用于調(diào)節(jié)液化天然氣容器中壓力的方法和裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于調(diào)節(jié)第一容器(1)中的壓力的方法，所述第一容器(1)具有以液相和氣相存在的物質(zhì)混合物，并且所述物質(zhì)混合物包括第一組分和第二組分，其中，在該方法中，所述物質(zhì)混合物的溫度被設定成使得第一容器(1)中的壓力低于預定值，并且在該設定溫度和第一容器(1)中的壓力下，物質(zhì)混合物僅以液相和氣相(F，G)存在。
【專利說明】用于調(diào)節(jié)液化天然氣容器中壓力的方法和裝置
[0001] 本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1前序部分的用于調(diào)節(jié)容器中的壓力或溫度的方 法，還涉及一種根據(jù)權(quán)利要求11的制冷裝置，尤其是用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。
[0002] LNG(液化天然氣）是主要由甲烷組成的低溫液體，但也可以由更高級的烴組成，例 如乙烷、丙烷和丁烷。此外，LNG也可包含少量的氮氣，其中氮氣的比例根據(jù)LNG的質(zhì)量和純 度而改變。在低溫液化氣體的儲存、運輸和處理期間具體地通過熱量的進入或者壓力的減 少而產(chǎn)生的氣相已知為蒸發(fā)氣體。
[0003] 蒸發(fā)氣體的產(chǎn)生導致該容器中的壓力上升，其必須被補償。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，LNG蒸 發(fā)氣體通?；蛘弑还綒怏w供應網(wǎng)中用于產(chǎn)生能量或熱量，或者在外部再凝結(jié)并返回至 所述液化天然氣容器。由于至少在德國，LNG蒸發(fā)氣體在正常操作中必須不能被輸出至大氣 或燃燒，因此使用例如強制流動換熱器形式的外部LNG超制冷器過冷器，其減少了容器中的 壓力。該技術(shù)相對復雜并且昂貴。
[0004] 基于液氮(LIN)的制冷設備，尤其包括液化天然氣容器中的冷卻盤管，與例如外部 過冷器相比是更簡單且更有利的解決方案。然而在該種情況下，必須確保在制冷設備的冷 表面上沒有甲烷凍結(jié)，儲存容器中的氣相氮含量不會以不受控的方式增加，并且同時壓力 被保持在容器中的最大容許壓力以下。此外，出于安全原因，用于冷卻的氮氣在通過所述液 化天然氣容器之后必須完全氣化，以避免任何低溫液體排放到周圍環(huán)境中。
[0005] 針對該背景，本發(fā)明的目的是提供一種針對上述問題加以改進的方法和制冷裝 置。
[0006] 該問題通過具有權(quán)利要求1所述特征的方法來解決。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明方法的有利實施例尤其在相關(guān)的從屬權(quán)利要求中描述。
[0008] 根據(jù)權(quán)利要求1，對物質(zhì)混合物的溫度預先采取措施，使其設定為使得第一容器中 的壓力低于預定值，并且物質(zhì)混合物在該設定溫度以及第一容器的壓力下以液相或氣相存 在，具體而言，所述物質(zhì)混合物不會形成固相。
[0009] 第一容器中的壓力和溫度因此被選擇為使得，例如在天然氣的情況下，所有天然 氣組分（即，尤其是甲烷)為氣態(tài)或液態(tài)。如果壓力和溫度描述了天然氣在相圖中位于"液相 線"以上的狀態(tài)就是這種情況。在液相線以上，所述組分處于液相，并且在"固相線"下方，天 然氣的所有成分均處于固相。在液相線處，在LNG的情況下，尤其甲烷開始凍結(jié)并進入固相。 未超過第一容器中的壓力的預定值具體地根據(jù)容器的類型來計算。然而不管如何，該值均 小于第一容器設計的最大壓力值并且也大于環(huán)境空氣可被吸入的壓力值，即，第一容器優(yōu) 選地保持在大氣壓力以上。這種容器的壓力值尤其在50毫巴和16巴超壓之間變化，使得預 定壓力值與第一容器一致地介于該范圍內(nèi)。
[0010] 在本發(fā)明的一個變型中，提供了一種包括液化天然氣的物質(zhì)混合物，其中第一組 分是烴，尤其是甲烷，其中第二組分尤其是氮氣。如已經(jīng)提及的，物質(zhì)混合物也可以包括其 它的組分，例如乙烷、丙烷和/或丁烷，以及更重的烷烴。在本發(fā)明的一個變型中，物質(zhì)混合 物的欲被設定的溫度通過確定第一組分(尤其是甲烷)的摩爾分數(shù)來確定。
[0011] 在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，甲烷的摩爾分數(shù)，具體而言是物質(zhì)混合物的第一組分 的摩爾分數(shù)根據(jù)第一容器中的壓力和溫度測量來確定，其中，為了確定摩爾分數(shù)，具體地將 氮氣/甲烷物質(zhì)混合物的對應沸點作為第一容器中的主要壓力和第一容器中的主要溫度的 基礎。換言之，甲烷含量具體地根據(jù)在物質(zhì)混合物的各壓力處的沸騰曲線的已知輪廓來確 定，其中所述物質(zhì)混合物此處優(yōu)選地假定為純的甲烷/氮氣混合物。通過測量第一容器中的 壓力和溫度，從而可以確定相應壓力下的溫度/摩爾分數(shù)圖中甲烷的摩爾分數(shù)，因為所測量 的溫度具體地對應于第一容器中物質(zhì)混合物的沸騰溫度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，以這種方式確定的甲 烷摩爾分數(shù)在小的誤差范圍內(nèi)對應于實際存在的物質(zhì)混合物的甲烷含量，該物質(zhì)混合物除 了甲烷和氮氣外還可包括另外的物質(zhì)（參見上文）。
[0012] 壓力和溫度優(yōu)選在第一容器中的物質(zhì)混合物的液相中測量。這種確定甲烷摩爾分 數(shù)的方法尤其也可用于尤其存在于LNG中的具有其它組分(例如乙烷)的物質(zhì)混合物，因為， 在LNG特有的乙烷濃度下，沸騰曲線的輪廓基本上完全取決于氮氣和甲烷的含量。
[0013] 在本發(fā)明的一個優(yōu)選變型中，第一容器中的溫度通過與制冷劑的間接熱交換來調(diào) 節(jié)，其中，制冷劑尤其包括氮氣。制冷劑例如是通過容納有液氮的外部氮氣儲存器來提供。
[0014] 在本發(fā)明的一個實施例中，制冷劑經(jīng)過第一容器，其中制冷劑具體地流經(jīng)設置于 第一容器中的制冷劑管線(例如冷卻盤管或其它換熱器的形式），并且其中在進入第一容器 之前制冷劑流具有第一溫度和第一壓力，在從第一容器排出后具有第二溫度和第二壓力。 所述第二溫度和第二壓力優(yōu)選地使得制冷劑以氣相存在。此外，第一溫度和第一壓力優(yōu)選 地使得制冷劑至少部分地以液相存在。
[0015] 制冷劑(尤其是氮氣），從物質(zhì)混合物尤其是(尤其是LNG)吸收熱量，其導致第一容 器中壓力的下降。制冷劑的第一溫度和第一壓力的設定尤其固定了制冷劑的沸點。
[0016] 此外，在本發(fā)明的一個變型中，第一容器中的制冷劑流的第一壓力以及尤其是第 一溫度被設定成使得，在制冷劑管線中的主要壓力下制冷劑的沸騰溫度在罐中的氣相物質(zhì) 混合物的露點以下，并且尤其在罐中液相的沸騰溫度以下，并且其中制冷劑的沸騰溫度高 于罐中的物質(zhì)混合物的液相溫度。
[0017] 已知液體的沸點尤其取決于壓力，設定合適的壓力便設定了沸點，并因此設定了 制冷劑的氣化溫度(術(shù)語沸騰曲線用于相圖）。因此例如完全可能的是，由于第一容器中與 制冷劑管線和/或換熱器中具有不同壓力，因此具體而言用作制冷劑的氮氣與例如第一容 器中的物質(zhì)混合物相比具有不同的沸騰溫度。制冷劑的壓力和/或質(zhì)量流速尤其設定成使 得制冷劑在流經(jīng)第一容器（以及相關(guān)的熱吸收)之后以氣相存在。此外，以這種方式確保了 制冷劑的溫度不會被設定得高到以至于在第一容器中不會發(fā)生物質(zhì)混合物氣相的冷凝。此 外，制冷劑的溫度不會被設定得低到以至于組分(尤其是甲烷)在第一容器中的主要壓力條 件以及混合物組成條件下進入固相，即，在制冷劑管線上結(jié)冰，這將導致傳遞至制冷劑的熱 量減少，因為尤其甲烷冰是一種相當好的熱絕緣體。
[0018] 本發(fā)明的一個變型提供了第一閥，其具體地設置在第一容器的上游以調(diào)節(jié)制冷劑 流，其中如果第一容器中的壓力超過預定值，則制冷劑流量增加，并且其中如果制冷劑在流 經(jīng)第一容器后不完全以氣相存在或者第一容器中的壓力降至預定值以下，則制冷劑流量減 少。從而避免了在制冷過程結(jié)束時尤其是低溫液體例如排放到開放的周圍環(huán)境中。
[0019] 在本發(fā)明的優(yōu)選變型中，提供設置在具體地第一容器下游的第二閥，其具體地調(diào) 節(jié)制冷劑流的壓力和溫度。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的問題另外通過一種根據(jù)權(quán)利要求11的制冷裝置來解決。
[0021] 該制冷裝置用于調(diào)節(jié)用于物質(zhì)混合物、尤其用于液化氣，尤其用于液化天然氣的 第一容器中的壓力，在該情況下包括以下特征：
[0022] 制冷劑儲存器，制冷劑管線從該制冷劑儲存器以制冷劑輸送的方式被引導經(jīng)過所 述第一容器，
[0023] 第一閥，用于調(diào)節(jié)制冷劑管線中的制冷劑流，其設置在第一容器的上游，
[0024] 第二閥，用于調(diào)節(jié)制冷劑流的壓力和溫度，其設置在第一容器下游的制冷劑管線 中，以及
[0025]壓力計和溫度計，其被構(gòu)造成測量第一容器中的壓力和溫度。
[0026] 此處所述溫度計被構(gòu)造成使得溫度測量優(yōu)選地在第一容器的位于第一容器中的 填充液位下方的點處進行。
[0027] 在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，當容器被填充以物質(zhì)混合物時，所述制冷劑管線 至少部分地延伸至第一容器中物質(zhì)混合物的液位上方。
[0028] 在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，被構(gòu)造成容納所述物質(zhì)混合物的第二容器至少熱 傳導地連接至第一容器，其中尤其是物質(zhì)混合物的氣相和/或液相可以在第一和第二容器 之間來回流動。
[0029] 此處壓力和溫度的調(diào)節(jié)也可以用于第二容器，盡管沒有制冷劑管線穿過第二容 器，因為至少可以確保第一和第二容器之間的熱交換。
[0030] 下面對于本發(fā)明實例性實施例附圖的描述參照附圖進一步解釋了本發(fā)明的其它 特征和優(yōu)點，其中：
[0031] 圖1示出了用于兩種不同壓力的甲烷/氮氣混合物的相圖；
[0032]圖2示出了甲烷/氮氣混合物以及具有7%乙烷摩爾分數(shù)的甲烷/氮氣/乙烷混合物 的相圖；
[0033] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的制冷裝置的示意性表示；
[0034] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一制冷裝置的示意性表示；以及
[0035] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的具有兩個容器的制冷裝置的示意性表示。
[0036]圖1示出了甲烷/氮氣混合物形式的物質(zhì)混合物在1.5巴(a)的壓力115下和6(a)巴 的壓力106下的相圖106、115。沸騰曲線SL1( 1.5巴）和SL2(6巴）以及露點或冷凝曲線TL1 (1.5巴）和TL2(6巴）被分別描繪出。此外，液相線L被描繪出。從相圖中可以清楚地看出，液 相溫度強烈取決于物質(zhì)混合物中的甲烷含量(X軸)并且隨著甲烷含量的降低也降低。
[0037]此外，在所選的實施例中，在液相線L和沸騰曲線SL1之間始終具有至少15K的溫 差。
[0038]制冷劑的溫度隨后被精確調(diào)整，以使得制冷劑的第一溫度T1根據(jù)甲烷/氮氣混合 物的甲烷摩爾分數(shù)在沸騰曲線SL1、SL2的下方延伸，但是位于液相線L的上方。這非常容易 實現(xiàn)給出的液相線L與沸騰曲線SL1之間的溫差(例如，第一溫度可以設置為比沸騰曲線SL1 低10K)。以這種方式，可以確保甲烷不會結(jié)冰并且同時制冷劑的第一溫度T1充分低，足以冷 卻所述物質(zhì)混合物，使得氣相G的部分被轉(zhuǎn)換成液相F，條件是第一容器1中的壓力已經(jīng)達到 引導值。
[0039]然后可以實現(xiàn)，例如中斷制冷并且僅當?shù)谝蝗萜?中的壓力達到預定壓力值時才 繼續(xù)，隨后再次執(zhí)行制冷，從預定值下降到引導值。
[0040] 因此從圖1中可以清楚地看出，制冷劑必須具有怎樣的第一溫度作為液相線L和相 應沸騰曲線SL1/SL2的函數(shù)，才能根據(jù)本發(fā)明對第一容器1中的溫度和壓力進行調(diào)節(jié)。
[0041] 圖2描述了兩個相圖115、116,其中第一相圖115對應于純的甲烷/氮氣混合物（也 參見附圖1)。另一相圖116(同樣被繪制為對應1.5巴的壓力)示出了如果7%的乙烷被另外 混合入甲烷/氮氣混合物時的沸騰曲線SL3和冷凝曲線TL3的輪廓?？梢钥闯龇序v曲線SL1和 SL3僅略微不同?？梢該?jù)此推斷出，兩種物質(zhì)混合物的液相甲烷含量可以大致通過第一容器 1中的溫度和壓力測量來確定。因此，例如，第一容器1中處于1.5巴壓力和例如85K溫度117 下的物質(zhì)混合物具有50%的甲烷含量(或者是摩爾分數(shù)），實質(zhì)上與物質(zhì)混合物中的乙烷含 量無關(guān)。通過這種甲烷含量的確定方式，可以隨后確定可用來冷卻物質(zhì)混合物的制冷劑的 第一溫度T1。應當注意，對于LNG中產(chǎn)生的典型濃度的其他組分(例如乙烷、丙烷、丁烷等）， 甲烷/氮氣混合物的沸騰曲線僅有細微變化。然而，只要其它組分的濃度與LNG的傳統(tǒng)組成 偏離至一顯著程度，也可導致完全不同的沸騰曲線輪廓。
[0042] 從圖2中可以清楚地看出，即便純的氣相氮（甲烷含量0 % )也可以在冷卻時冷凝。 如果僅氮氣儲存在第一容器1中，則在77K下，以87K為目標溫度使用液氮作為制冷劑，可在 第一容器1中產(chǎn)生87K的氣相氮以及第一容器1中產(chǎn)生2.7巴的對應壓力。
[0043] 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的制冷裝置，包括被構(gòu)造成用于容納物質(zhì)混合物，尤其是 LNG的第一容器1。第一容器1優(yōu)選地包括熱絕緣，其將物質(zhì)混合物與環(huán)境熱量熱隔離。所述 物質(zhì)混合物可以存儲在第一容器1的內(nèi)部2。溫度和壓力計3也設置于其內(nèi)，利用該溫度和壓 力計3,溫度和壓力可以優(yōu)選在物質(zhì)混合物的液相F中測定。外部液氮儲存器4通過第一閥5 經(jīng)由制冷劑管線6連接至第一容器1。第一閥5尤其用于調(diào)節(jié)制冷劑管線6中制冷劑流。液氮 在制冷劑管線6內(nèi)經(jīng)過第一容器1，制冷劑管線6尤其可采用至少在適當位置、在第一壓力P1 和第一溫度T1下采用冷卻盤管7的形式，其中具體地第一溫度T1在經(jīng)過冷卻盤管7時上升至 第二溫度T2。隨后制冷劑在第二溫度T2下從第一容器1被再次抽出，其中第二閥8被設置在 制冷劑管線6中，具體而言第一壓力P1和第一溫度T1可利用第二閥設定。在該實例性實施例 中，制冷劑管線6或冷卻盤管7在第一容器1中完全在物質(zhì)混合物的氣相G中延伸。
[0044] 在圖4中，相反地，制冷劑管線6或冷卻盤管7的位于第一容器1中的部分在物質(zhì)混 合物的氣相G和液相F兩種相中延伸。冷卻盤管7的該種布置更好地確保了制冷劑通過流經(jīng) 物質(zhì)混合物的液相F而完全進入氣相，并且因此在第二閥8處已經(jīng)完全以氣相存在，從而避 免了低溫液體的排出。
[0045] 此外，在根據(jù)圖4的實例性實施例中，可提供溫差計DT，其測量第一溫度Tl(入口溫 度）和第二溫度（出口溫度)之間的差值。在該差值的基礎上，可得出關(guān)于在第二閥8處的制 冷劑狀態(tài)的結(jié)論?？蛇x地，第二壓力Ρ2和第二溫度Τ2可在第二閥8的上游測量，因此同樣可 以確定制冷劑的狀態(tài)。
[0046]在第三變型中，確保制冷劑已經(jīng)在第一溫度Τ1和第一壓力Ρ1下沸騰。第一閥5隨后 調(diào)節(jié)制冷劑流，一方面使得它確保物質(zhì)混合物的充分冷卻，另一方面使得制冷劑在第二閥8 處以氣相存在。第一閥5和第二閥8的控制可以例如通過PID控制系統(tǒng)進行，其中完全氣相的 制冷劑的存在將作為限制。
[0047]圖5示出了另一個實例性實施例，其中第二容器lb連接至第一容器1，其中壓力和 溫度的調(diào)節(jié)僅在第一容器1中發(fā)生，并且由于熱傳導也對第二容器lb有影響。
[0048] 參考標號列表 「00491
【主權(quán)項】
1. 一種用于調(diào)節(jié)第一容器（1)中的壓力的方法，所述第一容器（1)包括以液相和氣相存 在的物質(zhì)混合物，所述物質(zhì)混合物包括第一組分和第二組分，其特征在于，所述物質(zhì)混合物 的溫度被設定成使得所述第一容器（1)中的所述壓力在預定值以下，并且所述物質(zhì)混合物 在所述設定溫度和所述第一容器(1)中的主要壓力下僅以液相(F)和氣相(G)存在。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述物質(zhì)混合物包括液化天然氣，其中所 述第一組分是烴，尤其是甲烷，其中所述第二組分尤其是氮。3. 根據(jù)前述權(quán)利要求其中一項所述的方法，其特征在于，為了確定所述第一組分，尤其 是甲烷的摩爾分數(shù)，執(zhí)行所述物質(zhì)混合物的壓力和溫度的測量，其中尤其是所述摩爾分數(shù) 通過與壓力相關(guān)的沸騰曲線來確定，其中尤其是氮/甲烷物質(zhì)混合物的沸騰曲線被用作基 礎。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述物質(zhì)混合物的溫度介于與所述第一組 分的所述確定的摩爾分數(shù)相關(guān)的、所述物質(zhì)混合物的液相線(L)的溫度和與所述確定的摩 爾分數(shù)相關(guān)的、所述物質(zhì)混合物的露點曲線或所述物質(zhì)混合物的所述沸騰曲線的溫度之 間。5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中一項所述的方法，其特征在于，所述第一容器（1)中的溫度是通 過所述物質(zhì)混合物和制冷劑之間的間接熱交換來設定，其中所述制冷劑尤其包括氮或由氮 形成。6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中一項所述的方法，其特征在于，所述制冷劑以制冷劑流的形式 通過所述第一容器(1)，其中在進入所述第一容器(1)之前所述制冷劑流具有第一溫度(Tl) 和第一壓力(Pl)，而在從所述第一容器（1)離開之后具有第二溫度(T2)和第二壓力(P2)，并 且其中所述第二溫度(T2)和所述第二壓力(P2)使得所述制冷劑流以氣相存在，并且其中所 述第一溫度(Tl)和所述第一壓力(Pl)尤其是使得所述制冷劑流至少部分地以液相存在。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一容器（1)中的制冷劑流的第一壓 力(Pl)被設定成使得所述制冷劑的沸騰溫度在所述物質(zhì)混合物的沸騰溫度以下，并且尤其 在天然氣的沸點以下，并且尤其在氮氣的沸點以下，并且其中所述制冷劑的沸騰溫度等于 或高于所述物質(zhì)混合物的液相溫度。8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述制冷劑流的所述第一溫度(Tl)介 于與所述第一組分的所述確定的摩爾分數(shù)相關(guān)的、所述物質(zhì)混合物的所述液相線(L)的溫 度和與所述確定的摩爾分數(shù)相關(guān)的、所述物質(zhì)混合物的所述沸騰曲線的溫度之間。9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中一項所述的方法，其特征在于，通過尤其設置于所述第一容器 (1)上游的第一閥（5)，制冷劑流被調(diào)節(jié)，其中如果所述第一容器(1)中的所述壓力超過預定 值，則所述制冷劑流增加，其中如果所述制冷劑在流經(jīng)所述第一容器（1)之后不完全以氣相 存在，則所述制冷劑流減少。10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中一項所述的方法，其特征在于，通過尤其設置于所述第一容器 (1)下游的第二閥（8)，所述制冷劑流的壓力和溫度被調(diào)節(jié)，其中沸騰的制冷劑流的壓力如 下進行設定:在所述物質(zhì)混合物的確定成分下或者在所述物質(zhì)混合物的所述第一組份的確 定摩爾分數(shù)下，所述制冷劑流的沸騰溫度高于所述液相線(L)并低于所述物質(zhì)混合物的沸 騰曲線。11. 一種制冷裝置，用于調(diào)節(jié)用于物質(zhì)混合物，尤其用于液化氣，尤其用于液化天然氣 的第一容器（1)中的壓力，尤其利用權(quán)利要求1至10其中一項所述的方法，所述制冷裝置具 有： 制冷劑儲存器(4)，制冷劑管線(6)從所述制冷劑儲存器(4)被引導經(jīng)過所述第一容器 ⑴， 第一閥（5)，用于調(diào)節(jié)所述制冷劑管線中所引導的制冷劑流，其中所述第一閥（5)設置 于所述第一容器(1)的上游， 第二閥（8)，用于調(diào)節(jié)所述制冷劑管線中所引導的所述制冷劑流的壓力和溫度，其中所 述第二閥(8)設置于所述第一容器(1)的下游， 壓力計和溫度計(3)，用于測量所述第一容器（1)中的所述物質(zhì)混合物的壓力和溫度。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的制冷裝置，其特征在于，當所述容器被填充以所述物質(zhì)混合 物時，所述制冷劑管線(6)被構(gòu)造成至少部分地延伸到所述第一容器(1)中的所述物質(zhì)混合 物的液位(200)之上。13. 根據(jù)權(quán)利要求11至12其中一項所述的制冷裝置，其特征在于，同樣被構(gòu)造成容納所 述物質(zhì)混合物的第二容器（Ib)至少熱傳導地連接至所述第一容器（1)，其中尤其是所述兩 個容器（1，Ib)如下進行連接:氣相(G)和/或液相(F)的所述物質(zhì)混合物可以在所述兩個容 器(l，lb)之間來回流動。
【文檔編號】F17C13/02GK105899867SQ201480060105
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年9月30日
【發(fā)明人】C·溫德邁爾, R·霍夫曼, D·拉梅斯
【申請人】林德股份公司