专利名称：利用中间介质使液化天然气汽化的系统和方法
技术领域：
本发明涉及流体介质传热换热技术领域，具体涉及一种利用中间介质使液化天然气汽化的系统和方法。
背景技术：
随着天然气被广泛应用于生活的方方面面，天然气的运输技术随之发展起来。目前常采用将天然气液化后来进行运输，在使用之前加温使之汽化。低温液化天然气的汽化需要大量的热能，通常是利用常温水或海水对液化天然气进行加热使之汽化。但如果以水直接加热，局部缓流区域极易降温太甚而冻结，使通流量减小，热量补充少，最终全部冻堵。 因此，必须使用不易冻结的中间介质，如烷烃类、醇类等，所述中间介质先与低温液化气换热，并控制受冷降温温度，之后所述中间介质再被常温加热水加热，循环返回再度加热液化天然气。
如上过程中，利用常温水来加热中间介质通常需要一个低温蒸发器，中间介质被加热之后，会产生部分蒸汽，对于蒸汽形态的中间介质，需要利用一个冷凝换热器将其降温为液态的中间介质后，才能继续使用。因此，需要一个低温蒸发器和一个串联工作才能完成对中间介质加热，使其能够被重复利用。这会导致设备体积大，投资高，同时中间介质循环阻力大，能耗高。发明内容
本发明提供一种利用中间介质使液化天然气汽化的系统，该系统通过将用于加热液化天然气的上部腔体和用于加热中间介质的下部腔体相互贯通，使得中间介质的冷凝也在同一空间中完成，因此中间介质循环阻力降低，同时设备体积和占地面积也有减小，提高了设备空间利用率。
本发明还提供一种利用中间介质使液化天然气汽化的方法，该方法利用中间介质加热液化天然气，利用常温水作为第二介质来加热所述中间介质，产生的蒸汽形态的中间介质又用于加热液化天然气，因此不需要另外的冷凝设备对蒸汽形态的中间进行降温，降低了中间介质的循环阻力，提高能效。
本发明提供的利用中间介质使液化天然气汽化的系统，包括相互贯通的上部腔体和下部腔体。
所述上部腔体中设有第一介质入口，所述下部腔体中设有第一介质出口，所述第一介质入口与第一介质出口之间通过所述上部腔体和所述下部腔体的腔体内部空间相连ο
所述上部腔体内部还设有液化天然气管路。流过所述液化天然气管路中的液化天然气能够与第一介质之间形成换热关系，使得所述液化天然气被加热，而第一介质被降温后落入所述下部腔体中。
所述下部腔体还设有第二介质入口与第二介质出口，以及用于流通第二介质的第CN 102518935 A
说明书
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二管路。流过所述第二管路中的第二介质能够与落入下部腔体的第一介质形成换热关系， 使得所述第一介质被加热，获得升温的液态第一介质以及气态第一介质；所述气态第一介质上升到所述上部腔体中被冷凝。 所述系统还包括循环泵，所述循环泵设有一入口和一出口。所述入口与第一介质出口相连通，所述出口与第一介质入口相连通，用于将所述升温的液态第一介质泵入所述上部腔体中。 所述上部腔体为立式筒状结构。其轴线优选为竖直的。所述下部腔体为卧式筒状结构。其轴线优选为水平的。所述液化天然气管路为螺旋缠绕管，其轴线优选与所述上部腔体轴线重叠。所述第二管路为螺旋缠绕管，其轴线优选为与所述下部腔体轴线重叠。所述螺旋缠绕管为多层缠绕结构，缠绕的层数范围为1 10层。所述管式换热器还设有内部支撑管，所述内部支撑管为交叉焊接相连的柱体，其位于所述上部腔体和所述下部腔体的中轴线上，并且所述内部支撑管的交叉焊点为所述上部腔体和所述下部腔体的中轴线相交位置。更进一步的，为了使天然气完全汽化，所述系统还包括一个第二换热器，用于对所述上部腔体中流出的天然气再次进行加热。所述第二换热器内部设置有用于流通热媒介质的第三管道，所述第三管道内部的热媒介质与其外壁的天然气进行换热。所述第二换热器还设有一个热媒介质出口，并且所述热媒介质出口与所述第一换热器中的第二介质入口相连，利用所述第二换热器中与所述天然气进行换热后的热媒介质作为第二介质。本发明提供的利用中间介质使液化天然气汽化的方法，包括如下步骤在所述第一换热器的上部腔体中，第一介质被喷淋在液化天然气流过的液化天然气管路上，对其中的液化天然气进行加热。第一介质加热所述液化天然气后被降温，落入与所述上部腔体相互贯通的下部腔体中。所述第一介质被位于下部腔体中的第二管路中的第二介质进行加热；被加热后的第一介质部分蒸发成气态，其余为液态。所述气态的第一介质上升进入上部腔体，与液化天然气管路中的液化天然气进行换热后冷凝，再次落入下部腔体。即利用了气态的第一介质的热量来加热液化天然气，也完成了对气态的第一介质的冷凝，提高了第一介质利用率。所述第一介质被所述第二管路中的第二介质加热后，液态部分的第一介质流出下部腔体。为了循环利用所述第一介质，所述方法还包括所述第一介质流出下部腔体后，流入循环泵，被循环泵泵入上部腔体中，喷淋在所述液化天然气管路上，从而循环利用所述第一介质。优选的，所述液化天然气在螺旋式的液化天然气管路中螺旋上升，所述第一介质从所述上部腔体顶部喷淋到液化天然气管路上，与所述液化天然气逆流换热。为确保所述液化天然气被完全汽化，所述液化天然气流出所述第一换热器后，进入第二换热器中被再次加热；具体步骤包括
所述天然气与流经位于所述第二换热器内部的第三管路中的热媒介质进行换热， 所述天然气被加热后流出所述第二换热器。
所述热媒介质流经第三管路后流出所述第二换热器。
所述热媒介质流出所述第二换热器后，流入所述第一换热器中的第二管路，作为所述第二介质用于对所述第一介质进行加热，提高了热媒介质的利用率。
优选的，所述第一介质可以为烷烃类、醇类等，具有不易冻结的特性。
优选的，所述热媒介质及第二介质可以为常温水、海水等，成本低廉，原料来源广泛，不会产生污染。
本发明的有益效果如下
1、通过将上部腔体与下部腔体相贯通，使得中间介质的换热、低温加热蒸发以及冷凝都在同一空间内同时进行，有效利用了换热器空间，同时也降低了中间介质的循环阻力，大大提高了中间介质的利用率。
2、利用中间介质来加热液化天然气，然后利用常温水来加热中间介质，能够有效防止常温水与液化天然气直接换热后冻结。
3、采用螺旋缠绕管作为传热管，极大降低大温差换热时的温差应力，节省管板成本，减轻重量，并且结构紧凑，制造成本低。
4、在第二加热器中，利用常温水再次加热所述液化天然气，能够保证液化天然气完全汽化。并且第二加热器中流出的常温水，还可以用来加热所述中间介质，大大提高了常温水的利用率。
图1为本发明提供的利用中间介质使液化天然气汽化的系统总体结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的利用中间介质使液化天然气汽化的系统包括第一介质出口 1、第二介质出口 2、第二管路3、下部腔体4、液化天然气入口 5、上部腔体6、液化天然气管路7、第一换热器8、第一介质入口 9、第二介质入口 10、液化天然气出口 11、内部支撑管12、循环泵13、第二换热器14、天然气出口 15、天然气出口 16、热媒介质入口 17以及热媒介质出口 18。
其中，下部腔体4和上部腔体6是由两个圆筒状腔体交接焊接而成相互贯通状。下部腔体4的中轴线呈水平状态，上部腔体6的中轴线呈竖直状态。
所述上部腔体6设有第一介质入口 9，所述下部腔体4中设有第一介质出口 1。具体的，所述第一介质入口 9位于所述上部腔体6的顶部，所述第一介质出口 1位于所述下部腔体4的底部。所述第一介质入口9与第一介质出口 1之间通过所述上部腔体6和所述下部腔体4的腔体内部空间相连通。
所述上部腔体6内部还设有液化天然气管路7。具体的，上部腔体6的侧面底部设置有液化天然气入口 5，侧面顶部设置有液化天然气出口 11，所述液化天然气入口 5与液化天然气出口 11之间通过液化天然气管路7相连通。所述液化天然气管路具体可以为螺旋绕管，其中轴线为竖直状态。所述液化天然气管路7中的液化天然气与其外壁的第一介质之间形成换热关系，使得所述液化天然气被加热，而第一介质被降温后落入所述下部腔体4 中。所述下部腔体4还设有第二介质入口 10与第二介质出口 2，以及用于流通第二介质的第二管路3。具体的，下部腔体4侧面一端设置有第二介质入口 10，另一端设置有第二介质出口 2，所述第二介质入口与第二介质出口之间通过第二管路相连通，所述第二管路具体可以为螺旋绕管，其中轴线为水平状态。所述第二管路3中的第二介质与其外壁的第一介质形成换热关系，使得所述第一介质被加热，获得升温的液态第一介质以及气态第一介质；所述上部腔体6还用于利用液化天然气和/或降温后的第一介质将所述气态第一介质冷凝，使其落入所述下部腔体4中。内部支撑管12是由两跟直管垂直交叉焊接而成，其位于上部腔体6以及下部腔体 4的中轴线位置，用于支撑液化天然气管路7以及第二管路3。优选的，所述液化天然气管路7以及所述第二管路3均为不同半径的多层缠绕管路结构，以增大传热面积；缠绕的层数优选为1 10层，每层的缠绕圈数优选为2 200。为了能够更清楚地表示液化天然气管路7和第二管路3的多层缠绕结构，在图1中仅示出了一部分缠绕管，并用虚线表示各层缠绕管的外径轮廓。第一介质出口 1与循环泵13的入口相连通，第一介质入口 9与循环泵13的出口相连通，可利用循环泵13将升温的液态第一介质泵入所述上部腔体中，如此形成第一介质的循环通路。在本发明的另一种实施方式中，可以没有循环泵13，可以利用其它办法使得第一介质从下部腔体流出后再返回上部腔体中。本发明提供的利用中间介质使液化天然气汽化的方法包括第一介质进入上部腔体6后被喷淋到液化天然气管路7的外壁面，与液化天然气管路7内上升流动的液态天然气之间进行热量交换，使得第一介质在下落过程中被冷却， 冷却后的第一介质落入与所述上部腔体6相互贯通的下部腔体4中。液化天然气在上升过程中，与下落的第一介质进行逆流换热后，变成气态的天然气，然后从液化天然气出口 11 中流出。所述第一介质落入所述下部腔体4后，与第二管路3中的第二介质之间进行热量交换，使得所述第一介质被加热。被加热后的第一介质有部分形成气态，其余为液态。所述气态的第一介质上升进入所述上部腔体6中，与液化天然气管路7中液化天然气进行换热，使得气态的第一介质被冷凝成液态，再次落入下所述部腔体4中，被第二管路3中的第二介质加热。同时，气态的第一介质进入所述上部腔体6后，也会与正在下落的液态的第一介质接触，发生热量交换，从而使得气态第一介质冷凝成液态后再次落入所述下部腔体4中。如上所述，第一介质与液化天然气之间的换热、第一介质被第二介质加热、以及气态的第一介质被冷凝都是在同一个空间中同时进行的，降低第一介质的循环阻力，提高利用率。所述第一介质被所述第二管路3中的第二介质加热后，液态的第一介质从所述下部腔体4底部的第一介质出口1中流出。
为了循环利用第一介质，可以将从第一介质出口 1中流出的第一介质再返回所述上部腔体6中。具体可利用循环泵13来实现。从第一介质出口 1中流出的第一介质进入循环泵13，被循环泵13加压后，所述第一介质再由第一介质入口 9进入上部腔体6中，如此可循环利用第一介质，提高了第一介质的利用率。所述第一介质优选为烷烃类、醇类等不易冻结的物质，用于作为使液化天然气汽化的中间介质。
液化天然气从液化天然气入口 5中进入上部腔体6内部的液化天然气管路7中， 循环上升，在上升的过程中，与液化天然气管路7外部的第一介质之间进行逆流换热，导致液化天然气被加热后被汽化，然后从上部腔体6上部的液化天然气出口 11流出。
第二介质从下部腔体4的第二介质入口 10进入第二管路3中，与第二管路3外壁的第一介质之间进行换热，使得第一介质被加热。完成换热后的第二介质从第二介质出口 2流出。所述第二介质优选为海水、常温水等。
相对于现有技术中需要一个低温蒸发器和一个冷却冷凝器串联工作才能完成，根据本发明提供的利用中间介质使液化天然气汽化的方法中，第一介质的换热、蒸发和冷凝都在同一腔体空间中同时进行，更加有效的利用了换热器空间，提高了换热器的效率。同时，第一介质作为使液化天然气汽化的中间介质，循环阻力小，能耗降低。
为保证液化天然气完全汽化，还串联增加一个第二换热器14，用于对液化天然气再次进行加热。
如图1所示，第二换热器14为一筒状密闭结构，其顶部设置有热媒介质入口 17、底部设置有热媒介质出口 18，所述热媒介质入口 17与热媒介质出口 18之间通过第三管路相连通。所述第三管路具体可以为螺旋管19，当然也可以为其他形式的密闭管路。所述换热器14侧面上部设置有天然气入口 15，侧面下部设置有天然气出口 16，天然气入口 15与天然气出口 16之间直接通过第二换热器14的内部腔体空间相连通。
所述天然气入口与所述液化天然气出口 11相连通。更进一步的，所述热媒介质可以作为第二介质，利用所述热媒介质出口 18与所述第二介质入口 10相连通，提高所述热媒介质的利用率。
液化天然气被再次加热的具体过程如下
热媒介质从第二换热器14顶部的热媒介质入口 17中流入，流经螺旋管19后从第二换热器14底部的热媒介质出口 18流出。然后从第二介质入口 10进入第一换热器8的第二管路3中。所述热媒介质可以为海水、常温水等。
液化天然气在所述第一换热器中被第一介质加热后，从液化天然气出口 11中流出，直接从天然气入口 15进入第二换热器14中，与螺旋管19中的热媒介质进行换热后，从天然气出口 16流出。
可以保证液化天然气被完全汽化，同时，也能够保证液化天然气在进入第二换热器时不会与热媒介质之间产生巨大的温差应力，当采用常温水作为热媒介质时，能够预防换热过程中水会冻结堵塞管道的情况发生。
本发明提供的利用中间介质使液化天然气汽化的系统及方法不仅可用于液化天然气加温汽化，还可以用于石油气和其他液化气体的加温汽化工艺过程。
综上所述，本发明提供的利用中间介质使液化天然气汽化的方法及系统具有以下优点1、通过将上部腔体与下部腔体相贯通，使得中间介质的换热、低温加热蒸发以及冷凝都在同一空间内同时进行，有效利用了换热器空间，同时也降低了中间介质的循环阻力，大大提高了中间介质的利用率。2、利用中间介质来加热液化天然气，然后利用常温水来加热中间介质，能够有效防止常温水与液化天然气直接换热后冻结。3、采用螺旋缠绕管作为传热管，极大降低大温差换热时的温差应力，节省管板成本，减轻重量，并且结构紧凑，制造成本低。4、在第二加热器中，利用常温水再次加热所述液化天然气，能够保证液化天然气完全汽化。并且第二加热器中流出的常温水，还可以用来加热所述中间介质，大大提高了常温水的利用率，极大的提高了换热器设备的安全性与可靠性。5、本发明提供的利用中间介质使液化天然气汽化的系统结构紧凑、成本低、容易制造。
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权利要求
1.一种利用中间介质使液化天然气汽化的系统，其特征在于，包括相互贯通的上部腔体和下部腔体；所述上部腔体设有第一介质入口，所述下部腔体设有第一介质出口，所述第一介质入口与第一介质出口之间通过所述上部腔体和所述下部腔体的腔体内部空间相连通；所述上部腔体内还设有液化天然气管路；流过所述液化天然气管路中的液化天然气能够与第一介质之间形成换热关系，使得所述液化天然气被加热，而第一介质被降温后落入所述下部腔体中；所述下部腔体设有第二介质入口与第二介质出口，以及用于流通第二介质的第二管路；流过所述第二管路中的第二介质能够与落入下部腔体的第一介质形成换热关系，使得所述第一介质被加热，获得升温的液态第一介质以及气态第一介质；所述气态第一介质上升到所述上部腔体中被冷凝。
2.根据权利要求1所述的利用中间介质使液化天然气汽化的系统，其特征在于，所述系统还包括循环泵，所述循环泵设有一入口和一出口，所述入口与第一介质出口相连通，所述出口与第一介质入口相连通；所述循环泵用于将从下部腔体流出的所述液态第一介质泵入所述上部腔体中。
3.根据权利要求1所述的利用中间介质使液化天然气汽化的系统，其特征在于，所述液化天然气管路为螺旋缠绕管。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的利用中间介质使液化天然气汽化的系统，其特征在于，所述系统还包括一个第二换热器，用于对所述上部腔体中流出的天然气再次进行加热；所述第二换热器内部设置有用于流通热媒介质的第三管道，所述第三管道内部的热媒介质与天然气形成换热关系；所述第二换热器还设有一个热媒介质出口，并且所述热媒介质出口与所述下部腔体中的第二介质入口相连，从而利用所述第二换热器中与所述天然气进行换热后的热媒介质作为第二介质。
5.一种利用中间介质使液化天然气汽化的方法，其特征在于，包括在所述第一换热器的上部腔体中，第一介质被喷淋在液化天然气流过的液化天然气管路上，对其中的液化天然气进行加热；第一介质加热所述液化天然气后被降温，落入与所述上部腔体相互贯通的下部腔体中；所述第一介质被位于下部腔体中的第二管路中的第二介质加热；被加热后的第一介质部分蒸发成气态，其余为液态；所述气态的第一介质上升进入上部腔体，与液化天然气管路中的液化天然气和/或降温后的第一介质进行换热后冷凝，再次落入下部腔体；所述第一介质被所述第二管路中流过的第二介质加热后，液态部分的第一介质流出下部腔体。
6.根据权利要求5所述的利用中间介质使液化天然气汽化的方法，其特征在于，所述方法还包括所述第一介质流出下部腔体后，流入循环泵，被循环泵泵入上部腔体中，喷淋在所述液化天然气管路上，从而循环利用所述第一介质。
7.根据权利要求6所述的利用中间介质使液化天然气汽化的方法，其特征在于，所述液化天然气在螺旋式的液化天然气管路中螺旋上升，所述第一介质从所述上部腔体顶部喷淋到液化天然气管路上，与所述液化天然气逆流换热。
8.根据权利要求5、6或7所述的利用中间介质使液化天然气汽化的方法，其特征在于， 所述被汽化的液化天然气流出所述第一换热器后，进入第二换热器中被再次加热；具体步骤包括所述天然气与流经位于所述第二换热器内部的第三管路中的热媒介质进行换热，所述天然气被加热后流出所述第二换热器；所述热媒介质流经第三管路后流出所述第二换热器；所述热媒介质流出所述第二换热器后，流入所述第一换热器中的第二管路，作为所述第二介质用于对所述第一介质进行加热。
9.根据权利要求8所述的利用中间介质使液化天然气汽化的方法，其特征在于，所述第一介质为烷烃类或者醇类。
10.根据权利要求8所述的利用中间介质使液化天然气汽化的方法，其特征在于，所述第二介质为海水或者常温水。
全文摘要
本发明提供一种利用中间介质使液化天然气汽化的系统，该系统包含相互贯通的上部腔体和下部腔体，在上部腔体中包括中间介质与液化天然气的换热关系，在下部腔体中包括第二介质与中间介质的换热关系，蒸汽形态的中间介质上升到上部腔体与液化天然气换热，同时也完成了对蒸汽形态的中间介质的冷凝。本发明还提供一种利用中间介质使液化天然气汽化的方法，该方法利用中间介质加热液化天然气，利用常温水作为第二介质来加热所述中间介质，产生的蒸汽形态的中间介质又用于加热液化天然气，因此不需要另外的冷凝设备对蒸汽形态的中间进行降温，降低了中间介质的循环阻力，提高能效。
文档编号F17C7/04GK102518935SQ20111033305
公开日2012年6月27日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者代玉强, 刘文伟, 李明辉, 李研, 王荧光, 胡大鹏, 郭野愚 申请人:大连理工大学, 辽河石油勘探局