一种深冷式蒸发气体再液化系统

技术领域

本发明涉及LNG存储及输送领域，尤其涉及LNG船中蒸发气体的处理系统，尤其涉及一种可以用于LNG船的深冷式蒸发气体再液化系统。

背景技术

随着经济社会及现代工业的高速发展，能源利用和环境污染成为世界关注的焦点。面对日益严苛的环保要求，国际能源战略转型加速，清洁燃料的开发和应用成为能源战略的重要发展方向，其中天然气以其污染物排放量小、成本相对较低的特点，使得天然气在国际能源供应中的比例逐年上涨，预计全球天然气消费需求快速增长的态势将一直持续到2040年。相比于天然气采用管道运输，由于海上LNG（液化天然气，Liquified Natural GAS）运输不需要铺设很长的输送管道，并且能够灵活地将天然气输送到世界各地，因而具有灵活、产地及目的地多样化的优点。随着天然气贸易量的持续迅猛增长，全球LNG 海运行业也将随之迅速发展，预计2030年前全球将新增600艘大型LNG船订单。

鉴于LNG特殊的理化特性，任何LNG船在运输过程中，即使在液货舱绝热性能很好的情况下，LNG都不可避免地部分蒸发为BOG(蒸发气体)。BOG的产生会使得液货舱压力升高，破坏液货舱的结构，若将BOG直接排入大气中，也会造成直接的经济损失和温室危害。因而，需要设置针对BOG的再液化系统，再液化系统能够将液货舱中BOG重新冷凝液化，降低液货舱中BOG的蒸发，降低运输成本并且提高LNG运输的安全性，是目前大型LNG运输船、加注船上重要的高附加值设备。这样的问题也存在于陆上的LNG储存设施中。

但是，目前LNG蒸发气体再液化系统，从工艺技术来看，采用混合工质再液化方式会导致流程复杂、维护难度大，且丙烷等工质为易爆气体，泄漏风险大，危险性高；而采用氮膨胀再液化方式，其使用惰性气体作为制冷剂，安全性较高，但系统需要蒸发气压缩机、氮气发生器、蒸发气加热器等较多辅助设备，安装调试周期长，维护成本高。因此，急需发展一种安全可靠、高效率、低成本的用于LNG的蒸发气体再液化系统。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种尤其用于LNG船的深冷式蒸发气体再液化系统，再液化系统包括冷却回路，冷却回路包括：

压缩机，用以对再液化系统的制冷工质进行压缩；

冷却器，对压缩后的制冷工质进行冷却；

膨胀机，用以使冷却后的制冷工质膨胀；

动力装置，能够驱动压缩机对制冷工质进行压缩；

热交换器，用于在被冷却工质与膨胀后的制冷工质之间产生热量交换；

其中，制冷工质在冷却回路中以封闭循环的方式运行，制冷工质在压缩机中被压缩后，经过冷却器被冷却而降温，然后通过膨胀机膨胀而使得压力降低并且温度降低，之后在热交换器中从被冷却工质吸收热量用以降低被冷却工质的温度，吸收热量后的制冷工质然后进入压缩机被压缩；

其中，进入膨胀机前的制冷工质与经过膨胀机膨胀后的制冷工质在热交换器中以逆向的方向流动并且产生热量交换。

进一步，在热交换器中的被冷却工质为液态天然气，在热交换器的至少部分区段中的液态天然气的流向方向与膨胀后的制冷工质的流向方向相反；其中，制冷工质采用惰性气体；优选地，制冷工质选用He、N

进一步，所述压缩机的数量为至少两台，至少两台压缩机在冷却回路中以串联和/或并联的方式设置，使得制冷工质以串联和/或并联的方式流经至少两台压缩机，其中，在每台压缩机的出口设置有冷却器；制冷工质在膨胀机中发生膨胀使得膨胀机输出能量，至少两台压缩机中的至少一台压缩机能够接受膨胀机所输出的能量；至少两台压缩机中的至少一台压缩机能够被动力装置所驱动，优选地，动力装置的数量为至少两个，动力装置尤其地选择为电机。

进一步，至少两台压缩机中的至少一台压缩机能够与动力装置、膨胀机以共轴传动地方式设置，使得该至少一台压缩机被动力装置和膨胀机输出的能量驱动。

进一步，所述膨胀机的数量为至少两台，至少两台膨胀机在冷却回路中以串联和/或并联的方式设置，使得制冷工质以串联和/或并联的方式流经至少两台膨胀机。

进一步，所述压缩机为轴流式压缩机或离心式压缩机，所述膨胀机为轴流式膨胀机或向心式膨胀机。

进一步，所述膨胀机设置有旁路支路，旁路支路的一端连接膨胀机的进口，旁路支路的另一端连接膨胀机的出口，优选地在旁路支路上设置有调节阀，用以对从膨胀机进口经由旁路支路流向膨胀机出口的制冷工质进行调节；尤其，旁路支路的一端连接在膨胀机的进口的位于热交换器的上游的管段，旁路支路的另一端连接在膨胀机的出口的位于热交换器的下游的管段。

进一步，再液化系统设置有动力装置冷却支路，动力装置冷却支路的上游连接至膨胀机的进口管路用以从膨胀机的进口管路中导入制冷工质，其中优选地动力装置冷却支路的上游连接至旁路支路，动力装置冷却支路流经动力装置用以冷却动力装置，流经动力装置后的动力装置冷却支路连接至压缩机的进口；其中，动力装置冷却支路优选地以串联和/或并联的方式流经多个动力装置，动力装置冷却支路中的制冷工质在流经动力装置后优选地尤其经由冷却后流体地连接至压缩机的进口。

进一步，动力装置冷却支路还包括动力装置冷却器，当动力装置冷却支路以串联的方式流经多个动力装置时，动力装置冷却支路中的制冷工质在流经位于上游的动力装置后，经由动力装置冷却器被冷却后流入下一个动力装置；

而当动力装置冷却支路以并联的方式流经多个动力装置时，动力装置冷却支路中的制冷工质在流经位于上游的动力装置后，可选地能够经由动力装置冷却器被冷却后流体地连接至下一个动力装置，或者可选地以流体连接的方式连接至压缩机的进口。

进一步，再液化系统设置有动力装置泄漏冷却支路，由泄露至动力装置内部的制冷工质对动力装置进行冷却，该泄露的制冷工质然后经由动力装置泄漏冷却支路流体地连接至压缩机的进口。

实施本发明，具有如下有益效果：通过本发明的深冷式蒸发气体再液化系统，通过设置包括压缩机、膨胀机和冷却装置的冷却回路，将惰性气体作为冷却回路中的制冷工质，能够使得制冷工质以很低的温度进入热交换器中，用以将尤其液态的被冷却工质冷却至深冷状态，然后深冷的被冷却工质返回储存设施后能够有效地降低储存设施中的蒸发量，由此，能够以系统简单、占地空间小、设备投产及调试费用低、保养维护简单的方式，高效地降低储存设施中的蒸发，降低了运输或储存成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明的实施例1的系统图。

图2是本发明的实施例2的系统图。

图3是本发明的实施例3的系统图。

附图标记：C101：第一级压缩机；C102：第二级压缩机；E101：膨胀机；L200：旁路支管；L201：动力装置冷却支路；L202：动力装置冷却支路；L211：动力装置冷却支路；L212：动力装置冷却支路；L203：动力装置泄漏冷却支路；L213：动力装置泄漏冷却支路；S101：压缩膨胀一体机；S103：第一冷却器；S104：第二冷却器；S105：热交换器；S106：动力装置冷却器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为解决上述技术问题，本发明提出一种深冷式蒸发气体再液化系统，尤其用于LNG船的深冷式蒸发气体再液化系统，本发明的深冷式蒸发气体再液化系统当然也能够用于陆上的LNG设施，例如陆上的LNG储罐等。深冷式冷却液化系统是通过冷却回路中的深冷状态的制冷工质对被冷却工质（尤其是LNG，液态天然气）进行冷却，然后将被冷却的被冷却工质输送回储存设施中，用于降低储存设施中的温度，进而降低储存设施中的蒸发。

实施例1：

如图1所示，深冷式蒸发气体再液化系统包括冷却回路，冷却回路中设置有封闭地循环的制冷工质，在此，制冷工质选用惰性气体，可以是He、N

冷却回路包括：第一级压缩机C101、第二级压缩机C102，用以对制冷工质进行压缩，第一级压缩机C101与第二级压缩机C102以串联的方式布置，也即制冷工质以串联的方式流经第一级压缩机C101与第二级压缩机C102而被两级地压缩。第一冷却器S103、第二冷却器S104，用于对经过第一级压缩机C101、第二级压缩机C102压缩后的制冷工质进行冷却。第一级压缩机C101、第一冷却器S103、第二级压缩机C102、第二冷却器S104沿着制冷工质流动方向依次串联地流体连接，具体地，第一冷却器S103通过管道连接至第一级压缩机C101的出口，第二级压缩机C102的进口通过管道连接至第一冷却器S103，第二冷却器S104通过管道连接至第二级压缩机C102的出口。由此，常温常压（并非指相对环境温度的常温常压，而是指在该冷却回路中循环的制冷工质的相对状态，下述的高温、低温、中压、高压、低压也是同理）的制冷工质经过第一级压缩机C101的压缩变为高温中压的制冷工质，然后经过第一冷却器S103的冷却变为常温中压的制冷工质，然后经过第二级压缩机C102的压缩变为高温高压的制冷工质，然后经过第二冷却器S104的冷却变为常温高压的制冷工质。

冷却回路还包括膨胀机E101，膨胀机E101的进口流体地连接至第二冷却器S104，用以对经过两级压缩机压缩和两级冷却器冷却的常温高压的制冷工质进行膨胀；在膨胀机E101中，常温高压的制冷工质进行膨胀，也即体积变大，使得压力降低、温度降低，从而常温高压的制冷工质经过膨胀机E101的膨胀变为低温低压的制冷工质。当制冷工质选用He、N

在此，为了能够对LNG进行冷却，冷却回路包括热交换器S105，在热交换器S105中，具备深冷能力的低温低压的制冷工质与LNG之间进行热量交换，具体地，LNG将热量转移至低温低压的制冷工质，从而使得LNG的温度进一步降低。热交换器S105可以选用多股流换热器；其中如图1所示，在热交换器S105的至少部分区段中，LNG的流体流动方向与制冷工质的流体流动方向相反，也即两者是以相对逆流式的流动方式在热交换器S105中进行热量的转移，能够提高热量转移的效率，提高对LNG的冷却效果。

同时，由于在热交换器S105中，低温低压的制冷工质在吸收LNG热量后依然具备较低的温度，在此能够将热交换器S105作为回热器，在热交换器S105中利用膨胀机E101输出的低温低压的制冷工质对膨胀机E101进口的常温高压的制冷工质进行冷却，用以进一步降低膨胀机E101的进气温度，达到节能目的。同样地，如图1所示，在热交换器S105的至少部分区段中，膨胀机E101进口的常温高压的制冷工质的流体流动方向与膨胀机E101输出的低温低压的制冷工质的流体流动方向相反，也即两者是以相对逆流式的流动方式在热交换器S105中进行热量的转移，能够提高热量转移的效率，提高冷却效果。

由此，制冷工质依次流经第一级压缩机C101、第一冷却器S103、第二级压缩机C102、第二冷却器S104、热交换器S105、膨胀机E101、热交换器S105后，返回至第一级压缩机C101的进口，在冷却回路中完成一个循环。如此往复循环，就能够向LNG提供持续性的深冷能力。

所述第一级压缩机C101、第二级压缩机C102可以轴流式压缩机和/或离心式压缩机，所述膨胀机E101可以选用轴流式膨胀机或离心式膨胀机。

由于压缩机是将外部能量转化为其所压缩的气体的内能，因而需要由外部的动力驱动才能够运转。在本实施例中，冷却回路还包括两个动力装置，动力装置在此选用电机，两个电机分别地驱动第一级压缩机C101与第二级压缩机C102，用于将电机输出的机械能在压缩机处转化为制冷工质的内能。

而制冷工质在膨胀机E101中膨胀，进而会对膨胀机E101做功，使得膨胀机E101旋转进而能够输出机械能。在此，为了能够利用膨胀机E101输出的能量来提高系统运转效果，如图1所示，将膨胀机E101、一个电机以及第一级压缩机C101安装在同一根旋转轴上，形成压缩膨胀一体机S101，由此使得电机输出的机械能以及膨胀机E101输出的机械能能够通过该共同的旋转轴输送至第一级压缩机C101，由此提高了能源利用效率。当然替代地，膨胀机E101也可以与第二级压缩机C102安装在共同的旋转轴上形成压缩膨胀一体机，而第一级压缩机C101则单独地由电机驱动；或者设置有两个串联或并联布置的膨胀机，每个膨胀机都能与一个压缩机共轴形成压缩膨胀一体机，来驱动压缩机。在此申明，压缩膨胀一体机可以只包括共轴旋转的压缩机和膨胀机，也可以包括共轴旋转的压缩机、膨胀机和电机。

进一步替代的方案，为了提高冷却回路的制冷能力，可以包括多台压缩机、多台膨胀机，压缩机的数量为3台以上，膨胀机的数量为2台以上；其中，多台压缩机以串联的方式布置、或者以并联的方式布置、或者以串并联组合的方式布置，具体地，每台压缩机既可以只由电机驱动，也可以由电机和膨胀机共同地共轴驱动，由此组成制冷能力更加强大的深冷式蒸发气体再液化系统。

如图1所示，冷却回路中还设置有旁路支管L200，具体地，旁路支管L200的上游端连接至第二冷却器S104与热交换器S105之间的管段，旁路支管L200的下游端则连接至位于热交换器S105与第一级压缩机C101之间的管段，用以将经过两级压缩的高压的制冷工质部分地输送至第一级压缩机C101中，用于系统内的防喘振回流和开机过程的压力温度调节。进一步地为了达到调节的效果，优选地在旁路支路上设置有图1中未示出的调节阀，用以对从膨胀机进口经由旁路支路流向膨胀机出口的制冷工质进行调节，尤其是对流量或压力进行调节。

电机在驱动压缩机运转过程中会产生大量的热量，为了对电机进行冷却降温，防止电机过热而影响其运行，如图1所示，冷却回路中还设置有动力装置冷却支路L201、L202，动力装置冷却支路L201、L202以串联的方式布置。动力装置冷却支路L201的上游连接至膨胀机E101的进口管路用以从膨胀机E101的进口管路中导入制冷工质，其中优选地动力装置冷却支路L201的上游连接至旁路支路L200。常温高压的制冷工质经由动力装置冷却支路L201流入第二级压缩机C102的电机中，流经电机的定子以及转子的气隙，用以降低电机的定子和转子的温度，同时由于制冷工质采用惰性气体，还能够进一步地对电机起到密封的作用。制冷工质在冷却第二级压缩机C102的电机后，经由动力装置冷却支路L202流经动力装置冷却器S106进一步降温后，进入到第一级压缩机C101的电机中对第一级压缩机C101的电机进行冷却，冷却后直接通过动力装置冷却支路L212流入第一级压缩机C101的进口。

图1中的动力装置冷却支路L201、L202优选地设置有调节阀，用以调整流经电机的制冷工质的流量或压力。并且动力装置冷却支路L201、L202以串联的方式布置，充分地考虑了第二级压缩机C102出口的制冷工质的压力与第一级压缩机C101进口的制冷工质的压力之间的压力差，以及制冷工质在流经第一级压缩机C101的电机、第二级压缩机C102的电机所产生的压降，从而保证了能够充分地对电机进行冷却。在此，也可以附加地在动力装置冷却支路L212上设置单独的冷却装置，用以对制冷工质进行冷却后再流入第一级压缩机C101的进口，这样就能够降低对第一级压缩机C101的进口的制冷工质的温度的影响，进而提高后续的压缩效率。

实施例2：

本发明还提供另一种实施例，在此，与实施例1相同的部分不做赘述，仅对与实施例1不同的内容进行介绍。

如图2所示，对于第一级压缩机C101、第二级压缩机C102的电机的冷却，由压缩机泄露至电机内部的制冷工质对动力装置进行冷却，在此，两个电机的冷却以单独的方式进行。泄露的制冷工质在冷却电机之后，分别经由动力装置泄漏冷却支路L203、L213流体地连接至第一级压缩机C101、第二级压缩机C102的进口。在此附加地，也可以附加地在动力装置泄漏冷却支路L203、L213上设置单独的冷却装置，用以对制冷工质进行冷却后再流入第一级压缩机C101、第二级压缩机C102的进口，这样就能够降低对第一级压缩机C101进口、第二级压缩机C102进口的制冷工质的温度的影响，进而提高后续的压缩效率。

该实施例中电机冷却的设置，电机冷却密封气源均取自压缩端向电机腔体泄漏的部分制冷剂，电机壳侧接口少，可降低泄漏风险，减少弯头、支管等带来的系统管路压损，降低设备成本，但冷却能力则相对较小，适用于发热较小的低转速、小功率电机的再液化系统。

实施例3：

本实施例相对于实施例1的区别，则在于对于两个电机的冷却布置。

如图3所示，动力装置冷却支路从旁路支路L200上引入制冷工质后，对于两个电机的冷却管路是以并联的方式布置的，这样的并联布置的方式相对于实施例1来说，两台电机的冷却气均直接从旁路支路L200引出，减少换热器数量和冷却水需求，能够提高对每个电机进行冷却的制冷工质的压力，进而能够至少部分地提高冷却的效果。

具体地如图3所示，动力装置冷却支路L201从旁路支路中引导制冷工质进入第二级压缩机C102的电机中对该电机进行冷却，然后排出电机后则通入到第一冷却器S103的上游，由此进入第二级压缩机C102的进口。而动力装置冷却支路L211从旁路支路中引导制冷工质进入第一级压缩机C101的电机中对该电机进行冷却，然后排出电机后则通入第二级压缩机C102的进口。

在此附加地，在动力装置冷却支路L202、L212上设置单独的冷却装置，用以对制冷工质进行冷却后再流入第一级压缩机C101、第二级压缩机C102的进口，这样就能够降低对第一级压缩机C101进口、第二级压缩机C102进口的制冷工质的温度的影响，进而提高后续的压缩效率。

实施本发明，具有如下有益效果：通过本发明的深冷式蒸发气体再液化系统，通过设置包括压缩机、膨胀机和冷却装置的冷却回路，将惰性气体作为冷却回路中的制冷工质，能够使得制冷工质以很低的温度进入热交换器中，用以将尤其液态的被冷却工质冷却至深冷状态，然后深冷的被冷却工质返回储存设施后能够有效地降低储存设施中的蒸发量，并且制冷工质在冷却回路中采用全封闭循环的方式运行，与被冷却工质的流程相互独立，安全性高、设备少、流程简单，由此，能够以系统简单、占地空间小、设备投产及调试费用低、保养维护简单的方式，高效地降低储存设施中的蒸发，降低了运输或储存成本。

以上所揭露的仅为本发明的几个较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。