CN102639923A - 液化天然气的转化 - Google Patents

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Abstract

液化天然气（LNG）通过在压力下穿过串联的第一、第二和第三主热交换级10、12和14链而被转化为在超过5摄氏度的温度下的过热流体，天然气在所述第一、第二和第三主热交换级10、12和14链中通过分别在热交换回路16、18和20中流动的循环热交换流体而被加热。热交换流体在热交换级10和12中冷凝并且在次级热交换器28、30和58中部分地蒸发，所述次级热交换器28、30和58通常全部通过在开式循环中流动的海水被加热。回路16和18中的热交换流体可以是丙烷。热交换回路20还可以采用丙烷，或另选地采用例如在热交换级14中没有变相的水或水-乙二醇混合物的液体。

Description

液化天然气的转化
技术领域
本发明涉及一种用于液化天然气转化为过热流体的方法和设备。该方法和设备特别适合用于在船只或其他航海容器（例如，FSRU（浮式储存再气化单元））上。
背景技术
天然气通常以液态存储并运输。然而，该天然气通常在气态下被使用。因此，需要将大体积的液化天然气转化为过热流体，通常是低于天然气的临界压力的气体、但是有时是在高于临界压力的压力下的流体。
美国专利6 945 049公开了一种用于蒸发液化天然气的方法和设备。液化天然气被泵送通过第一热交换器以实现蒸发以及通过第二热交换器以将蒸汽的温度升高至大约环境温度或稍低于环境温度。第一热交换器由在闭式循环中流动的热交换流体（例如，丙烷）加热。丙烷在第一热交换器中从气态转换为液态并且在多个热交换器中再次转化为气体，所述多个热交换器通常由海水流加热。在第二热交换器中，蒸发的天然气由蒸汽流加热。
针对需要在大于5℃的温度（例如，在10至25℃的量级）下的天然气，建立对加热方法和设备的特别要求。
发明内容
本发明提供一种旨在满足这些要求的方法和设备。
根据本发明，提供一种将液化天然气转化为具有大于5℃的温度的过热流体的方法，所述方法包括步骤：将在压力下的所述天然气传送通过串联的第一、第二和第三热交换级链，所述天然气在所述第一、第二和第三热交换级链中被加热。
本发明还提供一种用于将液化气转化为具有大于5℃的温度的过热流体的设备，所述设备包括串联的第一、第二和第三主热交换级链。
要理解的是，参考天然气流的方向，热交换级的最上游是第一热交换级，中间一个是第二热交换级，并且最下游的一个是第三热交换级。每个主热交换级优选地包括分离的热交换器。
每个主热交换级可以通过冷凝热交换介质来加热。所述热交换介质的组成在每个主热交换级中可以是相同的，采用不同的冷凝压力以便给予串联的每个主热交换级的天然气出口温度所需的等级。替代地，仅所述第一和第二主热交换级可以通过冷凝热交换介质来加热，所述第三主热交换级借助液态介质被加热，所述液态介质例如是水，例如海水或在闭式回路中的水和乙二醇的混合物，所述液态介质在所述第三主热交换级中不改相。
用于加热任何特别主热交换级的冷凝热交换介质可以在环形回路中流动，所述环形回路除了所述主热交换级之外还包括用于收集来自所述主热交换器的被冷凝热交换介质的容器、用于再蒸发被冷凝热交换介质的至少一个次级热交换器、以及用于加压所述被冷凝热交换介质流的泵，所述泵定位在所述收集容器的出口与所述次级热交换器的中间。特别地，所述第一和第二主热交换级优选地形成这种回路的一部分。
需要时，两个热交换回路可以共用公共收集容器。包括所述第一主热交换级的热交换回路中的次级热交换器可以由海水加热。因此，包括所述第二主热交换级的热交换回路中的次级热交换器也可以由海水加热。
如果采用冷凝热交换介质来加热第三主热交换级，那么第三主热交换级可以形成上述类型的热交换回路的一部分。该热交换回路中的次级热交换器优选地由水或水和乙二醇的混合物的源加热，所述源在闭式回路中流动并且被用于从例如发动机或从燃烧气体捕获废热。如果不存在可用的废热，那么热泵可以被用于将流动液体（水或水-乙二醇混合物）的温度升高到期望更高的温度并且以便向热交换回路中的热交换介质提供必要的加热。较不优选的替代方式是操作锅炉以产生蒸汽以及采用形成的蒸汽以升高热交换介质的温度。典型地，第三热交换器满足所述主热交换级上的总负载的不大于5%，且因此降低这种加热的运行成本。
典型地，包括第一热交换器的热交换回路可以采用并联的两个或更多个次级热交换器，以便满足该热交换回路上的热负载。丙烷是用于全部热交换回路（特别是，包括第一主热交换级和第二主热交换级的热交换回路）中的热交换介质的优选选择。丙烷是能够市售得到的并且具有这样的热力学属性，该热力学属性使得三个主热交换器中的冷凝温度每个都被选定在-40℃至+25℃的范围内。可以使用其他热交换流体来代替丙烷或用于与丙烷的混合。这种替代方式或附加热交换流体包括乙烷、丁烷、和碳氟化合物制冷剂，特别地是R134（a）。
第一热交换回路典型地将天然气升高至在-40℃至-20℃范围内的温度。第二热交换回路典型地将天然气升高至在-5℃至+5℃范围内的温度。第三热交换回路可以将天然气升高至其期望的最终温度，通常在+10℃至+25℃的量级。
需要时，取决于天然气的最大供应速率，根据本发明的方法和设备可以采用并联的多个所述链。
两个链的另一替代方式是共用第三主热交换级。在一个示例中，存在共用两个第三主热交换级的四个链。总体而言，任何数量的所述链可以共用任何数量的第三热交换级。
两个链的又一替代方式是共用第二和第三主热交换级。在又一示例中，存在与第一对和第二对的第二和第三主热交换级平行连通的四个主热交换级。总体而言，任何数量的所述链可以共用任何数量的第二和第三热交换级。
需要时，一个链可以与另一链交换天然气。
根据本发明的设备可以定位在航海容器（例如，所谓的FSRU（浮式储存再气化单元））上。
任何或全部热交换回路中的热交换介质可以在其一个或多个次级热交换器中部分地蒸发。如果部分地蒸发，那么残留液体可以从在例如分离容器中所产生的蒸汽分离，所述分离容器装配有合适的液体－蒸汽分离装置。
附图说明
现将参考附图以示例的方式描述根据本发明的方法和设备，在附图中：
图1是根据本发明的第一设备的流程图；
图2是如图1所示的设备的示意图；
图3是根据本发明的第二设备的示意图；
图4是根据本发明的第三设备的示意图；以及
图5是根据本发明的第一设备的替代方式的流程图。
具体实施方式
现参考图1，导管2沿其布置泵4。取决于用户需求，泵4可以有能力将LNG的压力升高到100巴或更高。导管2在其内端处与LNG设施（未示出）连通，该LNG设施通常包括具有被浸没的LNG泵（未示出）的至少一个绝热存储罐（未示出）。浸没的LNG泵在操作中能够将LNG传输到导管2。
泵4的出口与根据本发明的设备连通，以加热LNG流。该设备和存储罐通常定位在航海的船舶上，该船舶例如可以是所谓的FSRU（浮式储存再气化单元）。不时需要从该设备以升高的压力和非低温（在本发明的情况下，在不低于+15℃的温度下）传输天然气。如图1所述的设备能够使得天然气以选定的压力、速率和温度被传输。该设备包括第一主热交换器10、第二主热交换器12和第三主热交换器14。第一主热交换器10、第二主热交换器12和第三主热交换器14由分别在第一热交换回路16、第二热交换回路18和第三热交换回路20中流动的冷凝热交换流体来加热。热交换回路16、18和20全部是环形的但是从公共管线22被供给处于液态的热交换流体。
第一热交换回路16包括热交换液体灌24，该热交换液体灌可以从管线22接收最初批次的热交换液体和任何额外的液体。液体泵26可操作以从罐24抽取热交换液体并且将所述液体传送到两个平行的第一次级热交换器28和30。热交换液体在其经过热交换器28和30时部分地蒸发。产生的部分蒸发的热交换液体流动到液体-蒸汽分离容器34或其他液体-蒸汽分离装置36，所述液体-蒸汽分离容器34具有合适除雾器。分离的液体返回到收集罐24。蒸汽以与天然气流逆流或并流的方式流经该第一主热交换器10。
足够的热交换器流体流被设置成通过第一主热交换器10，以便蒸发从其流过的全部液化天然气以及使所述液化天然气过热至通常在-20至-40℃范围内的选定温度。然而，要理解的是，泵通常将液化天然气的压力升高至大于其临界压力（即，至大约100巴），在该情况下，天然气作为超临界流体进入到第一主热交换器10中，因此严格来说该天然气未被蒸发。热交换回路中的压力根据热交换流体的温度、第一主热交换器10上的热负载、设置在第一主热交换器10中的热交换器表面面积、在第一主热交换器10中被冷却的流和被加热的流之间的温度差、以及热传递系数而自身能够进行调节。总体上，要求冷却回路16满足整个设备上的热负载的70%至80%。出于这个原因，使用两个次级第一交换器20和30。
第一热交换介质液体是丙烷。丙烷可容易地商业获得并且具有这样的热力学属性，该热力学属性能够使得第一热交换器中的冷凝温度在-20℃至0℃的范围内改变或“自我调节”。
热交换介质或液体通常在第一次级热交换器28和30中被蒸发，与从第一主管道40采集并且返回到第二主管道42的海水流进行间接热交换。海水通常在开式回路中流动。海水的温度可以在5℃至13℃的范围内季节性或每日地变化，并且通过经过第一次级热交换器28和30而典型地被冷却大约7至9摄氏度。海水当然容易地在船只或其他海上航行容器上可获得。
流量控制阀44定位在导管46中，液体通过所述导管46从收集容器44返回到罐24中。流量控制阀44与容器34中的液位检测器48操作性地相关并且其位置根据需要被调节以便保持容器34中的恒定液态丙烷液位。
第二热交换回路18类似于第一热交换回路。该第二热交换回路包括液态热交换介质收集罐54，液体可以借助泵56的操作从该液态热交换介质收集罐54被抽取。泵通过单个第二次级热交换器58传送液态热交换介质，在该单个第二次级热交换器中，该液态热交换介质被部分地蒸发。产生的部分蒸发的热交换介质流入到包含除雾器衬垫66的液体-蒸汽分离容器64中。与液体分离的蒸汽以逆流方式流经第二主热交换器12以与天然气流并行流动并且提供对天然气的进一步加热，所述蒸汽自身在第二主热交换器12中冷凝。典型地，天然气在第二主热交换器12中升高到大约0℃的温度。热交换介质在第二主热交换器12中冷凝，并且产生的冷凝物返回到收集罐54。在容器64中从蒸汽分离的液体通过导管68返回到收集罐54。流量控制阀70定位在导管68中。流量控制阀70响应来自容器64中的液位传感器72的信号，以便保持在其中液态制冷剂的恒定液位。第二次级热交换器借助来自主管道40的海水来加热。产生的被冷却海水返回到主管道42。
用于第二热交换回路18中的热交换介质优选地与第一热交换回路16中所用的热交换介质相同。因此，该热交换介质可以是丙烷。丙烷容易地在-5至+5℃下冷凝。第二热交换回路18中的冷凝压力高于在第一热交换回路16中的冷凝压力。典型地，第二热交换器18满足该设备上的总热负载的15%至20%。
第三热交换回路20类似于第一和第二热交换回路16和18。该第三热交换回路包含液体收集罐74，该液体收集罐在发动之前可被供有来自管线22的液态热交换介质。泵76从罐74抽取液体并且将所述液体传送经过第三次级热交换器78。液态热交换介质通过热交换器78的传送导致该液态热交换介质的部分蒸发。产生的部分蒸发液体流入到配置有除雾器86的液体-蒸汽分离容器84中。液体在容器84中从蒸汽分离。该分离的蒸汽以与天然气逆流或并行热交换的关系流经第三主热交换器14并且将天然气的温度升高到期望传送温度（即，+15℃）。蒸气状热交换介质在热交换器14中冷凝。产生的冷凝物回流到收集罐74。分离液体通过导管88从容器84流动到收集罐74。流量控制阀90定位在导管88中。阀90与容器84中的液位传感器92操作性地相关，所述布置使得在操作该设备期间能够在容器84中保持液态热交换介质的恒定液位。典型地，海水未被用于加热第三次级热交换器78。相反，可以采用被用于捕获废热的暖水或水-乙二醇混合物的源。水通过管线94流动到第三次级热交换器78，并且在所述第三热交换器78中被冷却的下游流出所述第三次级热交换器78并且进入到管线96中。管线94、96可以是闭式回路。
第三热交换回路20上的热负载通常比在第一热交换回路16或第二热交换回路18上的热负载要小得多。用于第三热交换回路中的液态热交换介质可以与用于第一热交换回路16和第二热交换回路18中的相同。因此，丙烷可以被用作第三热交换回路20中的热交换介质。丙烷在+15℃至+30℃的范围内仍冷凝，但是具有比第二热交换回路18中更高的压力。
通过响应于定位在位于天然气通过第三主热交换器14的传送通道下游的导管2中的温度传感器100来调节管线94中的流量控制阀98的设置，可以实施从导管2传输的天然气的温度控制。如果温度太低，那么阀98的设置可以被调节以增加从其经过的暖加热介质流。此外，流量控制阀102可以被设置在位于第一主热交换器10的上游的导管2中。阀102可以响应于来自温度传感器104的信号被控制，该温度传感器104位于所述导管2中处于所述第二主热交换器12和第三主热交换器14之间的位置处。
一种控制策略是规定用于由传感器104感测的期望温度的所需流量和进入海水温度。如果感测温度变得太低，那么温度信号将不考虑流量需求控制并且调节阀102的设置以降低LNG流量。例如，如果进入海水温度低于规定的或者LNG的进入流量大于规定的，那么温度传感器104将发送信号，从而使得阀102降低LNG流量。在另一方面，如果海水进入温度高于规定的，那么LNG流量能够增加至大于规定值。对于低于LNG的规定进入流量，传感器104所感测的温度将更高并且控制***被设置成使得温度控制考虑流量控制，并且传感器104所感测的温度被允许滑动到更高的值。
如图1所示，可以对该设备作出各种变化和修改。特别地，由于第三热交换回路20通常需要满足该设备上的总热负载的不足5%，因此通过采用水或水-乙二醇混合物来加热第三主热交换器14可以简化第三热交换回路20。这种布置在图5中被示出。图5中与如图1所示的对应部件大致相同的部件用如图1所示的相同附图标记表示，并且应当参考图1的描述来理解这些部件的操作。
参考图5，第三热交换回路20分配始终作为热交换介质的液态水或水-乙二醇混合物。在第三主热交换器14或第三次级热交换器78中不存在液相变化。相对冷的水从第三主热交换器14被收集在容器74中并且借助泵76传送经过第三次级热交换器78，在该第三次级热交换器中，该水借助与相对暖热的水或其他加热介质的热交换而被再加热。再加热的水从第三次级热交换器78直接流动到第三主热交换器14，以便将天然气加热到在+10℃至+25℃量级的所需温度。水通过热交换被冷却并且形成进入到收集罐74的水。虽然第三热交换回路20与如图1所示的设备中的相应回路20相比热效率较低，但是总体上对于该设备的热效率的总体影响是小的，这是由于在第三热交换回路20上的相对低的热负载。
如图1所示的设备的另一变形在于，取代使用两个收集罐24和54，可以替代地使用单个公共收集罐（未示出）。
现参考图2，示出了与如图1所示的设备相同的设备的简化示意图。在图3和图4中使用相同类型的简化，图3和图4描述了旨在处理与如图1或图5所示设备相比更大的LNG流率。
图3示出了根据本发明的设备，所述设备采用多个链的第一热交换器10、第二热交换器12和第三热交换器14。如图3所示的设备采用并联的四个第一主热交换器10。每个第一主热交换器10与第二主热交换器12连通。因此存在并联的四个第二主热交换器12。在该示例中，期望以与在如图1所示的相应主热交换器14相比相对更高的热负载来操作第三主热交换器14。因此，在如图3所示的设备中，仅存在并联的两个第三主热交换器14。来自每个第二主热交换器12的被加热天然气流入到公共分配管300。天然气从其分配到两个第三主热交换器14。每个主热交换器可以***作和设置成以与如图1所示的设备中的相应热交换器相同的方式加热。
图4示出了进一步的修改。现仍存在并联的四个第一主热交换器10，但是这些热交换器的每一个将被加热天然气引导到公共分配管400，该公共分配管继而将被加热天然气引导到并联的两个第二主热交换器12的布置。天然气从两个第二主热交换器12流动到其自身的第三主热交换器14。因此存在并联的两个第三主热交换器14。第一主热交换器10、第二主热交换器12和第三热交换器14可以是与如图1所示的设备中的对应热交换器相同的类型。
如图2、图3和图4所示，具有主热交换器10、12和14的选定不同组合的链以及相应热交换回路16、18和20都能够根据整个天然气供应设备的冗余需求来定尺寸。
根据本发明的方法和设备是尤其有利的，在于使用第三主热交换器14使得可能在操作效率方面达到可观的增益。第一和第二主热交换器10和12上的热负载可以被最大化；热交换回路16和18可以借助在开式循环中流动的海水被加热，并且热交换回路20可以借助闭式循环中的加热介质而被加热。

Claims (22)

1.一种将液化天然气转化为具有大于5℃的温度的过热流体的方法，所述方法包括步骤：将在压力下的所述天然气传送通过串联的第一、第二和第三热交换级链，所述天然气在所述第一、第二和第三热交换级链中被加热。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，每个主热交换级通过冷凝热交换介质来加热。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述热交换介质的组成在每个主热交换级中是相同的，采用不同的冷凝压力以便给予串联的每个主热交换级的天然气出口温度所需的等级。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一和第二主热交换级通过冷凝热交换介质来加热，所述第三主热交换级借助液态介质被加热，所述液态介质在所述第三主热交换级中没有改相。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，没有改相的液态介质是水或水和乙二醇的混合物。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其中，所述冷凝热交换介质是丙烷。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，由冷凝热交换介质加热的每个主热交换级具有在环形回路中的所述热交换介质流，所述环形回路除了所述主热交换级之外还包括用于收集来自所述主热交换器的被冷凝热交换介质的容器、用于再蒸发被冷凝热交换介质的至少一个次级热交换器、以及用于加压所述被冷凝热交换介质的流的泵，所述泵定位在所述收集容器的出口与所述次级热交换器的中间。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，两个热交换回路共用公共收集容器。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，包括所述第一和第二主热交换级的热交换回路采用由海水加热的次级热交换器。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述海水在开式循环中流动。
11.根据权利要求5所述的方法，其中，用于加热所述第三主热交换器的热能从所述废热回收或者由加热泵来产生。
12.根据权利要求5或11所述的方法，其中，没有改相的所述液态介质在闭式循环中流动。
13.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中，包括所述第一热交换器的所述热交换回路采用并联的两个或更多个次级热交换器，以便满足在所述热交换回路上的热负载。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述天然气在所述第一主热交换级中被升高至-40℃至-20℃范围内的温度、在所述第二主热交换级中被升高至-5℃至+5℃范围内的温度、以及在所述第三热交换级中被升高至+10℃至+25℃范围内的温度。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第三主热交换级满足将所述天然气加热到期望温度所需的热负载的5%或更少。
16.一种用于将液化气转化为具有大于5℃的温度的过热流体的设备，所述设备包括串联的第一、第二和第三主热交换级链。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，采用多个并联的所述链。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，两个所述链共用第三主热交换级。
19.根据权利要求17所述的设备，其中，两个所述链共用第二和第三主热交换级。
20.根据权利要求17所述的设备，其中，任何数量的所述链共用任何数量的第三主热交换级。
21.根据权利要求17所述的设备，其中，任何数量的所述链共用任何数量的第二和第三主热交换级。
22.根据权利要求14至17中任一项所述的设备，所述设备定位在航海容器上。
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