例如，压缩系统可以在单个压缩机内包括多个压缩阶段。在可替代的示例中，压缩系统可以包括多个压缩机。

除非本文另有说明，否则在一个位置引入一个流旨在表示在该位置引入基本上所有的流。说明书中讨论的和附图中示出的所有流(通常由带有箭头的线表示，示出正常运行期间流体流动的总方向)应理解为含在相应的导管中。每个导管应理解为具有至少一个入口和至少一个出口。进一步地，每台设备应理解为具有至少一个入口和至少一个出口。

图1示出了蒸发气体(bog)再冷凝系统138的示例性实施例，其中在储罐101中含有lng。蒸发气体作为bog流100离开储罐101，该bog流流过冷凝热交换器104并且至少部分地被冷凝，形成部分地冷凝的bog流102，该冷凝的bog流通过重力返回储罐101，如果部分地冷凝则返回储罐顶部，如果完全冷凝则返回底部附近。

在这一实施例中，冷凝热交换器104是板翅式热交换器134，该板翅式热交换器位于含有沸腾液氮(lin)的容器136中。在这一实施例中，冷凝热交换器104位于储罐101上方。可选地，冷凝热交换器104可以位于储罐101内部，例如，在含有沸腾lin的热交换盘管的表面上。

气态氮(gan)流106从冷凝热交换器104中取出，并且与膨胀的gan流108结合，以形成结合的gan流109。结合的gan流109在热交换器110中由(本文描述的)高压gan流118温热到接近环境温度，以形成温热的gan流112。可选地，在gan流106在热交换器110中被部分地温热后，膨胀的gan流108可以与gan流106结合。这由代表可替代膨胀的gan流108a的虚线描绘。

温热的gan流112然后在压缩机114中被压缩以形成压缩的gan流117。压缩的gan流117然后在热交换器116中被冷却水或环境空气(未示出)冷却到接近环境温度，以形成高压gan流118。压缩机114可以可选地包含利用冷却水或空气中间冷却器(未示出)进行多个阶段的压缩。

高压gan流118在热交换器110中由结合的gan流109冷却到中间温度，以形成高压冷却的gan流121。高压冷却的gan流121的一部分120然后在膨胀机122中进行等熵膨胀。由膨胀机122产生的功可以作为发电机中的电能回收，或者膨胀机122可以机械地耦合到压缩机114，以提供挤压温热的gan流112所需的部分压缩能量。

高压冷却的gan流121的剩余部分123然后在热交换器110中进一步被冷却，以冷却的gan流124离开，该冷却的gan流具有略高于gan流106的温度。冷却的gan流124闪蒸通过jt阀126，形成两相氮流128，该两相氮流供给冷凝热交换器104的壳侧。

在这一实施例中，用于冷凝bog流100的制冷负荷由氮提供。在其它实施例中，可以使用可替代制冷剂，诸如例如氩。制冷剂优选包括小于5mol％的烃。通过在系统138的在高压下运行的部分中使用不可燃的制冷剂来提高安全性。还优选地，制冷剂具有至少90mol％的纯度，并且更优选至少99％的纯度。例如，如果制冷剂是氮气，那么它优选包括至少90mol％的氮气。制冷剂的优选纯度使得在冷凝热交换器104中制冷剂的沸腾和压缩系统114中制冷剂的压缩能够更有效地执行。

在这一实施例中，bog流100的冷凝在基本恒定的温度下执行。在这一情况下，“基本恒定的温度”表示当其进入冷凝热交换器104时的bog流100和当其离开冷凝热交换器时的部分地冷凝的bog流102之间的温度差优选小于2摄氏度。

热交换器110也可以用于将温热的天然气流130冷凝以形成冷凝的天然气流131。附加地，补充的lin制冷剂流132可以可选地被引导至冷凝热交换器104的冷端。

图6示出了bog再冷凝系统638的另一示例性实施例，冷凝热交换器位于储罐601的顶部空间内。在这一实施例中，两相氮流128循环通过位于储罐601的顶部空间的热交换盘管604。顶部空间中的bog(由虚线600表示)与热交换盘管604的外表面接触，变得至少部分地冷凝的(由虚线602表示)，从热交换盘管604向下流出。

图2示出了bog再冷凝系统238的另一示例性实施例，其中鼓风机240用于克服管材和冷凝热交换器204的摩擦阻力。鼓风机240将bog流242输送到冷凝热交换器204，在那里它至少部分地被冷凝。在这一实施例中，在冷凝热交换器204中发生了bog的一些显热冷却，但是与现有技术相比，bog流242的所有冷却仍然由沸腾的液氮提供。

重要的是要注意，即使在图2所示的实施例中，在整个再液化过程中，bog基本上保持在储罐101的压强下。在这种情况下，术语“基本上”表示bog的压强仅升高到克服当其循环通过冷凝热交换器104和含有bog流100和部分地冷凝的bog流102的导管时产生的摩擦损失所需的程度。换句话说，bog优选保持在不超过储罐101压强的150％，更优选不超过120％，最优选不超过105％。例如，散装lng储罐的压强通常保持在略高于14.7psia(101.4kpa)的大气压强。基于15psia(103.4kpa)的罐压，优选在工艺过程中的任何时候(即，从bog流200从储罐301中取出的点至部分地冷凝的bog流302重新进入储罐301的点)，在不超过18psia(124.1kpa)的压强下对bog执行再冷凝工艺。在其它优点中，这使得系统338的可燃流体通过其循环的部分能够在低压下运行，这降低了可燃泄漏的风险。

图3示出了bog再冷凝系统338的另一示例性实施例，当bog流300含有大量氮馏分(例如，大于10mol％的氮气)时，该系统是有用的。当bog流300含有大量氮馏分时，通过将它仅部分地冷凝来提供所需的冷却负荷是更有效的。部分地冷凝的bog流302在相分离器344中被分离成液体流348和蒸汽流346。液体流348返回到储罐301，并且蒸汽流346(富含氮气)可以被燃烧或者用作燃料。

对于其中lng含有大量氮馏分的储罐301，图3中所示的示例性实施例是有用的，因为它防止未冷凝的氮气积聚在储罐301的蒸汽空间中。如果氮气积聚在蒸汽空间中，bog流300的温度降低。这一降低的温度增加了冷凝bog流300所需的功率，并且可能降低bog再冷凝系统338的容量。对于lng运输船上的bog的冷凝，bog流300中氮气水平的增加也可能对使用bog作为燃料的船舶发动机产生负面影响。

图4示出了bog再冷凝系统438的另一示例性实施例，当bog流400含有氮气时，该系统是有用的。在这种情况下，部分地冷凝的气流402仅部分地冷凝并且返回到储罐401的顶部蒸汽空间440中。为了防止氮气积聚在蒸汽空间440中，使用泵450将lng给送到喷射头452，使该喷射头保持液相和气相平衡，并且防止氮气在蒸汽空间440中积聚或富集。对于lng运输船，泵450和喷射头452通常需要用于在储罐初始填充之前冷却储罐101。因此，相同的泵450和喷射头452可用于两个目的。

图5中示出了bog再冷凝系统538的另一示例性实施例。在这一实施例中，阀控制器562用于通过调节冷凝热交换器504的容量来间接控制储罐501中的压强。压强控制器560通过基于压强控制器560的输出op1调节阀控制器562的设定点sp1来控制储罐501中的压强，该压强控制器又通过操纵阀564来控制冷凝热交换器504中沸腾的lin的压强。如本文所使用的，术语“关闭”和“打开”旨在表示在一个方向或另一个方向上改变阀的位置，而不必将阀位置改变到完全打开或完全关闭的位置。

当蒸发气体达到bog再冷凝系统538的设计容量时，储罐501的压强(由pv2测量)处于设定点sp2，阀564完全打开或者几乎完全打开。如果蒸发率降低到设计容量以下，储罐501中的压强将开始下降，并且压强控制器560将通过增加到阀控制器562的设定点sp1来响应，该阀控制器将通过部分地关闭阀564来响应，从而增加沸腾的lin的压强，并且进而增加lin的温度，这降低了热传递和冷却负荷的驱动力，使得罐压强保持在设定点处。564的下游和jt阀526的上游的压强下降，因为阀正在关闭，氮气的质量流速正在降低，而体积流速保持大致相同，从而允许压缩机514继续以峰值效率或接近峰值效率运行。冷凝热交换器504中的液位增加，因为系统中气态氮的存量由于连接到514的吸入和排出回路以及热交换器510两者中的压强的降低而减少。这一调节方法通过减少系统气体存量而不损失氮制冷剂来降低压缩机514的质量流量和功耗。

相反地，如果蒸发率增加，压强控制器560将通过增加到阀控制器562的设定点来响应，该阀控制器将通过打开阀564来响应，从而增加沸腾的lin的压强，并且降低lin的温度，这增加了热传递和冷却负荷的驱动力，使得储罐501压强保持在设定点sp2。然后，504中的液位降低，使附加的氮气存量进入循环，并且提高阀564的下游和jt阀526的上游的系统中的压强。

如前面所提到的，压强控制器560的输出op2通常用作阀控制器562的设定点sp1。在高于设计点的蒸发率下，冷却负荷可以使得所需的功率接近用于驱动压缩机514的马达570的最大可用功率。为了防止马达过载，提供了功率控制器572。功率控制器572将马达的功耗pv3与用户提供的设定点sp3(最大允许功率)进行比较。如果蒸发率高，并且功耗pv3接近设定点sp3，则来自功率控制器572的输出op3增加。这一输出op3在选择器块574中与来自压强控制器560的输出op2进行比较，该选择器块将较大的值作为设定点sp1传递给阀控制器562。如果来自功率控制器572的输出op3大于来自压强控制器560的输出op2，则功率控制器输出op3将超越压强控制器输出op2，以防止马达570过载。在这种情况下，储罐501中的压强将超过设定点sp2，以及可以启动减压阀(未示出)并且将过量的bog发送到火炬或排气口。

控制系统的另一特征是在进入热交换器510的冷端的组合的gan流109(在pv6测量)和离开热交换器510的冷端的冷却的gan流524(在pv7测量)之间保持恒定的温度差。这一温度差pv4由fy测量，并且由信号pv4送到温度差控制器566。温度差控制器566通过操纵流量控制器568的设定点sp5将温度差pv4保持在操作员提供的设定点sp4处。流量控制器568又控制jt阀的位置，该阀控制氮气通过jt阀526的流速。如果热交换器510的冷端的温度差pv4开始超过设定点sp4，则温度差控制器566将降低流量控制器568的设定点sp5。流量控制器568又将开始关闭jt阀526，减少冷却的gan流524的流量，这将减少温度差pv4。

在这一示例性实施例中，膨胀机522配备有流量控制喷嘴576，该流量控制喷嘴可以手动调节以改变穿过膨胀机522和压缩机514的流速和出口-入口压强差，从而提高效率。

示例1

表1示出了根据图1的系统进行的过程的示例的流数据，但是没有温热的天然气流130、可替代的膨胀的gan流108a或补充的lin制冷剂流132。在这一示例中，压缩机114的总压缩功为2252hp，并且膨胀机122产生的功为309hp，净功需求为1943hp。在这一示例中，冷凝热交换器104的冷却负荷为311kw。

表1

已经根据优选实施例及其可替代实施例公开了本发明。当然，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以考虑对本发明的教导进行各种改变、修改和变更。本发明旨在仅由所附权利要求书的条款来限制。