基于朗肯循环的液化天然气船蒸发气再液化系统及方法

技术领域

本发明属于化工与低温工程技术领域，具体涉及一种基于朗肯循环的液化天然气船蒸发气再液化系统及方法。

背景技术

天然气作为一种低碳清洁能源，已经在全世界范围内大规模的使用，我国对天然气的需求量也在逐年增长。供不应求的市场格局，让我国成为第一大天然气进口国，其中液化天然气进口量占进口总量的50％以上。对于远距离跨海运输一般选择液化天然气船。

对于液化天然气船，液化天然气一般储存在-164℃高度绝热的低温储罐中，但由于船体晃动、储罐漏热等一系列客观因素的影响，部分液化天然气受热蒸发产生蒸发气。随着蒸发气连续不断的产出，储罐压力也逐渐增加，如果不及时处理这一部分蒸发气，就会造成危险。目前的处理方式一般采用的是：将蒸发气送入燃气轮机为其提供动力，缺点是当船舶停泊时，多余的BOG通过气体燃烧装置被燃烧排放；另一种方式是将蒸发气通过再液化系统重新液化返回液化天然气储罐。随着国际海事组织对于排放政策的收紧，液化天然气船配备蒸发气再液化装置是大势所趋。

公开号为CN114877618A的专利公开了一种采用制冷剂的LNG船用BOG再液化系统，该系统包括BOG气源、LNG液舱、GCU管道(气体燃烧装置)，其特征在于，还包括：BOG液化管路和液化装置，所述BOG液化管路包括第一BOG压缩机、第二BOG压缩机、闪蒸换热器、液化多股流换热器、主液化冷箱、第一JT阀和LNG分离罐。该发明采用了制冷剂液化，缩小了液化循环中的平均换热温差，提高了冷能利用率，相比于现有的LNG船用BOG再液化系统，该天然气液化系统在液化制冷循环部分使用了制冷剂大幅提高了整个系统的液化效率。上述发明没有结合余热和冷能利用，存在较多的能源消耗。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于朗肯循环的液化天然气船蒸发气再液化系统。

根据本发明提供的一种基于朗肯循环的液化天然气船蒸发气再液化系统，包括依次连接的朗肯循环结构、液化天然气蒸发气再液化结构、制冷剂结构、蒸发气节流装置以及液化天然气分离器；

原料蒸发气经过朗肯循环结构释放冷量后、经液化天然气蒸发气再液化结构压缩、冷却，然后进入制冷剂结构冷却液化，而后经蒸发气节流装置节流降压至液化天然气储存压力后，进入液化天然气分离器，从液化天然气分离器底部得到液化天然气；

所述朗肯循环结构的热量来自外界夹套冷却水余热和/或外界高温烟气余热。

优选的，朗肯循环结构包括单级朗肯循环结构、双级朗肯循环结构或多级朗肯循环结构；

当朗肯循环结构为双级朗肯循环结构时，朗肯循环结构包括第一级朗肯循环结构与第二级朗肯循环结构；

所述第一级朗肯循环结构、第二级朗肯循环结构以及液化天然气蒸发气再液化结构依次串联连接。

优选的，所述第一级朗肯循环结构包括依次相连的第一级换热器、第一级增压泵、第五级换热器以及第一级膨胀机；

所述第一级膨胀机的出口与所述第一级换热器连接；

所述第一级换热器与所述第二级朗肯循环结构连接。

优选的，所述第二级朗肯循环结构包括依次相连的第二级换热器、第二级增压泵、第六级换热器以及第二级膨胀机；

所述第二级膨胀机的出口与所述第二级换热器连接；

所述第一级朗肯循环结构、第二级换热器以及液化天然气蒸发气再液化结构依次串联连接。

优选的，第二级朗肯循环结构还包括第一级汽轮机、第二级汽轮机；

所述第一级汽轮机、第六级换热器以及第二级汽轮机依次串联连接。

优选的，所述液化天然气蒸发气再液化结构包括一个或多个蒸发气增压组件；

所述蒸发气增压组件包括依次连接的液化天然气蒸发气压缩机与水冷器；

当所述蒸发气增压组件为多个时，所述多个蒸发气增压组件串联连接。

优选的，所述制冷剂结构包括制冷剂气液分离器、第三级换热器、第四级换热器、第一制冷剂节流装置、第二制冷剂节流装置、混合器以及一个或多个制冷剂增压组件；

所述蒸发气与所述制冷剂结构中流动的制冷剂进行换热；

所述第三级换热器、第四级换热器均为多股流换热器；

所述第三级换热器具有第一入口、第二入口、第三入口、第四入口、第一出口、第二出口、第三出口、第四出口；所述第一入口与第一出口相互连通，第二入口与第二出口相互连通，第三入口与第三出口相互连通，第四入口与第四出口相互连通；

所述第四级换热器具有第五入口、第六入口、第七入口、第五出口、第六出口、第七出口；所述第五入口与第五出口相互连通，第六入口与第六出口相互连通，第七入口与第七出口相互连通；

所述制冷剂增压组件的出口与所述制冷剂气液分离器的入口连接，制冷剂气液分离器液相出口与第三级换热器的第三入口连接，第三级换热器的第三出口与所述第一制冷剂节流装置相连，所述第一制冷剂节流装置的出口连接混合器的一个入口；

制冷剂气液分离器的气相出口连接第四级换热器的第二入口连接，第二出口与所述第四级换热器的第六入口连接，第六出口与第二制冷剂节流装置连接，第二制冷剂节流装置的出口与第七入口相连，第七出口与混合器的另一个入口相连；

所述混合器的出口与所述第四入口连接，第四出口与所述制冷剂增压组件连接；

所述液化天然气蒸发气再液化结构与所述第三级换热器的第一入口连接，第一出口与第五入口连接，第五出口与蒸发气节流装置连接。

所述制冷剂增压组件包括相互连接的压缩机与水冷器；

当所述制冷剂增压组件为多个时，所述多个制冷剂增压组件串联连接。

优选的，所述制冷剂增压组件的数量为3个，所述制冷剂增压组件包括依次相连的制冷剂第一级压缩机、制冷剂第一级水冷器、制冷剂第二级压缩机、制冷剂第二级水冷器、制冷剂第三级压缩机以及制冷剂第三级水冷器。

优选的，所述蒸发气节流装置、第一制冷剂节流装置以及第二制冷剂节流装置均包括节流阀或膨胀机。

根据本发明提供的一种基于朗肯循环的液化天然气船蒸发气再液化方法，采用所述的基于朗肯循环的液化天然气船蒸发气再液化系统，还包括如下步骤：

原料蒸发气液化步骤：原料蒸发气从液化天然气储罐出来经所述第一级换热器和第二级换热器释放冷量后，经所述蒸发气增压组件压缩、冷却，依次进入所述第三级换热器、第四级换热器冷却液化，经蒸发气节流装置节流降压至液化天然气储存压力后，进入液化天然气分离器，从底部得到液化天然气产品；

制冷剂循环步骤：制冷剂结构中的制冷剂经所述制冷剂增压组件增压、冷却后进入制冷剂气液分离器，制冷剂气液分离器液相出口经第三级换热器、第一制冷剂节流装置降温降压进入混合器一端入口；制冷剂气液分离器气相出口依次经过第三级换热器、第四级换热器、第二制冷剂节流装置降温降压后返回至第四级换热器，后进入混合器另一端入口；混合器出口经第三级换热器复温后回到制冷剂增压组件内完成制冷循环；

朗肯循环步骤：第一级朗肯循环的工质经第一级换热器吸收冷量液化后通过第一级增压泵增压，再通过第五级换热器升温后经第一级膨胀机节流膨胀实现液化，而后返回至第一级换热器入口；

第二级朗肯循环的工质经第二级换热器吸收冷量液化后通过第二级增压泵增压，再通过第六级换热器升温后经第二级膨胀机节流膨胀实现液化，从而返回至第二级换热器入口。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明的基于朗肯循环的液化天然气船蒸发气再液化工艺，探究了与余热利用、BOG冷能等新技术结合的可行性，能耗低；

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的工艺流程图；

图中示出：

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具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种基于朗肯循环的液化天然气船蒸发气再液化系统，包括依次连接的朗肯循环结构29、液化天然气蒸发气再液化结构30、制冷剂结构31、蒸发气节流装置16以及液化天然气分离器18；

原料蒸发气经过朗肯循环结构29释放冷量后、经液化天然气蒸发气再液化结构30压缩、冷却，然后进入制冷剂结构31冷却液化，而后经蒸发气节流装置16节流降压至液化天然气储存压力后，进入液化天然气分离器18，从液化天然气分离器18底部得到液化天然气，即实现蒸发气再液化。

所述朗肯循环结构29的热量来自外界夹套冷却水余热和/或外界高温烟气余热。

朗肯循环结构29包括单级朗肯循环结构、双级朗肯循环结构或多级朗肯循环结构；当朗肯循环结构29为双级朗肯循环结构时，朗肯循环结构29包括第一级朗肯循环结构291与第二级朗肯循环结构292；所述第一级朗肯循环结构291、第二级朗肯循环结构292以及液化天然气蒸发气再液化结构30依次串联连接。

所述第一级朗肯循环结构291包括依次相连的第一级换热器20、第一级增压泵21、第五级换热器22以及第一级膨胀机23；所述第一级膨胀机23的出口与所述第一级换热器20连接；所述第一级换热器20与所述第二级朗肯循环结构292连接。

所述第二级朗肯循环结构292包括依次相连的第二级换热器19与第二级增压泵24、第六级换热器25、第二级膨胀机26；所述第二级膨胀机26的出口与所述第二级换热器19连接；所述第一级朗肯循环结构291、第二级换热器19以及液化天然气蒸发气再液化结构30依次串联连接。第二级朗肯循环结构292还包括第一级汽轮机27、第二级汽轮机28；所述第一级汽轮机27、第六级换热器25以及第二级汽轮机28依次串联连接。

所述液化天然气蒸发气再液化结构30包括一个或多个蒸发气增压组件；所述蒸发气增压组件包括依次连接的液化天然气蒸发气压缩机与水冷器；当所述蒸发气增压组件为多个时，所述多个蒸发气增压组件串联连接。优选的，所述蒸发气增压组件的数量为3个，包括依次相连的液化天然气蒸发气第一级压缩机1、蒸发气第一级水冷器7、液化天然气蒸发气第二级压缩机2、蒸发气第二级水冷器8、液化天然气蒸发气第三级压缩机3以及蒸发气第三级水冷器9。

所述制冷剂结构31包括制冷剂气液分离器13、第三级换热器14、第四级换热器15、第一制冷剂节流装置161、第二制冷剂节流装置162、混合器17以及一个或多个制冷剂增压组件；所述蒸发气与所述制冷剂结构31中流动的制冷剂进行换热；所述第三级换热器14、第四级换热器15均为多股流换热器；在一个优选例中，所述制冷剂结构31中的制冷剂为混合制冷剂；所述制冷剂结构31可根据实际情况设置为单级、双级或者多级。所述第三级换热器14和第四级换热器15可根据实际情况进行数量的增减和结构的调整。

所述第三级换热器14具有第一入口141、第二入口143、第三入口145、第四入口148、第一出口142、第二出口144、第三出口146、第四出口147；所述第一入口141与第一出口142相互连通，第二入口143与第二出口144相互连通，第三入口145与第三出口146相互连通，第四入口148与第四出口147相互连通；

所述第四级换热器15具有第五入口151、第六入口153、第七入口156、第五出口152、第六出口154、第七出口155；所述第五入口151与第五出口152相互连通，第六入口153与第六出口154相互连通，第七入口156与第七出口155相互连通；

所述制冷剂增压组件的出口与所述制冷剂气液分离器13的入口连接，制冷剂气液分离器13液相出口与第三级换热器14的第三入口145连接，第三级换热器14的第三出口146与所述第一制冷剂节流装置161相连，所述第一制冷剂节流装置161的出口连接混合器17的一个入口；

制冷剂气液分离器13的气相出口连接第四级换热器15的第二入口143连接，第二出口144与所述第四级换热器15的第六入口153连接，第六出口154与第二制冷剂节流装置162连接，第二制冷剂节流装置162的出口与第七入口156相连，第七出口155与混合器17的另一个入口相连；

所述混合器17的出口与所述第四入口148连接，第四出口147与所述制冷剂增压组件连接；

所述液化天然气蒸发气再液化结构30与所述第三级换热器14的第一入口141连接，第一出口142与第五入口151连接，第五出口152与蒸发气节流装置16连接。

所述制冷剂增压组件包括相互连接的压缩机与水冷器；

当所述制冷剂增压组件为多个时，所述多个制冷剂增压组件串联连接。优选的，所述制冷剂增压组件的数量为3个，所述制冷剂增压组件包括依次相连的制冷剂第一级压缩机4、制冷剂第一级水冷器10、制冷剂第二级压缩机5、制冷剂第二级水冷器11、制冷剂第三级压缩机6以及制冷剂第三级水冷器12。

所述蒸发气节流装置16、第一制冷剂节流装置161以及第二制冷剂节流装置162均包括节流阀或膨胀机。

所述基于朗肯循环的液化天然气船蒸发气再液化系统还包括制冷剂储存单元、仪控单元、仪表风、发电机以及PSA制氮结构模等块。该发电机结构用于在没有供电系统时，为再液化流程提供电能。

本发明还提供了一种基于朗肯循环的液化天然气船蒸发气再液化方法，采用所述的基于朗肯循环的液化天然气船蒸发气再液化系统，还包括如下步骤：

原料蒸发气液化步骤：原料蒸发气从液化天然气储罐出来经所述第一级换热器20和第二级换热器19释放冷量后，经所述蒸发气增压组件压缩、冷却，依次进入所述第三级换热器14、第四级换热器15冷却液化，经蒸发气节流装置16节流降压至液化天然气储存压力后，进入液化天然气分离器18，从底部得到液化天然气产品；具体的，所述蒸发气增压组件

制冷剂循环步骤：制冷剂结构31中的制冷剂经所述制冷剂增压组件增压、冷却后进入制冷剂气液分离器13，制冷剂气液分离器13液相出口经第三级换热器14、第一制冷剂节流装置161降温降压进入混合器17一端入口；制冷剂气液分离器13气相出口依次经过第三级换热器14、第四级换热器15、第二制冷剂节流装置162降温降压后返回至第四级换热器15，后进入混合器17另一端入口；混合器17出口经第三级换热器14复温后回到制冷剂增压组件内完成制冷循环；

朗肯循环步骤：第一级朗肯循环的工质经第一级换热器20吸收冷量液化后通过第一级增压泵21增压，再通过第五级换热器22升温后经第一级膨胀机23节流膨胀实现液化，而后返回至第一级换热器20入口；

第二级朗肯循环的工质经第二级换热器19吸收冷量液化后通过第二级增压泵24增压，再通过第六级换热器25升温后经第二级膨胀机26节流膨胀实现液化，从而返回至第二级换热器19入口。

在一个优选例中，所述第五级换热器22的热量来自夹套冷却水余热，第六级换热器25的热量来自高温烟气余热。

实施例1：

液化天然气蒸发气摩尔组分87.7％CH4+0.1％C2H6+12.2％N2、压力0.14MPa、温度-125℃、流量350kg/h；制冷剂为混合制冷剂，所述混合制冷剂组分为32.50％CH4+0.82％N2+13.12％C3H8+29.69％i-C4H10+23.87％ C2H4，流量1492kg/h。基于朗肯循环的液化天然气船蒸发气再液化工艺的具体过程如下：

蒸发气液化过程：

过程1、液化天然气蒸发气经第一级换热器20和第二级换热器19释放冷量升温至常温；

过程2、经原料蒸发气液化过程1升温的蒸发气经三级压缩机、三级水冷器压缩至2.8MPa，冷却至30℃。所述三级压缩机、三级水冷器液化天然气蒸发气分别为第一级压缩机1、液化天然气蒸发气第二级压缩机2、液化天然气蒸发气第三级压缩机3、蒸发气第一级水冷器7、蒸发气第二级水冷器8、蒸发气第三级水冷器9；

过程3、经原料蒸发气液化过程2的蒸发气经过第三级换热器14冷却至-60℃，经过第四级换热器15冷却至-145.8℃；

过程4、经过原料蒸发气液化过程3得到的高压低温液化天然气通过一个蒸发气节流装置16，节流降压至0.14MPa后，进入液化天然气分离器18，从底部得到液化天然气产品。

制冷剂循环过程：

过程1、制冷剂先通过三级制冷剂压缩机、三级水冷器，增压至2.72MPa冷却至30℃进入制冷剂气液分离器13。所述三级制冷剂压缩机、三级水冷器分别为制冷剂第一级压缩机4、制冷剂第二级压缩机5、制冷剂第三级压缩机6、制冷剂第一级水冷器10、制冷剂第二级水冷器11、制冷剂第三级水冷器12；

过程2、经制冷剂循环的过程1分离后的制冷剂液相出口经第三级换热器14降温至-60℃后经第一制冷剂节流装置161降压进入混合器17一端入口；分离后的制冷剂气相出口依次经过第三级换热器14、第四级换热器15降温至-130℃后经第二制冷剂节流装置162降压重新返回至第四级换热器15升温后进入混合器17另一端入口；

过程3、经制冷剂循环过程2得到的两股流体通过混合器17混合经第三级换热器14复温至常温后回到制冷剂第一级压缩机4完成制冷循环；

经过模拟计算得出，该结合吸收式制冷的氮气膨胀液化天然气船蒸发气再液化工艺的单位能耗为0.7066kWh/kg

实施例2：

蒸发气液化过程：

液化天然气蒸发气摩尔组分87.7％CH4+0.1％C2H6+12.2％N2、压力0.14MPa、温度-125℃、流量350kg/h；制冷剂为混合制冷剂，所述混合制冷剂组分为30.79％CH4+0.09％N2+15.80％C3H8+29.00％i-C4H10+24.32％ C2H4，流量1719kg/h。基于朗肯循环的液化天然气船蒸发气再液化工艺的具体过程如下：

过程1、液化天然气蒸发气经第一级换热器20和第二级换热器19释放冷量升温至常温；

过程2、经过程1升温的蒸发气经三级压缩机、三级水冷器，压缩至2.4MPa，冷却至30℃。所述三级压缩机、三级水冷器分别为液化天然气蒸发气第一级压缩机1、液化天然气蒸发气第二级压缩机2、液化天然气蒸发气第三级压缩机3、蒸发气第一级水冷器7、蒸发气第二级水冷器8、蒸发气第三级水冷器9；

过程3、经原料蒸发气液化过程2的蒸发气经过第三级换热器14冷却至-60℃，经过第四级换热器15冷却至-143.3℃；

过程4、经过原料蒸发气液化过程3得到的高压低温液化天然气通过一个蒸发气节流装置16，节流降压至0.14MPa后，进入液化天然气分离器18，从底部得到液化天然气产品；

制冷剂循环过程：

过程1、制冷剂原料先通过三级制冷剂压缩机、三级制冷剂水冷器，增压至2.20MPa，冷却至30℃后进入制冷剂气液分离器13。所述三级制冷剂压缩机、三级制冷剂水冷器分别为制冷剂第一级压缩机4、制冷剂第二级压缩机5、制冷剂第三级压缩机6、制冷剂第一级水冷器10、制冷剂第二级水冷器11、制冷剂第三级水冷器12

过程2、经制冷剂循环过程1分离后的制冷剂液相出口经第三级换热器14降温至-60℃后经第一制冷剂节流装置161降压进入混合器17一端入口；分离后的制冷剂气相出口依次经过第三级换热器14、第四级换热器15降温至-130℃后经第二制冷剂节流装置162降压重新返回至第四级换热器15升温后进入混合器17另一端入口；

过程3、经制冷剂循环过程2得到的两股流体通过混合器17混合经第三级换热器14复温至常温后回到制冷剂第一级压缩机4完成制冷循环；

经过模拟计算得出，该结合吸收式制冷的氮气膨胀液化天然气船蒸发气再液化工艺的单位能耗为0.7380kWh/kg

该再液化系统结合了余热利用和蒸发气冷能利用。

本发明的再液化工艺流程充分利用了夹套冷却水余热和排气余热，利用高温烟气发电，在很大程度上降低了能耗，实现了船用BOG再液化系统的能量集成，用能耦合以及多能转换，对不同气源有较强的适应性。

本发明的基于朗肯循环的液化天然气船蒸发气再液化工艺，探究了与余热利用、BOG冷能等新技术结合的可行性，能耗低；本发明通过油气行业广泛采用的HYSYS软件的模拟计算，证实本液化工艺能耗低，对不同气源适应性较强；本发明同时能够满足目前国际海事组织对于天然气船排放的整体要求，为天然气船蒸发气处理提供了新的可能性。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。