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CN101707880B - 液化天然气再气化和发电 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了对液化天然气进行再气化并同时发电的系统和方法，其中所述液化天然气的制冷内容物对低压工作流体蒸气进行冷凝，且其中受热的液化天然气和低压工作流体冷凝物的组合制冷内容物对中压工作流体蒸气进行冷凝。

Description

液化天然气再气化和发电
本申请要求于2007年5月30日提交的序号为60/940787的我们的共同待审的美国临时申请的优先权。 
技术领域
本发明的领域是液化天然气(LNG)的再气化，尤其是在再气化的同时进行发电。 
背景技术
液化天然气的再气化需要很大量的热能，且通常液化天然气再气化有利于在将气体输送至现有管线网络之前采用外部热源对液化天然气进行气化。例如，外部热源包括海水、燃烧排放物、来自发电设备的废热、以及环境空气。根据所采用的特定热源，LNG气化器可被构造成开架式海水气化器、浸没燃烧气化器、中间流体气化器(例如，使用乙二醇-水的混合物)，或被构造为环境空气气化器。此外，液化天然气再气化还需要可靠的电源以使液化天然气泵和压缩机进行运转从而将气化的液化天然气产品输送至管线。 
最近，液化天然气中所含的制冷内容物(refrigeration content)还被用作发电过程中的吸热装置。例如，发电设备可与液化天然气再气化装置相联，正如美国专利Nos.4,036,028和4,231,226中所述地，其中来自燃气轮机排放物或热功率发动机的废热被用来直接或间接地(即，使用热传递流体或不使用热传递流体)对液化天然气进行气化。在美国专利6,367,258中描述了相似的构型，其中通过用热传递流体整合液化天然气气化的方式提高了联合循环发电设备的效率，这种用热传递流体整合液化天然气气化的方式还从燃气轮机的空气入口处移除了热量从而进一步提高了功率产量。这种构型通常是能量高效的，但通常需要与现有的发电设备和/或高热源整合在一起。相似地，正如EP 0 496 283所教导地那样，功率是由蒸气膨胀涡轮产生的，所述蒸气膨胀涡轮受到工作流体(此处为水)的驱动，所述工作流体受到燃气轮机排放物的加热且受到液化天然气再气化线路的冷却。尽管这种 构型在某种程度上提高了设备的效率，但仍存在一些问题。例如，由于热传递介质的凝固点相对较高，因此液化天然气的低温制冷内容物的利用率通常是有限的。为了克服这种困难，在兰金循环发电过程中可使用非水流体作为工作流体，在美国专利No.4,388,092中例示出了这种情况。此处，多组分烃流体被用作工作流体，所述工作流体的成分通过蒸馏产生变化以使发电效率最大化。然而，这种多组分体系的运行和控制较为复杂、困难且通常不可行。相似地，可采用闭合循环发电方案，正如WO 2006/111957所述，其中使用热传递流体对液化天然气进行气化。然而，这些构型通常需要热传递流体的高循环率且进一步需要加热器以便提高气化液化天然气的温度从而适应相应的管线规格。因此，尽管其中一些已公知的构型在某种程度上提高了发电的效率，但所取得的效率通常较低且这种工艺复杂的构型很少证明是有效的。 
尽管如此，在发电过程中将液化天然气制冷内容物用作吸热装置是很希望采用的做法，原因在于典型的500MMscfd LNG再气化端子会消耗约10,000kW的功率，这种功率必须以其它方式由外部电网供应。在这种电源不可靠的情况下，该端子还将包括内部发电设备，所述内部发电设备通常会产生不希望数量的废物、排放物和温室气体。因此，且特别是在没有可靠电源的离岸位置或远程位置处，LNG再气化端子难以运行或甚至根本不可能运行。 
因此，尽管在再气化过程中将液化天然气用作吸热装置以便发电的各种工艺和构型是所属领域中已公知的，但这些工艺和构型中所有或几乎所有的工艺或构型都存在一个或多个缺点。因此，仍需要为LNG再气化设备提供改进的发电方案。 
发明内容
本发明涉及对液化天然气进行再气化同时发电的构型和方法，这优选是用环境空气、海水或其它低级热源实现的。最优选地，用多级兰金循环进行发电，其中工作流体在至少两个级上产生膨胀，其中用液化天然气的制冷内容物对下级工作流体进行冷凝，且其中用受热的液化天然气的制冷内容物和下级工作流体冷凝物对中间级工作流体进行冷凝。最通常地，在冷箱中实施工作流体的冷凝。 
在本发明主题的一个方面中，液化天然气再气化和发电系统包括冷箱，其中用液化天然气对下级工作流体蒸气进行冷凝且其中用液化天然气和下级工作流体冷凝物对中间级工作流体蒸气进行冷凝，且其中液化天然气供给物被气化。这种系统将进一步包括被流体联接至所述冷箱和第二膨胀涡轮的第一膨胀涡轮，从而使得所述第一膨胀涡轮将所述中间级工作流体蒸气的第二部分提供给所述冷箱且将所述中间级工作流体蒸气的第一部分提供给所述第二膨胀涡轮。最优选地，所述第二膨胀涡轮产生了所述下级工作流体蒸气，且所述第一膨胀涡轮接收通常作为组合物质流存在的中间级工作流体冷凝物和所述下级工作流体冷凝物。 
特别预想的系统将使得可将所述下级工作流体冷凝物注入所述中间级工作流体蒸气内，且将进一步包括加热器以便对所述中间级工作流体冷凝物、所述下级工作流体冷凝物和/或所述中间级工作流体蒸气的第一部分进行加热。最优选地，所述加热器将使用环境空气、海水或废热中的加热内容物。进一步优选地，所述第一膨胀涡轮被构造以便在介于50psia与250psia之间的压力下将所述中间级工作流体蒸气的所述第一部分提供给所述冷箱，且所述第二膨胀涡轮在介于5psia与50psia之间的压力下产生所述下级工作流体蒸气。此外，所述中间级工作流体蒸气的所述第一部分与所述中间级工作流体蒸气的所述第二部分之间的比率通常优选为至少1.1。 
因此，一种对液化天然气进行再气化并发电的方法包括使工作流体在第一膨胀涡轮中进行膨胀以便产生中压工作流体蒸气并发电的步骤且包括使所述中压工作流体蒸气的第一部分在第二膨胀涡轮中进行膨胀以便产生低压工作流体蒸气和附加功率的进一步的步骤。在更进一步的步骤中，用液化天然气的制冷内容物对所述低压工作流体蒸气进行冷凝以便产生加热的液化天然气和第二冷凝物，且用所述第二冷凝物和所述加热的液化天然气的制冷内容物对所述中压工作流体蒸气的第二部分进行冷凝并产生第一冷凝物和气化的液化天然气。最通常的情况下，第一冷凝物与第二冷凝物随后进行组合以便形成所述工作流体。 
在特别优选的方法中，所述第一冷凝物与所述第二冷凝物在热交换器中进行组合，和/或在冷箱中相应的交换器中形成所述第一冷凝物和所述第二冷凝物。进一步优选地，所述组合的冷凝物和所述中压工作流体蒸气的所述第一部分中的至少一种在加热器中受到加热，所述加热器最优选地由用作热源的环境空气、海水或废热加热。 
在最典型的情况下，且尤其是在所述工作流体是烃和/或混合流体的情况下，所述组合的冷凝物在进入所述第一膨胀涡轮之前具有介于100与500psia之间的压力，所述中压工作流体蒸气具有介于50与250psia之间的压力，且所述低压工作流体蒸气具有介于5与50psia之间的压力。此外，所述中压工作流体蒸气的所述第一部分与所述中压工作流体蒸气的所述第二部分之间的比率为至少1.1。 
从下面对本发明优选实施例进行的详细描述中将更易于理解本发明的各种目的、特征、方面和优点。 
附图说明
图1是利用外部组合的低压工作流体与中压工作流体对液化天然气进行再气化并进行闭合循环发电的典型构型； 
图2是利用内部组合的低压工作流体与中压工作流体对液化天然气进行再气化并进行闭合循环发电的另一典型构型； 
图3是曲线图，图中示出了在使用冷箱的情况下液化天然气与用作工作流体的丙烷之间的复合加热曲线；和 
图4是曲线图，图中示出了在使用冷箱的情况下液化天然气与用作工作流体的混合流体之间的复合加热曲线。 
具体实施方式
本发明的发明人已经发现：可通过在多级兰金循环构型中使用工作流体的方式而有利地利用液化天然气的制冷内容物在LNG再气化设施中产生功率，其中在至少两个热交换级中对液化天然气进行再气化，且其中每个所述交换级接收来自相应的涡轮机或涡轮机级的膨胀的工作流体蒸气。在特别优选的构型中，用受热的液化天然气(通过对低压工作流体进行冷凝产生的)和低压工作流体冷凝物的制冷内容物对所述中压工作流体进行冷凝，且通过多个低温加热源对工作流体进行加热。 
因此，应该认识到：可使用环境空气气化器、海水气化器和/或废 热实现液化天然气再气化和发电，而不必使用燃料气体。此外，这种构型将通常会产生适于进行管线传输的气化液化天然气，而无需进一步设置加热器来提高气化液化天然气的温度。可通过将现有的LNG气化器变为发电设备的方式而采用预想的方法和构型对现有的LNG再气化设备进行改型翻新，或者也可重新设计LNG气化器。在本发明主题的进一步优选的方面中，应该意识到：用过热器提高膨胀器入口处的工作流体蒸气温度以便避免在膨胀器出口处出现过度的冷凝。最优选地，低压工作流体的制冷内容物(通常与受热的液化天然气的制冷内容物一起)被用于对高压工作流体进行冷凝，且冷凝物流体可随后在热交换器内部或外部进行混合。 
图1示意性地示出了多级兰金功率循环的一种典型构型，其中两个兰金循环设备都被流体联接至LNG再气化设备。当然，应该认识到：尽管本文示出了两级膨胀方案，但也可应用三级膨胀或多级膨胀(未示出)。还应该注意到：预想的构型并不限于特定的液化天然气输出量或液化天然气成分，且预想的设备可接收更高或更低的速率、不同的液化天然气和工作流体成分。 
进一步参见图1，在500MMscfd的输出速率下的(来自LNG贮存罐或其它贮存源)液化天然气物质流1通常处在70psig与100psig之间的压力下且处在约-260°F至-250°F的温度下。物质流1通过LNG泵51被泵送至适当的压力，通常为约1200psig至1800psig，从而根据满足管线需求的需要而形成加压液化天然气物质流2。再气化的液化天然气经由交换器61被排出冷箱62，从而成为处在管线压力下且处在约40°F至70°F之间的温度下的物质流3。正如本文所使用地，与数字结合起来的术语“约”指的是从该数字绝对值以下20％至该数字绝对值以上20％的数字范围，该范围包括端点在内。例如，术语“约-150°F”指的是-120°F至-180°F的范围，且术语“约1500psig”指的是1200psig至1800psig的范围。兰金功率循环中所用的工作流体可以是纯组分流体、多组分流体(例如烃和/或其它有机物)。正如易于意识到地，工作流体的特定成分通常取决于输入液化天然气的特定成分、管线压力和所需功率循环压力。还希望根据需要改变工作流体成分和/或循环运行压力以使发电效率最大化。 
流速为6,000gpm、温度通常为40°F且压力为180psia至380psia 的高压液体物质流13在过热器57中产生气化且被过度加热至约60°F至150°F的温度，从而形成了物质流4，所述物质流在高压膨胀器53上产生膨胀而达到约100psia的压力。发电器54被操作性地(通常被共轴地)联接至膨胀器52和53以便发电。应该注意到：过热器57可使用环境空气、海水或其它废热源作为适当的热源。通常处在40°F至80°F温度下的膨胀蒸气物质流5被分成两个部分，物质流7和物质流6。分流比(即物质流7与物质流5之比)通常为0.6，且该分流比将取决于工作流体的成分和热交换器60中进行的液化天然气气化所可提供的制冷内容物。物质流7在加热器58中被直接或间接加热至约60°F至90°F的温度，从而形成了物质流8。同样地，加热器58通常优选可利用来自环境空气或海水或者来自中间热传递流体(例如乙二醇水溶液)的热量。以这种方式被加热的蒸气8在低压膨胀器52上进行膨胀而达到约18psia的压力，从而形成了物质流9。物质流6在交换器60中进行冷却和冷凝，从而形成了饱和液体物质流15。物质流9在交换器59中被充分冷凝，从而形成了物质流10，所述物质流被供给至低压泵55。 
低压泵排出物质流11中的制冷内容物通常处在约-40°F至-80°F的温度下，该制冷内容物经由热交换器63而被用于对物质流6进行冷凝从而(与交换器61中的受热的液化天然气物质流一起)形成了通常处在40°F下的物质流14。物质流14和15被组合起来从而形成了过冷物质流12，所述过冷物质流随后通过高压泵56被泵送至约180psia的压力下，从而形成了物质流13。在这种构型中，应该意识到：在LNG设备的输出量为500MMscfd的情况下，功率循环设备使用LNG设备的发电器54产生了约10,000kW的电功率。 
另一种可选方式是，设备还可具有如图2所示的构型，其中与图1类似的部件具有类似的附图标记。此处，低压泵排放物质流11被直接注入热交换器60内，因此使得无需使用图1所示热交换器63。在这种构型中，蒸气物质流6通过由物质流11进行的热传递而被部分冷凝，且通过交换器61中受热的液化天然气的制冷内容物被完全冷凝至过冷物质流12。对于适当的热交换器来说，应该认识到：热交换器类型可以是螺旋热交换器、板翅式热交换器、钎焊铝热交换器、或适用于新LNG再气化设备或改型翻新的现有设备的芯型热交换器(core type exchanger)。 
图3和图4示出了液化天然气与不同工作流体之间的复合加热曲线，图3中的工作流体为丙烷，图4中的工作流体为混合流体。如前所述，工作流体成分和冷凝温度还取决于功率循环运行压力。使用多个级(两级以上)将进一步缩窄工作流体与液化天然气之间的温度间隙，从而减轻了亏功并提高了发电输出和效率。因此，多级兰金循环进一步促进了发电且提高了效率，然而，附加设备的设置将需要更高的成本投入。 
用于一个交换器或两个交换器的适当热源尤其包括海水、环境空气、发电设备燃气轮机排放物、燃气轮机入口空气和供应至冷却塔的冷却水。然而，还预想了许多其它可选的热源，这包括在除复合循环设备以外的设备中出现的单元。相似地，用于液化天然气冷却物的适当接受器还会涉及许多低温工艺(例如空气分离设备)(其中液化天然气对空气或其它气体进行冷却)、提供烟气的工艺(例如燃气轮机、重整器烟气等)和用作冷却散热器的其它工艺(例如二氧化碳液体生产设备、脱盐设备或食品冷冻设施)。 
在本发明主题进一步预想的方面中，发电设备通常优选与LNG再气化设施和/或LNG接收端子操作性地相联，且特别优选的构型包括这样的构型，在所述构型中，液化天然气的再气化是在用至少一部分液化天然气冷却物产生电功率的工艺中实施的。典型的适当构型可参见我们同时拥有且共同待审的国际专利申请，该申请的序号为PCT/US03/25372(公开号为WO2004/109206A1)和PCT/US03/26805(公开号为WO2004/109180A1)，所述专利申请在此作为参考被引用。 
因此，且根据特定的热源，应该认识到：液化天然气的再气化所需的能量可完全或仅部分地由预想兰金循环排出的热量提供。在热源无法提供足够热量以使工作流体气化和产生过热的情况下，应该认识到：还可补充热量。适当的补充热源包括来自蒸气轮机排放物的废热、来自烟气的冷凝负载、通过空气(例如通过为建筑物提供空气调节)、海水或烟气进行的环境加热。因此，应该意识到：预想的构型和工艺可用于对现有的再气化设备进行改型翻新以便进行本体消耗或提高发电效率和柔性，或也可用于新装置中。 
因此，应该意识到：使用根据本发明主题的构型可实现多个优点。 尤其是，预想的构型通过使用工作流体如丙烷或烃或不同于液化天然气的其它混合物的方式而使得不必进行海水液化天然气气化。本文预想的系统和工艺可与发电过程独立地使用，或与任何类型的发电设备相联，同时仍提供了优点或提高了效率。尤其优选的构型使用多级兰金循环中的液化天然气冷却物，所述液化天然气冷却物使用纯组分或多组分作为工作流体从而利用多级兰金循环中的液化天然气冷却物，以便实现高热效率，同时将LNG输出物泵送至超临界压力下并用来自工作流体的排出热量使液化天然气输出物产生再气化。工作流体被泵送、产生过热且膨胀至低压，由此实现发电，其中用液化天然气输出物的制冷内容物对膨胀的工作流体进行冷凝。应该认识到：根据本发明主题的发电构型可被实施为对现有LNG设施进行的改型翻新或在基层设施(grass root facility)中得到实施。 
因此，上面已经披露了与液化天然气再气化整合在一起的发电构型和方法的特定实施例和应用。然而，所属领域技术人员应该清楚的是：可能在不偏离本文所述的发明概念的情况下做出除已经描述的那些型式以外的更多变型。因此，本发明的主题仅受到本发明披露内容精神的限制。此外，在解释说明书和预想权利要求的过程中，所有术语都应该以与前后关系一致的尽可能广泛的方式被解释。特别是，术语“包括(comprises)”和“包括(comprising)”应该被解释为以非排它的方式说明元件、部件或步骤，这表明所述的元件、部件或步骤可存在、或被使用、或与并未明确指出的其它元件、部件或步骤相结合地使用。此外，当在此作为参考被引用的定义或参考的术语与本文提供的术语定义不一致或相反的话，适用本文提供的术语定义而不适用所参考术语的定义。 

Claims (16)

1.一种对液化天然气进行再气化并发电的方法，所述方法包括：
使工作流体在第一膨胀涡轮中进行膨胀以便产生中压工作流体蒸气并发电；
使所述中压工作流体蒸气的第一部分在第二膨胀涡轮中进行膨胀以便产生低压工作流体蒸气和附加功率；
用液化天然气的制冷内容物对所述低压工作流体蒸气进行冷凝以便从所述低压工作流体蒸气产生第一冷凝物以及从所述液化天然气的制冷内容物产生加热的液化天然气；
用所述加热的液化天然气的制冷内容物和所述第一冷凝物对所述中压工作流体蒸气的第二部分进行冷凝以便从所述中压工作流体蒸气的第二部分产生第二冷凝物和从所述加热的液化天然气的制冷内容物产生气化的液化天然气；并且
使所述第二冷凝物与已对所述中压工作流体蒸气的第二部分冷凝的所述第一冷凝物进行组合以便形成所述工作流体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述使所述第一冷凝物与所述第二冷凝物进行组合的步骤是在热交换器中实施的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在冷箱中相应的交换器中形成所述第一冷凝物和所述第二冷凝物。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括对在进入所述第一膨胀涡轮之前的工作流体和所述中压工作流体蒸气的所述第一部分中的至少一种进行加热。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述加热步骤使用环境空气、海水或废热作为热源。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在进入所述第一膨胀涡轮之前的工作流体具有介于100psia与500psia之间的压力，其中所述中压工作流体蒸气具有介于50psia与250psia之间的压力，且其中所述低压工作流体蒸气具有介于5psia与50psia之间的压力。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述中压工作流体蒸气的所述第一部分与所述中压工作流体蒸气的所述第二部分之间的比率为至少1.1。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述工作流体包括烃。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述液化天然气在500MMscfd的速率下进行再气化。
10.一种液化天然气再气化和发电系统，所述系统包括：
冷箱，所述冷箱被构造以使得可用液化天然气对下级工作流体蒸气进行冷凝，从而从所述下级工作流体蒸气产生下级工作流体冷凝物以及从所述液化天然气产生加热的液化天然气，且使得可用加热的液化天然气和下级工作流体冷凝物对中间级工作流体蒸气进行冷凝以从所述中间级工作流体蒸气产生中间级工作流体冷凝物，且其中所述冷箱被进一步构造以允许所述液化天然气产生气化；
第一膨胀涡轮，所述第一膨胀涡轮被流体联接至所述冷箱和第二膨胀涡轮，从而使得所述第一膨胀涡轮将所述中间级工作流体蒸气的第二部分提供给所述冷箱且将所述中间级工作流体蒸气的第一部分提供给所述第二膨胀涡轮；
其中所述第二膨胀涡轮被构造以便产生所述下级工作流体蒸气；且
其中所述第一膨胀涡轮被构造以便接收由中间级工作流体冷凝物和已对中间级工作流体蒸气冷凝的所述下级工作流体冷凝物组合形成的工作流体。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述冷箱被构造以使得可将所述下级工作流体冷凝物注入所述中间级工作流体蒸气内。
12.根据权利要求10所述的系统，进一步包括加热器，所述加热器被构造以使得可对所述中间级工作流体冷凝物、所述下级工作流体冷凝物、或所述中间级工作流体蒸气的第一部分进行加热。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述加热器被构造以便使用环境空气、海水或废热中的加热内容物对所述中间级工作流体冷凝物、所述下级工作流体冷凝物、或所述中间级工作流体蒸气的第一部分进行加热。
14.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一膨胀涡轮被构造以便在介于50psia与250psia之间的压力下将所述中间级工作流体蒸气的所述第二部分提供给所述冷箱，且其中所述第二膨胀涡轮被构造以便在介于5psia与50psia之间的压力下产生所述下级工作流体蒸气。
15.根据权利要求10所述的系统，其中所述中间级工作流体蒸气的所述第一部分与所述中间级工作流体蒸气的所述第二部分之间的比率为至少1.1。
16.一种对液化天然气进行再气化并发电的方法，所述方法包括：
使工作流体在第一膨胀涡轮中进行膨胀以便产生中压工作流体蒸气并发电；
使所述中压工作流体蒸气的第一部分在第二膨胀涡轮中进行膨胀以便产生低压工作流体蒸气和附加功率；
用液化天然气的制冷内容物对所述低压工作流体蒸气进行冷凝以便从所述低压工作流体蒸气产生冷凝物以及从所述液化天然气的制冷内容物产生加热的液化天然气；
用所述加热的液化天然气的制冷内容物和所述冷凝物对所述中压工作流体蒸气的第二部分进行冷凝以便从所述加热的液化天然气的制冷内容物产生气化的液化天然气；并且
所述冷凝物被直接注入/结合到所述中压工作流体蒸气的第二部分以使所述中压工作流体蒸气的第二部分通过由所述冷凝物进行的热传递而被部分冷凝且通过加热的液化天然气的制冷内容物被完全冷凝至过冷物质流，过冷物质流形成所述工作流体。
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