CN1963347A - 以冷媒为介质的液化天然气冷量利用方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种以冷媒为介质的液化天然气冷量利用方法，主要通过利用一种冷媒作为介质在接收站内同液化天然气换热，再将携带冷量的冷媒利用冷媒保温管线输送到接收站外的冷量利用区供给冷量用户使用。本发明还提供了一种以冷媒为介质的液化天然气冷量利用装置，包括液化天然气泵、海水汽化器、低温换热器、冷媒低温储罐、低温冷媒泵、冷媒常温储罐和常温冷媒泵。本发明操作简单，控制方便，可以设置多个大型的冷量利用项目，使得液化天然气的冷量得到充分利用。

Description

以冷媒为介质的液化天然气冷量利用方法及其装置

技术领域

本发明涉及液化天然气(LNG)冷量利用的技术领域，特别涉及一种以冷媒为介质的液化天然气冷量利用方法及其装置。

背景技术

根据国家制定的开发和引进并重加速发展天然气产业的规划，我国将于2010年之前在东南沿海地区建设若干个大型的LNG接收站，每年进口上千万吨的LNG。液化天然气(LNG)是天然气经过脱酸、脱水处理，通过低温工艺冷冻液化而成的-162℃的低温液体。生产1吨的LNG大约需耗电850kWh，而在接收站汽化时又会放出大量的冷量，约为830～860kJ/kg。这一部分冷量如不加以利用，就会造成严重的能源浪费，而且对LNG接收站周边的环境造成冷污染。通过特定的工艺技术利用LNG的冷量，可以达到节约能源、提高经济效益的目的。

目前，国内外在LNG冷量利用方面做了大量的研究工作，现有的LNG冷量利用方式大多是直接利用LNG同空气分离、低温破碎、冷库等装置进行热交换，主要的专利技术包括：

(1)中国发明专利“00128935.7”的“液化天然气气化时冷量的利用方法”，其采用循环水作为冷媒达到空调降温的目的。由于水到0℃就会凝固成冰，用水同-162℃的LNG换热，传热过程中冷火用损失很大，而且极易造成水分冻结成冰，堵塞管道。

(2)中国发明专利“01127133.7”，“200510022599.X”(申请号)，实用新型专利“2005202000306.8”，和美国专利“US5137558”中介绍了几种利用LNG的冷量进行空气分离的装置，这些空气分离装置都是直接利用外输的高压LNG同循环氮气换热，利用LNG的冷量来冷却低温压缩的循环氮气和常温压缩的空气，使空气分离装置的能耗大幅度的降低。

(3)中国实用新型专利“200420114636.0”中介绍了一种利用LNG冷量用于冷库的制冷装置，其中直接利用LNG同冷库的制冷剂换热使之液化，然后再将液体制冷剂输送到冷库蒸发，给冷库提供冷量。这种方法大大的简化了冷库的制冷流程，能够节省冷库的初始投资，大大降低运行费用。

(4)中国实用新型专利“02264657.4”介绍了一种利用液化天然气冷量半导体温差发电及制氢的装置，其特征是半导体温差发电器由热电堆片的冷热端面分别紧贴在有LNG流过的冷源换热器和有海水流过的热源换热器上制成，海水加热LNG的同时半导体温差发电器发出直流电；将该电源接至电解槽的正负极，电解水生成氢气和氧气；部分海水先去冷却电解水的碱液后再送去海水为热源的换热器。其中海水既是制氢时的冷却水，又是LNG的加热源，提高了半导体发电效率；将回收LNG冷量发的电用来制氢，节省了换热器面积和制氢消耗的冷却水，还节省了发电与制氢所需的交直流互变器，使电解水制氢成本大为降低。

上述专利技术都是直接利用LNG同用冷装置直接进行热交换，由于LNG接收站一般都设在港口附近，通常土地资源有限，土地的使用价格昂贵，很难将大型的冷量利用项目布局在接收站之内；并且接收站的LNG冷量巨大，单一项目的冷量需求相对较小，而接收站又无法容纳多个冷量利用项目，从而导致LNG的冷量不能充分回收利用。如果将LNG通过保温管线输送到接收站外的冷量用户，则由于LNG汽化过程不在接收站直接控制之下，故无法按照天然气下游用户的用气需求波动进行安全供气。由于受场地限制，而且又不能将所有的LNG都输送到接收站外进行汽化，所以现有的LNG冷量利用项目都比较单一，而且规模有限，LNG的冷量利用率不高。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足之处，本发明的首要目的在于提供一种以冷媒为介质的液化天然气(LNG)冷量利用方法。本发明操作简单，控制方便，可以设置多个大型的冷量利用项目，使得液化天然气的冷量得到充分利用。

本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的以冷媒为介质的液化天然气冷量利用装置。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种以冷媒为介质的液化天然气冷量利用方法，包括如下步骤和工艺条件：

(1)冷量回收

LNG泵从储罐中抽出-162℃的液化天然气，将液化天然气压力增至7.0～10.0MPa，温度升高到-158.0～-151.6℃；将上述高压液化天然气分成两股，其中一股进入低温换热器同冷媒换热而汽化；另一股进入海水汽化器同海水换热而汽化；汽化后的高压天然气进入天然气高压管网；当液化天然气的总汽化量变化时，控制进入海水汽化器和低温换热器的高压液化天然气的量来满足汽化需求；当冷媒换热系统(包括低温换热器，冷媒输送管线及其储罐等)发生故障时，使全部的高压液化天然气都经海水汽化器汽化，保证供气安全。

(2)冷量利用

将在低温换热器中同液化天然气换热获得冷量的冷媒输送到接收站外的冷量利用区，冷媒经节流阀节流降至常压，并将其储存于冷媒低温储罐中，由于此时冷媒处于高度过冷状态，故冷媒经节流降压后仍能保持为液相；然后按照冷量用户需要的冷量大小，低温冷媒泵输送冷媒给冷量用户；冷媒经用户利用冷量，温度升高后将其输送并储存于冷媒常温储罐中；再由常温冷媒泵将冷媒输送回低温换热器，形成冷量回收、利用循环。

为了更好地实现本发明，步骤(1)中，所述液化天然气的总汽化量变化时，首先通过调节进入海水汽化器汽化的高压液化天然气的量，而保持进入低温换热器中的液化天然气量不变；当仅通过调节海水汽化器的汽化量无法满足要求时，则调节进入低温换热器中换热汽化的高压液化天然气的量，同时相应调节同高压液化天然气换热的冷媒量，以满足所需要的液化天然气汽化量。

步骤(1)中，所述控制进入海水汽化器和低温换热器的高压液化天然气的量是通过带分流的液化天然气流量控制角阀和液化天然气流量阀控制的。

步骤(2)中，所述低温冷媒泵输送冷媒给冷量用户，是通过调节低温冷媒流量阀控制供应给冷量用户的冷媒的输送量。

步骤(2)中，所述常温冷媒泵将冷媒输送回低温换热器，是通过常温冷媒流量阀调节输送回低温换热器的常温冷媒量。

所述低温换热器内充有冷媒。冷媒的主要功能就是作为介质同液化天然气换热来回收其中的冷量并输送给位于接收站外的冷量用户使用。冷媒携带的冷量可以用于空气分离、深冷粉碎、制干冰、冷库制冷，还可以用于冷量发电和燃气轮机的进气冷却。由于不受接收站的用地限制，所以可以设置多个大型的冷量利用项目，使得液化天然气的冷量得到充分利用。

为了防止在同液化天然气换热的过程中冷媒凝固，一般要求冷媒的凝固点低于-160℃。所述冷媒可以是碳氢化合物或氯氟烃。所述碳氢化合物可以是乙烷、丙烷、乙烯或丙烯等。所述氟氯烃是二氟二氯甲烷。

实现上述方法的以冷媒为介质的液化天然气冷量利用装置，包括液化天然气泵、海水汽化器、低温换热器、冷媒低温储罐、低温冷媒泵、冷媒常温储罐和常温冷媒泵等；所述液化天然气泵依次通过带分流的液化天然气流量控制角阀、液化天然气流量阀分别与海水汽化器和低温换热器连接，海水汽化器、低温换热器分别通过天然气流量阀与天然气高压管网连接；低温换热器依次通过冷媒保温输送管线和节流阀与冷媒低温储罐连接，冷媒低温储罐与低温冷媒泵连接，低温冷媒泵通过低温冷媒流量阀与冷媒常温储罐连接；冷媒常温储罐与常温冷媒泵连接，常温冷媒泵依次通过常温冷媒流量阀和常温冷媒输送管线与低温换热器连接，形成冷量回收、利用循环。

由于天然气下游用户的用气负荷随时间、季节波动较大，用气的不均匀系数较大，因而接收站必须具有一定的供气调峰能力，即在下游用气高峰时通过增加液化天然气的汽化量，来满足下游用户的用气需求，而在用气低谷时则减少液化天然气的汽化量。当LNG的汽化量大幅度波动时，通过调节带分流的液化天然气流量控制角阀和液化天然气流量阀来改变海水汽化器的汽化量。当调节范围超过海水汽化器的调节能力时，则通过改变低温换热器的LNG汽化量来调节。液化天然气与冷媒换热的汽化量随时间变化，从而导致供应给冷量用户的冷量不稳定。另一方面，冷量用户对冷量的需求也可能因市场变化、气候条件变化等因素而有所波动，不可能保持绝对恒量。为此，本发明流程中的两个冷媒储罐，将起到解决汽化和冷量利用负荷时间特性不同步的问题的作用。低温冷媒泵从冷媒低温储罐中抽出送到冷量用户的冷媒量，是按照冷量用户的需求来控制的(通过低温冷媒流量阀)。冷媒经利用冷量后温度升高至接近常温，其返回到冷媒常温储罐的流量保持不变。而由常温冷媒泵将常温冷媒通过冷媒常温输送管线输送回低温换热器的流量，是按照液化天然气的汽化量的需求来控制的(通过常温冷媒流量阀)。由于上述负荷时间特性不同，同一时刻冷媒泵的输送流量是不同的。通过冷媒低温储罐和冷媒常温储罐液位的升降，在一定范围内就可以保证同时满足不同步的汽化和冷量利用负荷需求。具体操作为：在用气高峰需要增加液化天然气汽化量时，通过增大常温冷媒流量阀的开度提高常温冷媒的输送量；由于低温冷媒流量阀的流量没有改变，所以冷媒低温储罐中的液位渐渐升高，而冷媒常温储罐的液位相应降低；在用气低谷时需减少液化天然气的汽化量，则通过减少冷媒流量阀的开度降低常温冷媒的输送量，同样由于低温冷媒流量阀的流量没有改变，所以冷媒常温储罐中冷媒的液位升高，冷媒低温储罐中的液位降低；通过利用这两个冷媒储罐的调节，可以实现在液化天然气汽化量波动的情况下尽量多的回收冷量，同时满足不同时期下游的用气需求。

本发明相对于现有技术，具有如下优点和有益效果：

(1)通过利用冷媒作为介质，将冷量回收和冷量利用分开成为两个过程，只将占地面积很小低温换热器安置在液化天然气接收站内，而将占地面积大的冷量用户布置在液化天然气接收站外，只通过冷媒输送管线由接收站向各冷量用户供应冷量。液化天然气的汽化过程全部在液化天然气接收站的直接控制下，这样可以根据天然气下游用户的用气负荷变化规律来调节液化天然气的汽化量，保障下游的用气需求，完全不受冷量利用的影响。

(2)通过冷媒低温储罐和冷媒常温储罐的调节，可以满足在液化天然气汽化量波动的情况下，尽量多的回收液化天然气的冷量，提高了冷量的回收利用率，而且可以比较平稳的向用户提供冷量，当冷量用户的负荷波动时也有一定的调节能力。

(3)现有液化天然气冷量利用技术中都是采用高压液化天然气直接和冷量利用装置进行热交换，冷量用户必须使用耐高压的换热器(7.0MPa以上)来利用液化天然气的冷量，并具备相应的应急设施，这样使得冷量利用项目的投资增大。而本发明利用冷媒作为介质，将低温冷媒输送到冷量用户，冷媒压力远低于液化天然气的汽化压力，冷量利用项目中换热器的投资可以大为降低，提高冷量利用项目的经济效益。

(4)冷媒携带的冷量可以用于空气分离、深冷粉碎、制干冰、冷库制冷，还可以用于冷量发电和燃气轮机的进气冷却。由于不受接收站的用地限制，所以可以设置多个大型的冷量利用项目，还可以使得液化天然气的冷量能够按照“温度对口，梯级利用”的原则得到充分利用。

附图说明

图1为本发明液化天然气冷量利用方法的结构原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本发明以冷媒为介质的液化天然气冷量利用装置，包括液化天然气泵1，带分流的液化天然气流量控制角阀2，液化天然气流量阀3，海水汽化器5，低温换热器6，天然气流量阀7，天然气流量阀8，低温冷媒输送管线，节流阀11，冷媒低温储罐12，低温冷媒泵13，低温冷媒流量阀14，冷媒常温储罐16，常温冷媒泵17，常温冷媒流量阀18和常温冷媒输送管线19。液化天然气泵1依次通过带分流的液化天然气流量控制角阀2和液化天然气流量阀3与海水汽化器5连接，液化天然气泵1依次通过带分流的液化天然气流量控制角阀2和液化天然气流量阀4与低温换热器6连接，海水汽化器5通过天然气流量阀7与天然气高压管网9连接；低温换热器6通过天然气流量阀8与天然气高压管网9连接；低温换热器6依次通过冷媒保温输送管线10和节流阀11与冷媒低温储罐12连接，冷媒低温储罐12与低温冷媒泵13连接，低温冷媒泵13通过低温冷媒流量阀14与冷媒常温储罐16连接；冷媒常温储罐16与常温冷媒泵17连接，常温冷媒泵17依次通过常温冷媒流量阀18和常温冷媒输送管线19与低温换热器6连接，形成冷量回收、利用循环。

某一大型LNG接收站，年进口液化天然气(LNG)300万吨，其中100万吨/年用于零售，余下200万吨/年的液化天然气汽化进入管网输送给下游用户使用，年平均的汽化量约为228吨/小时。液化天然气的摩尔组成为：甲烷96.62％，乙烷2.77％，丙烷0.34％，异丁烷0.07％，丁烷0.08％，氮0.10％。冷量用户12主要有三座1万吨的大型冷库和一座年产3万吨精细胶粉的废旧轮胎低温粉碎厂，总的冷量负荷约为18.9MW。

液化天然气泵1每小时从储罐中抽出-162℃、228吨的液化天然气，并将其压力增至外输要求的压力范围，约8.0MPa(高压LNG)，LNG温度升高至约-158.0℃左右。在带分流的液化天然气流量控制角阀2中，将高压的液化天然气分成两股，通过调节液化天然气流量阀3和液化天然气流量阀4，将一股128吨/小时的LNG经液化天然气流量阀3进入海水汽化器5同海水换热而汽化，另一股100吨/小时的LNG经液化天然气流量阀4进入低温换热器6同冷媒换热而汽化。冷媒选择丙烷，流量为210吨/小时，温度为15℃，压力为1.0MPa。通过同液化天然气换热，丙烷获得冷量，温度降低至约-150℃，压力为0.95MPa，同时液化天然气获得热量全部汽化，并被加热至约5.0℃。高压液化天然气经海水汽化器5和低温换热器6汽化后，分别经天然气流量阀7和天然气流量阀8进入天然气高压管网9输送给天然气下游用户使用。

约-150℃的丙烷，通过冷媒保温管线10输送到液化天然气接收站外的冷量利用区，由于输送过程有冷量损失，温度上升至约-148.0℃，同时压力降低为0.90MPa。丙烷再通过节流阀11降压至0.10MPa，并将此常压的低温丙烷储存在冷媒低温储罐12中。利用低温冷媒泵13将常压丙烷升压至1.20MPa，温度升至-147.1℃，然后经低温冷媒流量阀14输送到冷量用户15供给用户使用。丙烷携带的冷量经冷量用户15使用后，温度升高至12.0℃左右，将其输送回并储存在冷媒常温储罐16中，并由常温冷媒泵17经常温冷媒流量阀18和常温冷媒输送管线19将常温的丙烷输送回低温换热器6，形成一个冷量回收和利用循环。

液化天然气的汽化量受天然气下游用户用气量的影响，因此也具有明显的不均匀性，液化天然气的汽化量一般在平均量的±20％范围内波动，即液化天然气的汽化量在182.4～273.6吨/小时之间波动。在保持低温换热器6的汽化量100吨/小时不变的情况下，通过调节海水汽化器5的汽化量来满足不同时间段的液化天然气汽化需求，即海水汽化器5的汽化量在82.4～173.6吨/小时之间波动。在操作过程中通过调节带分流的液化天然气流量控制角阀2，液化天然气流量阀3和液化天然气流量阀4来控制海水汽化器5和低温换热器6的处理量，即在用气低谷时，液化天然气的汽化量为182.4吨/小时，其中100吨/小时的液化天然气进低温换热器6汽化并回收冷量，余下的82.4吨/小时液化天然气进海水汽化器中汽化；在用气高峰时，液化天然气的汽化量达到273.6吨/小时，则调节带分流的液化天然气流量控制角阀2，液化天然气流量阀3和液化天然气流量阀4，保持低温换热器6的处理量100吨/小时不变，而将海水汽化器5的汽化量从82.4吨/小时增加至173.6吨/小时。通过这种方式，可以有效的应对液化天然气汽化量的波动，保证向天然气下游用户的供气安全。

实施例2

在实施例1所述的液化天然气(LNG)接收站，随着冷量利用市场的开拓，冷量用户15在原有的大型冷库和废旧轮胎低温粉碎厂的基础上增加一个年产20万吨液体空气产品(液氧9万吨/年，液氮12.5万吨/年，液氩0.4万吨/年)的空气分离工厂，其冷负荷约为16.5MW，冷量用户15的总负荷达到35.4MW。为了满足冷量用户15增加的冷量需求，通过调节带分流的液化天然气流量控制角阀2，液化天然气流量阀3和液化天然气流量阀4，将170吨/小时的液化天然气通过低温换热器6同丙烷换热，增加向冷量用户15供应的冷量，同时海水汽化器5的汽化量降至58吨/小时的液化天然气。由于通过低温换热器6汽化的液化天然气(LNG)量增加，同液化天然气换热的丙烷量也由210吨/小时增加至355吨/小时。通过换热，丙烷温度降低至-151.6℃，并通过冷媒保温管线10输送到液化天然气接收站外的冷量利用区，由于输送过程有冷量损失，丙烷温度上升至-148.0℃左右，压力降低为0.90MPa。丙烷再通过节流阀11降压至0.10MPa，并将此常压低温丙烷储存在冷媒低温储罐12中。利用低温冷媒泵13将常压丙烷升压至1.20MPa，温度升至-147.1℃，然后经低温冷媒流量阀14将其输送到冷量用户15供给用户使用。丙烷携带的冷量经冷量用户15使用后，温度升高至12℃左右，将其储存在冷媒常温储罐16中，并由常温冷媒泵17经常温冷媒流量阀18和常温冷媒输送管线19将常温的丙烷输送回低温换热器6，形成一个冷量回收和利用循环。

由于天然气下游用户用气负荷的不均匀性，所以液化天然气的汽化量也随时间波动，一般在平均量的±20％范围内波动，即液化天然气的汽化量在182.4～273.6吨/小时之间波动。保持海水汽化器5的汽化量58吨/小时不变，则低温换热器6的汽化负荷为124.4～215.6吨/小时的液化天然气。因此在低温换热器6中同液化天然气换热的丙烷量也是随时间波动的，波动范围为260～450吨/小时，这主要通过调节常温冷媒流量阀18改变丙烷输送量来调节，即低温换热器6的汽化量为124.4吨/小时的液化天然气时，经常温冷媒泵17输送回低温换热6的丙烷量为260吨/小时，当低温换热器6的汽化负荷达到215.6吨/小时液化天然气时，调节常温冷媒泵18，使经常温冷媒泵17输送回低温换热6的丙烷量也相应的增加到450吨/小时。如果冷量用户15的冷量需求保持稳定，则调节低温冷媒阀14使低温冷媒泵13每小时向冷量用户15提供350吨/小时、约-150℃的丙烷。通过这种方式，可以有效的应对液化天然气汽化量的波动，保证向天然气下游用户的供气安全。

Claims (9)

1、一种以冷媒为介质的液化天然气冷量利用方法，其特征在于包括如下步骤和工艺条件：

(1)冷量回收

LNG泵从储罐中抽出-162℃的液化天然气，将液化天然气压力增至7.0～10.0MPa，温度升高到-158.0～-151.6℃；将上述高压液化天然气分成两股，其中一股进入低温换热器同冷媒换热而汽化；另一股进入海水汽化器同海水换热而汽化；汽化后的高压天然气进入天然气高压管网；当液化天然气的总汽化量变化时，控制进入海水汽化器和低温换热器的高压液化天然气的量满足汽化需求；

(2)冷量利用

将在低温换热器中同液化天然气换热获得冷量的冷媒输送到接收站外的冷量利用区，冷媒经节流阀节流降至常压，并将其储存于冷媒低温储罐中，然后按照冷量用户需要的冷量大小，由低温冷媒泵输送冷媒给冷量用户；冷媒经冷量用户利用冷量，温度升高后将其输送并储存于冷媒常温储罐中；再由常温冷媒泵将冷媒输送回低温换热器，形成冷量回收、利用循环。

2、根据权利要求1所述的一种以冷媒为介质的液化天然气冷量利用方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述液化天然气的总汽化量变化时，首先通过调节进入海水汽化器汽化的高压液化天然气的量，而保持进入低温换热器中的液化天然气量不变；当仅通过调节海水汽化器的汽化量无法满足要求时，则调节进入低温换热器中换热汽化的高压液化天然气的量，同时相应调节同高压液化天然气换热的冷媒量。

3、根据权利要求1所述的一种以冷媒为介质的液化天然气冷量利用方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述控制进入海水汽化器和低温换热器的高压液化天然气的量，是通过带分流的液化天然气流量控制角阀和液化天然气流量阀控制的。

4、根据权利要求1所述的一种以冷媒为介质的液化天然气冷量利用方法，其特征在于：步骤(2)中，所述低温冷媒泵输送冷媒给冷量用户，是通过调节低温冷媒流量阀控制供应给冷量用户的冷媒的输送量。

5、根据权利要求1所述的一种以冷媒为介质的液化天然气冷量利用方法，其特征在于：步骤(2)中，所述常温冷媒泵将冷媒输送回低温换热器，是通过常温冷媒流量阀调节输送回低温换热器的常温冷媒量。

6、根据权利要求1所述的一种以冷媒为介质的液化天然气冷量利用方法，其特征在于：所述低温换热器内充有冷媒。

7、根据权利要求1所述的一种以冷媒为介质的液化天然气冷量利用方法，其特征在于：所述冷媒为碳氢化合物或氯氟烃。

8、根据权利要求7所述的一种以冷媒为介质的液化天然气冷量利用方法，其特征在于：所述碳氢化合物是乙烷、丙烷、乙烯或丙烯；所述氟氯烃是二氟二氯甲烷。

9、一种以冷媒为介质的液化天然气冷量利用装置，包括液化天然气泵、海水汽化器、低温换热器、冷媒低温储罐、低温冷媒泵、冷媒常温储罐和常温冷媒泵；其特征在于：所述液化天然气泵依次通过带分流的液化天然气流量控制角阀、液化天然气流量阀分别与海水汽化器和低温换热器连接，海水汽化器、低温换热器分别通过天然气流量阀与天然气高压管网连接；低温换热器依次通过冷媒保温输送管线和节流阀与冷媒低温储罐连接，冷媒低温储罐与低温冷媒泵连接，低温冷媒泵通过低温冷媒流量阀与冷媒常温储罐连接；冷媒常温储罐与常温冷媒泵连接，常温冷媒泵依次通过常温冷媒流量阀和常温冷媒输送管线与低温换热器连接。

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