蒸汽再液化的方法和设备的制作方法

专利名称：蒸汽再液化的方法和设备的制作方法
蒸汽再液化的方法和设备
本发明涉及蒸汽再液化的方法和设备，特别是船舶上可操作的再液化天然 气蒸汽的方法和设备。
通常，天然气以液化状态运输很淑巨离。例如，远洋油轮用于将液化天然 气从天然气被液化的第一场所运送到其被汽化并被送到气体分配系统的第二场
所。由于天然气在低温，即低于-10(TC的温度下被液化，在任何实际的储存系统 中液化天然气将持续蒸发汽化。因此，需要提供设备以便再液化蒸发汽化的蒸 汽。在这样的设备中执行制冷循环，包括在多个压缩机中压缩工作流体，通过 间接热交换冷却压縮的工作流体，膨胀工作流体，以及加热与压縮的工作流体 进行间接热交换的膨胀的工作流体，以及使加热的工作流体返回到压縮机中的 一个。压縮级下游的天然气蒸汽，与被加热的工作流体进行间接热交换而被至 少部分冷凝。用于执行这样的制冷方法的设备的一个例子是美国专利3857245 中公开的。
根据美国专利3857245，工作流体来自天然气自身，因lt虚行开放的制冷 循环。工作流体的膨胀由阀执行。得到部分冷凝的天然气。部分冷凝的天然气 分成返回储罐的液相和与被送到燃烧器燃烧的天然气混合的汽相。工作流itt 同一热交换器中既被加热又被冷却，因此只需要一个热交换器。热交换器位于 第一滑动安装平台上，工作流体压缩机位于第二滑动安装平台上。
现在，伏选使用不燃气体作为工作流体。进一步地，为了降低需要被外部 提供的压缩功，优选使用膨胀涡轮，而非阀来膨胀工作流体。
设备的一个例子体现为WO-A-98/43029给出的两个改进。现在{顿两个热 交换器， 一个与要被部分冷凝的压縮天然气蒸汽进行热交换来加热工作流体， 另一个冷却压縮的工作流体。
WO-A-98/43029指出，天然气蒸汽的不完全冷凝斷氏了制冷循环中消耗的 能量(与完全冷凝相比)， 出残留的蒸汽一其相对富含氮一将被排放到大气。 实际上，WO-A-98/43029中披露的部分冷凑Mt盾公知的热力学定律，其指出冷 凝率(condensate yield)完全是冷凝发生时压力和温度的函数。典型地，液化天然气可以在稍高于大气压力的压力下储存，蒸发汽化的蒸
汽可以在4 bar的压力下部分冷凝。由此产生的部分冷凝混合物典型地闪过 (flashed)膨胀阀进入分相器，从而使蒸汽能够在大气压下排出。即使进入膨胀 阀的液相在4 bar下包括达到10摩尔百分数的氮，由此产生的汽相在1 bar下仍 包括大约50%体积的甲烷。因此，在典型的运行中，每天可能需要从分相器排 出大约3000到5000 kg的甲烷。由于甲烷被认为是导致温室效应的气体，这种 实际瞎况在环保上是不能接受的。
另一个与根据WO-A-98/43029设备的运行有关的问题是，存在由一方面是 压缩天然气的温度和焓，以及另一方面是工作流体的温度和烚之间的不匹配弓I 起的可观的热力学无效。
EP-A-1132698披露了一种方法，其减轻当蒸汽带着冷凝天然气返回到液化 天然气(LNG)储存罐时引起的问题。
在根据EP-A-1132698的方法中，蒸发汽化的蒸汽和/或天然气冷凝物与来 自储罐的液化天然气混合。
由于氮气在液化天然气中的摩尔分数少于氮气在蒸发汽化的蒸汽中的摩尔 分数，甚至也少于通过冷凝的蒸发汽化的蒸汽的阀而膨胀形成的闪蒸气体，带 有冷凝器上游或下游或二者的液化天然气的蒸发汽化的蒸汽的稀释，倾向于抑 制在储存罐中汽相的成分中的波动，否则会没有蒸发汽化的蒸汽或天然气冷凝 物与来自储罐的液化天然气的混合的发生。
但是，根据EP-A-1132698的方法没有显著提高整体热力学效率。
根据本发明，提供一种方法，其再液化从至少一个储存罐中储存的至少一 个体积的液化天然气中蒸发汽化的蒸汽，包括压缩在串联的第一和第二蒸汽压 缩级中的蒸汽，在冷凝器中通过与在主环形工作流体循环中流动的工作流体进 行热交换来冷凝压縮的蒸汽，使至少一些由此产生的冷凝物返回到所述储存罐， 其中在主工作流体循环中，工作流体依次地，在至少一个工作流体压縮机中被 压縮，在第一热交换器中被冷却，在膨胀涡轮中膨胀，在冷凝器中用于执行天 然气蒸汽的冷凝，在所述第一热交换器中与被冷却并返回到所述工作流体压縮 机中的工作流体进行热交换从而被加热，其特征在于，在主工作流体循环中， 在通过冷凝器的工作流体的通道和其通过第一热交换器的通道的中间，在第二 热交换器中使用工作流体预冷在第二蒸汽压縮级下游、也是冷凝器上游的压缩天然气蒸汽；工作流体的流动从主工作流体循环区域转向，在这里工作流体从 冷凝器流到第二热交换器，并通过至少一个第三热交换器，从而冷却第一和第 二蒸汽压缩级中间的天然气蒸汽，在工作流体从第二热交换器流到第一热交换 器的区域，转向的工作流体返回到主工作流体循环。
本发明还提供用于再液化天然气蒸汽的设备，包括至少一个储存罐，用于 储存至少一个体积的液化天然气，串连的第一和第二蒸汽压縮级，用于压缩与 所述储存罐中的至少一个蒸汽空间相 的蒸发汽化的天然气蒸汽，用于冷凝 压縮蒸汽的冷凝器，冷凝器具有与第二蒸汽压缩级相 的天然气入口和与所 述储存罐相连通的出口，其中冷凝器设置成在使用中被工作流体冷却，形成部 分环形主工作流体循环的冷ll器依次包括(a)至少一个工作流体压縮机，用
于压缩工作流体流，(b)通过第一热交换器的7賴卩路径，用于冷却工作流体流，
(c)膨胀涡轮，用于膨胀工作流体流，(d)冷凝器，(e)通过第一热交换器的 加热路径，用于加热工作流体，禾n (f)去往所^X作流体压縮机的入口，其特 征在于，主工作流体循环包括第二热交换器，用于与工作流体进行热交换来冷 却天然气，第二热交换器具有第二蒸汽压缩级和冷凝器中间的天然气蒸汽路径， 以及来自于冷凝器的工作流体出口和去往通过第一热交换器的加热路径入口中 间的工作流体路径；且具有第三热交换器，用于与从主工作流体循环转向的工 作流体进行热交换来冷却第一和第二天然气蒸汽压缩级中间的天然气蒸汽，第 三热交换器具有工作流体路径，由此在其入口M来自于冷凝器的工作流体出 口和去往第二热交换器的工作流体入口中间的工作流体循环区域，在其出口连 通来自于第二热交换器的工作流体出口和去往通过第一热交换器的加热路径入 口之间的工作流体循环区域。
相比于上述的在先文献 皮露的相应方法和设备，根据本发明的方法和设备 育巨够获得运行的改善的热力学效率。我们把改善的热力学效率归因于不仅在冷 凝器中还在第二和第三热交换器中的工作流体循环和天然气冷凝的整合。热力 学效率的改善可以依靠 咸少的能量消耗被利用。
优选地，响应去往第二蒸汽压缩级的入口的温度，从主工作流体循环转向 到第三热交换器的工作流体的比例被控制。
优选地，当所述储存罐完全装满液化天然气时，这样运行冷凝器以使过冷 的液化天然气从其中离开。但是，有时，当所述储存罐只包括相对少量的液化天然气，冷凝物返回至'條罐具有使蒸发汽化的蒸汽富含氮的作用。由此，出现 在冷凝器用于冷凝的蒸汽可能包含过量的氮，并且因此冷凝物不但不过冷，而 且其甚至不完全冷凝。在这样的情况下，或者，如果储存罐包含具有高氮含量
的液化天然气，例如，提供包含20—40%体积的氮的蒸发汽化气体，包含不冷
凝蒸汽的冷凝物闪入分相器，由此得至啲液相返回至'J储存罐，且由此得到的汽 相被送到船舶发动机(在船舶使用中如果发动机由天然气供给动力的情况下) 或者燃烧并排放到大气中。
第一和第二蒸汽压缩级优选由斜虫的多速度马达驱动。
优选地，第一蒸汽压缩级上游的蒸汽，通过与来自冷凝器的冷凝天然气流 混合被预冷。优选地，响应去往第一压縮级的入口的温度，冷凝的天然气蒸汽 流的流速被控制。
现在，根据本发明的方法和设备将ffi51参考附图的实施例进行描述，其中


图1是液化天然气(LNG)储罐的船用装置的示意性流程图。
附图不是按比例绘制的。
参考附图，在海船或其它远洋船舶的船体(未示出)中提供五个绝热的储
存罐2、 4、 6、 8和10。储存罐2、 4、 6、 8和10中的两个或更多个设有位于其 底部区域的潜孔口管12， LNGffl)l潜孔口管12被导入。因为附图的简易，储 罐2、 4和6中的孔口管在图中未示出。如果只有一些储存罐设有潜孔口管，返 回的LNG到未被如此提供的罐的重新分配是ffl)l液泵(未示出)的运行。在常 规运行中，孔口管12浸没在LNG的容积16中。在每个罐2、 4、 6、 8和10中， 在LNG的容积16之上具有蒸汽空间18。
虽然储存罐2、 4、 6、 8和10是绝热的，但因为LNG在常压下的沸点大大 低于环境温度，所以在每个储存罐2、 4、 6、 8和10中LNG持续地蒸发。每个 罐具有用于蒸汽的顶部出口 22，其与蒸发汽化气体集管24相 。从集管24 伸出来的是用于蒸发汽化气体的主管道26。位于管道26中的是混合器28，其 中，在运行中，蒸汽可以与来自装置下游部分的冷凝LNG混合。在运行中，冷 凝的LNG在蒸发汽化的气体中蒸发，并由此降低该气体的温度。传感器27被 提供在混合器下游，并产生代表去往第一压縮级40的入口处的温度的信号，该 信号传递到阀控制器30，其反过来控制在LNG冷凝管道34中的流控制闽32 的调节，LNG冷凝髓34在混合器28内的喷雾嘴36中终止。因而，可以运行混合器28从而在选择的实质恒定的低温，例如低于负10(TC，向第一压縮级 40提供天然气。
蒸发汽化的气体从混合器28流进第一压缩级。第一压缩级40的出口与第 二压縮级42的入口间接M。压縮级40和42典型地由单一马达44驱动，如 果需要通过整体齿轮箱45驱动。
马达44典型地可以在两个不同速度下运行。
由此得到的压缩气体从第二压縮级42提供到冷凝器46，冷凝器46典型地 是板翅式或螺旋缠绕式热交换器，在其中，压縮气体被冷凝并一次冷凝到过冷。 由此得到的过冷冷凝物从冷凝器46沿着管道48流到冷凝返回集管50，集管50 向在罐8和10底部区域中的孔口管12供给，或者，如果^!THi安装有孔口管 12，则向罐2、 4、 6、 8和10供给。
由在实质封闭的制冷循环60中，例如布雷顿循环，以第一压力流动的工作 或热交换流体，例如氮，提供用于冷凝器46的7賴卩。
在布雷顿循环60中，fflai冷凝器46的氮，在气一气热交换器62中高于第
一压力的第二压力下，与返回的压缩iua行热交换而被加热。由此得到的加热
氮流到压縮机64，压縮机64典型地包括三个压缩级66、 68和70,它们均具有 安装在整体齿轮箱(未示出)上或同一轴72上的转子(未示出)，肖^多由发动 机74 ffiil齿轮箱75驱动。第一中间冷却器78设置在来自于第一压縮级66的 出口的下游和去往第二压縮级68的入口的上游。第二中间冷却器80设置在来 自于第二压缩级68的出口的下游和去往第三压縮级70的入口的上游。后^4口 器82设置在来自于第三压縮级70的出口的下游。中间冷却器78和80以及后 冷却器82典型地被水7賴卩，并运行从而从在布雷顿循环运行中的循环氮中移除 压缩热。得到的后7转卩压縮氮作为在鹏至啲返回的冷氮流流过热交换器63。 由此，压缩氮流在热交换器62中被冷却到较船鹏。压缩的冷却氮流通到膨胀 涡轮84，在此处随额外功的工作被膨胀。膨胀涡轮84典型地安装在同一整体齿 轮箱(未示出)上或同一轴上，与压縮级66、 68和70—样。因此，膨胀涡轮 84帮助驱动压縮级66、 68和70。在涡轮84中，氮的膨胀产生在冷凝器46中 天然气蒸汽的冷凝需要的制冷。由此，氮持续地ilil环形回路。
在附图中描述的布雷顿循环60的特殊特征是，氮不直接通过从冷凝器46 到达热交换器62。而是通过第二气一气逆流热交换器86。该热交换器的目的是在i2A冷凝器46的上游，预}^^然气到接近其冷凝纟鹏的纟驢。从而，在典型
的运行环境中，当罐2、 4、 6、 8和10完全装满LNG时，在冷凝器46中天然 气不仅液化而且过冷。当LNG返回至蠊时，液化天然气的过冷阻止了闪蒸气体 的形成。
图中显示的布雷顿循环6的特殊形式的进一步特征是， 一部份氮从布雷顿 循环在来自于冷凝器46的出口的下游、去往第二热交换器86的入口的上游的 区域退回，并流过位于第一天然气压縮级40的下游、第二天然气压縮级42的 上游的第三热交换器88，从而用于将由第一压縮级40的运4亍在天然气产生的压 缩热排除。作为结果，通过第三热交换器88的氮被加热。加热的氮流在来自于 第二热交换器86的出口的下游区域、去往ilil第一热交换器62的加热通道的 入口的上游返回到布雷顿循环60。典型地，控制阀90响应于去往第二天然气压 缩级42的入口的溫度传感器(未示出)，控制Mil第三热交换器的氮工作流体 的流速。在典型的布置中，操作控制阀90以维持去往第二天然气压縮级42的 入口的恒定的温度。
在冷凝器46中，不是所有天然气都被液化，其典型地M管道50返回罐 2、 4、 6、 8和10。 一部份冷凝物通过管道34被送到混合器28，从而预冷第一 压縮级40上游的天然气。
在运行中，根据如何在罐2、 4、 6、 8和10中装载LNG，用不同方法运行 图中显示的设备。当这些罐完全装满时，去往第一天然气压縮级40的入口的温 度典型 地为大约负IO(TC或甚至更低。入口的压力典型地稍高于lbar。天然气 典型地在大约2 bar压力、大约负65"温度下离开第一压缩级。气体典型地在 热交换器中被冷却到大约负13(TC的温度，并在该温度下进入第二天然气压缩 级。天然气典型地在大约5 bar压力、大约负75。C温度下离开第二压缩级42。 天然气在第二热交换器中被冷却到其将要开始冷凝的温度。该温度的精确值取 决于天然气的成份。在天然气中氮的摩尔分数越大，开始冷凝的温度趣氐。因 为在常规运行中，冷凝器46不需要使天然气过热后7賴卩，所以热交换可能比先 前已知的循环更有效率，在已知循环中，相应的冷凝器需要同时^^然气过热 后冷却和冷凝。作为中间冷却、过热后和带有过冷的分离冷凝的结果，制冷循 环的能量消耗被降低。
如前所述，天然气作为过冷液体离开冷凝器46。典型地，取决于天然气的成份，其离开温度为大约负165°C。如此低的离开温度的一个优点是，在LNG ilil孔口管12再引导aA罐2、 4、 6、 8和10中时，即便有也是相对很少的闪 蒸气体形成。此外，当罐完全装满时，形成的任何闪蒸气体在其到达表面之前， 可以在液体中溶解或冷凝。
在常规运行中，当罐完全装满时，膨胀涡轮84典型地具有大约负104X:的 入口温度，大约负168X:的出口温度，大约10bar的出口压力。如果天然气的成 份是，例如，8.5%体积的氮和91.5%体积的甲烷，对于冷凝器46中产生的冷 凝物，该温度足够低，从而具有过冷所需要的程度。但是，有时，在其中设置 有罐2、4、6、S和10的船需要ii^用于罐中液压头的足够的少于最大量的LNG， 其不足以阻止通过孔口管12返回的冷凝物的闪蒸，或保证在LNG的容积16中 形成的闪蒸气体的细小泡沫全部溶解。结果，从罐2、 4、 6、 8和10流到第一 压縮级40的蒸汽富含氮。因而，其在第二天然气蒸汽压縮级42出口压力下的 冷繊鹏下降。实际上，当罐相对较少地装载LNG时，富含程度可能变得如此 大，以至于冷凝器46不再完全冷凝蒸汽。在这种情况下，冷凝物和不冷凝蒸汽 的混合物可能有选择性iWl阀100被导向i4A分相器102，而不是通到f^ 50。液体从分相器102底部退回，并送到管道50。蒸汽从分相器102通到排放 管线104，排放管线104M)1集管106通向气体燃烧单元108，从而蒸汽的天然
气含量可以燃烧，并且由此产生的燃烧气体被排放到大气中。
在图中显示的设备的运^1中，天然气蒸汽的最小和最大流动可以在很大范 围内改变。因此，典型im地，4柳两套第一和第二天然气压缩级40和42，两 套装置彼此并联。因此，典型地，具有两个第三热交换器88彼此并联。4顿一 套还是两套设备，取决于罐2、 4、 6、 8和10中的天然气的蒸发速度。同样地， 可能有两套或者更多套氮压縮级66、 68和70并联，以及两个或更多膨胀涡轮 84并联。
权利要求
1.一种方法，用于再液化从至少一个储存罐中储存的至少一个体积的液化天然气中蒸发汽化的蒸汽，包括在串联的第一和第二蒸汽压缩级中压缩蒸汽，在冷凝器中通过与在主环形制冷循环中流动的工作流体进行热交换来冷凝压缩的蒸汽，使至少一些由此产生的冷凝物返回到所述储存罐，其中在工作流体循环中，工作流体依次地，在至少一个工作流体压缩机中被压缩，在第一热交换器中被冷却，在膨胀涡轮中膨胀，在冷凝器中用于执行天然气蒸汽的冷凝，在所述第一热交换器中与被冷却并返回到所述工作流体压缩机中的工作流体进行热交换从而被加热，其特征在于，在主工作流体循环中，在通过冷凝器的工作流体的通道和其通过第一热交换器的通道的中间，在第二热交换器中使用工作流体预冷在第二蒸汽压缩级下游、但是在冷凝器上游的压缩天然气蒸汽；工作流体的流动从主工作流体循环区域转向，在这里工作流体从冷凝器流到第二热交换器，并通过至少一个第三热交换器，从而冷却第一和第二蒸汽压缩级中间的天然气蒸汽，在工作流体从第二热交换器流到第一热交换器的区域，转向的工作流体返回到主工作流体循环。
2. 如权禾腰求l所述的方法，其特征在于，响应去往第二蒸汽压縮级的入口的^Jt， ,Ai工作流体循环转向至i傑三热交换器的工作流体靴匕例被控制。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当所述储存罐完全装满液 化天然气时，运行冷凝器以使过冷的液化天然气从其中离开。
4. 如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，第一蒸汽压缩级上游 的蒸汽通过与来自冷凝器的冷凝天然气流混合被预冷。
5. 如权禾腰求4所述的方法，其特征在于，响应去往第一压縮级的入口的 ^Jt，冷凝蒸汽流的流速被控制。
6. —种用于再液化天然气蒸汽的设备，包括至少一个储存罐，用于储存至 少一个体积的液化天然气；串连的第一和第二蒸汽压縮级，用于压縮与所述储存罐中的至少一个蒸汽空间相iSI的蒸发汽化的天然气蒸汽；用于冷凝压缩蒸 汽的冷凝器，冷凝器具有与第二蒸汽压缩级相3iM的天然气入口和与所述储存 罐相 的出口，其中冷凝器设置成在使用中被工作流体7令却，形成部分环形 主工作流体循环的冷凝器依次包括(a)至少一个工作流体压缩机，用于压縮工作流体流，(b)通过第一热交换器的冷却路径，用于冷却工作流体流，(C)膨胀涡轮，用于膨胀工作流体流，(d)冷凝器，(e)通过第一热交换器的加热路径，用于加热工作流体，和(f)去往所述工作流体压缩机的入口，其特征在 于，主工作流体循环包括第二热交换器，用于与工作流体进行热交换来y令却天 然气，第二热交换器具有第二蒸汽压縮级和冷凝器中间的天然气蒸汽路径，以 及来自于冷凝器的工作流体出口和去往通过第一热交换器的加热路径的入口中间的工作流体路径；且具有第三热交换器，用于与从主工作流体循环转向的工作流体进行热交换来冷却第一和第二天然气蒸汽压缩级中间的天然气蒸汽，第三热交换器具有工作流体路径，由此在其入口3SI来自于冷凝器的工作流体出 口和去往第二热交换器的工作流体入口中间的工作流体循环区域，在其出口连 通来自于第二热交换器的工作流体出口和去往通过第一热交换器的加热路径的 入口之间的工作流体循环区域。
7. 如权禾腰求6所述的设备，其特征在于，具有阀，用于响应去往第二蒸 汽压缩级的入口的、温度，控制从主工作流体循环转向到第三热交换器的工作流 体的比例。
8. 如权利要求6或7所述的设备，其特征在于，第一和第二蒸汽压缩级由 ip^虫的多速度马达驱动。
9. 如权利要求6到8中任一项所述的设备，其特征在于，还包括第一蒸汽 压縮级上游的混合器，在其中天然气蒸汽可以被^4卩，混合器具有与冷凝器连 通的冷凝天然气的入口。
10. 如权利要求9所述的设备，其特征在于，包括阀，用于控制到混合器的冷凝物的流动，并可操作地维持去往第一压縮级的入口的温度恒定。
11. 如权禾腰求6到10中任一项所述的设备，其特征在于，用于冷凝物离开冷凝器的出口可以选择性地通过与分相器连通的膨胀阀安置，分相器具有用 于使液体返回到储存罐的出口和使蒸汽通到燃烧单元的出口 。
全文摘要
蒸发汽化的液化天然气从例如储存罐10流出，并在蒸汽压缩级40和42中压缩。由此产生的压缩蒸汽在冷凝器46中冷凝，冷凝物返回到罐10。冷凝器46通过在布雷顿循环60中流动的例如氮的工作流体冷却。布雷顿循环包括热交换器86，热交换器86将来自其通过冷凝器46的通道上游的压缩天然气蒸汽的压缩热排除。另外，一部分工作流体从来自于冷凝器46的工作流体出口和去往热交换器86的工作流体入口中间的布雷顿循环60区域收回，收回的工作流体流过另一个热交换器88，在热交换器88中，其将来自在压缩级40和压缩级42之间的天然气蒸汽的压缩热排除。收回的工作流体返回到布雷顿循环60。
文档编号F25J1/02GK101495828SQ200780018480
公开日2009年7月29日 申请日期2007年5月23日 优先权日2006年5月23日
发明者V·富克斯 申请人:克里奥斯塔股份有限公司