CN109974339B - 一种利用相变冷媒传递lng冷能的装置及方法 - Google Patents

一种利用相变冷媒传递lng冷能的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用相变冷媒传递LNG冷能的装置和方法，所述装置包括并联在原管路的LNG冷能传递***、PLC，所述LNG冷能传递***包括第一换热器、膨胀阀、第二换热器、第一调节阀、第二调节阀、复热器、四通阀、压缩机等，所述第一调节阀一端连接原管路的增压泵输出端，另一端连接所述第二换热器的一冷媒接口，所述第二换热器的另一冷媒接口通过管路依次连接第二调节阀、复热器、调压计量器输入端；第二换热器的两热媒接口分别连接四通阀的一个接口和膨胀阀，所述四通阀的另外三个接口分别连接第一换热器、压缩机的输入口和输处口。本发明简单易实施、换热效率高、适用范围广等优点，可以使用该工艺扩大LNG冷能利用的范围。

Description

一种利用相变冷媒传递LNG冷能的装置及方法
技术领域
本发明涉及天然气冷能领域，具体涉及一种利用相变冷媒传递LNG冷能的装置及方法。
背景技术
LNG（液化天然气）是一种高效清洁能源，是天然气贮存和运输的主要形式，密度为气态天然气的625倍，极大的减少了天然气的储存和运输成本。目前我国已投运的大型LNG接收站有14座，据预测到2020年中国对LNG的需求量将达到4600万吨。低温LNG（-162℃）在气化为常温气体是会释放出约830MJ/t的冷能，将其用于发电可转化为约200kW·h的电能，可见冷能回收利用的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。
相变冷媒是一种在换热降温过程中自身发生物态变化的制冷剂，相变过程中冷媒的潜热得到充分利用，对冷量吸收能力增强，对应的可以减少冷媒使用量及冷媒循环所需要的费用。热虹吸式换热器是一种自循环式换热器，进入换热器的气体由于降温而液化，导致换热器内部压力降低，入口处气体不断被“虹吸”入换热器，不需要外加输送泵就可以不断循环。
中国专利CN107940897A、CN107940893A和CN108005739A分别公开了三种LNG冷能梯级利用的方法，都提出对LNG的冷能进行三步转移，首先用LNG冷能进行液化分离空气或轻烃回收或冷能发电，再进行油气伴生气凝液回收或制取液化CO2及干冰或低温粉碎废旧橡胶，最后进行仓库制冷或海水淡化。其中的冷媒在循环过程中均需要外加泵提供动力，消耗大量电能。
中国专利CN106288650A公开了一种常温氮气回收冷能工艺，其中LNG分两路进入LNG冷箱，一路进入换热器与常温氮气换热，对氮气进行初步冷却；另一路进入闪蒸罐进行闪蒸，通过闪蒸罐的LNG分成气相和液相，液相LNG降温至深冷与氮气换热，使氮气液化。其中利用沸点很低的氮气作为冷媒，需要使用闪蒸罐进行闪蒸，只能使氮气部分液化，还增加设备费用。
发明内容
本发明的目的在于针对上面提出的和目前已有的LNG冷能利用中的问题，提出一种利用相变冷媒传递LNG冷能的装置及方法，在保证一级相变冷媒正常液化的同时，解决了因一级相变冷媒过冷导致的冻堵，具有冷能传递***简单易实施、换热效率高、适用范围广等优点，可以使用该工艺扩大LNG冷能利用的范围。
本发明实现上述目的的技术方案为：
一种利用相变冷媒传递LNG冷能的装置，包括并联在原管路的LNG冷能传递***、PLC，
所述并联在原管路的LNG冷能传递***，包括：
第一换热器、膨胀阀、设置有温压变送器的第二换热器、第一调节阀、第二调节阀、复热器、四通阀、压缩机、第三调节阀，
所述第一调节阀一端连接原管路的增压泵输出端，另一端连接所述第二换热器的一冷媒接口，所述第二换热器的另一冷媒接口通过管路依次连接第二调节阀、复热器、原管路的调压计量器输入端；所述第二换热器的两热媒接口分别连接四通阀的一个接口和膨胀阀，所述膨胀阀的另一端连接第一换热器的一冷媒接口，所述四通阀的另外三个接口分别连接第一换热器的另一冷媒接口、压缩机的输入口、压缩机的输处口；所述第三调节阀连接于一级相变冷媒和压缩机输入口之间；所述第一换热器的两热媒接口依次连接二级冷媒；
所述PLC通过电路分别与所述膨胀阀、第一调节阀4、第二调节阀5、调压计量器、四通阀、第三调节阀、所述温压变送器控制连接。
进一步地，所述四通阀为三位四通换向阀。
进一步地，所述的第二换热器为热虹吸式换热器，使一级相变冷媒可自发流入，不需要外加流动泵。
进一步地，所述一级相变冷媒进入所述第二换热器前是气态，进入第二换热器后部分液化，使第二换热器内部压力降低。
进一步地，所述一级相变冷媒为CO2。
进一步地，所述二级冷媒为乙二醇。
一种利用相变冷媒传递LNG冷能的方法，包括步骤：
LNG从储罐中流出，经增压泵和第一调节阀4后进入第二换热器3、第二调节阀5、复热器7后与原气化器组中气化而来的天然气一起经调压、计量后输送给下游用户；
一级相变冷媒依次经过压缩机、四通阀、第二换热器、膨胀阀和第一换热器进行循环，该过程中所述一级相变冷媒将LNG中的冷能传递给第一换热器的二级冷媒；
PLC8通过所述温压变送器获取所述第二换热器内的压力和温度，
若第二换热器压力低于PLC预设值时，所述PLC控制所述四通阀分别接通压缩机输出端和第二换热器、压缩机输入端和第一换热器，所述压缩机将气态一级相变冷媒压缩后送入第二换热器，使第二换热器的压力增加保证相变冷媒的正常液化；
若第二换热器温度低于PLC设定值时， PLC8控制所述四通阀分别接通压缩机输出端和第一换热器、压缩机输入端和第二换热器，所述压缩机将第二换热器中部分一级气态相变冷媒抽出，使所述第二换热器的压力降低，防止设备和管道冻堵；
若第二换热器内部压力和温度在PLC设定值以内时，PLC控制所述四通阀分别接通第一换热器和第二换热器、压缩机输出端和输入端，同时压缩机停止运行。
本发明与现有技术和现状相比具有以下的有益效果：
1、能源的有效利用，节约资源。本发明取代原来的LNG冷能利用工艺，回收白白浪费的冷能；膨胀降温后的低温天然气与压缩后的一级相变冷媒在热虹吸式换热器换热，不仅节约了原工艺中调整低温天然气的温度所耗费的能量和设备费，而且也节省了冷媒利用时所需的冷量。
2、设备操作简单，成本低。本发明利用压缩机和四通阀可以同时解决热虹吸式换热器中，因压力降低导致的气态一级相变冷媒液化效率低和因一级相变冷媒温度过低导致的冻堵问题，使得整个***的冷能利用效率提高，且操作简单、设备价格低廉。
3、工艺流程简单易控，安全稳定性高。本发明主要由LNG冷能传递***、监测调控***两部分组成，工艺简单，冷量可根据用户需求进行快速调节，整个***的工作全部由控制***监控完成，自动适应性强。此外，本发明的工艺与原有调压站调压管道并联，一旦某一工艺装置或设备出现问题等状况发生，自控***会自动将介质切换至原有的工艺管道上，保障了***的安全性。
附图说明
图1为一种利用相变冷媒传递LNG冷能的新工艺流程图。
图中：1-第一换热器；2-膨胀阀；3-第二换热器；4-第一调节阀；5-第二调节阀；6-调压计量器；7-复热器；8-PLC；9-四通阀；10-压缩机；11-第三调节阀。
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。
以某LNG接受站为例，该气化站运行稳定，每小时气化天然气35000Nm3约26875kg/h，每天气化 16 小时。
如图1所示，一种利用相变冷媒传递LNG冷能的装置，包括并联在原管路的LNG冷能传递***、PLC8，
所述并联在原管路的LNG冷能传递***，包括：
第一换热器1、膨胀阀2、设置有温压变送器的第二换热器3、第一调节阀4、第二调节阀5、复热器7、四通阀9、压缩机10、第三调节阀11，
所述第一调节阀4一端连接原管路的增压泵输出端，另一端连接所述第二换热器3的一冷媒接口，所述第二换热器3的另一冷媒接口通过管路依次连接第二调节阀5、复热器7、原管路的调压计量器6输入端；所述第二换热器3的两热媒接口分别连接四通阀9的一个接口和膨胀阀2，所述膨胀阀2的另一端连接第一换热器1的一冷媒接口，所述四通阀9的另外三个接口分别连接第一换热器1的另一冷媒接口、压缩机10的输入口、压缩机10的输处口；所述第三调节阀11连接于一级相变冷媒和压缩机10输入口之间；所述第一换热器1的两热媒接口依次连接二级冷媒；
所述PLC8通过电路分别与所述膨胀阀2、第一调节阀4、第二调节阀5、调压计量器6、四通阀9、第三调节阀11、所述温压变送器控制连接。
所述四通阀为三位四通换向阀。
所述的第二换热器为热虹吸式换热器，使一级相变冷媒可自发流入，不需要外加流动泵。
所述一级相变冷媒进入所述第二换热器前是气态，进入第二换热器后部分液化，使第二换热器内部压力降低。
所述一级相变冷媒为CO2，所述二级冷媒为乙二醇。
本实施例中，LNG经增压泵增压至7MPa左右，温度升至约-130℃，经第二换热器3与一级相变冷媒CO2换热温度升至约-30℃，后经复热器7复热至可输出温度（约5℃）后与原气化器组中气化而来的天然气一起经调压计量器6微调压、计量后输送给下游用户。
本实施例中，气态的一级相变冷媒CO2经过第二换热器3与LNG换热后，降温液化成液态CO2，液态CO2通过膨胀阀2膨胀降温，进入第一换热器1与二级冷媒乙二醇进行换热，然后以此循环。该过程中一级相变冷媒CO2将LNG中的冷能传递给二级冷媒乙二醇。
本发明的另一实施例提供了一种利用相变冷媒传递LNG冷能的方法，该方法中一级相变冷媒CO2的流动情况受到第二换热器中的压力和温度控制，包括步骤：
LNG从储罐中流出，经增压泵和第一调节阀4后进入第二换热器3、第二调节阀5、复热器7后与原气化器组中气化而来的天然气一起经调压、计量后输送给下游用户；
一级相变冷媒CO2依次经过压缩机10、四通阀9、第二换热器3、膨胀阀2和第一换热器1进行循环，该过程中所述一级相变冷媒CO2将LNG中的冷能传递给第一换热器1的二级冷媒乙二醇；
PLC8通过所述温压变送器获取所述第二换热器3内的压力和温度，
若第二换热器3内部压力低于PLC8设定的0.518MPa时，气态的一级相变冷媒CO2经过第三调节阀11调节流量，经过压缩机10压缩成为高温高压气体，经过四通阀9进入第二换热器3，此时四通阀9的接口A连同接口D、接口B连通接口C，即所述四通阀分别接通压缩机10输出端和第二换热器3、压缩机10输入端和第一换热器1，使第二换热器3的内部压力增加，保证气态的一级相变冷媒CO2的正常液化；
若第二换热器3内部温度低于PLC8设定的-56.4℃时，气态的一级相变冷媒CO2从第二换热器3被抽出，经过四通阀9进入压缩机10，此时四通阀9的接口A连通接口B、接口C连通接口D，即所述四通阀9分别接通压缩机10输出端和第一换热器1、压缩机10输入端和第二换热器3，所述压缩机10将部分气态的一级相变冷媒CO2送回CO2储罐，第二换热器3的压力降低，防止设备和管道出现冻堵；
正常工况下，若第二换热器3内部压力和温度在PLC8设定值以内时，四通阀9的接口B连通接口D、接口A连通接口C，即所述四通阀9分别接通第一换热器1和第二换热器3、压缩机10输出端和输入端，一级相变冷媒CO2从第一换热器1流出，直接经过四通阀9进入第二换热器3，是压缩机10暂停工作减少电力消耗。
本发明利用相变冷媒传递LNG冷能，利用热虹吸式换热器使LNG和相变冷媒自发循环换热，利用压缩机和四通阀对热虹吸式换热器进行压力调节，解决了热虹吸式换热器内部因压力降低而导致得相变冷媒液化效率低、因相变冷媒过冷而导致得冻堵的问题。本发明具有冷能传递***简单易实施、换热效率高、适用范围广等优点，可以使用该工艺扩大LNG冷能利用的范围。
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。

Claims (7)

1.一种利用相变冷媒传递LNG冷能的装置，其特征在于，包括并联在原管路的LNG冷能传递***、PLC(8)，
所述并联在原管路的LNG冷能传递***，包括：
第一换热器(1)、膨胀阀(2)、设置有温压变送器的第二换热器(3)、第一调节阀(4)、第二调节阀(5)、复热器(7)、四通阀(9)、压缩机(10)、第三调节阀(11)，
所述第一调节阀(4)一端连接原管路的增压泵输出端，另一端连接所述第二换热器(3)的一冷媒接口，所述第二换热器(3)的另一冷媒接口通过管路依次连接第二调节阀(5)、复热器(7)、原管路的调压计量器(6)输入端；所述第二换热器(3)的两热媒接口分别连接四通阀(9)的一个接口和膨胀阀(2)，所述膨胀阀(2)的另一端连接第一换热器(1)的一冷媒接口，所述四通阀(9)的另外三个接口分别连接第一换热器(1)的另一冷媒接口、压缩机(10)的输入口、压缩机(10)的输处口；所述第三调节阀(11)连接于一级相变冷媒和压缩机(10)输入口之间；所述第一换热器(1)的两热媒接口依次连接二级冷媒；
所述PLC(8)通过电路分别与所述膨胀阀(2)、第一调节阀(4)、第二调节阀(5)、调压计量器(6)、四通阀(9)、第三调节阀(11)、所述温压变送器控制连接。
2.根据权利要求1所述的利用相变冷媒传递LNG冷能的装置，其特征在于，所述四通阀(9)为三位四通换向阀。
3.根据权利要求1所述的利用相变冷媒传递LNG冷能的装置，其特征在于，所述的第二换热器(3)为热虹吸式换热器。
4.根据权利要求1所述的利用相变冷媒传递LNG冷能的装置，其特征在于，所述一级相变冷媒进入所述第二换热器(3)前是气态，进入第二换热器(3)后部分液化，使第二换热器(3)内部压力降低。
5.根据权利要求1所述的利用相变冷媒传递LNG冷能的装置，其特征在于，所述一级相变冷媒为CO2。
6.根据权利要求1所述的利用相变冷媒传递LNG冷能的装置，其特征在于，所述二级冷媒为乙二醇。
7.一种利用相变冷媒传递LNG冷能的方法，其特征在于，包括步骤：
LNG从储罐中流出，经增压泵和第一调节阀(4)后进入第二换热器(3)、第二调节阀(5)、复热器(7)后与原气化器组中气化而来的天然气一起经调压、计量后输送给下游用户；
一级相变冷媒依次经过压缩机(10)、四通阀(9)、第二换热器(3)、膨胀阀(2)和第一换热器(1)进行循环，该过程中一级相变冷媒将LNG中的冷能传递给第一换热器(1)的二级冷媒；
PLC(8)通过温压变送器获取所述第二换热器(3)内的压力和温度，
若第二换热器(3)压力低于PLC(8)预设值时，PLC(8)控制所述四通阀(9)分别接通压缩机(10)输出端和第二换热器(3)、压缩机(10)输入端和第一换热器(1)，所述压缩机(10)将气态一级相变冷媒压缩后送入第二换热器(3)，使第二换热器(3)的压力增加保证相变冷媒的正常液化；
若第二换热器(3)温度低于PLC(8)设定值时，PLC(8)控制所述四通阀(9)分别接通压缩机(10)输出端和第一换热器(1)、压缩机(10)输入端和第二换热器(3)，所述压缩机(10)将第二换热器(3)中部分一级气态相变冷媒抽出，使所述第二换热器(3)的压力降低，防止设备和管道冻堵；
若第二换热器(3)内部压力和温度在PLC(8)设定值以内时，PLC控制所述四通阀分别接通第一换热器(1)和第二换热器(3)、压缩机(10)输出端和输入端，同时压缩机停止运行。
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