冷能回收系统和方法与流程

本发明涉及冷能回收系统和方法。特别地，本发明涉及(但不限于)用于回收由于蒸发液化天然气(LNG)产生的冷能以用于进一步的使用的系统和方法，并在此上下文中描述。

背景技术：

对本发明背景的以下讨论仅旨在有利于本发明的理解。应当理解，讨论不是承认或认可任何所提到的材料在作为本发明的优先权日时被出版、已知或者是在任何判定中的本领域的技术人员的普遍公知的部分。

液化天然气(LNG)是来自油田和气田的已经精炼的天然气，主要成分是甲烷。

冷能回收和使用技术已应用到在LNG接收终端的气体供送管线，LNG接收终端储存的LNG被再气化并作为城市燃气供应给最终用户。在从液化天然气再气化的过程中，蒸发/沸腾过程是吸热反应，吸入热能并产出“冷”能。如图1中所示，“冷”能可以回收并用于包括例如制造高纯度甲烷、低温研磨、供应至相邻的工厂、空调设备、开架式蒸发器(ORV)、和通过膨胀涡轮产生电力等的多种应用。

然而，由于冷能回收系统的复杂性，冷能回收工厂目前只用于在距LNG接收终端有限的区域内的工厂。

对于位于远离LNG接收终端分布的电力站，供应给最终用户是通过罐车(tank rolly)的方式经由运输LNG至在电力站(在现场)处固定的储罐实现，罐车安装了储罐和用于在车辆上进行转移的泵，并且为了使用的目的，运输的LNG储罐经由如图2示出的LNG供应构造的一个示例在现场蒸发。

图2示出根据用户的偏好供应给位于远离LNG接收终端的最终用户的LNG储罐20的常规构造。LNG在压力罐22中经由压力积累单元(PBU)24被控制和保持在期望的压力下。还包括连接至LNG储罐22的主气体加热器26，用于蒸发储罐22中的LNG用于使用。然而，从蒸发过程产生的所有的冷能被无意地浪费(即消散到外界)，这是因为冷能针对如图1中描述的用途未被管控。主气体加热器蒸发LNG的需求需要额外的热源，额外的热源消耗能量。

根据上述，存在高效地管控和利用冷能并且在供应LNG至位于远离LNG接收终端的最终用户期间减少这种“冷”能损失的需求。冷能的管控和利用被理解为“冷能回收”。

本发明寻求提供一种系统和方法至少部分地解决该需求。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面提供了冷能回收系统，所述冷能回收系统包括用于接收LNG储罐的装置；LNG蒸发器，所述LNG蒸发器包括可操作以使得LNG储罐内的LNG蒸发的热源；和冷能回收机构，所述冷能回收机构包括多个热交换器，所述多个热交换器布置为有利于在热源和所述LNG之间的热交换以实现LNG的蒸发和热源的冷却用于进一步的使用。

优选地，LNG蒸发器是环境热蒸发器，环境热蒸发器使用环境空气作为热源。

优选地，用于接收的LNG储罐的装置是包围LNG储罐的绝热真空装置。

优选地，冷能回收机构包括可操作以压缩环境空气的涡轮增压器。

优选地，来自涡轮增压器的压缩的环境空气被供送至后冷却器用于冷却。

优选地，环境空气蒸发器包括安装在LNG储罐的外表面壁上的压力积累加热线圈。

优选地，来自涡轮增压器的压缩空气可操作以驱动气体发动机发电机。

优选地，气体发动机发电机被进一步布置为接收蒸发的LNG作为输入。

优选地，冷能回收系统还包括热交换器，所述热交换器用于使得环境空气在由涡轮增压器压缩之前冷却。

优选地，系统包括耦接至环境空气蒸发器的蒸发器。

优选地，热源是已经用于冷却热发动机的水源。

优选地，冷能回收系统包括用于蒸发和加热LNG的多个蒸发器。

根据本发明的另一个方面，存在一种冷能回收方法包括以下步骤：a.将LNG储罐内的压力建立至预确定的压力水平；b.引导所述液体LNG至多个热交换器，所述多个热交换器布置为有利于在热源和所述LNG之间的热交换以实现LNG的蒸发和热源的冷却用于进一步的使用。

优选地，热源是环境空气。

优选地，方法还包括使得环境空气在使用前压缩的步骤。

附图说明

参照附图仅通过示例的方式，现在将描述本发明，其中：

图1示出了从LNG终端回收的冷能的可能的用途；

图2示出了现有技术的气体供应系统的一个示例；

图3是根据本发明的实施例的冷能回收系统的系统图；

图4示出了本发明的冷能回收系统的另一个实施例；和

图5示出了本发明的冷能回收系统的又一个实施例。

本发明的其它布置是可能的，且因此附图不应被理解为代替本发明的前述描述的共性。

具体实施方式

根据本发明的一个实施例存在冷能回收系统100。冷能回收系统100包括适合于接收LNG储罐200的真空绝热装置220。系统100还包括环境空气蒸发器300，所述环境空气蒸发器可操作以接收来自储罐200的液体LNG用于蒸发；和系统包括冷回收设备400，所述冷回收设备可操作以从空气蒸发器300接收蒸发的LNG用于进一步的处理。

真空绝热装置220防止(在周围环境中的)热进入LNG储罐200，且反之亦然。

环境空气蒸发器300将环境空气视为热源以蒸发在储罐200中的液体LNG。参考图3，环境空气蒸发器300包括耦接到入口阀350和出口阀360的压力积累线圈340。

用于输送到最终用户的入口/出口阀系统和管道是基于个人用户的要求，并且不在本发明的范围之内。

压力积累线圈340接触真空绝热装置220的外壁的表面。真空绝热装置的外壁暴露于处于环境温度的环境空气。通过经由入口阀350调节流经线圈340的液体LNG，压力积累线圈340控制和调节在储罐200中的LNG的压力。由于蒸发的LNG的体积约为LNG在其液体状态下的体积的八百倍，所以比较容易在储罐200中实现所需的积累压力。

入口阀350是节流阀，所述节流阀可操作以通过调节液体LNG通过积累线圈340的流来调节在储罐200内的液体LNG的蒸发。当液体LNG穿过积累线圈340时，随着液体LNG通过周围的热被加热，液体LNG开始蒸发。

随着液体LNG蒸发，储罐200内的压力在出口阀360关闭的情况下开始积累。以这种方式，储罐200的内部压力使用积累线圈340被积累至期望的水平。

在储罐200内积累的压力可以通过改变穿过积累线圈340的LNG的流速来控制。流速的变化对储罐200中蒸发和积累压力是必要的。该方法被认为是“冷蒸发器”(以下称为CE)。

因为蒸发LNG所必需的热能将从周围环境或环境空气被吸入，所以这种使用冷蒸发器的设备不需要如在现有技术的情况下的主气体加热器或类似热水、蒸汽或电加热器的热源24。高达七(7)巴的压力可提供给储罐200，这取决于储罐200的容量和积累必要的压力以供送LNG至蒸发器420所需的积累线圈340的热交换表面。

当达到所需的压力积累时，一旦阀360被打开，加压的LNG液体将通过出口节流阀360被供送至热交换器420。热交换器420是蒸发器，所述蒸发器提供液体LNG和环境空气之间换热的交界(interface)。在热交换器420处，液体LNG获得热以蒸发同时环境空气损失热并被冷却。

从热交换器420：

i.蒸发的LNG被输送以供送至诸如气体发动机发电机500的输出发动机中。

在环境空气被供送至蒸发器420之前，环境空气可被处理以除去杂质/水分。特别地，在环境空气接触到热交换器420的表面之前除去来自环境空气的水分是重要的；否则水分(基本上是水)冻结和阻塞热交换器420内的通道。

ii.用于蒸发LNG的冷却环境空气被导向至涡轮增压器450。涡轮增压器450可操作以压缩冷却的环境空气。

压缩后，在涡轮增压器450的输出处的压缩的空气将处于比在涡轮增压器450的输入处的未压缩的空气更高的温度。如果需要，只要匹配气体发动机500的规格，压缩空气使用后冷却器480进一步冷却。

气体发动机发电机500被布置为接收以下的一个或两者作为输入：

i.已经穿过后冷却器480的压缩的冷却环境空气；和

ii.已蒸发的LNG(作为燃料LNG气体)。

在涡轮增压器450的输出之后的压缩的冷却的环境空气应合适地处于尽可能低的温度用于后冷却器480的冷却负荷以及用于驱动气体发动机发电机500，因为这样的优化配置将导致输出电力的最佳范围。

使用冷能回收系统100的一个具体的示例基于如下示例和计算：

在LNG的111.55K的沸点温度和在1.013巴的大气压力的LNG(主要是甲烷)的比焓是911.35kJ/kg。

甲烷的潜热是510.25千焦耳每千克(kJ/kg)。

在储罐200中的加压通过压力积累线圈340实现且保持约五(5)巴的压力。在涡轮增压器450的压缩比被采取为3比4(3：4)，因此输送压力约四(4)巴。在某些类型的气体发动机的情况下，发动机输入压力是12psi，12psi是2.3巴(12+14.7＝2.3巴)。

1964.5kg/小时的消减的液体(LNG)是通过与40℃的室外(环境)空气进行换热而被蒸发的。冷却的环境空气以对应于每小时1.7903×10⁶kJ的39200kg/小时的速度被供送至涡轮增压器450。

相应地，在涡轮增压器450处，

环境空气的温度变化ΔΤ被计算为1.7903×10⁶/39200/1.1102(1.1102＝空气的比热容)＝41.1376℃。

假定进入涡轮增压器450的未压缩的环境空气可降低到0℃。

在涡轮增压器450的增压压力在18psi的情况下，然后压缩比为2.26(＝(18+14.7)/14.7)。

涡轮增压器450的出口温度在较高的温度＝

273×2.26^(1.4-1)/1.4＝344.6K(＝71.6℃)

与不使用冷能的情形比较，在涡轮增压器450处的输入温度将是313K(＝40.0℃)

涡轮增压器450的出口温度＝

313×2.26^{(1.4-1.0)/1.4}＝395.1K(＝122.1℃)

其中，针对空气，C_p/C_v＝1.4。

基于计算，在25℃的气体发动机发电机的标称操作温度下冷却在后冷却器480中的水节省的能是553.2kW。这是对应于冷却能力的52％节省，如在以下步骤中的下面的计算：-

(122.1-25)×39200×1.006/3600＝1063.7kW

(71.6-25)×39200×1.006/3600＝510.5kW

1063.7-510.5＝553.2kW

553.2/1063.7＝52％

其中，空气的比热容是1.006kJ/kg/K。

在将进入的空气升压到2至3个大气压的涡轮增压器450的一个实际应用的示例中，涡轮增压器450的出口空气温度通过压缩热升高。后冷却器480然后冷却空气温度降低至25℃。如使用计算示出，通过使用来自LNG冷回收，后冷却器480的冷却能力可以节省约52％。

应当理解的是，作为至涡轮增压器450入口空气的密度在0℃比入口空气的密度在40℃高14％；即入口空气的密度在0℃是1.251kg/m³，且在40℃是1.091kg/m³。如描述的实施例允许更多的空气在每个点火周期被供送至气体发动机发电机的气缸中。因此冷和密集的空气的这种使用对给定的发动机尺寸提供了更大的功率和更好的燃烧效率。

根据本发明的另一个实施例并参考图4，其中相同的附图标记指代相同的部件，环境空气(未被冷却)被直接供送至涡轮增压器450中用于压缩。压缩的空气(处于比未压缩的空气更高的温度)然后由后冷却器480冷却。从后冷却器480输出的冷却的空气此后通过另一个热交换器630。热交换器630是蒸发器以有利于液体LNG和后冷却器480的出口处的压缩的环境空气之间的热交换。压缩的和冷却的环境空气然后在供送至气体发动机发电机500用于消耗之前在LNG的蒸发过程期间(类似于在前面的实施例中描述蒸发过程)进一步冷却。设备可以使用CATERPILLAR G3520E气体发动机发电机500作为例证，具有下面的示例规格：

GENSET POWER(额定功率)＝1995kW

涡轮增压器(压缩机)450出口空气压力＝422kPa(abs)

涡轮增压器(压缩机)450出口空气温度＝218℃

压缩空气的温度在穿过后冷却器480(风冷)之后约为59℃

燃料压力范围＝10至35kPag(＝111.3至136.3kPa abs)

分别采取LNG气体燃料的流速是392.9kg/小时且空气的流速是7840kg/小时。

回收的LNG的冷能为3.5808×10⁵kJ/小时(＝392.9×911.35)，回收的LNG的冷能允许降低空气温度45℃。

3.5808×10⁵/(7840×1.006)＝45℃

相应地，在环境空气被用于LNG蒸发后，在蒸发器630处的环境空气温度可以从59℃降低至14℃(＝59-45)。

上述设备被设计成满足大体上对应于输出功率的26％的增加(＝0.57％/1℃×45)的15℃的ISO额定的功率输出。这是可以实现的，由于在每个点火周期更大量的环境空气被供送至气体发动机发电机的气缸中。

根据本发明的另一个实施例并参考图5，其中相同的附图标记指代相同的部件，存在冷能回收系统1000，所述冷能回收系统可操作以使用已用于冷却气体发动机500的热水(即来自气体发动机套的热水)。热水用于LNG气体的蒸发。

系统1000包括LNG罐200、第一热交换器1200、膨胀机1400、和第二热交换器1600。

LNG储罐200可包括如在之前的实施例中描述的真空绝热装置220、压力积累线圈340、以及阀350、360以实现积累液体LNG的压力。

液体LNG经由泵1800被输送至液体LNG被蒸发的第一热交换器1200。然后，从第一热交换器1200蒸发的LNG作为输入供送至膨胀机1400以驱动膨胀机1400。

膨胀机1400是大体用于产生电功率的涡轮膨胀发电机。当蒸发的LNG被用于发电机时，蒸发的LNG的压力降低。与此同时，蒸发的LNG气体的温度也降低。为了使LNG气体适合用于驱动气体发动机500，需要进行进一步加热液化天然气。进一步加热液化天然气是通过令LNG气体经过第二热交换器1600来实现的。

第一热交换器1200是蒸发器。在第一和第二热交换器1200、1600处，热源是来自已经用于气体发动机500的冷却的气体发动机套的热水。

随着热水被用于LNG的蒸发/加热；热水被冷却并循环回至发动机套再次用于对气体发动机500冷却。应当理解，对于气体发动机套热水的加热和冷却处理可重复。

泵1800可用于压缩和引导LNG的液体至第一热交换器1200。

作为一个示例，LNG系统1000可包括在1.03巴(即大气压)的压力在接近LNG的沸点的110K(-163.2℃)的温度的LNG气体。

用上述设备，焓为130BTU/lb或302.38kJ/kg。液体LNG以1960kg/小时的速度供送至第一交换器1200，速度可以借助于泵1800改变。假定在第一热交换器1200处的热输入是442.8kW(热功率)，压缩的液体LNG被蒸发并具有45.96巴的压力；300K的(26.85℃)的温度和480BTU/lb的比焓。膨胀机1400具有71.3kW的电功率输出。

在蒸发的LNG被用于驱动膨胀机1400之后，入口气体膨胀并且气体的压力从45.95巴降低至5巴。除了由于气体的隔热膨胀降低温度至170K(-103.15℃)，通过气体在该膨胀中完成的功导致如上所述的71.3kW的输出；和焓H＝480BTU/lb。

在穿过第二热交换器1600时，提供的热输入是126.5kW，其使得气体以5.0巴的压力升温至15℃。

本领域的技术人员应当理解上述发明不限于描述的实施例。特别地，下面的修改和改进在不脱离本发明的范围可以作出：

冷能量回收系统可用于其它气体驱动装置而不是驱动气体发动机发电机500。

热交换器可以包括蒸发器、冷凝器、后冷却器或其它功能性等效装置用于实现如在实施例中描述的功能。

本领域技术人员应当理解，不是替代或代替的上述特征的变化和组合可以组合以形成还落入本发明的预期范围内的其它实施例。