用于具有并行汽化器布置的低温汽化的系统和方法

技术领域

本发明整体涉及低温汽化系统，并且更具体地，涉及具有并行配置的交替汽化器布置的低温汽化的系统。

背景技术

如图1所示，典型的低温再气化系统包括液态冷冻剂储存罐102，其经由控制阀104将液态冷冻剂输出至热交换器(或汽化器)106。控制阀104可位于热交换器106的上游或下游，并控制液态冷冻剂向热交换器106的流动。热交换器106将液态冷冻剂汽化成过热蒸汽。过热蒸汽通过管道供应给最终用户。热交换器106的分类取决于用于汽化的加热介质。例如，环境空气用作环境空气汽化器(AAV)的加热介质，而水或设计成用于避免在环境条件下冻结的流体混合物用作水浴汽化器(WBV)的加热介质。

如果再气化系统被连续地用于向最终用户供应汽化气体，则其被称为连续供应系统。如果只有在设备关闭时才使用再气化系统，则将其称为备用系统。备用系统也可用于“调峰”，当最终用户的需求超过设备的容量时，在一段时间内向最终用户供应汽化气体。再气化系统内的管道通常由不锈钢或另一种低温合适材料制成。然而，到最终用户的管道通常由碳钢制成，在较低的温度下可能会变脆。因此，典型的管道标准规定了碳钢的最低设计温度。

图2是示出备用系统中的WBV的图。类似于图1，低温储存罐202经由控制阀204向WBV 206输出液态冷冻剂。控制阀204可以在WBV 206的上游或下游，并且控制液态冷冻剂到WBV 206的流动。WBV 206是壳管式热交换器，该壳管式热交换器在管内具有冷冻剂并且在包围该管的壳内具有水。外部热(例如，天然气燃烧热、电加热热、蒸汽喷射热等)用于直接或间接地加热水，并且加热的水用于将液态冷冻剂汽化成过热蒸汽。因为水浴被加热到高温(例如，大约160℉)，所以围绕WBV 206的管的冰的形成通常是可忽略的。因此，WBV 206以稳定状态执行。然而，在燃烧器故障、天然气损失、电力损失或蒸汽损失时，例如，水温由于外部热量的移除而下降。结果，总体热传递系数由于水和冷冻剂之间的较小温差而降低，并且围绕WBV 206的管的冰的形成增加。热传递速率也降低，这导致离开WBV 206的过热蒸汽的温度下降。如果温度下降到碳钢管道的安全界限以下，则最终用户可能处于危险中。

在克服上述问题的努力中，WBV的管束尺寸通常被过度设计以提供更大的热传递面积，并且WBV的壳体尺寸被过度设计以提供更大的热质量的水，这被称为热压载。在外部热损失的情况下，这种过度设计保证WBV性能达一定时间段(即，压载时间)，诸如例如从15分钟至1小时。当WBV用于中型空气分离设备的备用系统中时，WBV可能需要大约40000加仑的水存储以便实现30分钟的热压载时间。

另选地，在克服上述问题的另一努力中，可在WBV中使用不可冷凝且惰性的气泡搅拌系统和气体喷射歧管，以改善压载期间水的自然对流热传递。虽然这可以减小WBV所需的水量和壳体尺寸，但是它也增加了WBV的设计复杂性。例如，搅拌系统需要外部气体供应，需要喷射歧管来控制气泡尺寸和间距，并且需要气泡容纳挡板来控制气泡速度。因此，这些增加的复杂性可能无法证明通过减小管束尺寸和水体积以及因此减小WBV的壳体尺寸所实现的任何节省是合理的。

因此，WBV的压载时间要求通常导致过设计的管束尺寸和壳体尺寸，这提出了挑战并且增加了制造、运输和现场安装的成本。

图3是示出再气化系统中的AAV的图。低温储存罐302经由第一管线上的第一控制阀304向第一组AAV单元308输出液态冷冻剂，并且经由第二管线上的第二控制阀306向第二组AAV单元310输出液态冷冻剂。第一控制阀304和第二控制阀306可分别位于第一组AAV单元308和第二组AAV单元310的上游或下游，并控制液态冷冻剂流向第一管线上的第一组AAV单元308或第二管线上的第二组AAV单元310。第一管线和第二管线并行连接，并且在第一组AAV单元308和第二组AAV单元310之后重新结合，以向最终用户提供过热蒸汽。每个AAV单元包括多个带翅片铝管挤压件。液态冷冻剂通过以各种串联和并联路径的多个互连管，从管外部的环境空气吸收热量，从而汽化液态冷冻剂并产生过热蒸气。

AAV单元可以被分类为自然通风AAV单元或强制通风AAV单元。自然通风AAV单元没有可移动部件，并且使用环境空气的自然对流来汽化液态冷冻剂，这导致零运营支出和零维护成本。强制通风AAV单元在该单元上方具有风扇，并且引起环境空气的强制对流来汽化液态冷冻剂，这增加了汽化能力。然而，这种旋转设备的引入导致运营支出和维护成本的增加。

在AAV单元的运行过程中，翅片管表面可能会结霜，随着时间的推移，导致容量下降。为了除霜和恢复汽化器容量，系统通常被配置为具有交替操作的两组AAV单元(例如，第一组AAV单元308和第二组AAV单元310)。当第一组AAV单元运行时，第二组AAV单元关闭或空闲以便除霜。

通常被称为调温加热器312的另一热交换器可任选地设置在第一组AAV单元308和第二组AAV单元310的下游，以进一步使输出的汽化气体过热。例如，在寒冷天气条件下，如果AAV不能使汽化气体过热至期望温度，则调温加热器312可用于使气体过热。调温加热器312由例如电力或天然气从外部供能。

取决于环境条件和地理位置，AAV单元的空闲组在作为AAV单元的工作组返回操作之前可能不能完全除霜。因此，AAV单元组的汽化能力可能不能完全恢复，从而影响AAV单元组作为下一循环中的AAV单元的工作组的性能。另选地，AAV单元的空闲组可以早在作为AAV单元的工作组返回操作之前就完全除霜。

例如，在冷的和/或干燥的环境条件下，AAV单元的空闲组在返回操作之前可能不能完全除霜。这可能导致无限循环，其中AAV单元的两个组的容量随时间降低并且永远不会完全恢复。简单地增加循环时间可能不能解决这个问题，因为需要用更长的除霜时间来解冻更多的霜。另外，霜可能从霜转变成冰和/或冰可能形成桥接或阻塞翅片，并且除冰比除霜花费更多时间。简单地增加循环时间也是不经济的，因为更长的循环时间需要更大的热传递面积，并且因此需要更多的AAV单元来实现相同的汽化能力。

作为另一个示例，在温暖和/或潮湿的环境条件下，AAV单元的空闲组可以早在返回操作之前就完全除霜，这使得可用的恢复容量长时间未被使用。简单地减少循环时间可能不能解决该问题，因为需要用更短的除霜时间来解冻更少的霜，这可能再次导致早在AAV单元返回操作之前就完全除霜的AAV单元的空闲组。

为了克服上述问题，通常以引入额外的设备和复杂性以及因此的资本成本为代价来提出增强AAV单元的空闲组的除霜的建议，这否定了利用AAV单元的系统的益处。

发明内容

根据一个实施方案，提供了一种低温汽化系统。该系统包括第一汽化器布置，该第一汽化器布置被配置成用于接收液态冷冻剂并输出过热蒸气。第一汽化器布置包括WBV。该系统还包括第二汽化器布置，该第二汽化器布置被配置成用于接收液态冷冻剂并输出过热蒸气。第二汽化器布置与第一汽化器布置并行连接并且包括无源加热介质。该系统还包括至少一个控制阀，该至少一个控制阀控制液态冷冻剂向第一汽化器布置或第二汽化器布置的供应。

根据一个实施方案，提供了一种低温汽化系统。该系统包括第一汽化器布置，该第一汽化器布置构造成用于接收液态冷冻剂并输出过热蒸气。第一汽化器布置包括第一组AAV单元。该系统还包括第二汽化器布置，该第二汽化器布置配置成用于接收液态冷冻剂并输出过热蒸气。第二汽化器布置与第一汽化器布置并行连接，并且包括并行连接的第二组AAV单元和第三组AAV单元。该系统还包括至少一个控制阀，该至少一个控制阀控制液态冷冻剂向第一汽化器布置和第二汽化器布置中的至少一者的供应。

根据一个实施方案，提供了一种低温汽化系统。该系统包括第一汽化器布置，该第一汽化器布置被配置成用于接收液态冷冻剂并输出过热蒸气。该系统还包括第二汽化器布置，该第二汽化器布置被配置成用于接收液态冷冻剂并输出过热蒸气。第二汽化器布置与第一汽化器布置并行连接，并且包括一组或多组AAV单元。第二汽化器布置具有与第一汽化器布置不同的配置。该系统还包括至少一个控制阀，该至少一个控制阀控制液态冷冻剂向第一汽化器布置和第二汽化器布置中的至少一者的供应。

根据一个实施方案，提供一种用于控制低温汽化系统的方法。液态冷冻剂经由至少一个控制阀被接收在并行连接的第一汽化器布置和第二汽化器布置中的一者处。第一汽化器布置包括WBV，并且第二汽化器布置包括无源加热介质。过热蒸汽从第一汽化器布置和第二汽化器布置中的一者输出。

根据一个实施方案，提供一种用于控制低温汽化系统的方法。液态冷冻剂经由至少一个控制阀被接收在并行连接的第一汽化器布置和第二汽化器布置中的至少一者处。第一汽化器布置包括第一组AAV单元。第二汽化器布置包括并行连接的第二组AAV单元和第三组AAV单元。过热蒸汽从第一汽化器布置和第二汽化器布置中的至少一者输出。

根据一个实施方案，提供一种用于控制低温汽化系统的方法。液态冷冻剂经由至少一个控制阀被接收在并行连接的第一汽化器布置和第二汽化器布置中的至少一者处。第二汽化器布置包括一组或多组AAV单元。第二汽化器布置具有与第一汽化器布置不同的配置。过热蒸汽从第一汽化器布置和第二汽化器布置中的至少一者输出。

附图说明

当结合附图时，从以下详细描述中，本公开的某些实施方案的以上和其他方面、特征和优点将更加明显，在附图中：

图1是示出典型的低温再气化系统的图；

图2是示出备用再气化系统中的WBV的图；

图3是示出再气化系统中的AAV的图；

图4是示出根据本公开的实施方案的具有并行汽化器布置的汽化器系统配置的图；

图5是示出根据本公开的实施方案的具有WBV和加热介质的汽化器系统配置的图；

图6是示出根据本公开的实施方案的具有多组AAV的汽化器系统配置的图；

图7是示出根据实施方案的用于冷冻剂的再气化的方法的流程图；

图8是示出根据实施方案的用于在WBV处接收液态冷冻剂的方法的流程图；

图9是示出根据实施方案的用于在AAV处接收液态冷冻剂的方法的流程图；并且

图10是示出根据实施方案的用于控制汽化器系统的控制器的框图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方案进行详细说明。应当注意，相同的元件将由相同的附图标记表示，尽管它们在不同的附图中示出。在下面的描述中，提供诸如详细配置和组件的具体细节仅仅是为了帮助对本公开的实施方案的整体理解。因此，对于本领域技术人员而言应当显而易见的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对这里描述的实施方案进行各种改变和修改。另外，为了清楚和简明，省略了对公知功能和构造的描述。下面描述的术语是考虑到本公开中的功能而定义的术语，并且可以根据用户、用户的意图或习惯而不同。因此，术语的定义应当基于整个说明书的内容来确定。

本公开可以具有各种修改和各种实施方案，以下参考附图详细描述其中的实施方案。然而，应当理解，本公开不限于这些实施方案，而是包括在本公开的范围内的所有修改、等同物和替代物。

尽管包括诸如第一、第二等序数的术语可用于描述各种元件，但结构元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一元件区分开。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一结构元件可以被称为第二结构元件。类似地，第二结构元件也可以被称为第一结构元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关项目的任何和所有组合。

本文中使用的术语仅用于描述本公开的各种实施方案，而不旨在限制本公开。单数形式旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。在本公开中，应当理解，术语“包括”或“具有”指示特征、数量、步骤、操作、结构元件、部件或其组合的存在，并且不排除一个或多个其它特征、数量、步骤、操作、结构元件、部件或其组合的存在或增加的可能性。

除非另有定义，否则本文所用的所有术语具有与本公开所属领域的技术人员所理解的含义相同的含义。诸如在通常使用的词典中定义的那些术语被解释为具有与相关技术领域中的上下文含义相同的含义，并且不被解释为具有理想的或过于正式的含义，除非在本公开中清楚地定义。

图4是示出根据本公开的实施方案的具有并行汽化器布置的汽化器系统配置的图。低温储存罐402经由第一管线上的第一控制阀404将液态冷冻剂输出至第一加热介质408，并经由第二管线上的第二控制阀406将液态冷冻剂输出至第二加热介质410。第一控制阀404可位于第一加热介质408的上游或下游，并控制液态冷冻剂向第一加热介质408的流动。第二控制阀406可位于第二加热介质410的上游或下游，并控制液态冷冻剂向第二加热介质410的流动。这两条管线并行延伸并且在第一加热介质408和第二加热介质410之后重新结合以向最终用户提供过热蒸汽。第一加热介质408和第二加热介质410在类型或配置方面不同。例如，第一加热介质408使用与第二加热介质410不同类型的汽化单元，或者第一加热介质408具有与第二加热介质410不同的汽化单元配置。

现在参照图5，该图示出了根据本公开的实施方案的具有WBV的汽化器系统配置。低温储存罐502经由第一管线中的故障关闭控制阀504将液态冷冻剂输出至WBV 508并且经由第二管线中的故障打开控制阀506将液态冷冻剂输出至加热介质510。故障关闭控制阀504可以在WBV 508的上游或下游，并且控制液态冷冻剂到WBV 508的流动。故障打开控制阀506可位于加热介质510的上游或下游，并控制液态冷冻剂向加热介质510的流动。这两条管线并行延伸并且在WBV 508和加热介质510之后重新结合，以在管线中向最终用户提供过热蒸汽。

图5的故障关闭控制阀504和WBV 508对应于图4的第一控制阀404和第一加热介质408。图5的故障打开控制阀506和加热介质510对应于图4的第二控制阀406和第二加热介质410。WBV 508和加热介质510是不同类型的加热介质。

WBV 508的尺寸是基于具有可用外部热量的正常操作条件来确定的。特别地，WBV508的管束和壳体不会由于压载时间要求而尺寸过大。加热介质510的尺寸被设定为提供用于在一段压载时间内供应汽化冷冻剂的热量。加热介质510是无源的或者是不需要外部电力的设备。例如，加热介质510可以是具有高热容量的松散填充介质，诸如例如具有高热质量的岩石或相变材料(PCM)，或其中环境空气交换热量以汽化液态冷冻剂的一组AAV单元。

在正常操作中，经由控制器或处理器，故障关闭控制阀504打开，而故障打开控制阀506关闭。液态冷冻剂在WBV 508中汽化。当产生外部热的能力在WBV 508处丧失时，故障关闭控制阀504由于故障关闭特征而自动关闭，而故障打开控制阀506由于故障打开特征而自动打开。然后液态冷冻剂通过加热介质510汽化并绕过WBV 508。不能产生外部热可能是由例如燃烧器的故障、天然气的损失、电力的损失或蒸汽的损失引起的。

在图5的实施方案中，WBV 508仅在能量源可用时处于操作中，并且仅需要基于正常操作条件来确定尺寸。在正常操作期间，冰将不会跨过管桥接并且过多的冰块将不会形成在WBV的管束上。因此，更多的表面积可用于热交换。此外，在没有冰阻塞流场的情况下，自然对流也被增强。因此，不需要对过量的表面积进行筛分。由于WBV 508仅在能量源可用时使用，所以WBV 508中的水将不用作热压载。因此，对于相同的WBV容量，需要小得多的水体积，因此需要小得多的壳体尺寸。例如，对于需要30分钟的压载时间的中型空气分离设备的备用系统，WBV 508与传统设计相比小约60％。

仅针对压载时间的持续时间确定大小的无源加热介质510通常是成本有效的。例如，大约6500加仑石灰石的热质量提供足够的热量以供应汽化的冷冻剂达30分钟的压载时间。因此，该实施方案克服了制造、运输和现场安装方面的挑战，并且导致显著的资金节省。

图5的实施方案还改进了在电力损失的情况下的备用系统。传统上，当在电力损失引起的设备关闭之后重新开始WBV操作时，液态冷冻剂可能通过结冰的管束，从而损害运行性能。然而，在该实施方案中，由于在压载时间期间不使用WBV 508，因此在由设备关闭引起的电力损失之后性能得到保证。

对于具有不能满足压载时间要求的设计的现有汽化器系统，基于该实施方案升级系统以满足该要求是成本有效的。

现在参考图6，该图示出了根据本公开的实施方案的具有多组AAV单元的汽化器系统配置。低温储存罐602经由第一管线上的第一控制阀604向第一组AAV单元610输出液态冷冻剂，经由第二管线上的第二控制阀606向第二组AAV单元612输出液态冷冻剂，并且经由第三管线上的第三控制阀608向第三组AAV单元614输出液态冷冻剂。第一控制阀604可以在第一组AAV单元610的上游或下游，并且控制液态冷冻剂向第一组AAV单元610的流动。第二控制阀606可以在第二组AAV单元612的上游或下游，并且控制液态冷冻剂向第二组AAV单元612的流动。第三控制阀608可以在第三组AAV单元614的上游或下游，并且控制液态冷冻剂向第三组AAV单元614的流动。这三条管线并行运行并且在AAV单元组之后重新结合以向最终用户提供过热蒸汽。在AAV单元的三个组610、612和614之间切换操作，用于对空闲组除霜，并且可以针对不同地理位置优化并行组的数量。

图6的第一控制阀604和第一组AAV单元610对应于图4的第一控制阀404和第一加热介质408。第二控制阀606和第三控制阀608以及第二组AAV单元612和第三组AAV单元614对应于图4的第二控制阀406和第二加热介质410。因此，单个第一组AAV单元610(第一加热介质408)的配置与并行的第二组AAV单元612和第三组AAV单元614(第二加热介质410)的配置不同。然而，AAV单元的各个组可以具有相同的配置。尽管该实施方案包括三组AAV单元，但是也可以包括附加的并行AAV单元，尽管多于四组的AAV单元可能没有实现期望的优点。

冷冻剂通常在AAV单元的翅片管中经历三种状态转变。具体地说，这三种状态包括过冷液体、沸腾两相流和过热气体。由于冷冻剂和环境空气之间的大温差，大量霜的形成主要沿着具有过冷液态和沸腾两相流动状态的翅片管的部分发生。然而，在冷冻剂处于过热气体状态的翅片管的出口附近通常不会形成大量的霜。因此，在并行布置中，可能不需要具有用于将气体过度加热到大约0℃以上的冗余表面积，因为几乎没有霜形成在翅片管的该部分处。

取决于地理位置，可以在多组AAV单元610、612和614的下游提供附加的AAV单元组616，用于过热汽化气体。例如，在环境温度从不下降到0℃以下的温暖地理位置中，该附加的AAV单元组616可被安装以使气体过热到0℃以上。多组AAV单元610、612和614中的AAV单元的尺寸设定为0℃的最小排放温度。与常规设计相比，AAV单元在相同的切换循环时间内实现相同的汽化能力所需的表面积减少了约10％。在环境温度可能下降到0℃以下的寒冷地理位置中，不提供附加的AAV单元组616，并且多组AAV单元610、612和614中的AAV单元的尺寸被确定为用于排放到最终用户的期望的最小温度。

还基于地理位置来设计多组AAV单元610、612和614的操作。在较温暖的地理位置中，空闲组快速除霜，并且除霜AAV的空闲组所需的时间量通常小于AAV的工作组的运行时间。例如，如果用于AAV的空闲组的所需除霜时间小于AAV的工作组的运行时间的1/2但大于1/3，则优化配置是并行的3组AAV，在每个切换循环中具有两个AAV的工作组和一个AAV的空闲组。控制器或处理器控制控制阀604、606和608以执行切换循环。

在设计用于在较温暖地理位置中操作的系统时，与常规配置相比，AAV单元在相同的切换循环时间内实现相同的汽化能力所需的表面积减少约25％，而AAV单元以较短的切换循环时间实现相同的汽化能力所需表面积减少高达45％。

在较冷的地理位置中，AAV的空闲组缓慢地除霜，因此，除霜AAV的空闲组所需的时间量通常大于AAV的工作组的运行时间。例如，如果AAV的空闲组所需的除霜时间大于运行时间，但小于运行时间的两倍，则优化配置是并行的3组AAV，每个切换循环具有一个AAV的工作组和两个AAV的空闲组。控制器或处理器控制控制阀604、606和608以执行切换循环。

在设计用于在较冷地理位置中操作的系统时，与常规配置相比，AAV单元需要约50％以上的表面积以在相同的切换循环时间实现相同的汽化能力。然而，在更短的切换循环时间下，AAV单元的表面积的增加可以被优化为低至约15％。

根据实施方案，提出了优化系统的配置，其示出了取决于环境条件和安装AAV单元的地理位置的益处。

现在参考图7，流程图图示了根据本公开的实施方案的用于低温汽化的方法。在702处，经由至少一个控制阀，在并行连接的第一汽化器布置和第二汽化器布置中的一者处接收液态冷冻剂。第二汽化器布置包括一组或多组AAV，或者具有高热容量的松散填充介质，诸如例如岩石或PCM，并且具有与第一汽化器布置不同的配置。在704处，过热蒸汽从第一汽化器布置和第二汽化器布置中的一者输出。

现在参考图8，流程图示出了根据本公开的实施方案的用于接收液态冷冻剂的方法。图8的方法是图7的702的详细描述，其中第一汽化器布置包括WBV，并且第二汽化器布置包括一组AAV或具有高热容量的松散填充介质，诸如例如岩石或PCM。

在802处，经由故障关闭控制阀在WBV处接收液态冷冻剂。在804处，系统的控制器或处理器确定外部热是否仍可用于WBV。外部热可能由于例如燃烧器故障、天然气损失、电力损失或蒸汽损失而失效。当外部热仍可用于WBV时，方法返回到802，并且液态冷冻剂继续在WBV处被接收。当外部热不再可用于WBV时，在806处，在与WBV并行连接的第二加热介质处接收液态冷冻剂。第二加热介质可以是例如一组AAV或具有高热容量的松散填充介质，诸如例如岩石或PCM。通过关闭在具有WBV的管线上的故障关闭控制阀，并且打开在具有加热介质的管线上的故障打开控制阀，将液态冷冻剂提供给第二加热介质。然后该方法返回到804，其中再次确定外部热是否可用于WBV。

现在参考图9，流程图示出了根据本公开的另一个实施方案的用于接收液态冷冻剂的方法。图9的方法是图7的702的详细描述，其中第一汽化器布置包括第一组AAV，并且第二汽化器布置包括并行配置的第二组AAV和第三组AAV。

在902处，在一组或多组AAV处接收液态冷冻剂。AAV组中的每个AAV组并行连接，并且AAV组中的至少一个AAV组空闲且不接收液态冷冻剂。在904处，系统的控制器或处理器基于预设的切换循环时间或过热蒸气的排放温度来切换接收液态冷冻剂的AAV组的组合。例如，在并行的三组AAV的情况下，两组AAV可接收液态冷冻剂，而第三组AAV保持空闲以便除霜。然后，控制器或处理器切换AAV的空闲组。在另一实施例中，在并行的三组AAV的情况下，单组AAV接收液态冷冻剂，而剩余的两组AAV保持空闲以便除霜。控制器或处理器然后切换接收液态冷冻剂的单组AAV。

图10是示出根据实施方案的用于控制汽化器系统的控制器的框图。控制器可以体现为可编程逻辑控制器(PLC)。控制器可以包括至少一个用户输入设备1007和存储器1004，用于至少存储汽化器系统中加热介质的并行路径之间的切换时间表。该装置还包括用于确定何时在加热介质的并行路径之间切换的处理器1006。例如，处理器1006可确定外部热是否可用于WBV、如何在多组AAV单元之间切换、以及控制控制阀以实现切换。另外，该装置可以包括通信接口1008。

尽管已经在本公开的详细描述中描述了本公开的某些实施方案，但是可以在不脱离本公开的范围的情况下以各种形式修改本公开。因此，本公开的范围不应仅基于所描述的实施方案来确定，而是基于所附权利要求及其等同物来确定。