在lng再汽化终端中处理汽化燃气的方法和构造的制作方法

专利名称：在lng再汽化终端中处理汽化燃气的方法和构造的制作方法
技术领域：
本发明的领域是天然气处理，特别是由于它涉及在LNG再汽化终端中汽化燃气的 处理和沃泊指数的控制。
背景技术：
美国管道燃气通常是非常贫瘠的(lean)，其热值在1000至1070Btu/scf的范围 内，并且FERC(联邦能源管制委员会)新近已为天然气进口制订了指南和规范。这些指南 要求进口燃气的沃泊指数相对于本地燃气的质量的变化范围为+/_4%，最大值为1400。加 利福尼亚州传统上使用的是非常贫瘠的燃气，该州要求进口燃气的沃泊指数明显更低。例 如当地的空气排放署SCAQMD(南加利福尼亚空气质量管理区)规定沃泊指数的最大值为 1360。遗憾的是，未经处理的进口 LNG通常具有明显较高的热值，这是由于乙烷和丙烷 含量较高的缘故，较高的乙烷和丙烷含量不仅不符合当地的规章制度，而且也与许多居民、 商业和工业的燃烧炉不匹配。图1示出了 LNG出口终端在LNG组分、热值和沃泊指数方面 大范围变化的例子，这些出口终端位于大西洋、太平洋盆地和中东。由图1可见，只有阿拉 斯加的LNG向加利福尼亚州进口时无需氮气稀释就能满足燃气质量规范，而其余的LNG需 要进行氮气混合和/或NGL (天然气液体)抽取。图2示出了在各种LNG气源下氮气稀释前后沃泊指数的减小，氮气稀释最大以3 摩尔％ N2为上限。从图2可见，即使作最大的氮气稀释，也只有不到一半的LNG气源满足加 利福尼亚州的沃泊指数。而且由于在满足加利福尼亚州的沃泊指数规范时相对紧张的余量 (margin)，所以因LNG储存时老化(weathering)引起的沃泊指数的变化可能导致不合规格 的产品。随着时间的流逝，储存罐天然汽化引起的LNG的老化效应使LNG的较重组分(即 C2+)富集，最终致使受老化因素影响的燃气就像具有较高沃泊指数的管道燃气那样不可接 受。虽然老化效应在典型情况下使得沃泊指数增大的量相对较小(例如大约3-6个点)，但 是这种增加对于处于边缘状态的LNG (marginal LNG)来说是有问题的。在当前已知的各种满足沃泊指数的LNG处理构造中，在一个过程中非甲烷组分 从LNG中去除，该过程利用重沸器使脱甲烷塔内的LNG汽化并且使脱甲烷塔的塔顶馏分 (demethanizer overhead)再冷凝为随后被泵取和汽化的供给(sendout)液体(例如见美 国专利No. 6564579)。虽然这样的构造和方法在典型情况下对于热值或沃泊指数的控制都 能令人满意地运作，但是它们需要抽取后的NGL产品有市场，而这种产品并不总是有用的。 而且在大多数情况下，LNG终端是为向商业和居民用户交付以英热单位(BTU)计的产品的 目的而设计的，进行NGL抽取在经济上没有激励因素。可选地，如在美国专利No. 7201002中所述的那样，可以实施抗老化的构造来减少沃泊指数的增大。在这里，利用LNG制冷装置和压力调节装置使汽化的蒸汽在罐的范围内 冷凝。类似地，如在美国专利No. 6530241中所示，汽化蒸汽可以在船上再液化以控制沃泊 指数和产品损耗。但是这种构造典型地局限于船载系统(这些系统难以改动并且蒸汽载荷 较大)，而且/或需要低温设备和较高的资金成本。在美国专利No. 3894856和No. 4675037、 美国专利申请No. 2008/0308175和W02005/047761中描述了其它的系统和方法，它们也有 类似的困难。因此，虽然在本技术领域内各种LNG热值控制方法是已知的，但是所有或几乎所 有的方法都受到或多或少的缺点的困扰，特别是在使用进口 LNG的情况下，在NGL市场缺失 的情况下，以及在进口 LNG的沃泊指数仅仅是刚好满足当地规范的情况下。因此仍然需要 改进的构造和方法来保持沃泊指数不变，与此同时在较低能耗的前提下为LNG再汽化终端 提供运行时的灵活性。

发明内容
本发明的主题内容注重于使储存和再汽化设施内的LNG的沃泊指数保持不变的 方法和工厂设备(plant)。设想的方法和工厂设备在使沃泊指数在各种储存、加载和卸载条 件下保持不变的同时，考虑到了运行时的灵活性和稳定的储存罐压力控制。最优选地，汽化的燃气在压缩单元内被压缩，并且大部分被压缩的汽化燃气作进 一步的处理而另一部分(典型情况下是在进一步压缩之后)经由一定的线路被送至适用于 较贫瘠的燃气的燃烧器的燃料集气管(fuelheader)或其它目的设备(destination)。根据 罐的运行状态，压缩的汽化燃气的处理在使用供给LNG的传统LNG冷凝器中可以以再冷凝 为主(或者甚至可以完全是再冷凝)，或者主要是氮气的再液化和分离，其中再液化后的贫 瘠的LNG被(直接地或经由中间的储存库(storage))回送至罐，与此同时氮气被再循环以 与汽化的燃气混合。在本发明的主题内容的一个特别优选的方面中，LNG储存罐内LNG的沃泊指数控 制的方法包括使LNG储存罐与再汽化单元以流体方式耦合(fluidly coupling)的步骤，使 得罐向再汽化单元提供LNG。压缩单元进一步以流体方式耦合至LNG储存罐，使得罐向压缩 单元提供冷的汽化燃气，其中压缩单元形成压缩的汽化燃气。在另一步骤中，利用冷的汽化 燃气使压缩的汽化燃气的第一流作热交换以形成变凉的压缩的汽化燃气，并且在还有的另 一步骤中，变凉的压缩的汽化燃气的第一部分与LNG混合。在还有的更进一步的步骤中，变 凉的压缩的汽化燃气的第二部分部分地再液化，并且将氮气从再液化的汽化燃气中分离出 去以制成贫瘠的再液化的汽化燃气。贫瘠的再液化的汽化燃气随后被送入LNG储存罐。因此并且从不同的角度看，LNG储存和再汽化工厂设备将包括LNG储存罐，它以 流体方式与再汽化单元耦合以从罐向再汽化单元提供LNG。压缩单元也与LNG储存罐耦合 以从罐向压缩单元提供冷的汽化燃气，其中压缩单元被配置为形成压缩的汽化燃气。热交 换器利用冷的汽化燃气冷却压缩的汽化燃气的第一流，从而这样形成变凉的压缩的汽化燃 气，并且提供第一管道以将变凉的压缩的汽化燃气的第一部分与LNG混合。设想的工厂设 备进一步包括冷却器和分离器，冷却器将变凉的压缩的汽化燃气的第二部分再液化以形成 部分再液化的汽化燃气，而分离器将氮气从再液化的汽化燃气中分离出去从而这样制成贫 瘠的再液化的汽化燃气。提供所配置的第二导管以将贫瘠的再液化的汽化燃气送入LNG储存罐。通常优选的是将变凉的压缩的汽化燃气和LNG混合并送入典型地是作为再 汽化单元上游的再冷凝器。通常也是优选的是LNG为再液化提供至少部分冷负荷 (refrigeration duty)，在最优选的情况下再液化是在冷箱内进行的。在本发明的主题内 容的进一步设想的方面中，通过在JT阀或膨胀机中使再液化的汽化燃气膨胀并通过在分 离器中分离这样的膨胀的再液化汽化燃气，将氮气从再液化的汽化燃气中分离出去。最为 典型的情况是，氮气随后与冷的汽化燃气混合。另外，通常优选的是压缩的汽化燃气的第二流被压缩并且向采用贫瘠的燃气的燃 烧室或其它过程中的设施输送燃料气体(fuel gas)。在特别优选的方面中，工厂设备运行 被控制为使得当送往再汽化单元的LNG流增加时第一与第二部分之比增大。从另外的角 度看，设想的构造为LNG再汽化设施提供了运行时的灵活性，使得在范围为lOCMMscfd到 2000MMscfd之间的LNG供给速率下，允许再液化范围为IMMscfd到50MMscfd之间的汽化 燃气。这种构造可以在汽化燃气再液化过程的所需能耗最小的同时控制LNG供给的沃泊指 数。从下面对本发明优选实施例的详细描述，本发明的各种目标、特征、方面和优点将 变得更为明显。


图1是LNG组分变化的示例性插图，这些LNG源自各地理来源。图2为在图1的各种LNG气源下氮气稀释前后沃泊指数减少的示例性插图。图3为按照本发明主题内容的工厂设备构造的示例性示意图。
具体实施例方式发明人已经发现的是，对于在储存期间至少部分汽化的蒸汽被再液化和在供给 LNG内至少部分蒸汽被冷凝的情形下，可以减少LNG储存罐内因老化导致的沃泊指数的变 化，并且典型情况下可以完全阻止该变化。通过使至少另一部分的蒸汽经由一定的路线到 达利用贫瘠的天然气的燃料集气管或其它设备，提供了进一步的灵活性。例如在一个特别优选的方法中，LNG储存罐(其与再汽化单元耦合)内的LNG的 沃泊指数的控制可以下列方式实现利用对来自罐的冷的汽化燃气进行压缩的压缩单元， 并且利用冷的汽化燃气或LNG使压缩的汽化燃气的第一流作热交换以形成变凉的压缩的 汽化燃气。随后将一部分变凉的压缩的汽化燃气与LNG混合，与此同时再液化另一部分变 凉的压缩的汽化燃气。接着从再液化的汽化燃气中将氮气分离出去以制成贫瘠的(即C2+ 的含量小于3摩尔％，并且更为典型的情况是小于2摩尔％ )再液化的汽化燃气，制成的汽 化燃气随后被送入LNG储存罐。 因此，适合这里使用的LNG储存和再汽化工厂设备在典型情况下将包括LNG储存 罐，它向再汽化单元提供LNG并且向压缩单元提供汽化的燃气。随后在热交换器中冷却至 少一部分压缩的汽化燃气(典型情况下利用汽化蒸汽和/或LNG的制冷含量)，并且这样形 成的变凉的压缩的汽化燃气随后被分离为两个流，一个流(典型情况下经冷凝器)与LNG 混合，而一个流在冷却器内被进一步冷却至再液化。如果需要，可以实施分离器以使氮气或其它不可冷凝的组分从再液化的汽化燃气中分离出去，从而这样制成贫瘠的再液化汽化燃 气。贫瘠的再液化的汽化燃气随后被直接地(或经储存罐间接地)送入LNG储存罐作沃泊 指数控制。图3为LNG储存和再汽化工厂设备的一个示例性构造，其中汽化燃气再液化单元 被集成在LNG接收终端内(未画出通往罐的输入线路)。这里来自储存罐流1的汽化燃气 在典型情况下流速为8-16MMscfd，温度为_160°C，利用压缩的汽化燃气流6，流1在交换器 50内被加热为大约-20°C至10°C的流4，并且随后被四级BOG压缩机51、52和53以及90 从大气压压缩至大约8. 5barg或更高。排出压力优选地在8barg至25barg之间，或者如需 要，去满足燃气轮机发电机(未画出)对燃料气体压力的要求。压缩机排出物(discharge) 在交换器54、55和56中冷却以利用周围空气或冷却水形成流5。但是特别优选的是，由于 可以达到更低的温度，因此利用LNG中的制冷含量进行冷却，这可以显著降低汽化燃气压 缩机的功耗而与此同时降低LNG再汽化的加热要求。来自交换器56的增压后的汽化燃气流5被分离为至少两个流，即6和7。流7被 第四BOG压缩级90进一步压缩至15-25barg，形成了被送至燃料气体系统的流91，燃料气 体系统向燃气轮机发电机或其它燃烧集气管输送燃料气体。流6在交换器50内冷却，形成 典型情况下为-140°C的流8，随后流8被进一步分离为流9和10。在供电受限的高峰供给 运行期间，流9与来自储存罐的供给LNG流22混合，形成了冷凝的流21。冷凝发生在普通 的汽化燃气再冷凝器23中，形成了过冷的流24，流24被泵25抽取以这样形成高压供给流 26，高压供给流26被送往LNG蒸发器(未画出)。压缩的汽化燃气流10在冷箱57内被进一步冷却和液化，形成典型情况下 为_170°C的流11。利用三级氮气压缩机62、63和64所产生的制冷提供冷却。压缩机排出 物在交换器66、67和68中利用周围空气或冷却水被冷却。氮气从8-1 Ibarg的吸入压力被 压缩为大约36-50barg的最终排放压力，在冷箱57内冷却并且随后在膨胀机61内膨胀为 流16。优选地，利用来自存储或供给的LNG的制冷含量进行冷却，这可以明显减少氮气压缩 机的功耗，与此同时这也减少了用于LNG再汽化的热量。可选地，来自LNG的制冷含量(经 热传导流体)也可以用来在冷箱内利用LNG流80冷却(变为流81)，这进一步明显减少了 氮气压缩机的功耗。除了来自于LNG的可用制冷以外，透平膨胀机61在流16中产生大约-180 °C 的低温制冷，用于汽化燃气的液化和将压缩的氮气流19从环境温度开始冷却以形成大 约-145°C的流15。膨胀机还产生功率，该功率减少了氮气压缩机的功耗。氮气压缩机的工 作压力取决于汽化燃气压缩机的排出压力。较高的汽化燃气压缩机的排出压力将减少冷负 荷要求。当由冷却水冷却时，汽化燃气再液化单元的总功耗在5-6MW左右。当冷却中利用 LNG低温(cold)时，可以减少总体的功耗，典型情况下减少多达50%。来自冷箱的冷凝流11典型情况下为-160° F，它在JT阀58内被减压泄放(let down in pressure)至闪蒸罐(flash drum) 59，形成典型情况下为_170°C的闪蒸(flash) 液体流13，该闪蒸液体流13被泵60抽取，形成送至储存罐的流14。为进一步节省能量，可 以利用流11中的势能将冷凝物压向储存罐或者自由地排放至储存罐，由此省去了泵60的 使用。闪蒸燃气流2大多数情况下包含无法冷凝的氮气，其被再循环回汽化燃气压缩机的 吸口以形成流3。
因此应该理解的是，通过下列方式实现了运行时的灵活性以适应汽化蒸汽可变的 体积提供可以经它向用于燃烧的燃料气体集气管(或其它槽(sink))输送冷却和压缩的 汽化蒸汽的管道，提供用于冷凝和吸收的供给LNGjP /或提供在其中冷却和压缩的汽化蒸 汽被再液化并被输送回储存罐以降低沃泊指数或维持沃泊指数不变的液化单元。因此应该 理解的是，设想的LNG储存构造和方法将减少或甚至消除老化的不利效应并且由此提供对 沃泊指数的控制而无需新增的工厂设备单元。在特别优选的构造和方法中，来自LNG储存单元的低压低温汽化燃气首先被压缩 的汽化燃气加热至环境温度左右，并被压缩至Sbarg或更高的压力。一部分压缩的汽化燃 气随后冷却并且用作送往燃气轮机的燃料气体，而另一部分被低压低温汽化燃气冷却至比 送入冷箱进行再液化之前和/或比通过与供给LNG混合进行再冷凝之前更低的温度。送至 燃气轮机的燃料气体在必要时可以进一步压缩以满足燃气轮机燃料压力的要求。最为典型 的情况是，闪蒸的冷凝物产生自再液化的汽化燃气并被增压和回送至储存罐作沃泊指数控 制。特别应当理解的是，输送交换产生了送至冷箱的低温高压燃气，该低温高压燃气明显降 低了已知设计的冷箱内的冷负荷，由此节省了至少30-40%的能量。还应该理解的是，由于 在环境温度附近工作，所以可以将碳钢用于建造汽化燃气压缩机，这明显节省了设备成本。进一步优选的是，来自汽化燃气再液化的冷凝物可以返回至LNG储存库或返回至 分立的储存罐，该分立的储存罐保留用来保存贫瘠的再液化LNG以对LNG再汽化周期后期 的富集LNG (因为老化而富集)进行稀释，从而在整个再汽化过程中保持沃泊指数不变。因 此应该认识到，设想的构造和方法消除了因为LNG储存罐内的老化引起的沃泊指数变化的 不确定性，这类LNG储存罐在典型情况下被设计为0. 05-0. 2百分比体积/天的汽化量。在 必须严格满足沃泊指数的环境敏感市场(例如加利福尼亚州市场)，这点特别关键。从不同 的角度看，设想的构造和方法通过下列方式提供了运行时的灵活性在优化压力下液化汽 化燃气，与此同时允许一部分增压的汽化燃气用作送至燃气轮机发电机的燃料气体和/或 经由一定的路线送至汽化燃气再冷凝器，该再冷凝器使得高峰供给运行期间的再液化功耗 最小。在我们的公开号为W02006/066015的共同待批的国际专利申请中描述了适合于 这里所用的进一步的已知方面、构造和方法。此处讨论的本材料和所有其它外在的材料都 以整体引用方式被纳入。如果被纳入的参考文献中对术语的定义或使用与这里提供的该术 语的定义不一致或相反，则这里提供的该术语的定义是适用的而参考文献中该术语的定义 是不适用的。因此已经揭示了具有沃泊指数控制的LNG再汽化工厂设备的具体实施例和应用。 但是对于本领域内的那些技术人员应该显而易见的是，除了已经描述的那些，在不偏离这 里的本发明的概念的前提下，多得多的改动也是可能的。因此本发明的主题内容除了所附 权利要求的精神中所体现的以外不受限制。而且在对说明书和权利要求书二者进行解释 时，所有的术语都应该按照上下文一致时尽可能最宽泛的方式予以解释。特别是，术语“包 括(comprises) ”和“包括(comprising) ”应该解释为以非排他性方式引用要素、单元或步 骤，表示被引用的要素、单元或步骤可以在其它要素、单元或步骤未明确引用时存在或利用 或与未明确引用的其它要素、单元或步骤相结合。如果说明书和权利要求书引述从由A、B、 C...和N组成的组中选定的某些要素的至少一个，则该文字应当解释为仅需要一个来自该
8组的要素，而不是A加N或B加N等。
权利要求
1.一种对LNG储存罐内的LNG的沃泊指数进行控制的方法，包含以流体方式将LNG储存罐耦合至再汽化单元，使得该罐向再汽化单元提供LNG ； 以流体方式将压缩单元耦合至所述LNG储存罐，使得该罐向压缩单元提供冷的汽化燃 气，其中，压缩单元形成压缩的汽化燃气；利用所述冷的汽化燃气使所述压缩的汽化燃气的第一流热交换以形成变凉的压缩的 汽化燃气，并且将该变凉的压缩的汽化燃气的第一部分与LNG结合；再液化所述变凉的压缩的汽化燃气的第二部分以形成再液化的汽化燃气； 将氮气从所述再液化的汽化燃气中分离出去以形成贫瘠的再液化的汽化燃气；以及 将所述贫瘠的再液化的汽化燃气送入所述LNG储存罐。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括将所述被结合在一起的变凉的压缩的汽化燃 气和LNG送入属于再汽化单元的再冷凝器上游的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其中LNG为所述再液化步骤提供制冷含量。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述再液化的步骤包括冷箱的使用。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述再液化的步骤包括冷箱的使用。
6.如权利要求1所述的方法，其中将氮气从再液化的汽化燃气中分离出去的步骤包括 使再液化的汽化燃气在JT阀或膨胀机中膨胀并且在分离器中分离该膨胀的再液化的汽化 燃气的步骤。
7.如权利要求4所述的方法，其中所述氮气与所述冷的汽化燃气结合。
8.如权利要求1所述的方法，进一步包含压缩所述压缩的汽化燃气的第二流的步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述压缩的汽化燃气的第二流被送至燃烧器或者 被用作燃料气体。
10.如权利要求1所述的方法，进一步包括当送往所述再汽化单元的LNG流增大时，提 高第一与第二部分之比的步骤。
11.一种LNG储存和再汽化工厂设备，包括LNG储存罐，其以流体方式耦合至再汽化单元从而允许从该罐向所述再汽化单元提供LNG ；压缩单元，其以流体方式耦合至所述LNG储存罐从而允许从该罐向该压缩单元提供冷 的汽化燃气，其中所述压缩单元被配置为形成压缩的汽化燃气；热交换器，其被配置为允许利用冷的汽化燃气来冷却压缩的汽化燃气的第一流，从而 这样形成变凉的压缩的汽化燃气；第一导管，其被配置为允许将所述变凉的压缩的汽化燃气的第一部分与LNG结合； 冷却器，其被配置为允许再液化所述变凉的压缩的汽化燃气的第二部分以形成再液化 的汽化燃气；分离器，其被配置为允许将氮气从再液化的汽化燃气中分离出去以这样制成贫瘠的再 液化的汽化燃气；以及第二导管，其被配置为允许将所述贫瘠的再液化的汽化燃气送入所述LNG储存罐。
12.如权利要求11所述的储存和再汽化工厂设备，进一步包含属于所述再汽化单元的 再冷凝器上游，其被配置为接收所述变凉的压缩的汽化燃气和LNG。
13.如权利要求11所述的储存和再汽化工厂设备，其中所述冷却器被配置成为了再液化采用来自所述LNG的制冷含量。
14.如权利要求13所述的储存和再汽化工厂设备，其中所述冷却器为冷箱。
15.如权利要求11所述的储存和再汽化工厂设备，其中所述冷却器为冷箱。
16.如权利要求11所述的储存和再汽化工厂设备，进一步包含属于分离器的并且被配 置为至少使所述再液化的汽化燃气部分膨胀的膨胀设备上游。
17.如权利要求14所述的储存和再汽化工厂设备，进一步包含第三导管，其被配置为 允许将所述氮气与所述冷的汽化燃气结合在一起。
18.如权利要求11所述的储存和再汽化工厂设备，进一步包含压缩机，其被配置为允 许压缩所述压缩的汽化燃气的第二流。
19.如权利要求18所述的储存和再汽化工厂设备，其中所述压缩机以流体方式耦合至 燃烧器以允许将来自所述压缩机的所述第二流送至所述燃烧器。
20.如权利要求11所述的储存和再汽化工厂设备，进一步包括流控制单元，其被配置 为当送往再汽化单元的LNG流增大时提高所述第一与第二部分之比。
全文摘要
一种LNG储存和再汽化工厂设备包括再汽化单元，在该再汽化单元中，来自储存罐的汽化蒸汽被液化和循环返回至LNG储存罐作罐压和沃泊指数的控制。优选地，LNG低温被用来再液化，并且通过将一部分增压的汽化燃气送往燃料气体集气管和/或由供给LNG使该部分增压的汽化燃气再冷凝，实现了运行时的灵活性。
文档编号F17C7/00GK102084171SQ200980115754
公开日2011年6月1日 申请日期2009年4月7日 优先权日2008年4月11日
发明者J·马克 申请人:氟石科技公司