一种用于LNG冷能利用的双相变冷媒换热控制系统的制作方法

本发明涉及lng冷能的控制系统，具体涉及一种用于lng冷能利用的双相变冷媒换热控制系统。

背景技术：

随着社会的迅猛发展，天然气作为一种清洁绿色能源，逐渐取代了其他污染较大的能源，成为城市的主要供应能源。作为一种常规的天然气储运方式，lng液化天然气密度为气态天然气的约600倍，极大的减少了天然气的储存和运输成本。低温lng-162℃在气化为常温气体是会释放出约830mj/t的冷能，如果将这些冷能进行回收利用，其经济和节能效益是巨大的。现在lng冷能回收方法主要有冷能发电、空气分离、制备液体二氧化碳和干冰、制冰及冷库制冷等。对于低品位的lng冷能利用，其用户市场工况条件较为复杂，因此，目前lng冷能利用项目，仍为定制产品尚无产业化的批量生产设备。

中国专利cn204301358u，cn101619914a，cn202660230u等等，现有lng冷能利用专利，均采用单一相变冷媒进行传质传热，或采用无相变冷媒进行冷能换热。该情况均需要动力设备，且需要配备多种仪表进行工艺流程控制，其操作难度及维护节点较多，冷媒压力温度并不参与换热系统控制，且抗冻堵能力较弱。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上面提出的目前lng冷能利用冷媒换热中存在的隐患及不足，提供一种用于lng冷能利用的双相变冷媒换热控制系统，以达到降低运营成本，减少控制仪表，同时利用相变压力防止冻堵，使项目整体实现环境友好，且不增加安全隐患及整体空间等目的。

本发明实现上述目的的技术方案包括：

一种用于lng冷能利用的双相变冷媒换热控制系统，包括换热装置、信息反馈及控制装置、安全及控制执行装置；

所述的换热装置包括管壳式换热器、管壳式蒸发器、空温式复热器；所述信息反馈及控制装置包括压力变送器、温度变送器、plc；所述的安全及控制执行装置包括电磁阀、流量调节阀、调压阀，所述电磁阀、流量调节阀、管壳式换热器的管程、复热器、调压阀通过管道依次连接在lng和主燃气管网之间；所述压力变送器、温度变送器用于监测所述管壳式换热器、管壳式蒸发器壳程的压力和温度，所述plc分别与电磁阀、流量调节阀、压力变送器、温度变送器信号连接，用于根据监测的压力和温度控制所述电磁阀、流量调节阀做出相应的动作；所述管壳式蒸发器位于管壳式换热器的下方，所述管壳式换热器、管壳式蒸发器的壳程通过管道相连形成冷媒循环回路，所述的循环回路中注入有双相变冷媒，所述管壳式蒸发器的管程连接二级冷媒。

进一步地，所述的双相变冷媒包括轻组分和重组分，所述轻组分和重组分的质量比为0.5:9.5～4:6；所述轻组分的凝固点低于lng的液化温度，沸点高于lng的液化温度，所述重组分在工作压力时的沸点高于二级冷媒的凝固温度点。

进一步地，所述轻组分的沸点高于lng的液化温度30℃以上。

进一步地，所述的轻组分包括丙烷、乙烯、乙烷；所述的重组分包括异丁烷、r134a、r410a、r22。

进一步地，所述的复热器为空温式复热器。

进一步地，所述的管壳式换热器为缠绕管式换热器。

进一步地，所述的管壳式换热器上还设置有安全放散阀。

进一步地，所述的管壳式蒸发器上还设置有冷媒加注阀和冷媒排空阀。

进一步地，还包括声光警报装置，当设备正常停机时，所述plc根据压力变送器检测的压力变化判断相变冷媒是否发生泄漏，若发生泄漏则所述声光警报装置接收所述plc的控制信号进行预警。

进一步地，当设备正常运行时，若压力变送器、温度变送器监测的温度和压力超出设定范围值，所述plc用于控制所述流量调节阀调节lng流量；若监测的温度和压力超出安全设定值时，所述plc用于控制电磁阀关闭。

本发明与现有技术和现状相比具有以下的有益效果：

1、设备实施成本较低，仅通过压力数据便可推论出整体换热系统的工作情况。无需冗余监控仪表及设备。

2、整套装置运行简单，维护方便，安全性好。在工艺源头上有效的防止了冷媒冻堵情况。该装置无需增加人工操作便可运行，只需要定期进行维修即可。还能判断相变冷媒是否泄漏、减少人工监察，大大提高换热设备运行安全性。

3、整套装置占地面积小，应用范围广。可通过压力调节换热温度具备很大的操作弹性。可搭配不同温位的二级冷媒进行换热，并实现一套设备多种工况下使用。

附图说明

图1为一种用于lng冷能利用的双相变冷媒换热控制系统图。

图中示出：1-电磁阀，2-流量调节阀，3-管壳式换热器，4-安全放散阀，5-复热器，6-调压阀，7-压力变送器，8-温度变送器，9-冷媒加注阀，10-管壳式蒸发器，11-冷媒排空阀，12-plc。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

实施例1

本实施例以某lng气化站冷能用于冷水空调项目为例，该气化站天然气流量在150～600nm³/h范围内，气化后压力0.3mpa，下游用冷水空调办公室为400平方米。

如图1所示，一种用于lng冷能利用的双相变冷媒换热控制系统，包括换热装置、信息反馈及控制装置、安全及控制执行装置；

所述的换热装置包括管壳式换热器3、管壳式蒸发器10、空温式复热器5；所述信息反馈及控制装置包括压力变送器7、温度变送器8、plc12；所述的安全及控制执行装置包括电磁阀1、流量调节阀2、调压阀6，所述电磁阀1、流量调节阀2、管壳式换热器3的管程、复热器5、调压阀6通过管道依次连接在lng和主燃气管网之间；所述压力变送器7、温度变送器8用于监测所述管壳式换热器3、管壳式蒸发器10壳程的压力和温度，所述plc12分别与电磁阀1、流量调节阀2、压力变送器7、温度变送器8信号连接，用于根据监测的压力和温度控制所述电磁阀1、流量调节阀2做出相应的动作；所述管壳式蒸发器10位于管壳式换热器3的下方，所述管壳式换热器3、管壳式蒸发器10的壳程通过管道相连形成冷媒循环回路，所述的循环回路中注入有双相变冷媒，所述双相变冷媒包括丙烷及异丁烷，按照质量比例2:8混合而成，所述管壳式蒸发器10的管程连接液态的二级冷媒。

所述的复热器5为空温式复热器。所述的管壳式换热器3为缠绕管式换热器。所述的管壳式换热器3上还设置有安全放散阀4。所述的管壳式蒸发器10上还设置有冷媒加注阀9和冷媒排空阀11。

另外，本实施例的双相变冷媒换热控制装置还包括声光警报装置，当设备正常停机时，所述plc12根据压力变送器7检测的压力变化判断相变冷媒是否发生泄漏，若发生泄漏则所述声光警报装置接收所述plc12的控制信号进行预警。

具体而言，当设备正常运行时，若压力变送器7、温度变送器8监测的温度和压力超出设定范围值，所述plc12用于控制所述流量调节阀2调节lng流量；若监测的温度和压力超出安全设定值时，所述plc12用于控制电磁阀1关闭。

下面详细说明本实施例的工作原理。

如图1所示，原lng气化系统为lng从储罐进入站点气化器，气化后再进入下游管网。lng冷能换热系统采用并联方式与原有lng气化器联接。该lng经过缠绕管式换热器气化后，再经过空温式复热器升温，调压后，与原有管线汇合。

安装完相应的部件后，将丙烷及异丁烷，按照质量比例2:8混合装入管壳式蒸发器10。

所述的管壳式换热器3的管程介质为lng，壳程介质为双相变冷媒气相。管壳式蒸发器10的管程介质为液态的二级冷媒，壳程介质为双相变冷媒液相。空温式复热器5将低温气态天然气与环境换热进行升温，之后汇入主燃气管网。

当设备正常工作时，压力变送器应在1.5bar～2.5bar之间波动，温度变送器应在1℃～10℃之间波动。系统在设计额定lng气化量360nm³/h上下波动时，可持续保持在一定的指示范围，此时流量调节阀2不动作。

如果压力及温度过高或过低，则需要调节流量调节阀2进行控制。如果超出安全设定值，则表示该换热系统出现异常，plc12控制电磁阀1关闭，设备后续检修。

当设备正常停机时，压力变送器7应根据环境温度，持续保持在一定的指示范围，如果压力过高或过低，则证明该双相变冷媒换热系统出现冷媒泄漏，或有持续热源。plc12控制声光警报装置做出声光警报。在一种特殊情况下，当双相变冷媒的压力超过安全放散阀4的设定值时，安全放散阀4自动开启，防止换热器压力过高而破裂。

检修前，应停止整套设备，关闭lng及冷水进入该设备的前后阀门，进行排空，再手动开启冷媒排空阀11及安全放散阀4，把管壳式换热器3、管壳式蒸发器10内的冷媒排空后，进行检修，如果换热器内部存在杂质，也可通过冷媒排空阀11进行排污。

本实施例中，所述压力变送器7通过压力数值可及时反应出换热设备的运行情况。可定性推论出相变冷媒平均温度，通过此温度作为二级是否存在冻堵情况的判断依据。plc12根据双相变冷媒在密闭系统中，其饱和蒸汽压与温度的线性关系，通过最为敏感的压力变化数据预判冷媒温度变化，进而判断冷热是否平衡。并将此信号传递给plc12进行逻辑分析，从而使安全及控制执行装置做出反应，如根据压力变送器7及温度变送器8的信号反馈，当plc12判断压力过低时，所述的电磁阀1可瞬时切断lng供应，保护换热系统。根据压力变送器7的信号反馈，当plc12判断在阀值区间则所述流量调节阀2不动作，如果超过所述阀值区间，则plc12控制所述流量调节阀2进行相应动作调节lng流量。

所述的安全放散阀4为防止双相变冷媒在极端情况下受热，导致产生高压力引起的设备开裂情况，设定阀值超压时放散，压力恢复后自动关闭。调压阀6用于控制天然气气化压力，该调压阀6的调压设定阀值与主管网压力相关联，并设有超压切断功能，一旦下游天然气管网超压，则自动关闭调压阀6，防止天然气倒灌至lng储罐。

所述的冷媒加注阀在冷媒加注时需打开此阀门，通过双相变冷媒自身压力气化后进入换热器壳程。冷媒排空阀11当设备需要检修时，则打开该阀门对双相变冷媒的液相进行排空，如果换热器内部存在杂质，也可通过该阀门排污。双相变冷媒气相排空，则通过安全放散阀4进行手动放散。

本实施例中所述的双相变冷媒可在一定程度上防止出现冷媒冻堵情况。每种相变冷媒对应的蒸发压力及温度是固定的，通过计算配比，得出轻重物质配比，合适的配比可控制在双相变冷媒出现冻堵前，其重组分几乎全部冷凝，通过管道自动流入管壳式蒸发器10，液态重组分不与含有低温lng的管壳式换热器3的管程接触，此时管壳式换热器3壳程压力较低，所述管壳式换热器3内的重组分含量较少，轻组分含量较多，由于轻组分凝固点低于lng的液化温度，因此不会造成相变冷媒冻堵。另一方面，通过以上方法，可控制在二级冷媒出现冻堵温度，即当二级冷媒泄漏或温度过低时，无法在管壳式蒸发器10内使重组份大量蒸发，重组分传质速度减缓后引起传热效率降低，减缓了冷能供应速度，进而使双向相应冷媒无法冻堵。

所述的双相变冷媒通过组份配比，通过压力调节换热温度，使换热系统具备了很大的操作弹性。实施过程中，可搭配不同温位的二级冷媒进行换热，有效控制冻堵现象发生，并实现一套设备多种工况下使用。

本实施例的所述双相变冷媒可保证设备在故障停机、lng流量过大、二级冷媒泄露或流量过少等情况下，有较多气态轻组分可以维持设备内压力，不会产生负压。而单相变冷媒在这几类情况下则会由于大部分液化而使设备产生负压。

实施例2

本实施例以某lng气化站冷能用于冷库项目为例，该气化站天然气流量在600nm³/h～1000nm³/h范围内，气化后压力0.3mpa，下游冷库为2000立方米。

如图1所示，原lng气化系统为lng从储罐进入站点气化器，气化后再进入下游管网。

lng冷能换热系统采用并联方式与原有lng气化器联接。

该lng经过缠绕管式换热器气化后，再经过空温式复热器升温，调压后，与原有管线汇合。

与实施例1不同的是，安装完相应的部件后，本实施例将乙烷及r410a，按照质量比例1.5:8.5混合装入管壳式蒸发器10作为双相变冷媒。

当设备正常工作时，压力变送器7应在2bar～3bar之间波动，温度变送器8应在-20℃～-15℃之间波动。系统在设计额定lng气化量750nm³/h上下波动时，可持续保持在一定的指示范围，此时流量调节阀2不动作。

如果压力及温度过高或过低，则需要调节流量调节阀2进行控制。如果超出安全设定值，则表示该换热系统出现异常，plc12控制电磁阀1关闭，设备后续检修。

当设备正常停机时，压力变送器7应根据环境温度，持续保持在一定的指示范围，如果压力过高或过低，则证明该双相变冷媒换热系统出现冷媒泄漏，或有持续热源。plc12控制声光警报装置做出声光警报。在一种特殊情况下，当双相变冷媒的压力超过安全放散阀4的设定值时，安全放散阀4自动开启，防止换热器压力过高而破裂。

检修前，应停止整套设备，关闭lng及冷水进入该设备的前后阀门，进行排空，再手动开启冷媒排空阀11及安全放散阀4，把管壳式换热器3、管壳式蒸发器10内的冷媒排空后，进行检修，如果换热器内部存在杂质，也可通过冷媒排空阀11进行排污。

实施例3

本实施例以某lng气化站冷能用于制冰项目为例，该气化站天然气流量在2000nm³/h～3000nm³/h范围内，气化后压力0.3mpa，可制冰3t/h。

如图1所示，原lng气化系统为lng从储罐进入站点气化器，气化后再进入下游管网。

lng冷能换热系统采用并联方式与原有lng气化器联接。

该lng经过缠绕管式换热器气化后，再经过空温式复热器升温，调压后，与原有管线汇合。

与实施例1不同的是，安装完相应的部件后，本实施例将丙烷及r134a，按照质量比例3:7混合装入管壳式蒸发器10。

当设备正常工作时，压力变送器7应在2bar～3bar之间波动，温度变送器8应在-15℃～-10℃之间波动。系统在设计额定lng气化量2500nm³/h上下波动时，可持续保持在一定的指示范围，此时流量调节阀2不动作。

如果压力及温度过高或过低，则需要调节流量调节阀2进行控制。如果超出安全设定值，则表示该换热系统出现异常，plc12控制电磁阀1关闭，设备后续检修。

当设备正常停机时，压力变送器7应根据环境温度，持续保持在一定的指示范围，如果压力过高或过低，则证明该双相变冷媒换热系统出现冷媒泄漏，或有持续热源。plc12控制声光警报装置做出声光警报。在一种特殊情况下，当双相变冷媒的压力超过安全放散阀4的设定值时，安全放散阀4自动开启，防止换热器压力过高而破裂。

检修前，应停止整套设备，关闭lng及冷水进入该设备的前后阀门，进行排空，再手动开启冷媒排空阀11及安全放散阀4，把管壳式换热器3、管壳式蒸发器10内的冷媒排空后，进行检修，如果换热器内部存在杂质，也可通过冷媒排空阀11进行排污。

综上所述，上述各实施例提供了一种降低运营成本，减少控制仪表，同时利用冷媒相变压力与温度的线性关系进行控制换热的双相变冷媒换热控制系统。此系统可降低设备整体投资，提高项目自动化程度，且不增加新的安全隐患。上述各实施例通过设定两种不同物性的相变冷媒，调整质量比例充入换热器壳程。上部换热器lng进入管程将双相变冷媒液化，液化冷媒自动流入下部换热器壳程，并形成一定液位。二级冷媒为无相变的液体冷媒，其通过管程换热，且管程浸没在双相变冷媒液体中。上述各实施例具有无需外加动力、操作简单、维护方便、工作稳定等优点，通过压力与温度的线性关系，能及时判断换热情况，减少了冷媒传质传热延时的缺点，有效预防冷媒冻堵，并可判断冷媒是否泄漏、减少人工监察，大大提高设备运行安全性。同时，上述各实施例简单易实施，可适用于目前lng冷能利用的绝大范围项目。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。