專利名稱：基于lng衛(wèi)星站冷能利用的倒灌式空氣分離系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及深冷空氣分離系統(tǒng)，尤其涉及一種基于LNG衛(wèi)星站冷能利用的倒 灌式空氣分離系統(tǒng)。
背景技術：
液化天然氣(LNG)是通過低溫液化工藝制成的低溫液體混合物，是一種十分潔凈 的燃料，其主要成分為甲烷(由于產地差異，甲烷含量從80% 90%不等)。近年來，我國 沿海多個地區(qū)建成或規(guī)劃建造LNG接收站，站內的LNG在輸送到用戶前，通常需要利用海水 或空氣對其加熱汽化，在此過程中沒有對汽化潛熱以及復溫顯熱(0. IMPa下從112K汽化 成300K的天然氣時所釋放的冷能約為950kJ/kg)很好地加以利用，從而造成極大的資源浪 費。深冷空分設備為獲得77K的液氮溫區(qū)，需要消耗大量的機械功，是一種能耗較高的流程 設備。鑒于LNG冷能溫度位與空分所需溫度相近，合理利用LNG的冷能以減少空分流程中 的壓縮能耗是一種可行方案。利用LNG冷能的空分流程有以下3個主要優(yōu)點一是在離LNG 最接近的溫度位對其冷能進行利用，可用能利用程度高；二是可以在較低能耗指標下得到 大量液態(tài)產品；三是可以縮短空分流程啟動時間。大型LNG接收站為廣泛類型的用戶供氣， 包括調峰電廠、化工企業(yè)、城市用氣等，因此供氣相對比較平穩(wěn)，可供利用的冷能量也比較 穩(wěn)定。然而，主要負責個別城市天然氣供應的LNG衛(wèi)星站卻有很大的不同，其LNG消費量隨 季節(jié)以及日夜甚至各時段用氣量的不同而呈現(xiàn)波動特征，因此所能提供的冷能也會隨時間 按一定規(guī)律波動。若想合理利用LNG衛(wèi)星站的冷能，需要采取相應的措施解決該不穩(wěn)定問 題，特別是對于基于LNG冷能的空分系統(tǒng)，如何保證其穩(wěn)定運行是非常關鍵的。本實用新型 針對上述問題，提出一種小型空分流程，可實現(xiàn)相應工況調節(jié)來適應LNG冷能的波動。
發(fā)明內容本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于LNG衛(wèi)星站冷能利用的 倒灌式空氣分離系統(tǒng)?；贚NG衛(wèi)星站冷能利用的倒灌式空氣分離系統(tǒng)包括空氣過濾器、空氣壓縮機、 水冷機組、空氣純化器、主換熱器、過冷器、氮氣壓縮機、LNG換熱器、天然氣壓縮機、空氣預 冷器、LNG儲罐、液氮儲罐、精餾系統(tǒng)，精餾系統(tǒng)包括下塔、冷凝蒸發(fā)器、上塔；空氣過濾器與 空氣預冷器、空氣壓縮機、水冷機組、空氣純化器、主換熱器的進料空氣流道、下塔下部進 料空氣進口依次相連，上塔頂部的產品氮氣出口與過冷器、主換熱器的產品氮氣流道、空氣 預冷器依次相連，下塔上端部的循環(huán)氮氣出口與主換熱器的冷循環(huán)氮氣流道、氮壓縮機、水 冷機組、LNG換熱器的循環(huán)氮氣流道、主換熱器的熱循環(huán)氮氣流道、下塔上端部的循環(huán)氮氣 進口依次相連，冷凝蒸發(fā)器液氮出口分為兩路，冷凝蒸發(fā)器液氮出口一路與液氮儲罐、精餾 系統(tǒng)的下塔端部的倒灌液氮進口依次相連，冷凝蒸發(fā)器液氮出口另一路與過冷器、上塔的 液氮進口依次相連，下塔底部的富氧液空出口與過冷器、上塔的富氧液空進口依次相連， LNG儲罐與LNG換熱器的LNG流道、天然氣壓縮機依次相連。[0005]本實用新型是基于LNG衛(wèi)星站冷能利用的倒灌式空氣分離系統(tǒng)，通過調節(jié)循環(huán)氮 氣量來適應LNG用量的波動，同時利用倒灌液氮的方法在LNG所供冷量不足時補足系統(tǒng)所 需的制冷量要求。在空分流程引進LNG冷量后取消了氮氣外循環(huán)系統(tǒng)，設備上省去了氮透 平膨脹機和氟利昂制冷機組，使流程得到了簡化。主換熱器出口處的循環(huán)氮氣溫度被從傳 統(tǒng)的100K左右提升至253 263K，避免了傳統(tǒng)系統(tǒng)中循環(huán)氮氣的低溫壓縮問題。由于循環(huán) 氮氣的出口溫度提高，使得主換熱器的其他幾股用于冷卻進料空氣的流體溫度降低，而這 部分剩余的冷量又通過與壓縮機前的進料空氣換熱，復溫至常溫后排出，使得進料空氣的 溫度進一步降低至273K 280K，從而又節(jié)約了空壓機的能耗。

圖1是倒灌液氮與循環(huán)氮氣聯(lián)合調節(jié)的LNG預冷循環(huán)氮氣空分流程；圖中空氣過濾器1、空氣壓縮機2、水冷機組3、空氣純化器4、主換熱器5、下塔6、 冷凝蒸發(fā)器7、上塔8、過冷器9、氮氣壓縮機10、LNG換熱器11、天然氣壓縮機12、空氣預冷 器13、LNG儲罐14、液氮儲罐15、精餾系統(tǒng)16。
具體實施方式
如圖1所示，基于LNG衛(wèi)星站冷能利用的倒灌式空氣分離系統(tǒng)包括空氣過濾器1、 空氣壓縮機2、水冷機組3、空氣純化器4、主換熱器5、過冷器9、氮氣壓縮機10、LNG換熱器 11、天然氣壓縮機12、空氣預冷器13、LNG儲罐14、液氮儲罐15、精餾系統(tǒng)16，精餾系統(tǒng)16 包括下塔6、冷凝蒸發(fā)器7、上塔8 ；空氣過濾器1與空氣預冷器13、空氣壓縮機2、水冷機組 3、空氣純化器4、主換熱器5的進料空氣流道、下塔6下部進料空氣進口依次相連，上塔8頂 部的產品氮氣出口與過冷器9、主換熱器5的產品氮氣流道、空氣預冷器13依次相連，下 塔6上端部的循環(huán)氮氣出口與主換熱器5的冷循環(huán)氮氣流道、氮壓縮機10、水冷機組3、LNG 換熱器11的循環(huán)氮氣流道、主換熱器5的熱循環(huán)氮氣流道、下塔6上端部的循環(huán)氮氣進口 依次相連，冷凝蒸發(fā)器7液氮出口分為兩路，冷凝蒸發(fā)器7液氮出口一路與液氮儲罐15、精 餾系統(tǒng)16的下塔6端部的倒灌液氮進口依次相連，冷凝蒸發(fā)器7液氮出口另一路與過冷器 9、上塔8的液氮進口依次相連，下塔6底部的富氧液空出口與過冷器9、上塔8的富氧液空 進口依次相連，LNG儲罐14與LNG換熱器11的LNG流道、天然氣壓縮機12依次相連?；贚NG衛(wèi)星站冷能利用的倒灌式空氣分離方法是進料空氣經空氣過濾器1過 濾，與空氣預冷器13中的產品氮氣和污氮氣換熱后，進入空壓機2加壓至0. 58MPa，水冷至 293K后進入空氣純化系統(tǒng)4除去其中的水分和二氧化碳，進入主換熱器5被循環(huán)氮氣、產 品氮氣和污氮氣冷卻，進入下塔6底部精餾，下塔6內空氣與回流液氮在多層塔板上反復冷 凝和蒸發(fā)，下塔底部積聚富氧液空，富氧液空通過過冷器9過冷，經節(jié)流閥降壓至0. 13 0. 14MPa，進入上塔8提供上塔冷量；下塔上端部富集的氮氣通過冷凝蒸發(fā)器7冷凝成液氮， 當LNG用量小于LNG衛(wèi)星站LNG平均用量時，冷凝成的液氮全部經過冷器9進一步降溫，再 經液氮節(jié)流閥降壓至0. 13 0. 14MPa,進入上塔8頂部作為上塔的回流液體；當LNG用量 大于LNG衛(wèi)星站LNG平均用量時，冷凝成的液氮一部分經過冷器9進一步降溫，經液氮節(jié)流 閥降壓至0. 13 0. 14MPa，進入上塔8頂部作為上塔的回流液體，冷凝成的液氮另一部分進 入液氮儲液罐15儲存，當LNG用量小于LNG衛(wèi)星站LNG平均用量時，液氮儲液罐15儲存的液氮倒灌進入下塔6，補充冷量，以維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行；上塔8頂部的產品氮氣以及上塔中 上部的污氮氣經過過冷器9回收部分冷量，進入主換熱器5，冷卻進料空氣和過冷經過LNG 換熱器后的循環(huán)氮氣，再與壓縮前的進料空氣換熱，充分利用其殘余的冷量，使進入空氣壓 縮機2的空氣溫度降低至273K 280K，以減小空氣壓縮機2的能耗；下塔6上端部的循環(huán) 氮氣經過主換熱器5冷卻進料空氣，溫度升至253K 263K的循環(huán)氮氣進入氮壓縮機10加 壓至3. 3MPa,經冷水機組3降溫后，進入LNG換熱器11吸收LNG的汽化潛熱和復溫顯熱，循 環(huán)氮氣液化后進入主換熱器5繼續(xù)與產品氮氣、污氮氣以及循環(huán)氮氣換熱，得到的過冷液 氮通過節(jié)流閥降壓至0. 55MPa,回到下塔6提供冷量。空氣100經過空氣過濾器1過濾掉灰塵等機械雜質后101，先經過與出流的氮氣 502和污氮氣602換熱，冷卻至263K 273K左右，然后進入空壓機2加壓至0. 58MPa，再 經過水冷至293K，隨后進入空氣純化系統(tǒng)除去其中的水分和二氧化碳；接著，這部分經過 預處理的空氣102進入主換熱器5進行冷卻，在主換熱器5中，冷卻進料空氣的的冷量由3 股流體提供，分別是循環(huán)氮氣401、產品氮氣501和污氮601。在主換熱器5出口，進料空氣 102被冷卻至99K 102K，然后進入下塔6底部開始精餾。下塔內空氣與回流液氮在多層塔板上反復冷凝和蒸發(fā)，在下塔底部積聚了含有較 多液氧的富氧液空200，抽出后通過過冷器9過冷，然后經節(jié)流閥降壓至略高于上塔壓力 (0. 13 0. 14MPa)，進入上塔8提供上塔冷量；下塔頂部富集氮氣400，通過冷凝蒸發(fā)器7冷 凝成液氮403后，一部分液氮405被引出下塔，經過過冷器9進一步降溫后，再經液氮節(jié)流 閥降壓至略高于上塔壓力(0. 13 0. 14MPa)，進入上塔8頂部作為上塔的回流液體；當LNG 用量大于平均用量時，有另一部分液氮404產生，該部分液氮流到液氮儲液罐15儲存，用于 當LNG用量小于平均用量時倒灌通入下塔6，來補足冷量，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。上塔8頂部的產品氮氣500以及近塔頂處引出的污氮氣600經過過冷器9回收部 分冷量后，進入主換熱器5，冷卻進料空氣102和過冷經過LNG換熱器后的循環(huán)氮氣408 ；之 后再與壓縮前的進料空氣101換熱，充分利用其殘余的冷量，使空氣在進壓縮機2前的溫度 盡量低，以減小壓縮機能耗。下塔6上端部的循環(huán)氮氣401首先經過主換熱器5冷卻進料空氣102，并以253K 263K的溫度出主換熱器，隨后進入氮壓縮機10加壓至3. 3MPa,經冷水機組3降溫后，直接 進入LNG換熱器11吸收LNG汽化潛熱和復溫顯熱，液化后408進入主換熱器5的后部繼續(xù) 與出流的產品氮氣501、污氮氣601以及循環(huán)氮氣401換熱，過冷液體409流出主換熱器5 后通過節(jié)流閥降壓至約0. 55MPa,回到下塔6提供冷量，完成一個循環(huán)。典型工況算例基于LNG衛(wèi)星站冷能利用的倒灌式空氣分離系統(tǒng)流程得到的主產品為液氧(純 度0. 999)，附帶得到大量的氮氣產品(純度0. 9999)。通過對循環(huán)氮氣的調節(jié)，下面根據 LNG衛(wèi)星站實際LNG使用量波動情況，對LNG用量分別為9000kg/h、7000kg/h、5000kg/h和 3000kg/h的四種工況進行模擬。這些算例僅用于說明本實用新型而不用于限制本實用新型 的范圍，從本實用新型簡單延伸而未做創(chuàng)造性改變的流程系統(tǒng)及方法均應落于本實用新型 所附權利要求書所限定的范圍。進料空氣的初始狀態(tài)參數為0. lMPa、293K，摩爾組分為(N2 0. 781，O2 0. 210%, Ar 0. 009% )，加工氣量為30000kg/h。在模擬計算值中，物性方程選用SRK方程，壓縮機等熵效率取0. 85，機械效率為0. 9。LNG組分按如下組分比例(CH4 82. 3%,C2H6 11. 2%,C3H8 4.6%, N2 :0.8%，其他1. )計算，LNG換熱器進口參數取為0. 2MPa、112K，出口參數為 0. 2MPa、263K。流程模擬計算結果如表1所示，其中液氮產量為負值時表示倒灌液氮，單位
液體產品能耗定義為總能耗與液氮和液氧總產量的比值，即w = Wtotai+mLlN)0表1流程模擬結果 從表1中可以看到，在LNG流量為平均流量時(工況3)，系統(tǒng)全部產液氧，無液氮 產出；在LNG流量大于平均流量時(工況1、2)，增大循環(huán)氮氣流量，系統(tǒng)同時生產液氧、液 氮，而這部分液氮則貯存于液氮罐中，在LNG流量小于平均流量時(工況4)，倒灌入系統(tǒng)以 補足系統(tǒng)所需冷量。循環(huán)氮氣壓縮機進口溫度約在253 263K范圍內波動，消除了低溫壓 縮的困難。
權利要求一種基于LNG衛(wèi)星站冷能利用的倒灌式空氣分離系統(tǒng)，其特征在于包括空氣過濾器(1)、空氣壓縮機(2)、水冷機組(3)、空氣純化器(4)、主換熱器(5)、過冷器(9)、氮氣壓縮機(10)、LNG換熱器(11)、天然氣壓縮機(12)、空氣預冷器(13)、LNG儲罐(14)、液氮儲罐(15)、精餾系統(tǒng)(16)，精餾系統(tǒng)(16)包括下塔(6)、冷凝蒸發(fā)器(7)、上塔(8)；空氣過濾器(1)與空氣預冷器(13)、空氣壓縮機(2)、水冷機組(3)、空氣純化器(4)、主換熱器(5)的進料空氣流道、下塔(6)下部進料空氣進口依次相連，上塔(8)頂部的產品氮氣出口與過冷器(9)、主換熱器(5)的產品氮氣流道、空氣預冷器(13)依次相連，下塔(6)上端部的循環(huán)氮氣出口與主換熱器(5)的冷循環(huán)氮氣流道、氮壓縮機(10)、水冷機組(3)、LNG換熱器(11)的循環(huán)氮氣流道、主換熱器(5)的熱循環(huán)氮氣流道、下塔(6)上端部的循環(huán)氮氣進口依次相連，冷凝蒸發(fā)器(7)液氮出口分為兩路，冷凝蒸發(fā)器(7)液氮出口一路與液氮儲罐(15)、精餾系統(tǒng)(16)的下塔(6)端部的倒灌液氮進口依次相連，冷凝蒸發(fā)器(7)液氮出口另一路與過冷器(9)、上塔(8)的液氮進口依次相連，下塔(6)底部的富氧液空出口與過冷器(9)、上塔(8)的富氧液空進口依次相連，LNG儲罐(14)與LNG換熱器(11)的LNG流道、天然氣壓縮機(12)依次相連。
專利摘要本實用新型公開了一種基于LNG衛(wèi)星站冷能利用的倒灌式空氣分離系統(tǒng)。其特征在于包括空氣過濾器(1)、空氣壓縮機(2)、水冷機組(3)、空氣純化器(4)、主換熱器(5)、過冷器(9)、氮氣壓縮機(10)、LNG換熱器(11)、天然氣壓縮機(12)、空氣預冷器(13)、LNG儲罐(14)、液氮儲罐(15)、精餾系統(tǒng)(16)。本實用新型通過調節(jié)循環(huán)氮氣量來適應LNG用量的波動，同時利用倒灌液氮的方法在LNG所供冷量不足時補足系統(tǒng)所需的制冷量要求。在空分流程引進LNG冷量后取消了氮氣外循環(huán)系統(tǒng)，設備上省去了氮透平膨脹機和氟利昂制冷機組，使流程得到了簡化。
文檔編號F25J3/04GK201653068SQ20102015207
公開日2010年11月24日 申請日期2010年4月6日 優(yōu)先權日2010年4月6日
發(fā)明者湯珂, 沈崴, 金滔 申請人:浙江大學