Способ и устройство для испарения сжиженного природного газа - RU2585348C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Варианты осуществления, раскрытые в материалах настоящей заявки, в целом относятся к испарителю на атмосферном воздухе или на естественной тяге для использования при испарении криогенных текучих сред, например, сжиженного природного газа (СПГ). Более точно, варианты осуществления, раскрытые в материалах настоящей заявки, относятся к гибридной системе нагрева на атмосферном воздухе/топливе для испарения СПГ.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Существуют ситуации, когда желательно передать тепло от атмосферного воздуха к относительно холодной жидкости для "нагрева" жидкости. Такое обстоятельство может возникнуть в отношении сжиженного природного газа.

[0003] Криогенное сжижение природного газа обычно осуществляется на практике как средство для преобразования природного газа в более подходящую форму для транспортировки. Подобное сжижение типично уменьшает объем в 600 раз и приводит к тому, что конечный продукт может быть без труда помещен на хранение или транспортирован. Также дополнительное количество природного газа желательно хранить для того, чтобы оно могло быть быстро и эффективно поставлено, когда возрастет потребность в природном газе. Одно практичное средство для транспортировки природного газа и для хранения дополнительного количества природного газа состоит в преобразовании природного газа в сжиженное состояние для хранения/или транспортировки, а затем в испарении жидкости по мере необходимости.

[0004] Природный газ обычно доступен в регионах, удаленных от тех, в которых он будет, в конечном счете, использован, и, следовательно, сжижение природного газа имеет существенное значение. Типично природный газ транспортируется через трубопровод от источника поставок непосредственно на потребительский рынок. Однако все больше становится общепринятым, что природный газ транспортируется от источника поставок, который отделен от потребительского рынка большим расстоянием, причем трубопровод в этом случае является либо недоступным, либо нецелесообразным. Это в частности справедливо для транспортировок морским флотом, где транспортировка должна быть осуществлена морскими судами. Транспортировка судами природного газа в газообразном состоянии обычно является нецелесообразной из-за значительного объема газа в газообразном состоянии, а также из-за потребности поддержания повышенного давления для значительного уменьшения объема газа. Следовательно, для того, чтобы хранить и транспортировать природный газ, объем газа типично уменьшается за счет охлаждения газа до приблизительно -240°F - приблизительно -260°F. При этой температуре природный газ преобразуется в сжиженный природный газ (СПГ), который сохраняется при давлении, близком к атмосферному. После завершения транспортировки и/или хранения СПГ, для потребления СПГ должен быть возвращен в газообразное состояние перед тем, как обеспечить природным газом конечного пользователя.

[0005] Типично регазификация или испарение СПГ достигается посредством использования различных теплопередающих текучих сред, систем и процессов. Например, в некоторых процессах, использующихся в области техники, применяются испарители, которые используют горячую воду или пар для нагревания и испарения СПГ. Эти процессы нагревания обладают недостатками, поскольку горячая вода или пар часто замерзают из-за экстремального холодных температур СПГ, что в свою очередь вызывает засорение испарителей. Для того чтобы преодолеть эти недостатки, в данной области техники в настоящее время использовались альтернативные испарители, например, открыто-панельные испарители, испарители с промежуточной текучей средой, испарители с погруженной камерой сгорания и испарители на атмосферном воздухе.

[0006] Открыто-панельные испарители типично используют морскую воду и т.п. в качестве источника тепла для противоточного теплообмена с СПГ. Подобно испарителям, упомянутым выше, открыто-панельные испарители имеют склонность к "обледенению" поверхности испарителя, что вызывает увеличенное сопротивление теплообмену. Следовательно, открыто-панельные испарители должны быть сконструированы так, чтобы иметь увеличенную теплообменную зону, что влечет за собой более высокие расходы на оборудование и увеличение места установки испарителя.

[0007] Вместо испарения СПГ прямым нагревом водой или паром, как описано выше, испарители промежуточного типа применяют промежуточную жидкость или хладагент, например, пропан, фторированный углеводород и т.п., имеющий низкую точку замерзания. Хладагент может быть нагрет при помощи воды или пара, а затем нагретый хладагент или рефрижераторная смесь пропускается через испаритель и используется для испарения СПГ. Испарители такого типа справляются со случаями обледенения и замерзания, которые являются обычными для описанных ранее испарителей, однако эти испарители с промежуточной текучей средой требуют средство для нагревания хладагента, например, бойлер или нагреватель. Эти типы испарителей также имеют недостатки, поскольку они являются очень дорогостоящими в эксплуатации из-за потребления топлива нагревающим средством, использованным для нагревания хладагента.

[0008] Одним из практических способов, в настоящее время использующихся в данной области техники для борьбы с высокой стоимостью эксплуатации бойлеров или нагревателей, является использование водонапорных башен как отдельно, так и в сочетании с нагревателями или бойлерами для нагревания хладагента, который действует для испарения СПГ. В этих системах вода подается в водонапорную башню, где температура воды повышается. Вода повышенной температуры затем используется для нагревания хладагента, например гликоля, посредством первого испарителя, который в свою очередь используется для испарения СПГ посредством второго испарителя. Эти системы также имеют недостатки в отношении разницы в плавучести между входным потоком башни и выходным потоком башни. Нагревательные башни выделяют большое количество холодного влажного воздуха или поток, который является очень тяжелым по сравнению с атмосферным воздухом. Поскольку холодный поток отводится от башни, он стремится осесть или переместиться к земле, так как он значительно тяжелее, чем атмосферный воздух. Холодный поток затем втягивается в водонапорную башню, ухудшая свойства теплообмена башни и приводя к неэффективности башни. Вышеупомянутая задача плавучести вызывает рециркуляцию холодного воздуха в водонапорных башнях, препятствуя их способности охлаждения воды и существенно ограничивая эффективность башен.

[0009] В качестве еще одной альтернативы, СПГ может быть испарен за счет нагрева атмосферным воздухом. Испарители на атмосферном воздухе естественного или принудительного типа тяги в качестве источника тепла используют атмосферный воздух, пропуская атмосферный воздух через теплообменные элементы для испарения СПГ. Однако температура природного газа на выходе испарителя может изменяться, когда изменяется погода или изменяется нагрузка на испаритель. Кроме того, из-за низкой температуры подачи СПГ (около -260°F), на нагревающей поверхности может образоваться значительное количество льда из-за влажности потока атмосферного воздуха.

СУЩНОСТЬ ЗАЯВЛЕННЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0010] Было выяснено, что работа испарителей на атмосферном воздухе может быть значительно улучшена за счет использования гибридных нагревающих систем на атмосферном воздухе/топливе, как раскрыто в материалах настоящей заявки. Гибридные системы нагрева на атмосферном воздухе/топливе в своей основе используют атмосферный воздух в качестве источника тепла, который может быть обеспечен естественной или вынужденной конвекцией. В гибридных нагревающих системах, раскрытых в материалах настоящей заявки, атмосферный воздух, по мере необходимости, смешивается с топочным газом из топки, при этом тепло, подаваемое от топочного газа, может быть использовано для уменьшения, минимизации или нейтрализации влияния изменчивых внешних условий при работе испарителя. Гибридные системы нагрева могут предусматриваться для устойчивых операций по испарению при изменении погодных условий в течение дня/ночи, а также лета/зимы, могут улучшить коэффициент диапазона регулирования по сравнению с традиционными испарителями на атмосферном воздухе и могут привести к отсутствию льда или к уменьшенному образованию льда по сравнению с традиционными испарителями на атмосферном воздухе.

[0011] В одном аспекте варианты осуществления, раскрытые в материалах настоящей заявки, относятся к способу для испарения криогенной жидкости, причем способ включает: сжигание топлива в горелке для производства отработанного газа; смешивание атмосферного воздуха и отработанного газа для производства смешанного газа; осуществление контакта смешанного газа посредством непрямого теплообмена с криогенной жидкостью для испарения криогенной жидкости.

[0012] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в материалах настоящей заявки, относятся к системе для испарения криогенной жидкости, причем система включает: одну или более горелки для сжигания топлива для производства отработанного газа; один или более впусков для смешивания атмосферного воздуха с отработанным газом для производства смешанного газа; и одну или более теплообменные труб для непрямого нагрева текучей среды смешанным газом.

[0013] Другие аспекты и преимущества станут очевидными из последующего описания и приложенной формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0014] Фиг. 1 представляет собой упрощенный схематичный вид гибридных систем нагрева на атмосферном воздухе/топливе согласно вариантам осуществления, раскрытым в материалах настоящей заявки.

[0015] Фиг. 2 представляет собой упрощенный схематичный вид гибридных систем нагрева на атмосферном воздухе/топливе согласно вариантам осуществления, раскрытым в материалах настоящей заявки.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0016] В одном аспекте варианты осуществления в настоящей заявке в целом относятся к испарителю на атмосферном (окружающем) воздухе или на естественной тяге для использования при испарении криогенных текучих сред, например, сжиженного природного газа (СПГ). Более точно, варианты осуществления, раскрытые в материалах настоящей заявки, относятся к гибридной системе нагрева на атмосферном воздухе/топливе для испарения СПГ.

[0017] Обращаясь теперь к фиг. 1, проиллюстрирована гибридная система 10 нагрева на атмосферном воздухе/топливе согласно вариантам осуществления, раскрытым в материалах настоящей заявки. Система 10 нагрева может включать внешнюю оболочку или кожух 12, впуски 13 для атмосферного (окружающего) воздуха, одну или более топки 14 с топливом, подаваемым через впуск(и) 15, нагревательные элементы (катушки) 20 и выпускной канал 22. В некоторых вариантах осуществления система 10 нагрева может включать одну или более заслонки 16, распределитель 18 пара, термопару 24 и систему 26 управления.

[0018] В течение работы атмосферный (окружающий) воздух подается к каналам 13 посредством естественной (вынужденной) конвекции благодаря градиентам температуры и плотности, возникающим по причине испарения криогенной текучей среды, проходящей через нагревательные элементы 20, или посредством вынужденной конвекции, например, осуществляемой вентилятором, насосом или другим средством для обеспечения вынужденного потока пара (не показано). Расход атмосферного воздуха, проходящего через впуски 13, может быть управляемым за счет изменения скорости, например, вентилятора, или может управляться, используя заслонки 16.

[0019] Топливо обеспечивается посредством впуска 15, при этом оно сгорает в топке 14 для образования нагретого топочного газа. Воздух для топки 14 может быть обеспечен через отдельный канал (не показан) или может быть втянут в топку 14 через впуски 28, используя атмосферный воздух, текущий через впуски 13. Горячий топочный газ выходит из топки 14 из выпуски 30 и смешивается с атмосферным воздухом.

[0020] Смесь атмосферного воздуха и горячего топочного газа затем может пройти через нагревательные элементы 20 для испарения криогенной текучей среды, например, СПГ, подаваемого через элементы. После теплообмена смесь атмосферного воздуха/топочного газа может выйти из гибридной нагревательной системы 10 через выпускной канал 22.

[0021] Несмотря на то, что система нагрева фиг. 1 проиллюстрирована в горизонтальной конфигурации, также может быть использована вертикальная или другие конфигурации. Вертикальные конфигурации могут иметь направленный вверх или вниз поток. Может быть использовано любое количество нагревательных элементов 20, при этом они могут быть использованы поперек потока, параллельно потоку, против потока или в любом сочетании относительно смеси атмосферного воздуха/топочного газа.

[0022] Топочный газ и атмосферный воздух могут быть надлежащим образом смешаны перед контактом с нагревательными элементами 20. Например, турбулентность, возникающая вследствие принудительной конвекции через впуски 13, перегородки 32, направляющие поток топочного газа через выпуски 30, и/или распределитель 18 пара, может быть использована для обеспечения желаемой степени смешивания таким образом, чтобы нагревательные элементы 20 осуществляли контакт с паровой смесью, имеющей профиль с относительно равномерным распределением температур.

[0023] Как замечено выше, атмосферный воздух смешивается с топочным газом, чтобы обеспечить смешанный газ для испарения криогенной жидкости, например, СПГ. Нагрузка на испаритель (например, требования в количестве подводимого тепла в зависимости от потребностей в природном газе (ПГ) для испарителя) обеспечивается смешанным газом. В определенных условиях достаточное количество подводимого тепла может быть доступным лишь от атмосферного воздуха, а подача топлива в топку 14 может быть прекращена или уменьшена. При изменении условий,

подача топлива к топке 14 может быть увеличена для удовлетворения требуемой нагрузки на испаритель. Может быть предусмотрена запальная горелка или воспламенитель (не показан) для запуска или для периодической работы топки, когда подтверждается необходимость в увеличенном потреблении топлива.

[0024] Температура смешанного газа может отслеживаться и управляться, например, термопарой 24 или системой 26 управления. Отслеживание и управление температурой смешанного газа может быть использовано для одного или более из: определения, воздействует ли оледенение или другие факторы на теплообмен по всей длине элементов 20, испарения СПГ или получения в результате желаемого температурного напора между воздухом/топочным газом и СПГ/ПГ, минимизации образования льда на поверхностях элементов, и, особенно важно, поддержания температуры смешанного газа ниже температуры самовозгорания криогенной жидкости (например, СПГ) в случае, если в кожухе 12 возникнет какая-либо утечка.

[0025] Температура испаренной криогенной жидкости может управляться за счет регулирования температуры смешанного газа изменением расхода топлива для топки или горелки 14, за счет регулирования температуры смешанного газа изменением расхода атмосферного воздуха через один или более впуски 13, за счет регулирования расхода криогенной жидкости для одной или более теплообменных труб 20 или их сочетанием. Такое управление, отслеживание и корректировка потоков может быть осуществлена, используя систему 26 управления.

[0026] В других вариантах осуществления в зависимости от нагрузочных потребностей для испарения и условий окружающей среды часть смешанного газа может обходить одну или более из катушек испарения, например, отводиться из кожуха 12 через выпуски 40, как показано на фиг. 2, на которой те же ссылочные позиции представляют те же элементы. Отведенный смешанный газ может быть повторно введен через распределитель 42 (в обход) или может быть введен дополнительный атмосферный воздух или топочный газ, например, распределителем 42 для воздействия на температуру ПГ и общую производительность системы 10 нагрева, а также для осуществления оперативной борьбы с обледенением. Кожух 12 также может включать один или более выпусков 44 для отведения конденсированной воды, которая может аккумулироваться в системе.

[0027] Расположение и конструкция элементов 20 может воздействовать на образование льда на поверхностях нагрева и может влиять на эффективность теплообмена из-за турбулентности. Таким образом, тип (металл, диаметр, толщина и т.д.), конструкция, размещение и количество использованных катушек могут зависеть от типа конвекции атмосферного воздуха (естественного или принудительного), требуемой площади поверхности теплообмена, сезонных температурных пределов, типа доступного топлива и температур, достигаемых топочным газом, а также других факторов, известных специалистам в данной области техники. Предпочтительно выбранное размещение катушки должно обеспечить оптимизацию температурного напора между воздухом/топочным газом и СПГ/ПГ для того, чтобы добиться высокой эффективности теплообмена и в то же время минимизировать образование льда на поверхностях элементов.

[0028] Гибридные системы нагрева, как описано выше, могут быть использованы в качестве автономных узлов или могут быть сконфигурированы в модульной конструкции, в которой рядом друг с другом расположено множество гибридных систем нагрева, как описано выше, для соответствия общей желаемой теплообменной нагрузке.

[0029] Как описано выше, гибридные системы нагрева согласно вариантам осуществления, раскрытым в материалах настоящей заявки, используют как атмосферный воздух, так и топочный газ для обеспечения тепла для испарения криогенной текучей среды, например, сжиженного природного газа. Такие системы также могут быть использованы для нагрева других текучих сред, имеющих температуру, меньшую, чем у окружающей среды.

[0030] Преимущественно гибридные системы нагрева согласно вариантам осуществления, раскрытым в материалах настоящей заявки, используют окружающую среду для подачи по меньшей мере части требуемого тепла, таким образом минимизируя выбросы загрязняющих веществ по сравнению с испарителями, использующими лишь топочный газ, либо топочный газ для нагрева промежуточной текучей среды для обеспечения необходимого тепла. Системы нагрева согласно вариантам осуществления, раскрытым в материалах настоящей заявки, также могут иметь своим результатом одно или более из следующего: более устойчивое функционирование системы (меньшее воздействие от изменений погоды), меньшие затраты на эксплуатацию и технического обслуживание, меньшие капиталовложения, уменьшенное распространение обледенения, высокую тепловую эффективность, меньшее воздействие на окружающую среду и улучшенный коэффициент диапазона регулирования по сравнению с одним или более из испарителей с погруженной камерой сгорания, открыто-панельных испарителей, пламенных нагревателей с промежуточной текучей средой, и испарителей на атмосферном воздухе.

[0031] Хотя раскрытие включает ограниченное количество вариантов осуществления, специалисты в данной области техники, понимающие преимущество этого раскрытия, будут принимать во внимание, что могут быть разработаны другие варианты осуществления, которые не отступают от объема настоящего раскрытия. Соответственно, объем должен быть ограничен лишь приложенной формулой изобретения.

Реферат

Раскрыт способ для испарения криогенной жидкости. Способ включает: сжигание топлива в горелке для производства отработанного газа; смешивание атмосферного воздуха и отработанного газа для производства смешанного газа; осуществление контакта смешанного газа посредством непрямого теплообмена с криогенной жидкостью для испарения криогенной жидкости. Также способ включает в себя этапы, на которых удаляют часть смешанного газа из кожуха с помощью выпуска, расположенного между верхней по потоку теплообменной трубой и первой нижней по потоку теплообменной трубой. Эта часть смешанного газа образует обходной поток смешанного газа, который распределяют ниже по потоку от первой нижней по потоку теплообменной трубы. Использование изобретения позволяет минимизировать выбросы загрязняющих веществ, уменьшить обледенение теплообменных элементов испарителя. 4 н. и 22 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула