用于从液化气体产生气态气体的装置的制作方法

本发明尤其涉及一种用于从液化气体产生气态气体的装置。

背景技术：

现有技术包括文献fr-a1-3066257、wo-a1-2017/192136和kr-a-20180093577。

为了更容易地长距离运输天然气等气体，通常通过将气体冷却至低温(例如大气压下的-160℃)来液化气体(成为液化天然气-lng)。液化气体然后被装载到专门的船上。

在例如lng类型的液化气体运输船中，能量生产设备旨在满足船操作的能量需求，特别是用于船的推进和/或船上设备的电力生产。

这种设备目前包括消耗来自蒸发器的气体的热力发动机，该气体由在船的一个或多个罐中运输的液化气体货物供应。

文献fr-a-2837783提供了使用船的罐的底部的潜水泵来供应这种蒸发器和/或推进所需的其他系统。

为了限制液化气体的蒸发，已知的做法是将其在压力下储存在罐中，以便在所考虑的液化气体的汽化曲线上移动，从而提高其汽化温度。液化气体因此可以在更高的温度下储存，这导致限制气体的蒸发。

然而，天然气的自然蒸发是不可避免的；这种现象被称为“nbog”，是naturalboil-offgas(自然蒸发气体)的首字母缩略词(相对于强制气体蒸发，或fbog，forcedboil-offgas的首字母缩略词)。船的罐中自然蒸发的气体通常用于供应上述设备。在自然蒸发气体的量不足以满足设备的燃气需求的情况下(第一种情况)，则启动浸没在罐中的泵，以在强制蒸发后供应更多的燃料气体。在蒸发气体的量与设备的需求相比太大的情况下(第二种情况)，过量的气体通常在气体燃烧单元中燃烧，这代表燃料气体的损失。

在目前的技术中，罐的改进使得液化气体的自然蒸发率(bor)越来越低，而船的机械效率越来越高。因此，在上述第一种情况和第二种情况中的每天一个中，通过蒸发自然产生的气体量与船的设备所需的气体量之间的差异非常大。

因此，对用于冷却包含在储罐中的液化气体和管理该罐中产生的bog的解决方案的兴趣越来越大，例如再液化或冷却单元，例如在申请wo-a1-2016/075399中描述的那些。该文件的基本思想是提出一种用于冷却液化气体的装置，该装置能够限制液化气体的自然蒸发，同时保持其热力学状态，允许其持续储存。然而，在该文献中描述的热交换器技术是昂贵且低效的，并且具有其他缺点，这将在下面详细描述。

此外，有几个参数会影响nbog的生成，例如液体运动和环境条件。船的能量需求也有很大的不同，取决于执行的操作或航行速度。因此，很难建立一个有效的bog管理解决方案，因为过量的nbog的量可能会有很大差异。

已经有人提出通过真空蒸发器来强制蒸发气体并产生冷量。该真空蒸发器包括相分离瓶，该相分离瓶安装在用于蒸发从罐中取出的液化气体的器件和用于对该瓶减压的器件之间。这使得可以获得更大的冷却能力，该冷却能力可用于冷却包含在主罐中的气体。

本发明提供了对现有技术的简单、有效和经济的改进。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于从液化气体产生气态气体的装置，包括:

-第一热交换器，其包括第一冷却回路，该第一冷却回路包括连接到第一管线的液化气体入口，该第一管线旨在连接到至少一个液化气体储罐的液化气体出口，

-装备所述第一管线的通过减压进行蒸发的器件，以及

-至少一个压缩机，

其特征在于，所述装置还包括加热器，该加热器包括连接到所述第一回路的出口的、用于至少部分为液体形式的气体的入口，以及连接到所述至少一个压缩机的、用于仅为气态形式的气体的出口。

因此，现有技术的真空蒸发器(ve)分离瓶被加热器代替。与旨在容纳两相混合物的分离瓶不同，加热器被构造为在出口处供应仅气态形式的气体。这简化了装置的结构，因为不再需要独立管理瓶中的液体和气体。

根据本发明的装置可以包括彼此分开或彼此组合地采用的以下特征中的一个或多个：

-所述第一回路被构造成将在其中流通的流体从小于或等于-165℃的温度加热到大于或等于-165℃的温度，

-所述加热器是热交换器，其包括第三回路，该第三回路包括连接到所述第一回路的出口的用于至少部分为液体形式的气体的入口，以及连接到所述至少一个压缩机的用于仅为气态形式的气体的出口，

-所述第三回路被构造成将在其中流通的流体从小于或等于-165℃的温度加热到大于或等于-50℃的温度，

-形成加热器的交换器包括加热流体在其中流通的第四回路，

-所述第四回路被构造成将在其中流通的流体从大于或等于50℃的温度冷却到小于或等于0℃的温度，

-所述加热流体是取自所述至少一个压缩机的出口的压缩气体，

-所述至少一个压缩机的出口，优选单个出口，连接到形成加热器的交换器的所述第四回路的入口，

-该装置包括串联安装的至少两个压缩机，上游压缩机的出口连接到形成加热器的交换器的所述第四回路的入口，所述第四回路的一个出口连接到下游压缩机的入口，

-该装置包括串联安装的至少两个压缩机，上游压缩机的出口连接到下游压缩机的入口，下游压缩机的出口连接到形成加热器的交换器的所述第四回路的入口，

-所述第四回路具有连接到至少一个压缩机的出口，

-所述第三回路的入口也连接到用于来自所述罐的气态气体的出口(45),

-所述第一热交换器包括第二回路，该第二回路包括连接到第三管线的液化气体入口，该第三管线旨在连接到所述罐的液化气体出口；取决于装置的操作模式，该第二回路可以依次是冷却回路和加热回路，

-所述第一热交换器包括第五加热回路，该第五加热回路包括连接到第四管线的气态气体入口，该第四管线旨在连接到所述压缩机的出口，或者在两个压缩机串联的情况下连接到下游压缩机的出口，

-所述第二回路被构造成将在其中流通的流体从小于或等于-160℃的温度冷却到小于或等于-165℃的温度，和/或所述第五回路被构造成将在其中流通的流体从小于或等于-100℃的温度冷却到小于或等于-130℃的温度，

-所述第四回路的出口也连接到所述第五回路的入口，

-该装置包括配备有膨胀器件的第五管线，该膨胀器件包括连接到所述第五回路的出口的入口和旨在连接到所述罐的液化气体入口的出口，

-该装置包括第六管线，其入口连接到所述第二回路的出口，其出口连接到所述罐的液化气体入口，

-所述第五回路的所述气体入口经由第二热交换器的第六回路连接到所述压缩机的出口，或者在两个压缩机串联的情况下连接到下游压缩机的出口，

-所述第六回路被构造成将在其中流通的流体从大于或等于0℃的温度冷却到小于或等于-100℃的温度，

-所述第二热交换器包括第七回路，其入口连接到用于来自所述罐的气态气体的出口，其出口连接到所述压缩机，或者在两个压缩机串联的情况下连接到下游压缩机，

-所述第七回路被构造成将在其中流通的流体从小于或等于-100℃的温度加热到大于或等于-50℃的温度

本发明还涉及一种船，特别是用于运输液化气体的船，包括至少一个如上所述的装置。

本发明还涉及一种通过根据前述权利要求之一的装置从液化气体产生气态形式的气体的方法，其特征在于，该方法包括在供应所述至少一个压缩机之前提取液化气体并使该气体完全蒸发的步骤。

蒸发可以通过用加热流体加热液化气体来获得，该加热流体可以是从所述至少一个压缩机的出口取出的压缩气体。压缩气体优选在串联安装的两个压缩机之间或者在串联安装的两个压缩机的出口处提取。

附图说明

通过阅读以下以非限制性示例的方式进行的描述并参考附图，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将变得更加显而易见。在附图中：

图1是根据本发明的装置的第一实施例的示意图，该装置在这里装备船，

图2是根据本发明的装置的第二实施例的示意图，该装置在这里装备船，

图3是根据本发明的装置的第三实施例的示意图，该装置在这里装备船；

图4是根据本发明的装置的第四实施例的示意图，该装置在这里装备船，

图5是根据本发明的装置的第五实施例的示意图，该装置在这里装备船，并且

图6是示出图5的装置的操作模式的示意图。

图7是示出图5的装置的另一种操作模式的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的装置10的第一实施例，该装置10尤其使得可以从液化气体产生气态形式的气体。

装置10特别但不排他地适用于向舶、例如液化气体运输船(图1至3)供应燃料气体。

船包括用于储存液化气体的一个或多个罐14。气体例如是甲烷或包含甲烷的气体混合物。该或每个罐14可以在预定的压力和温度下，例如在大气压和-160℃的温度下，容纳液化形式的气体。船上的一个或多个罐14可以连接到用于在船上产生能量的设备12。因此，罐的数量不受限制。例如在1和6之间。每个罐14可以具有1000至50000立方米的容量。

在下文中，“罐”一词应解释为“该罐或每个罐”。

罐14包含液化气体14a以及由罐14中液化气体14a的蒸发、特别是自然蒸发产生的气体14b。自然地，液化气体14a储存在罐14的底部，而蒸发气体14b位于罐中液化气体的上方，由字母n示意性地示出。

在下文中，“lng”表示液化气体，也就是说，液体形式的气体，“bog”表示蒸发气体，“nbog”表示自然蒸发气体，“fbog”表示强制蒸发气体，这些首字母缩略词是本领域技术人员已知的，因为它们对应于相关英语表达的首字母。

在图1所示的实施例中，泵16a、16b浸没在罐14的lng中，并且优选位于罐的底部，以确保它们仅被供应lng。

这里，有两个泵16a、16b。泵16a连接到管线18的一端，这里是下端。泵16b连接到管线20的一端，这里是下端。在一种变型中，可以有更多的每种类型的泵，例如提供16a和16b的冗余，或者使用现有的泵，如已经存在于船上的喷射泵(在这种情况下，16b的功能可以由四个喷射泵提供，每个喷射泵存在于四个单独的罐中)。在一种变型中，也可以使用已经存在于船上的燃料气体泵(在这种情况下，16a的功能可以由(多个)燃料气体泵提供，每个燃料气体泵存在于一个或多个单独的罐中)。

管线20包括上端，该上端连接到位于储罐14的上部、在水平n上方的用于喷射lng液滴的吊杆22。吊杆22因此被构造成将lng液滴喷射到nbog中。这使得可以迫使nbog在罐14中重新冷凝。泵16b被构造成迫使lng在管线20中从罐14的底部到吊杆22的流通，并确保lng以液滴的形式喷射。实际上，主罐中可能存在气体塔顶(gasoverhead)，而nbog可以在管线中流通。

泵16a构造成迫使管线18中的lng从储罐14的底部流通到热交换器24。管线18包括减压器件19，以便在到达交换器24之前降低在管线18中流通的lng的压力。减压器件19例如包括焦耳-汤姆森阀。

因此，lng在管线18中并通过减压器件19的流通导致lng在供应给交换器24之前部分汽化。

在所示的例子中，热交换器24包括三个热交换回路，其中第一回路24a具有连接到管线18的入口，用于向第一回路24a供应离开减压器件19的两相气体。

第一回路24a的出口连接到加热器25的入口，加热器25的出口连接到第一压缩机26的单个入口。被称为上游压缩机的压缩机26在这里具有单个出口，该出口连接到被称为下游压缩机的压缩机28的第一入口。压缩机28在这里具有单个出口，该出口通过三通阀46的路径之一连接到设备12。

热交换器24包括第二回路24b，第二回路24b包括通过管线30连接到三通阀38a的路径之一的入口，三通阀38a的另两个路径分别连接到管线20和吊杆22。

第二回路24b的出口连接到管线32，管线32也连接到三通阀38b的路径之一，三通阀38b的另一个路径连接到吊杆22。

热交换器24包括第三回路24c，第三回路24c包括出口，该出口通过管线34连接到三通阀38b的最后一个路径，以及连接到用于将lng重新注入罐14、优选在容器的底部的柱塞式系统35。管线34配备有膨胀器件36，膨胀器件36被构造成在气体被重新注入罐24之前降低气体的压力并对其进行再冷凝。

膨胀器件36包括例如焦耳-汤姆逊效应阀，目的是通过绝热膨胀降低气体温度。

焦耳-汤姆逊弛豫或减压是一种稳定而缓慢的层流弛豫，通过让气体流过隔热水平管道中的缓冲器(通常是棉絮或丝绸坯布)来实现，缓冲器左右两侧的压力不同。对于真实气体，焦耳-汤姆逊膨胀通常伴随着温度变化：这就是焦耳-汤姆逊效应。

管线32还通过其他三通阀38a’、38b’连接到吊杆22和来自船的其他罐14的lng重新注入系统35。

第三回路24c的入口连接到另一个热交换器42的回路42b的出口，另一个热交换器42的入口连接到三通阀46的其余路径。该交换器42包括另一个回路42a，其一个出口连接到压缩机28的第二入口。

回路42a的入口连接到罐14或每个罐14的bog出口45。

回路24a是冷回路，流体在该回路中流通，在这种情况下是减压的lng，意图通过该回路中的流通被加热，以便部分蒸发它。它是用来被加热的，因此是用来传递冷的。回路24a因此被认为是冷却回路。

回路24b在第一种情况下是热回路，因此是加热回路，在第二种情况下是冷回路，因此是冷却回路，流体在该回路中流通，并且在这种情况下，来自储罐14的lng打算通过在该回路中流通来被冷却。应当理解，回路24a上游的减压使得可以降低蒸发温度，这使得可以通过与从容器中取出并在回路24b中流通的lng进行热交换来产生fbog。fbog的蒸发需要由在回路24b中流通的液化天然气供应热量；因此，它是用于冷却在回路24b中流通的lng的制冷源。

回路24c是热回路，因此是加热回路，流体在该回路中流通，在这种情况下，离开压缩机26、28的压缩气体打算通过在该回路中流通来被冷却。回路24c下游的膨胀使得可以在气体被重新注入罐14之前对其进行再冷凝和再液化。

在第一种情况下，来自储罐14的lng因此由泵16a输送到减压器件19，然后在交换器24的冷回路24a中流通。同时，来自储罐14的lng由泵16b输送到交换器24的热回路24b。因此，这些回路之间的热交换导致：

-加热减压和部分蒸发的lng，以便继续其蒸发，这在加热器25中完成，以及

-冷却lng，其经由系统35或吊杆22被重新注入罐14中。

在第二种情况下，来自压缩机28的压缩气体在膨胀和再液化之前在回路24c中进一步流通。同时，来自储罐14的lng由泵16b输送到交换器24的冷回路24b。因此，这些回路之间的热交换导致：

-加热lng，其经由系统35重新注入罐14中，

-冷却压缩气体，其然后在经由系统35注入罐14之前被膨胀和再液化。

压缩机26、28可以是两个独立的压缩机或同一压缩机的两个压缩级。压缩机26、28因此可以共享。

压缩机28的出口连接到设备12，以用于其燃料气体的供应。压缩机28被构造成将气体压缩到适合其在设备12中使用的操作压力。

在图1的实施例中，加热器25的目的是在回路24a的出口处完全加热和蒸发气体，并且为此包括加热回路25a，其可以是电回路或传热流体回路，例如用于水蒸气。

优选地，在加热器25的入口处，两相气体的压力在120和800mbara之间，优选在300和800mbara之间，温度在-182℃和-151℃之间，并且在加热器的出口处，气态形式的气体的压力等于入口，除了加热器的压降，并且温度在-120℃和-15℃之间。

图2示出了装置10的替代实施例，该实施例与图1的实施例的不同之处在于，加热器25’包括流体回路25a，该流体回路25a的入口连接到压缩机26的出口(优选为单个出口)，该流体回路25a的出口连接到压缩机28的入口。

图3示出了装置10的另一变型实施例，其与图1的不同之处在于，加热器25”包括流体回路25a，流体回路25a的入口连接到压缩机28的出口(优选为单个出口)，并且流体回路25a的出口连接到三通阀46的路径之一，三通阀46也连接到设备12和交换器42。图1至图3的这三种变型除了使lng完全蒸发之外，还可以将其加热至非低温温度，即-40℃以上

图1的装置10及其图2和3的变型可以如下操作。

1、如在bog的量不足的情况中，例如，当船以需要更多的bog来补充(多个)罐14中产生的nbog的速度航行时。装置10将提供额外的bog或fbog。

为了控制罐14中的压力，通过出口45从该罐中取出nbog，然后供应给压缩机28，压缩机28将产生处于设备12允许的压力的燃料气体，例如大约6-7巴、15-17巴或300-315巴。为了补充气体量并满足设备12的消耗需求，来自罐14的lng由泵16a和管线18输送至减压器件19，在减压器件19中lng经历减压。然后，通过与在第一交换器24的回路24b中流通的lng交换，通过第一交换器24的回路24a对其进行再加热，同时，lng由泵16b、管线20和管线30输送。这样冷却的lng然后通过管线32和柱塞35输送到罐14的底部。两相气体混合物到达加热器25，在那里两相气体将完全转变成气相。产生的fbog然后被压缩机26压缩。然后，fbog被压缩机28再次压缩，以达到设备12所需的压力。

2、在产生过量nbog的情况中，例如当船低速航行或停泊时，必须以安全和环保的方式管理过量的nbog。

在罐14中产生的nbog的量充足以或超过重组与以满足设备12的需要。为了控制罐14中的压力，从该罐中取出bog，并供给压缩机28以达到设备12所需的压力。不能被设备消耗的过量的bog从压缩机28的出口输送到交换器42，在交换器42中，它通过与通过出口45直接从罐14中取出的冷nbog进行热量交换而被冷却。然后，过量的bog被送到回路24c，在回路24c中通过与从罐中取出的lng进行热交换而再次被冷却。然后，过量的bog被阀36重新冷凝并重新注入罐中。

3、在船的主罐14被冷却的情况下，例如在回程之后装载之前(在此期间，管理bog通常是不必要的，因为一个或多个罐14几乎是空的)。

通常，船装载货物的再液化终端在装载之前需要罐14中的低温，以限制将被立即蒸发(闪蒸)的lng的量。这通常是通过使用吊杆22和相关的泵16b喷射已经包含在罐14中的lng来实现的，目的是冷却该罐的bog。由于装置10，该操作可以通过向吊杆22供应来自交换器的第二回路24b的lng来进行，因此lng比包含在罐14中的lng更冷。

图4示出了根据本发明的装置的变型实施例，其中上文已经描述的元件用相同的附图标记表示。

加热器25在这里以交换器的形式示出，其中一个回路25b将交换器24的回路24a的出口连接到压缩机26的入口，并且其另一个回路25a将该压缩机26的出口连接到压缩机28的入口，并且更具体地在这里连接到并联的两个压缩机28，因为船上的这种类型的压缩机需要冗余。

图4示出了在装置中流通的流体的温度的例子。可以看出，从容器14中取出的液化气体在回路24b中被冷却，并在回路24a中被再加热，交换器回路也使得可以冷却和再液化先前在回路42b中冷却的气体。回路42a使得可以对取样的bog进行再加热。回路25b确保两相混合物的加热和剩余液体的完全蒸发，回路25a确保冷却。回路25b出口处的温度高于-50℃(例如高于或等于-35℃)，这使得可以使用比低温压缩机便宜的压缩机26(低温压缩机可以在远低于-50℃的温度时操作)。此外，该温度水平保证了所有液化气体在回路25b的出口处完全蒸发并因此处于气态形式，因此在压缩机26的入口处处于气态形式。

图5示出了另一个变型实施例，图6和7示出了该变型的操作模式。

在该变型中，泵16a和16b由单个泵16c代替，该单个泵16c浸没在容纳在容器14中的液化气体中，并且其出口一方面连接到三通阀38a，另一方面连接到分叉构件50，使得可以向交换器24的两个回路24a、24b之一或者甚至同时向两者供应。

通过比较图4和5的变型，可以看出，一方面形成加热器25的交换器，另一方面交换器42，合并形成单个交换器52。

该交换器52包括两个回路，第一回路52a将交换器24的回路24a的出口连接到压缩机26的入口，第二回路52b将压缩机26的出口连接到压缩机28或(多个)压缩机28。

交换器42的回路42b的功能在这里集成到回路52b中，回路52b的入口也连接到压缩机28的出口，并且回路52b的出口也连接到交换器24的回路24c。

此外，bog出口45一方面连接到集成了回路42a功能的回路52a的入口，另一方面连接到压缩机28的入口。回路52a的出口进一步连接到压缩机28的入口。

图6示出了该变型的第一操作模式，其中bog通过出口45从容器14中取出并供应给压缩机28。并行地，液化气体由泵16c抽出，并供应给交换器24的回路24a、24b。在回路24b中冷却的液化气体被重新注入在容器的底部，并且由阀19膨胀的液化气体进入回路24a，并且在回路52a的出口处完全以气态形式存在。该气体在回路52b中冷却并供应给压缩机28之前被压缩机26压缩。

图7示出了该变型的第二操作模式，其中bog通过出口45从容器14中取出，并进入回路52a，在供给压缩机28之前被再加热。离开压缩机28的压缩气体的一部分在回路52b中流通，然后在回路24c中流通，然后被再液化并被重新注入容器14中。