《一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統及方法》是中國石化工程建設有限公司、中石化煉化工程（集團）股份有限公司於2013年3月4日申請的發明專利，該專利申請號為2013100679501，公布號為CN104034122A，公布日為2014年9月10日，發明人是趙廣明、李鳳奇、李明、李海燕、劉青、王燕飛、趙睿。
《一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統及方法》的系統包括：液化天然氣儲存裝置、蒸發氣再冷凝裝置和液化天然氣輸送裝置。所述蒸發氣再冷凝裝置包括靜態混合器和氣液分離器；氣液分離器頂部出口連線液化天然氣儲罐的蒸發氣總管，氣液分離器底部出口連線液化天然氣低壓外輸總管；靜態混合器一端連線氣液分離器，另一端連線液化天然氣低壓外輸總管；蒸發氣總管依次連線壓縮機和換熱器後，連線靜態混合器。方法包括：液化天然氣和蒸發氣在靜態混合器中混合後進入氣液分離器，分離出的氣體返回蒸發氣總管；分離出的液相進入罐外增壓泵。該發明通過採用靜態混合冷凝方式，以提高BOG冷凝效率，降低能耗，並且達到節省設備投資，便於系統操作和維修的目的。
2021年6月24日，《一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統及方法》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統及方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統及方法
- 申請日：2013年3月4日
- 申請號：2013100679501
- 申請公布日：2014年9月10日
- 申請公布號：CN104034122A
- 申請人：中國石化工程建設有限公司、中石化煉化工程（集團）股份有限公司
- 地址：北京市朝陽區安慧北里安園21號
- 發明人：趙廣明、李鳳奇、李明、李海燕、劉青、王燕飛、趙睿
- 類別：發明專利
- Int. Cl.：F25J1/00(2006.01)I
- 專利代理機構：北京思創畢升專利事務所
- 代理人：趙宇
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,專利榮譽,
專利背景
液化天然氣（LNG）是一種優質能源，具有熱值高、燃燒污染小的特點。LNG接收站的主要功能是接收遠洋運輸船運輸來的LNG，並對其進行儲存和氣化，以獲得氣態天然氣（NG）產品，並通過天然氣管網向城市居民和（或）工業用戶供氣。
在LNG接收站的生產過程中，由於儲罐、管道、設備等從環境吸熱以及卸船閃蒸、大氣壓力變化等各種因素，在LNG儲存和運輸系統會從LNG中釋放一定量的蒸發氣（BOG）。若BOG處理不當，將導致低溫儲罐超壓而發生危險，若外排燃燒將造成資源的浪費，同時，也帶來了安全隱患和環境污染問題，從節能減排的角度考慮也是不可取的。因此，如何安全有效地處理BOG是LNG接收站必須面對的重要課題。
通常情況下，LNG接收站的BOG採用再冷凝法進行處理，這種方法相比直接法（LNG直接加壓外輸）更為安全、經濟、環保，因此，在世界範圍內被廣為採用。
截至2013年3月，如圖1所示，傳統工業生產中，LNG接收站的BOG再冷凝系統主要包括LNG儲罐101、LNG罐內低壓泵102、再冷凝器103、LNG罐外增壓泵104、BOG壓縮機105、BOG壓縮機出口換熱器106、氣化器107、火炬108等其他管道組件。圖1中，LNG儲罐中產生的BOG通過蒸發氣總管進入BOG壓縮機105加壓，再經BOG壓縮機出口換熱器106換熱後進入再冷凝器103。LNG儲罐101中的LNG通過罐內低壓泵102增壓後具有一定的過冷度，一部分LNG進入再冷凝器與BOG在再冷凝器103中進行換熱，另一部分LNG與再冷凝器中分離出的液體混合後進入罐外增壓泵104，增壓後，進入氣化器107氣化，然後通過液化天然氣高壓外輸總管輸送至下游天然氣管網。
再冷凝器是傳統BOG再冷凝工藝系統的核心設備，如圖2所示。該再冷凝器103包括罐外殼201，位於罐外殼內部且位於LNG進液管下方使流到其上表面的LNG分布均勻的液體分布器202，位於分布器下方的填充了填料的填料床層203，位於再冷凝器底部的破渦器204。
再冷凝器頂部側面LNG入口管路上設定有閥門E；再冷凝器頂部與BOG總管連通的管路上設定有閥門F；再冷凝器補氣管道上設定有閥門G，BOG壓縮機出口換熱器冷源管道上設定有閥門H。
再冷凝器103中，由於LNG儲罐操作工況的改變等因素都會造成BOG量的變化，這就需要控制進入BOG再冷凝器中的LNG的量，以使其能將所有的BOG全部冷凝，保證混合液輸出管道以及下游設備的安全。由於BOG和LNG量的變化，再冷凝器中氣壓會發生波動，再冷凝器中液位也會呈現不穩定狀態。當液面高度低於填料床層203的表面以下時，將會影響LNG和BOG的混合冷凝速度，有可能會使再冷凝器底部出口管道輸出的LNG呈現近飽和狀態，若有外界其他因素的影響（如環境氣溫升高等），LNG將會重新氣化，從而造成下游LNG罐外增壓泵104的“汽蝕”。
再冷凝器103的控制系統如圖2所示。當再冷凝器103中的BOG壓力增加時，壓力控制器C控制閥門F打開，將103中的BOG排放至BOG總管。液位控制器G可監測再冷凝器的液位，並通過閥門G的開度來控制再冷凝器補氣管道進入的氣體量。當再冷凝器中的液位升高時，閥門G打開，向再冷凝器中充氣，從而降低再冷凝器中的液位高度。再冷凝器的壓力、進入再冷凝器的LNG流量以及BOG壓縮機換熱器後的BOG溫度和流量信息分別通過壓力變送器C、流量變送器A、溫度變送器E、流量變送器D傳輸到邏輯運算器B中進行邏輯操作運算，並通過控制閥門E的開度將BOG在再冷凝器中全部冷卻。進入再冷凝器的氣體溫度的控制由溫度控制器F通過改變閥門H的開度來實現。
該再冷凝器內部組件（如鮑爾環，分離器裝置，導流板，內部管道等）複雜，邏輯控制較複雜。且由於再冷凝器中的冷凝方式採取靜態接觸式，因此，冷凝效率較低，通常最高約為58%。另一方面，該再冷凝工藝在一定程度上具有能耗相對較高、設備投資較大、維修不方便等缺點。
發明內容
專利目的
《一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統及方法》提供了一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統及方法。通過採用靜態混合冷凝方式，以提高BOG冷凝效率，降低能耗，並且達到節省設備投資，便於系統操作和維修的目的。該發明的目的之一是提供一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統；目的之二是提供一種液化天然氣蒸發氣再冷凝方法。
技術方案
一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統，包括：液化天然氣儲存裝置、蒸發氣再冷凝裝置和液化天然氣輸送裝置，所述液化天然氣儲存裝置包括液化天然氣儲罐；所述液化天然氣輸送裝置包括液化天然氣儲罐內低壓泵、罐外增壓泵和氣化器；液化天然氣儲罐頂部設定有兩條管路，一條是蒸發氣總管，另一條是火炬總管；罐內低壓泵通過液化天然氣低壓外輸總管連線至罐外增壓泵；所述蒸發氣再冷凝裝置包括靜態混合器和氣液分離器；氣液分離器頂部出口連線液化天然氣儲罐的蒸發氣總管，氣液分離器底部出口連線至液化天然氣低壓外輸總管；靜態混合器一端連線氣液分離器，另一端連線液化天然氣低壓外輸總管；蒸發氣總管依次連線壓縮機和換熱器後，連線靜態混合器；罐外增壓泵出口連線液化天然氣高壓外輸總管，管路分成兩個，管路a和管路b，管路a通過換熱器後與管路b合併後連線氣化器；氣液分離器頂部出口管路和氣化器出口管路之間通過氣液分離器補氣管線連線。
氣液分離器頂部出口管路上設定有閥門A；氣液分離器底部出口管路上設定有閥門B；液化天然氣低壓外輸總管與靜態混合器一端相連的管路上設定有閥門C；氣液分離器補氣管線上設定有閥門D。
所述靜態混合器可以為一台或多台，可並聯或串聯的形式。
具體地，所述系統可以包括：（1）LNG儲存系統，LNG儲罐及其相應組成部件；（2）LNG再冷凝系統，主要包括以下相關設備：（a）BOG總管，與LNG儲罐相連，從LNG儲罐頂部引出；（b）BOG壓縮機，設定在LNG儲罐BOG氣相管道上，用於對BOG加壓；（c）BOG壓縮機出口換熱器，設定在BOG壓縮機出口端下游，用於降低BOG壓縮機出口氣體的溫度；（d）靜態混合器，設定在BOG壓縮機出口換熱器之後與氣液分離器之間，用於LNG和BOG的混合；（e）氣液分離器，設定在靜態混合器下游，用於分離靜態混合器出口端中可能存在的氣液兩相介質，防止下游LNG罐外增壓泵“汽蝕”；（f）LNG去往靜態混合器管線，一端與靜態混合器相連，另一端連線在LNG儲罐外輸總管上；（g）控制閥門和控制儀表，設定在所述BOG再冷凝系統管線上。（3）LNG外輸系統，主要包括以下相關設備：（a）LNG罐內低壓泵，用於將LNG增壓，使其具有一定的過冷度；（b）LNG罐外增壓泵，用於將LNG增壓外輸；（c）氣化器，用於將LNG氣化；（d）管道及其組成部件。
一種液化天然氣蒸發氣再冷凝方法，包括：液化天然氣和蒸發氣在靜態混合器中混合後進入氣液分離器，分離出的氣體返回蒸發氣總管；分離出的液相進入罐外增壓泵。
具體包括以下步驟：1）液化天然氣儲罐中產生的蒸發氣經壓縮換熱後進入靜態混合器，液化天然氣儲罐中的液化天然氣通過罐內低壓泵增壓後進入靜態混合器；2）液化天然氣與蒸發氣在靜態混合器中進行充分換熱，混合換熱後的流體進入氣液分離器；3）氣液分離器分離出來的氣體返回至蒸發氣總管，分離出的液相與低壓外輸總管中的液化天然氣匯合後進入罐外增壓泵，增壓、氣化後，進入下游天然氣管網。
其中，氣液分離器的液位通過閥門B控制；液位與罐外高壓泵入口高度及壓力控制值相關；氣液分離器頂部的氣相空間壓力通過閥門A和閥門D控制；壓力控制在0.1~2兆帕（表壓）。
蒸發氣在靜態混合器中的冷凝程度通過閥門C控制。通過調節閥門C的開度改變進入靜態混合器的LNG流量，進一步控制靜態混合器內的溫度，實現BOG的完全冷凝。靜態混合器出口的介質溫度比該介質在罐外高壓泵入口壓力下所對應的飽和溫度低0~30度。
LNG儲罐中產生的BOG通過BOG總管進入BOG壓縮機加壓，再經換熱器換熱後進入靜態混合器入口端。儲罐中的LNG通過LNG罐內低壓泵增壓後具有一定的過冷度，一部分LNG通過自低壓外輸總管接出的管道進入靜態混合器與BOG在靜態混合器中進行充分換熱，使得BOG完全冷凝，混合換熱後的流體進入氣液分離器進行氣液分離，分離出來的氣體返回至BOG總管，分離出來的液體經管道返回至LNG外輸低壓總管並且與另一部分外輸LNG混合後進入罐外增壓泵。LNG經過增壓後，進入氣化器換熱氣化後進入下游天然氣管網，輸送至居民用戶和（或）工業用戶。
《一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統及方法》中可採用任意形式的靜態混合器。例如可以採用內部葉片為左右旋交替周期分布的靜態混合器，但不局限於這一種形式。一般來說，此設備採用耐低溫、不鏽鋼材質。靜態混合器兩端一般可以採用法蘭連線或者焊接連線。
《一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統及方法》中，BOG在靜態混合器中的冷凝程度通過控制與靜態混合器入口端相連的LNG管線上的閥門開度實現。氣液分離器的液位控制通過控制與氣液分離器底部相連的LNG輸出管線上的閥門開度實現。氣液分離器頂部的氣相空間壓力通過控制與分離器頂端相連的管道上的閥門開度和從天然氣輸出端返回的補氣管道上的閥門開度實現。
改善效果
1、《一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統及方法》採用靜態混合器與氣液分離器組合的形式進行BOG的再冷凝，設備簡單且安全、冷凝效率高。一方面，靜態混合器和氣液分離器均為常見設備，結構簡單，相比於再冷凝器，其檢、維修操作更方便。另一方面，考慮到靜態混合器內部結構的特殊設計，其內部葉片能促使BOG形成大量微小氣泡，氣體表面積大大增加，有效地增加了與進入靜態混合器的LNG接觸的面積，促進了換熱，從而有效提高了冷凝效率。
2、《一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統及方法》未對LNG儲存系統產生的BOG量進行限制，通過調節與之混合的LNG量來達到在靜態混合器中完全冷凝的效果。另外，氣液分離器的液位和頂部氣相空間的壓力控制，在石油化工生產過程中比較常見，控制方案簡單、安全且可靠。因此，該發明中的再冷凝設備的控制方案簡單、可靠。
綜上，《一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統及方法》具有更高的經濟效益，更低的綜合能耗，且有利於系統的操作和維修。
附圖說明
圖1是2013年3月前已有技術BOG再冷凝系統示意圖；
圖2是2013年3月前已有技術BOG再冷凝系統中BOG再冷凝器的控制方案圖；
圖3是《一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統及方法》的BOG再冷凝系統示意圖；
圖4是《一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統及方法》的BOG再冷凝系統中靜態混合器和氣液分離器的控制方案圖。
附圖示記說明：101-LNG儲罐；102-LNG罐內低壓泵；103-再冷凝器；104-LNG罐外增壓泵；105-BOG壓縮機；106-BOG壓縮機出口換熱器；107-氣化器；108-火炬；109-靜態混合器；110-氣液分離器；201-罐外殼；202-液體分布器；203-填料床層；204-破渦器；301-流量變送器A；302-邏輯運算器B；303-壓力控制器C；304-流量變送器D；305-溫度變送器E；306-溫度控制器F；307-液位控制器G；401-壓力變送器H；402-溫度變送器I；403-液位控制器J；404-流量變送器K；405-溫度變送器L；406-邏輯運算器M；407-流量變送器N；408-溫度變送器O；409-流量控制器P；501-閥門A；502-閥門B；503-閥門C；504-閥門D；505-閥門E；506-閥門F；507-閥門G；508-閥門H。
技術領域
《一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統及方法》涉及液化天然氣儲存與輸送系統領域，更進一步說，涉及一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統及方法。
權利要求
1.一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統，包括：液化天然氣儲存裝置、蒸發氣再冷凝裝置和液化天然氣輸送裝置，所述液化天然氣儲存裝置包括液化天然氣儲罐；所述液化天然氣輸送裝置包括液化天然氣罐內低壓泵、罐外增壓泵和氣化器；液化天然氣儲罐頂部設定有兩條管路，一條是蒸發氣總管，另一條是火炬總管；罐內低壓泵通過液化天然氣低壓外輸總管連線至罐外增壓泵，其特徵在於：所述蒸發氣再冷凝裝置包括靜態混合器和氣液分離器；氣液分離器頂部出口連線液化天然氣儲罐的蒸發氣總管，氣液分離器底部出口連線至液化天然氣低壓外輸總管；靜態混合器一端連線氣液分離器，另一端連線液化天然氣低壓外輸總管；蒸發氣總管依次連線壓縮機和換熱器後，連線靜態混合器；罐外增壓泵出口連線液化天然氣高壓外輸總管，管路分成兩個，管路a和管路b，管路a通過換熱器後與管路b合併後連線氣化器；氣液分離器頂部出口管路和氣化器出口管路之間通過氣液分離器補氣管線連線。
2.如權利要求1所述的液化天然氣蒸發氣再冷凝系統，其特徵在於：氣液分離器頂部出口管路上設定有閥門A；氣液分離器底部出口管路上設定有閥門B；液化天然氣低壓外輸總管與靜態混合器一端相連的管路上設定有閥門C；氣液分離器補氣管線上設定有閥門D。
3.如權利要求1所述的液化天然氣蒸發氣再冷凝系統，其特徵在於：所述靜態混合器為並聯或串聯的多台。
4.一種採用如權利要求1~3之一所述的液化天然氣蒸發氣再冷凝系統的再冷凝方法，其特徵在於所述方法包括：液化天然氣和蒸發氣在靜態混合器中混合後進入氣液分離器，分離出的氣體返回蒸發氣總管；分離出的液相與低壓外輸總管中的液化天然氣匯合後進入罐外增壓泵。
5.如權利要求4所述的液化天然氣蒸發氣再冷凝的方法，其特徵在於所述方法包括：1）液化天然氣儲罐中產生的蒸發氣經壓縮換熱後進入靜態混合器，液化天然氣儲罐中的液化天然氣通過罐內低壓泵增壓後進入靜態混合器；2）液化天然氣與蒸發氣在靜態混合器中進行充分換熱，混合換熱後的流體進入氣液分離器；3）氣液分離器分離出來的氣體返回至蒸發氣總管，分離出的液相與低壓外輸總管中的液化天然氣匯合後進入罐外增壓泵，增壓、氣化後，進入下游天然氣管網。
6.如權利要求5所述的液化天然氣蒸發氣再冷凝的方法，其特徵在於：氣液分離器頂部出口管路上設定有閥門A；氣液分離器底部出口管路上設定有閥門B；液化天然氣低壓外輸總管與靜態混合器一端相連的管路上設定有閥門C；氣液分離器補氣管線上設定有閥門D；氣液分離器的液位通過閥門B控制；氣液分離器頂部的氣相空間壓力通過閥門A和閥門D控制，壓力控制在0.1~2兆帕（表壓）；蒸發氣在靜態混合器中的冷凝程度通過閥門C控制；靜態混合器出口的介質溫度比該介質在罐外增壓泵入口壓力下所對應的飽和溫度低0~30度。
實施方式
- 實施例
如圖3所示，液化天然氣接收站的BOG再冷凝系統主要包括LNG儲罐101、LNG罐內低壓泵102、LNG罐外增壓泵104、BOG壓縮機105、BOG壓縮機出口換熱器106、氣化器107、火炬108、靜態混合器109、氣液分離器110。儲罐中產生的BOG通過蒸發氣總管進入BOG壓縮機105加壓，再經換熱器106換熱後進入靜態混合器109。儲罐中的LNG通過罐內低壓泵102增壓後具有一定的過冷度，一部分LNG進入靜態混合器109與BOG進行換熱。混合換熱後的流體進入氣液分離器110中進行氣液分離，分離出來的氣體返回至BOG總管，分離出來的液體返回至LNG低壓外輸總管，並且與另一部分外輸LNG混合後進入罐外增壓泵104。LNG經過增壓後，進入氣化器107換熱並且氣化後通過液化天然氣高壓外輸總管進入下游天然氣管網，輸送至居民用戶和（或）工業用戶。
在靜態混合器109中，由於LNG儲罐101操作工況的改變等因素都會造成BOG量的變化，這就需要控制進入靜態混合器中的LNG量，以使其能將所有的BOG全部冷凝，保證下游設備的安全。由於BOG和LNG量的變化，氣液分離器中氣壓會發生波動，氣液分離器中的液位也會呈現不穩定狀態。當液面高度發生變化時，可能會影響LNG罐外增壓泵104入口的壓力穩定，為了保證泵的運行穩定性，需要對氣液分離器109的液位和頂部氣相空間壓力進行相應的控制，壓力控制在0.77兆帕（表壓），靜態混合器出口的介質溫度比該介質在罐外高壓泵入口壓力下所對應的飽和溫度低2度。
《一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統及方法》中的靜態混合器和氣液分離器的控制系統如圖4所示。
靜態混合器109入口端的BOG的流量和溫度信號、LNG的流量和溫度信號以及氣液分離器110中的液體溫度信號分別通過流量變送器K404、溫度變送器L405、流量變送器N407、溫度變送器O408、溫度變送器I402傳輸到邏輯運算器M406中進行邏輯運算，計算冷凝BOG所需的LNG量，並傳輸到流量控制器P409控制閥門C503的開度調節進入混合器的LNG流量，實現BOG的全部再冷凝。液位控制器J403可監測氣液分離器110中的液位，並通過閥門B502控制LNG輸出量。
當氣液分離器110中壓力增加時，壓力變送器H401通過控制閥門A501的開度，將氣液分離器中的BOG排放至系統BOG總管。當氣液分離中的壓力降低時，閥門D504打開，向氣液分離器中充氣，從而增加氣液分離器中的氣相空間壓力。此方法可實現氣液分離器頂部氣相空間的壓力穩定。當氣液分離器中的液位發生變化時，液位控制器J403控制閥門B502的開度，調節輸出的液化天然氣的流量，實現氣液分離器中液位的穩定。
專利榮譽
2021年6月24日，《一種液化天然氣蒸發氣再冷凝系統及方法》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
