CN207881278U - 一种基于氩循环的lng冷能利用*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及基于氩循环的LNG冷能利用***，LNG冷能利用***包括天然气冷能回收***、氩循环***和冷能利用***；天然气冷能回收***包括LNG‑氩气换热器；氩循环***包括由循环氩节流膨胀阀、循环氩换热器、循环氩气压缩机和LNG‑氩气换热器组成的串联回路；冷能利用***中的被冷却介质与循环氩换热器中的放热管路连接，用于与循环氩换热器回热管路中的氩换热，实现LNG冷能交换。将LNG冷能在基于氩循环的LNG冷能利用***进行回收利用。本实用新型的LNG冷能利用***以氩气为工质通过热泵回收LNG冷能，利用氩气焦耳‑汤姆逊效应提高冷能品位后传递被冷却介质，可以有效提高LNG冷能利用率。
Description
技术领域
本实用新型属于液化天然气(LNG)冷能利用技术领域，涉及一种基于氩循环的LNG冷能利用***。
背景技术
我国是能源消费在国，每年都需要进口大量的清洁能源天然气作为燃料或原料。为运输方便，相当比例的进口天然气是以LNG形式进行海运。LNG是通过低温冷却工艺将气态天然气液化而成，除其本身所含的燃烧热值或碳氢物质的量外，还附带了大量高品位冷能（-140℃--70℃）。若直接气化作为燃料或化工原料利用，则LNG的冷能会白白浪费。
目前LNG气化冷能主要用于冷藏冷冻（-20℃）、低温发电（-40℃）、制取干冰（-80℃）、低温粉碎（-140℃）及深冷空分（-183--173℃）等过程。从热力学角度讲，冷能利用温度与LNG气化温度越接近，其过程的不可逆性越小，冷能的利用效率越高。与上述其它过程相比，深冷空分LNG冷能利用效率最高，LNG冷能空分与传统全液体空分相比，可节约 40%--60% 的电能消耗，节约70%左右的冷却水消耗，经济效益显著。
LNG冷能空分与常规全液体空分的主要区别在于，常规空分流程通过电机做功完成氮的压缩冷却及膨胀制冷循环，主要消耗为电能，而LNG冷能空分则是将LNG气化过程的冷能直接提供给空分***，与常规空分相比，显著减少了氮循环制冷***循环氮压缩功耗及冷却冷凝能耗，流程得以简化。另外LNG气化与产生冷能是同时的，可使空分设备在很短时间内得到大量冷量，大大缩短启动时间，即开即停，提高了生产效率，可实现***小型化、撬装化。
LNG空分优势显著，国内外的相关研究工作及工业装置越来越多，流程组织向更节能的方向发展，***操作压力及最高操作压力可分别低至0.35MPa、1.5MPa。然而到目前为止，LNG冷能空分***对LNG冷能利用只有两种方式，一种直接以LNG气化冷能与进塔净化空气换热，另外一种是通过LNG-氮换热，采用氮循环制冷。
CN101532768A、CN201387202Y介绍了一种利用液化天然气冷能的空分***。该***的特点是：设有LNG—氮换热器和氮—氮换热器，以压力氮气作为封闭循环介质。氮气作为循环介质，氮潜热值较小、所需压缩量大、耗能较高，存在氮气的温位与LNG冷能利用温度存在不匹配的现象。
CN101943512A描述了一种利用液化天然气冷能的空分方法。该方法的特点是：将低温低压的氮气进行压缩形成压力氮气，其在换热的过程中压力损失较大，需要多个压缩机，这对于循环管路和管道设备的运行压力提出了较高的要求。该方法没有考虑氮气与LNG换热所存在的泄漏问题，LNG泄漏会进入压力管道进行循环，引起严重的安全问题。
CN101033909A公开了一种获得液氧和液氮的空气分离***。该***的特点是：配有低压、中压、高压的三级氮气压缩机。其对于循环介质氮气的压缩和利用的工序繁琐、运行和维护成本高，没有给出具体的运行标准。
CN202675796U公开了利用LNG冷能生产液体空分产品的装置。该装置的特点是：其氮—氮换热器中液氮的压力低于氮气侧压力，保证空分装置的安全性。但该换热器需要与不同压力的氮气介质接口进行连接，对于设备运行压力提出了较高要求。
根据甲烷物性，LNG常压气化，其沸点-162℃，该温度所对应N2的压力为1.6MPa，即只有将氮气压到1.6MPa以上才能直接利用LNG冷能，N2循环压力高能耗大。另外为降低空分能耗，提高分离效率，空分塔需要在较低压力下操作，一般不超过1.0MPa。以N2为取冷循环介质的LNG空分效率较低。对于以LNG气化冷能直接预冷进塔空气流程，LNG效率更低，并且不安全。无论何种流程，目前LNG冷能空分对LNG冷能利用率在１５％－２０％，大量LNG冷能被浪费。因此，如何有效提高LNG冷能利用率是目前需要解决的技术问题。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于氩循环的LNG冷能利用***。本实用新型基于氩循环的LNG冷能利用***采用LNG-氩气换热器，以氩气为工质通过热泵回收LNG冷能，利用氩气焦耳-汤姆逊效应提高冷能品位后传递给被冷却介质，可以有效提高LNG冷能利用率，使LNG冷能利用率提高到９０％以上，更好的实现绿色环保理念。
为解决上述问题，本实用新型采用如下技术方案：
一种基于氩循环的LNG冷能利用***，所述基于氩循环的LNG冷能利用***包括天然气冷能回收***、氩循环***和冷能利用***；所述天然气冷能回收***包括LNG-氩气换热器；所述氩循环***包括由液氩管道、循环氩节流膨胀阀、循环氩换热器、氩气管道、循环氩气压缩机和LNG-氩气换热器组成的串联回路；所述冷能利用***中的被冷却介质与循环氩换热器中的放热管路连接，用于与循环氩换热器回热管路中的氩换热，实现LNG冷能交换过程。
进一步地，所述天然气冷能回收***还包括LNG进料管、NG（天然气）压缩机、NG冷却器和NG用户管道；所述NG冷却器包括NG放热管和冷却水回热管；所述LNG进料管、LNG-氩气换热器的回热管路、NG压缩机、NG放热管和NG用户管道依次相连组成串联通路，所述冷却水回热管与冷却水循环***连通；
所述循环氩换热器包括循环氩-氮气换热器，所述循环氩-氮气换热器的入口与循环氩节流膨胀阀出口相连，循环氩-氮气换热器的出口与循环氩气压缩机的入口相连；
所述冷能利用***包括氮气冷却***，所述氮气冷却***包括气氮进口管道和液氮出口管道，气氮进口管道与循环氩-氮气换热器放热管路的输入端连接，液氮出口管道与循环氩-氮气换热器放热管路的输出端连接。
进一步地，所述循环氩换热器还包括循环氩-空气换热器，所述循环氩-氮气换热器的入口与循环氩节流膨胀阀出口相连，所述循环氩-氮气换热器的出口与循环氩-空气换热器的入口相连，所述循环氩-空气换热器的出口与循环氩气压缩机的入口相连；
所述冷能利用***还包括净化空气冷却***，所述净化空气冷却***包括净化空气进口管道和冷空气出口管道，所述净化空气进口管道与循环氩-空气换热器放热管路的输入端连接，冷空气出口管道与循环氩-空气换热器放热管路的输出端连接。
进一步地，所述冷能利用***还包括空分***，所述冷空气出口管道的出口端与空分***的空气入口端相连，使冷空气进入空分***进行分离，分离出的气氮通过气氮进口管道进入循环氩-氮气换热器内换热。
进一步地，所述液氮出口管道分为两路，一路连接产品液氮储槽，另一路连接空分***内分馏上塔的回流口。
本实用新型的基于氩循环的LNG冷能利用***，以氩气为工质通过热泵回收LNG冷能，利用氩气焦耳-汤姆逊效应提高冷能品位后传递给氮气，用于深冷法空气分离，空气深冷分离得到氮气（或液氮）氧气（或液氧）及氩气（或液氩）***的冷能由LNG气化产生。
本实用新型还提供了基于上述氩循环的LNG冷能利用***的冷能利用方法，包括以下步骤：将LNG在LNG-氩气换热器内与氩气换热，LNG气化，氩气冷凝，形成液氩，然后通过液氩管路进入节流膨胀阀进行降温，再进入循环氩换热器，在循环氩换热器与被冷却介质实现热交换后成为气态氩气，随后进入氩气压缩机加压，再重新进入LNG-氩气换热器冷凝吸收LNG冷能，循环往复，实现LNG冷能交换过程。
进一步地，LNG在LNG-氩气换热器中的气化压力为0.1MPa—1.0MPa，对应的温度为：-162℃—-124℃。
进一步地，氩气经循环氩气压缩机后压力范围为0.7MPa—4.8MPa，对应的温度为：-162℃—-122℃。
进一步地，循环氩经过节流膨胀后压力为0.1MPa—1.6MPa，温度为-186℃—-148℃。优选压力范围为0.1MPa—0.7MPa，温度为-186℃—-163℃。
进一步地，所述被冷却介质包括氮气，所述循环氩换热器包括循环氩-氮气换热器，在循环氩-氮气换热器中，氮气压力为0.1MPa—3.4MPa，温度为-186℃—-147℃。优选压力范围为0.1MPa—1.5MPa，温度为-186℃—-163℃。
进一步地，所述被冷却介质还包括净化空气，所述循环氩换热器还包括循环氩-空气换热器，其对应的冷却过程为：LNG进料管通过管路与LNG-氩气换热器进行连接，在LNG-氩气换热器内LNG气化，氩气冷凝，LNG将冷能交换给循环氩气。释放冷能后的NG进入NG压缩机及NG冷却器进行压缩和冷却，按用户需要的压力通过管道输送至各用户处；在LNG-氩气换热器内获得LNG低温冷能形成的液氩，通过管路进入节流膨胀阀通过焦耳-汤姆逊效应进行降温，然后进入循环氩-氮气换热器，在循环氩-氮气换热器中液氩气化，氮气冷凝，液氩将高品位冷能传给气态氮气。出循环氩-氮气换热器的气态氩气则通过管路连接进入循环氩-空气换热器，进一步回收循环氩冷能，然后进入氩气压缩机加压，再重新进入LNG-氩气换热器冷凝吸收LNG冷能，循环往复。通过这一过程将LNG冷能提高品位后传递给空分***；
进一步地，来自空分***的气氮（GN2）进入循环氩-氮气换热器吸收液氩冷能后冷凝为液氮（LN2），LN2再回到空分***，部分用于回流，其余作为产品；经过净化的空气经循环氩-空气换热器，吸收循环氩气冷能后进入空分塔进行分离；循环冷却水经过NG冷却器，对压缩后的NG进行降温，然后回到循环冷却水***。
有益效果
（1）氩气的临界温度及相同压力下沸点均高于氮气，介于氮和甲烷之间。以氩作为循环介质，解决了LNG-氮气直接换热对氮气压力的苛刻要求。相对于氮循环，氩循环可在较宽的LNG气化压力范围内回收LNG冷能，并且循环氩制冷的压缩比比氮循环低，从而节省压缩机功耗，实现LNG冷能利用效率最大化；
（2）通过循环氩制冷，可以将LNG冷能由常压下的-162℃提高到-184℃以上，提高了冷能品位，该高品位冷能可直接用于低压空分***，提高空分精馏塔分离效率，降低空分***的投资额。
（3）氩气潜热比氮气高，相比一般LNG冷能空分***中的氮气循环，氩气循环的气量少，能耗低；
（4）采用氩气循环，可避免LNG与空气介质直接换热，防止天然气泄漏进空分***引起的安全问题，使整个***更安全。
附图说明
图1为本实用新型基于氩循环的LNG冷能利用***；
图2为本实用新型带有空分***的基于氩循环的LNG冷能利用***；
其中，1-LNG进料管、2-LNG-氩气换热器、3- NG压缩机、4-NG冷却器、401-冷却水进口管、402-冷却水出口管、5-NG用户管道、6-循环氩节流膨胀阀、601-液氩管道、7-循环氩-氮气换热器、701- GN2进口管道、702-LN2出口管道、8-循环氩-空气换热器、801-净化空气进口管道、802-冷空气出口管道、9-循环氩气压缩机、901-氩气管道、10-空分塔、1001-空分塔氮产品出口管道、1002-空分塔污氮出口管道、1003-空分塔氧产品出口管道。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
图1是基于氩循环的LNG冷能利用***，包括天然气冷能回收***、氩循环***和冷能利用***；天然气冷能回收***包括LNG-氩气换热器2；氩循环***包括由液氩管道601、循环氩节流膨胀阀6、循环氩换热器、氩气管道901、循环氩气压缩机9和LNG-氩气换热器2组成的串联回路；冷能利用***中的被冷却介质与循环氩换热器中的放热管路连接，用于与循环氩换热器回热管路中的氩换热，实现LNG冷能交换过程。
进一步地，天然气冷能回收***还包括LNG进料管1、NG压缩机3、NG冷却器4和NG用户管道5；NG冷却器4包括NG放热管和冷却水回热管；LNG进料管、LNG-氩气换热器2的回热管路、NG压缩机3、NG放热管和NG用户管道5依次相连组成串联通路，冷却水回热管分别通过冷却水进口管401、冷却水出口管402与冷却水循环***连通；本申请中的LNG指的液化天然气，NG指代的是天然气。
进一步地，循环氩换热器包括循环氩-氮气换热器7和循环氩-空气换热器8，循环氩-氮气换热器7的入口与循环氩节流膨胀阀6出口相连，循环氩-氮气换热器7的出口与循环氩-空气换热器8的入口相连，循环氩-空气换热器8的出口与循环氩气压缩机9的入口相连；冷能利用***包括氮气冷却***，氮气冷却***包括气氮进口管道701和液氮出口管道702，气氮进口管道701与循环氩-氮气换热器7放热管路的输入端连接，液氮出口管道702与循环氩-氮气换热器7放热管路的输出端连接。
冷能利用***还包括净化空气冷却***，净化空气冷却***包括净化空气进口管道801和冷空气出口管道802，净化空气进口管道801与循环氩-空气换热器8放热管路的输入端连接，冷空气出口管道802与循环氩-空气换热器8放热管路的输出端连接。
进一步地，为图2所示的带有空分***的基于氩循环的LNG冷能利用***；冷能利用***还包括空分***，冷空气出口管道802的出口端与空分***中的空分塔10的空气入口端相连，使冷空气进入空分***中空分，进行精馏分离，在空分塔10中，塔顶氮气通过管道701进入冷凝器7冷凝成液氮，然后通过液氮回流管道702回到空分塔，分为两路，一路连接产品液氮储槽，通过空分塔氮产品出口管道1001成为氮气产品，另一路连接空分***内分馏上塔的回流口对空分塔进行冷却后，空分塔的污氮通过空分塔污氮出口管道1002排出，最后在空分塔塔底通过空分塔氧产品出口管道取得氧产品1003。本发明的空分***与现有技术相同。
本实用新型的基于氩循环的LNG冷能利用***的工作原理如下：LNG冷能释放***，LNG通过进料管1进入LNG-氩气换热器2，在LNG-氩气换热器2内LNG气化，氩气冷凝，LNG将冷能交换给循环氩气。释放冷能后的NG进入NG压缩机3压缩至用户要求压力，再进入NG冷却器4进行冷却降温，然后通过NG用户管道5送至用户处。NG冷却器4采用循环冷却水进行取热，循环冷却水通过冷却水进水口及出水口与循环水处理***连接；循环氩制冷***，循环氩气在LNG-氩气换热器2内获得LNG低温冷能形成液氩，通过液氩管道601进入节流膨胀阀6通过焦耳-汤姆逊效应进行降温，然后进入循环氩-氮气换热器7，在此换热器中液氩气化，氮气冷凝，液氩将高品位冷能传给液氮。出循环氩-氮气换热器7的低温气氩则通过管路连接进入循环氩-空气换热器8，在此将净化空气冷却，进一步回收循环氩冷能，复热后的氩气通过氩气管道901进入压缩机9加压，再重新进入LNG-氩气换热器2降温、冷凝吸收LNG冷能，循环往复，即可将LNG冷能提高品位后传递给空分***；氮气冷凝及空气预冷***，来自空分***的GN2通过管道701进入循环氩-氮气换热器7吸收液氩冷能后冷凝为LN2，LN2通过管道702再回到空分***；经过净化的空气经净化空气进口管道801进入循环氩-空气换热器，进一步吸收循环氩气冷能后通过冷空气出口管道802进入空分塔进行精馏分离，在空分塔10中，塔顶氮气通过GN2进口管道701进入冷凝器7冷凝成液氮，然后通过液氮出口管道702回到空分塔，部分作为回流其余为氮气产品，空分塔的污氮通过管道排出，在空分塔塔底取得氧产品。
实施例2
本实用新型的基于氩循环的LNG冷能利用***的冷能利用方法，采用实施1的LNG冷能利用***，具体如下：LNG常压（0.1MPa）气化：LNG通过进料管进入LNG-氩气换热器，在此进行常压气化，温度为-162℃，气化后再进一步与气氩换热，释放冷能后复热的NG进入NG压缩机压缩至用户要求压力，再经NG冷却器用循环冷却水降温后通过管道送至用户处。来自循环氩压缩机的氩气，压力为0.8MPa，在LNG-氩气换热器中经过与LNG换热，取得LNG冷能冷凝为-160℃的液氩，经过管路进入节流膨胀阀通过焦耳-汤姆逊效应进行降温后，在循环氩-氮气换热器内将液氩冷能传给液氮。循环氩经过节流膨胀阀后的压力取决于空分塔的操作压力。若空分塔操作压力为0.35MPa，则其塔顶氮温-182℃，则循环氩经过节流膨胀阀后的压力可取为0.15MPa，对应的循环氩气化温度为-184℃，从而实现了将LNG冷能提高品位（使温度更低）后向空分***的传递。
对比例1
作为对比，LNG常压气化若采用其它专利的氮循环方法，则需要将氮气压缩至1.7MPa以上，才能吸收常压LNG的气化冷能。本专利的氩循环方式，氩气压缩压力只需至0.8MPa即可，并且因为氩气化潜热比氮气大，氩气循环量相对小，实现了LNG冷能的高效利用。
实施例3
本实用新型的基于氩循环的LNG冷能利用***的冷能利用方法，采用实施1的LNG冷能利用***，具体如下：LNG气化压力0.3MPa:压力为0.3MPa的LNG通过进料管进入LNG-氩气换热器，在此进行气化，温度为-146℃，经与循环氩换热，释放冷能复热后进入NG压缩机压缩至用户要求压力，再经NG冷却器用循环冷却水降温后通过管道送至用户处。来自循环氩压缩机的氩气，压力为1.9MPa，在LNG-氩气换热器中经过与LNG换热，取得LNG冷能冷凝为-144℃的液氩，经过管路进入节流膨胀阀通过焦耳-汤姆逊效应进行降温后，在循环氩-氮气换热器内将液氩冷能传给液氮，循环氩经过节流膨胀阀后的压力取决于空分塔的操作压力。若空分塔操作压力为0.8MPa，则其塔顶氮温-172℃，则循环氩经过节流膨胀阀后的压力可取为0.3MPa，对应的循环氩气化温度为-174℃，从而实现了将LNG冷能提高品位（使温度更低）后向空分***的传递。
对比例2
作为对比，压力0.3MPa的LNG气化温度-146℃，已接近氮气临界点（压力3.35MPa，温度-147℃），采用其它专利的氮循环方法已不可能回收LNG冷能。本专利的氩循环方式，可以在压力0.1MPa—1.0MPa范围内对LNG气化冷能（对应温度-162℃—-124℃）进行回收，在较宽的低温范围内实现LNG冷能的高效利用。
本实用新型公开和提出的方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本实用新型的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本实用新型内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本实用新型精神、范围和内容中。
Claims (6)
1.一种基于氩循环的LNG冷能利用***，其特征在于：所述基于氩循环的LNG冷能利用***包括天然气冷能回收***、氩循环***和冷能利用***；所述天然气冷能回收***包括LNG-氩气换热器；所述氩循环***包括由液氩管道、循环氩节流膨胀阀、循环氩换热器、氩气管道、循环氩气压缩机和LNG-氩气换热器组成的串联回路；所述冷能利用***中的被冷却介质与循环氩换热器中的放热管路连接，用于与循环氩换热器回热管路中的氩换热，实现LNG冷能交换过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于氩循环的LNG冷能利用***，其特征在于：所述天然气冷能回收***还包括LNG进料管、NG压缩机、NG冷却器和NG用户管道；所述NG冷却器包括NG放热管和冷却水回热管；所述LNG进料管、LNG-氩气换热器的回热管路、NG压缩机、NG放热管和NG用户管道依次相连组成串联通路，所述冷却水回热管与冷却水循环***连通。
3.根据权利要求1所述的一种基于氩循环的LNG冷能利用***，其特征在于：所述循环氩换热器包括循环氩-氮气换热器，所述循环氩-氮气换热器的入口与循环氩节流膨胀阀出口相连，循环氩-氮气换热器的出口与循环氩气压缩机的入口相连；
所述冷能利用***包括氮气冷却***，所述氮气冷却***包括气氮进口管道和液氮出口管道，气氮进口管道与循环氩-氮气换热器放热管路的输入端连接，液氮出口管道与循环氩-氮气换热器放热管路的输出端连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于氩循环的LNG冷能利用***，其特征在于：所述循环氩换热器还包括循环氩-空气换热器，所述循环氩-氮气换热器的入口与循环氩节流膨胀阀出口相连，所述循环氩-氮气换热器的出口与循环氩-空气换热器的入口相连，所述循环氩-空气换热器的出口与循环氩气压缩机的入口相连；
所述冷能利用***还包括净化空气冷却***，所述净化空气冷却***包括净化空气进口管道和冷空气出口管道，所述净化空气进口管道与循环氩-空气换热器放热管路的输入端连接，冷空气出口管道与循环氩-空气换热器放热管路的输出端连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于氩循环的LNG冷能利用***，其特征在于：所述冷能利用***还包括空分***，所述冷空气出口管道的出口端与空分***的空气入口端相连，使冷空气进入空分***进行分离，分离出的气氮通过气氮进口管道进入循环氩-氮气换热器内换热。
6.根据权利要求5所述的一种基于氩循环的LNG冷能利用***，其特征在于：所述液氮出口管道分为两路，一路连接产品液氮储槽，另一路连接空分***内分馏上塔的回流口。
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| CN110017628A (zh) * | 2018-01-10 | 2019-07-16 | 毛文军 | 一种基于氩循环的lng冷能利用***及方法 |
| CN110230916A (zh) * | 2019-06-17 | 2019-09-13 | 合肥万豪能源设备有限责任公司 | 一种用于深冷空分联产lng的装置 |
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- 2018-01-10 CN CN201820037313.8U patent/CN207881278U/zh active Active
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |