一种LNG管道预冷方法及NG冷气发生装置与流程

本发明涉及LNG管道预冷技术领域，尤其涉及一种LNG管道预冷方法及NG冷气发生装置。

背景技术：

将LNG管道系统从环境温度冷却到工作温度的过程称为预冷。在预冷过程中，为使管道、绝热层和周围土壤降温，需要蒸发掉一定量的低温工作介质，而且要经过相当长的时间才能达到热稳定状态。对预冷过程的设计计算就是要确定低温介质耗量与预冷时间，LNG管道系统的预冷过程是一个复杂的热量传递过程。LNG管道系统在预冷过程中既可以利用低温工作介质的汽化潜热，又可以利用已蒸发的气体温度升高时所吸收的显热，预冷过程中需要的低温工作介质的消耗量是随显热的利用程度而变化的。

LNG输送管道以及LNG汽化站内低温管道和低温储罐在正式输入低温液体之前，首先要进行充分的冷却即预冷。如果LNG突然注入常温的管道，管道会迅速地收缩，为了避免管道结构因急冷损坏，预冷过程的控制非常重要。管道的底部与沸腾的LNG直接接触，相对温度较低，由于LNG吸收了管道材料的热量在管道内发生有核沸腾或者膜沸腾，产生的NG充满管道顶部，造成管道顶部的温度相对较高，在管道截面上温度梯度会导致“香蕉效应”。即为：由于管道的顶部和底部收缩不一致，导致管道系统发生不可预知的形变，进而引起管道、支撑、膨胀节和连接法兰的损坏，因此在LNG管道系统的投产和检修后开工的情况中，对管道系统的预冷是必须进行的，而且这一预冷过程必须逐步地缓慢地进行，根据有关操作经验，管道系统的冷却速率控制在50℃/h左右时比较安全。当LNG管道系统的温度达到-95℃～-118℃时，才可以正式投产运行。

目前，对LNG管道系统进行预冷采用的低温工作介质通常是液氮，由多辆大型槽罐车运输液氮到LNG装置附近，在汽化器中吸收空气的潜热实现气化，这一过程的系统压力高于常压，相关设备均为压力容器。由于液氮的温度低于LNG，在进行预冷操作时，稍有不慎，管道系统发生“香蕉效应”的概率更大，整个管道系统完成预冷所耗费的时间更长。而且由于需要额外采购大量的液氮，这一预冷工艺成本偏高，准备时间长。

通过对LNG管道系统预冷操作进行模型分析，可以确定理想的低温工作介质是低温气体，尽量避免低温工作介质在管道系统中呈现出气液两相状态，因为这种气液两相状态是导致管道发生“香蕉效应”的根本原因。在工程实践中，LNG管道系统进行预冷操作的温度下限就是纯净NG的露点(-120℃左右)。当低温气体进入管道系统实施预冷时，在管道内部不存在温度差，在管道圆周上的温度也是均一的，随着低温气体在管道内的扩散，管道系统沿延伸方向逐步冷却。这样的预冷过程是随着低温气体的扩散而缓慢实施的，降低了管道系统发生变形的概率。当管道系统的温度逐渐下降，达到低温气体的露点时，低温工作介质将再次出现气液两相状态。因此，理想的低温工作介质应该具有这样的物理特性：其露点与LNG的露点接近，至少不能高出太多，否则会在预冷操作中，未达到目标温度而过早出现气液两相状态。而空分后的氮气露点在-69℃左右，因此液氮在LNG预冷操作的后半段并不适合做为工作介质。只是由于液氮相对容易获取，其沸点相对较低，所以才会广泛用于LNG管道系统的预冷操作。

技术实现要素：

本发明提供了一种LNG管道预冷方法及NG冷气发生装置，选用NG和LNG做为工作介质，利用NG的显热气化LNG，产生的NG冷气用于LNG管道系统的预冷过程，不需要额外的汽化器，不需要额外的动力，不需要外源的液氮；NG冷气发生装置具有结构简单、成本低和安全可靠的特点。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种LNG管道预冷方法，利用常温NG的显热气化LNG形成NG冷气，用NG冷气对LNG管道进行预冷。

一种LNG管道预冷方法，具体为：来自LNG排放罐的LNG与常温NG在LNG混合装置中进行充分混合，产生低温的NG雾化气，低温的NG雾化气再经LNG气液分离器分离得到干燥的NG冷气，将干燥的NG冷气作为LNG管道及设备开工前的预冷循环气体使用；LNG气液分离器分离出的液体返回LNG排放罐。

一种用于实现所述方法的NG冷气发生装置，包括LNG排放罐、LNG混合装置及LNG气液分离器；所述LNG排放罐设LNG出口及回流液入口，所述LNG混合装置设NG入口、LNG入口及NG雾化气出口，所述LNG气液分离器设NG雾化气入口、NG冷气出口及冷凝液出口；所述LNG排放罐的LNG出口与LNG混合装置的LNG入口相连，LNG混合装置的NG入口连接LNG厂站内的常温天然气管道，LNG混合装置的NG雾化气出口连接LNG气液分离器的NG雾化气入口，LNG气液分离器的冷凝液出口连接LNG排放罐的回流液入口，LNG气液分离器的NG冷气出口连接NG冷气导出管。

所述LNG排放罐为卧式罐、立式罐或船型槽结构的密闭压力容器，顶部设压力安全阀，外层设绝热保温层。

所述LNG混合装置由预混段和静态混合器组成，预混段设NG入口、LNG入口及混合气出口，静态混合器设混合气入口及NG雾化气出口，预混段的混合气出口连接静态混合器的混合气入口；与NG入口相连的NG入口管、与LNG入口相连的LNG入口管上分别设安全阀、调压阀、温度计、流量计和压力表；LNG混合装置的外层设绝热保温层。

所述预混段为三通管结构，三通管结构中NG入口与混合气出口相对设置，LNG入口处设文丘里喷嘴。

所述预混段为内外套管结构，内层套管的一端为NG入口，内层套管与外层套管之间的环形通道的同一端为LNG入口，内层套管的另一端延伸至外层套管的中部，外层套管的另一端为混合气出口。

所述预混段为并列双管结构，双管分别为LNG入口管及NG入口管，LNG入口管的一端为LNG入口，NG入口管的一端为NG入口，LNG入口管与NG入口管的中部连通，另一端设混合气出口。

所述LNG气液分离器为旋风式、涡流式或塔板式气液分离器，LNG气液分离器的外层设绝热保温层；NG冷气导出管上设安全阀、调压阀、温度计、压力表及流量表，LNG气液分离器的冷凝液出口与LNG排放罐的回流液入口连接的管道上设阀门、温度计和流量表。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)工作介质可从LNG厂站直接获取，不需要外源的液氮，可节省装卸和导入液氮的一系列设备；

2)利用常温天然气的显热气化LNG，无需汽化器和额外的热源；

3)NG冷气发生装置的结构简单，设备占地面小，尤其适合大中型LNG厂站使用；

4)本发明通过采集各种物料的温度、流量、压力数据，可以实现对预冷过程的稳定控制，在这一过程中安全可靠，极大地降低了管道系统发生“香蕉效应”的风险，有助于改善生产效率、降低操作成本和提高LNG系统的安全性；

5)本发明所述预冷工作原理可广泛应用于其他低温液体输送管道的预冷，如液氮、液氧和液氢等。

附图说明

图1是本发明所述一种NG冷气发生装置的结构示意图。

图2是本发明所述LNG混合装置的结构示意图。

图3是本发明所述LNG气液分离器的结构示意图。

图4是本发明所述NG冷气发生装置的工艺流程图。

图中：1.LNG排放罐 2.LNG混合装置 21.NG入口 22.LNG入口 23.文丘里喷嘴 24.静态混合器 3.LNG气液分离器 31.NG雾化气入口 32.NG冷气出口 33.冷凝液出口

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明所述一种LNG管道预冷方法，利用常温NG的显热气化LNG形成NG冷气，用NG冷气对LNG管道进行预冷。

如图4所示，本发明所述一种LNG管道预冷方法，具体为：来自LNG排放罐1的LNG与常温NG在LNG混合装置2中进行充分混合，产生低温的NG雾化气，低温的NG雾化气再经LNG气液分离器3分离得到干燥的NG冷气，将干燥的NG冷气作为LNG管道及设备开工前的预冷循环气体使用；LNG气液分离器3分离出的液体返回LNG排放罐1。

如图1所示，一种用于实现所述方法的NG冷气发生装置，包括LNG排放罐1、LNG混合装置2及LNG气液分离器3；所述LNG排放罐1设LNG出口及回流液入口，所述LNG混合装置2设NG入口21、LNG入口22及NG雾化气出口(如图2所示)，所述LNG气液分离器3设NG雾化气入口31、NG冷气出口32及冷凝液出口33(如图3所示)；所述LNG排放罐1的LNG出口与LNG混合装置2的LNG入口22相连，LNG混合装置2的NG入口21连接LNG厂站内的常温天然气管道，LNG混合装置2的NG雾化气出口连接LNG气液分离器3的NG雾化气入口31，LNG气液分离器3的冷凝液出口连33接LNG排放罐1的回流液入口，LNG气液分离器3的NG冷气出口32连接NG冷气导出管。

所述LNG排放罐1为卧式罐、立式罐或船型槽结构的密闭压力容器，顶部设压力安全阀，外层设绝热保温层。

所述LNG混合装置2由预混段和静态混合器24组成，预混段设NG入口21、LNG入口22及混合气出口，静态混合器24设混合气入口及NG雾化气出口，预混段的混合气出口连接静态混合器24的混合气入口；与NG入口21相连的NG入口管、与LNG入口22相连的LNG入口管上分别设安全阀、调压阀、温度计、流量计和压力表；LNG混合装置2的外层设绝热保温层。

如图2所示，所述预混段为三通管结构，三通管结构中NG入口21与混合气出口相对设置，LNG入口22处设文丘里喷嘴23。

所述预混段为内外套管结构，内层套管的一端为NG入口，内层套管与外层套管之间的环形通道的同一端为LNG入口，内层套管的另一端延伸至外层套管的中部，外层套管的另一端为混合气出口。

所述预混段为并列双管结构，双管分别为LNG入口管及NG入口管，LNG入口管的一端为LNG入口，NG入口管的一端为NG入口，LNG入口管与NG入口管的中部连通，另一端设混合气出口。

所述LNG气液分离器3为旋风式、涡流式或塔板式气液分离器，LNG气液分离器3的外层设绝热保温层；NG冷气导出管上设安全阀、调压阀、温度计、压力表及流量表，LNG气液分离器3的冷凝液出口33与LNG排放罐1的回流液入口连接的管道上设阀门、温度计和流量表。

以采用三通管结构预混段的LNG混合装置(如图2所示)为例，本发明所述一种LNG管道预冷方法的工作原理如下：在LNG混合装置2的预混段，由文丘里喷嘴23喷射的LNG(温度为－165℃左右的液化天然气)与常温的天然气(NG)初步混合，汽化后的低温天然气与常温天然气进入静态混合器24中实现掺混均匀，自静态混合器24出来的含有雾滴的低温天然气(温度为－158℃左右的NG雾化气)再进入LNG气液分离器3中,通过吸附及撞击作用实现气液分离。通过调节LNG混合装置2中的两种物料的流量比来调控输出的NG冷气的温度和流量。分离出的干燥的NG冷气(低温天然气)进入LNG管道系统中用于管道及设备开工前的预冷循环。分离出的液体(重新凝聚起来的LNG)在LNG气液分离器3底部聚集，积累到一定量后定期打开阀门回流进入LNG排放罐1储存。

随着我国对LNG的需求快速增长，沿海地区将兴建更多大中型LNG厂站，这种NG冷气发生装置的应用前景将更加广阔。由于液氧-甲烷型航天发动技术的日渐成熟，在使用LNG的燃料加注过程中，该发明也具有充分的应用前景。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。