蒸气回收的构造及方法和用于LNG输入终端的LNG输出系统

摘要

LNG终端中的LNG输出操作的能量效率和稳定性通过添加缓冲罐和蒸发气体冷凝器下游的增压泵来提高，以产生过冷冷凝物，其用于向LNG传输线路提供制冷，且可给送至高压LNG输出泵，而不会影响主LNG输出线路的压力，且/或不需要主LNG输出线路中的减压装置。

说明书

技术领域

本发明的领域为液化天然气储存器和终端中的蒸气回收，尤其是正如其涉及操作和蒸发气体冷凝、LNG传输线路冷却，以及LNG输出系统中的改进。

背景技术

尽管它们明显简单，但当前LNG接收终端面临各种困难。例如，市场上增长的需求已经迫使操作者增加现有的LNG输入终端的输出能力，且原来设计有400MMscfd的初始容量的输入终端几乎在所有情况下都扩张至输送2,000 MMscfd或更高的气体供应，这些大容量终端的输出速率必须每天调整来满足可变的需要，需要输出泵的频繁停机和启动。此外，蒸发气体的流动在LNG从油轮卸载至储存罐期间从显著量变至保持操作期间的几乎没有流动。输出速率和蒸发气体速率中的极端变化对现今的LNG终端的设计和操作提出了挑战。

例如，大多数LNG终端设计成回收船卸载操作期间放出的蒸发气体。蒸发气体可出自各种来源，包括卸载的LNG的排量、来自环境的热泄漏、从卸载泵的能量输入，以及由船与储存罐之间的压差引起的扩容蒸汽。蒸发气体通常通过回收系统回收，回收系统通常包括蒸发气体压缩机和冷凝塔。然而，在保持操作期间，净蒸气发生很低或甚至为负，尤其是在高输出速率下(例如，超过500MMscfd)。

此外，在保持操作期间，LNG传输线路为停滞的，且热泄漏趋于升高线路温度，导致热应力。此外，来自LNG卸载码头和LNG储存罐的LNG传输线路通常分开相对较长的距离(例如，高达3到5英里)，这在大多数情况下需要冷却来保持深冷温度，在常规终端中，传输线路通过使用流量控制阀从LNG输出转移滑流来冷却，这在输出系统中产生了压降。然而，这呈现出能量效率损失。更坏的是，此类冷却还使LNG输出系统更易于不稳定和操作者错误。

在大多数已知的构造和方法中，来自蒸发气体冷凝器的冷凝物直接地给送到高压(HP)输出泵。因此，再冷凝器压力和/或液体水平的任何变化也将改变HP输出泵吸入压力，而HP输出泵吸入压力也由围绕冷凝器的LNG旁通路来控制。这可引起HP输出泵中的不稳定问题，尤其是如果压力和/或液体水平中的变化使HP泵的NPSH(净压力吸入压头)降低到超过最低要求。不足的NPSH已知会引起泵空化和泵破坏及振动。

作为备选，如授予Ursan等人的美国专利第6,640,556号中所述，蒸气控制可使用往复泵来实施，其中流速和蒸气压力控制供应至泵的深冷液体和蒸气的比例。然而，此类构造通常不实际，且通常不能消除LNG接收终端中的蒸气压缩的需要，且几乎不可能整体结合到HP LNG输出系统中。本文所述的这些及所有其它非本征材料通过引用以其整体并入。在并入的参考文献中的用语的定义或使用与本文提供的所述用语的定义不一致或相反的情况下，本文提供的所述用语的定义适用，且参考文献中的所述用语的定义不适用。

在又一些已知的系统和方法中，如授予Mak的美国专利第8,117,852号中所述，LNG再循环系统和蒸发气体系统可构造成提供扩容蒸气来消除船卸载操作的蒸气返回线路。尽管此系统可消除蒸气线路的成本，但其并未解决保持操作期间LNG传输线路冷却要求或者与操作蒸发气体冷凝器和作为普通系统的HP输出泵系统相关联的控制不稳定问题。

在另一个系统中，如授予Johnson等人的美国专利第6,460,350号中所述，可使用涡轮膨胀器驱动的压缩机。这里，蒸汽再压缩的能量需要通常由来自另一个来源的压缩气体的膨胀来提供。然而，在压缩气体不可从另一个过程获得时，此构造通常未实施。此构造对于现今大型LNG终端中的安装也认为是不现实的。在又一些已知的系统中，如美国专利申请第2003/0158458号公布中所述的那样，甲烷产品蒸气相对于到来的LNG流压缩和冷凝。尽管此类系统相对于其它系统提高了能量效率，但各种缺点仍存在。例如，此类系统中的蒸汽处理通常很复杂，且需要昂贵的蒸气压缩设备，且通常将不能实现稳定的输出系统压力。

在又一个系统中，如美国专利第6,745,576号中所述，混合器、收集器、泵和压缩机用于使LNG流中的蒸汽气体再液化。在该系统中，常压蒸发蒸气使用蒸气压缩机压缩至较高压力，使得蒸发蒸气可冷凝。尽管此系统通常提供了蒸气冷凝系统中的控制和混合装置的改善，但HP输出泵吸入的稳定压力大体上并未实现，且所以继承了其它已知构造的大多数缺点。

因此，特别是在高下调状态下操作时，所有或大多数当前已知的LNG输入终端需要蒸发气体冷凝，LNG传输线路冷却，以及本来难以控制和能量低效的LNG输出泵。因此，这里仍需要LNG输入终端的设计的改善的构造和方法，以减小能量需要且提供安全和稳定的操作。

发明内容

本发明的主题针对用于蒸发气体冷凝和LNG处理的装置、系统及方法，其中缓冲罐和增压泵设在蒸发气体冷凝器下游的位置处，以产生过冷的冷凝物。然后，如此产生的过冷冷凝物可用于LNG传输路线的制冷，以及用于给送至高压LNG输出泵，而不会影响从LNG储存罐流至高压LNG输出泵的LNG流的压力。然而，增压泵的使用还有效地消除了对LNG流的减压装置的需要，LNG流从LNG储存罐流至高压LNG输出泵。

在本发明的主题的一个方面中，蒸发气体冷凝器系统构想为用于在具有高压LNG输出泵和LNG储存罐的LNG终端中使用，LNG储存罐流体地联接到LNG传输线路上来从LNG源接收LNG。尤其优选的系统包括蒸发气体冷凝器，其流体地连接到缓冲罐和增压泵上，使得蒸发气体冷凝器提供冷凝物至缓冲罐，且使得增压泵从缓冲罐接收冷凝物。第一导管流体地连接到增压泵上，且构造成提供冷凝物至LNG传输线路，且第二导管流体地联接到增压泵上，且构造成将冷凝物提供至高压LNG输出泵。

最优选的是，蒸发气体冷凝器也流体地联接到LNG储存罐和LNG传输线路上，使得蒸发气体冷凝器接收来自LNG储存罐的LNG和来自LNG传输线路的LNG的混合物。还优选的是，增压泵构造成使得离开增压泵的冷凝物为过冷液体，和/或来自增压泵的冷凝物的排出压力足以使冷凝物经由传输线路移动往返于LNG源(最通常是允许冷凝物与从LNG储存罐的LNG至高压LNG输出泵的LNG流组合，而不使用作用于来自LNG储存罐的LNG流上的减压装置)。

在其它优选方面中，缓冲罐流体地联接到高压LNG输出泵上，以接收来自高压LNG输出泵的反冲液体(泵的最小流量)，且最优选具有足以从高压LNG输出泵接收反冲液体而不使反冲液体回到蒸发气体冷凝器的容积。此外，大体上优选的是，缓冲罐具有足以在高压LNG输出泵的启动或停机所需的时间期间储存冷凝物、来自LNG储存罐的LNG和反冲液体中的至少一者。

因此，具体而言优选的方法是使用来自LNG终端中的蒸发气体冷凝器的冷凝物，将包括在蒸发气体冷凝器中冷凝来自LNG储存罐的蒸发气体以产生冷凝物的步骤。然后，该冷凝物接收在缓冲罐中，并且冷凝物的压力通过增压泵增大，从而产生过冷冷凝物。在又一个步骤中，过冷冷凝物给送至LNG传输线路，以便从而保持LNG传输线路和/或高压LNG输出泵中的深冷状态。

在构想方法的尤其优选的方面中，冷凝步骤使用压缩的蒸发气体和来自LNG储存罐的LNG与来自LNG传输线路的LNG的混合物来执行。如前文所述，还优选的是，冷凝物的压力足以移动冷凝物通过LNG传输线路，和/或还优选的是，冷凝物的压力足以允许冷凝物与来自LNG储存罐至高压LNG输出泵的LNG组合，不需要使用作用于来自LNG储存罐的LNG流的减压装置。在另一个优选方面中，在高压LNG输出泵的启动或停机时所需的时间期间，缓冲罐用于接收来自高压LNG输出泵的反冲液体，和/或用于储存冷凝物和/或来自LNG储存罐的LNG。

结果，还构想出了稳定压LNG输出泵的操作的方法，其包括使用低压泵来将LNG从LNG储存罐给送至高压LNG输出泵的步骤，以及使用增压泵将蒸发气体冷凝器的冷凝物给送至高压LNG输出泵的另一步骤。在该方法中，通常优选的是，增压泵在冷凝物中产生有效压力（例如至少100psig）,以使得冷凝物过冷并且允许将LNG给送至高压LNG输出泵且在将冷凝物给送至高压LNG输出泵时没有压降。

最常见的是，来自LNG储存罐的LNG与来自LNG传输线路的LNG流组合，其中来自LNG传输线路的LNG流用于冷却LNG传输线路。在构想的方法的又一个优选方面中，增压泵流体联接到缓冲罐上，缓冲罐接收来自蒸发气体冷凝器的冷凝物。优选地，缓冲罐流体地联接到高压LNGLNG输出泵，以接收来自高压LNGLNG输出泵的反冲液体。尽管不限于本发明的主题，但是还可构想的是，蒸发气体冷凝器中压力用于控制来自LNG储存罐的蒸发气体与来自LNG储存罐的LNG的流量比。

本发明主题的各种目的、特征、方面和益处将从以下结合附图的优选实施例的详细描述而变得更清楚。附图中，相似标号表示相似构件。

附图说明

现有技术的图1为包括蒸发气体冷凝器和LNG输出系统的具有LNG传输线路冷却的已知LNG终端的示意性简图。

图2为包括根据本发明的主题的蒸发气体冷凝器和LNG输出系统的具有LNG传输线路冷却的LNG终端的示意性简图。

具体实施方式

本发明针对用于冷却LNG接收终端中的LNG传输线路的各种构造和方法，其中蒸发气体冷凝且使用增压泵泵送，且其中过冷的冷凝物用作冷却介质。在其它优选方面中，过冷冷凝物接收在缓冲罐中，过冷冷凝物从缓冲罐给送至LNG传输线路和HP输出泵。使用此构造实现了各种优点。

例如，应当认识到的是，流至HP输出泵的LNG显著过冷，通过将线路保持在深冷温度下，在正常保持操作期间避免了长LNG传输线路上的热应力，因此消除了与HP输出泵的操作相关联的稳定性问题。此外，应当认识到的是，使用增压泵最大限度减小了LNG输出线路中的压降，且节省了再气化终端中的泵送能量的至少5%，同时在HP输出泵的泵启动或停机期间，增压泵的缓冲罐用作HP输出泵的缓冲筒。

更具体而言，大体上优选的是，LNG从具有低压(LP)罐内泵的LNG储存罐提供，该泵流体地联接到HP输出泵上，同时来自储存罐的蒸发气体在蒸发气体压缩机中压缩，且与LNG在蒸发气体冷凝器中冷凝。如本文中使用的且除非上下文另外指出，则用语"联接到"旨在包括直接联接(其中联接到彼此上的两个元件接触彼此)和间接联接(其中至少一个附加元件位于两个元件之间)两者。因此，用语"联接到"和"与之联接"同义地使用。蒸发气体冷凝器产生饱和液体，其一部分由增压泵泵送至HP输出泵吸入集管，且其另一部分泵送至且穿过LNG传输线路，以向LNG传输线路提供至少一些冷却(该线路通常从LNG储存罐延伸至LNG源，通常是卸载码头)。过冷LNG液体从环境除去LNG传输线路中的热增益，且在过冷状态中回到HP输出泵吸入部中。因此，有利地避免了蒸气由于热泄漏而从LNG传输线路放出，消除了来自热应力的潜在破坏。此外，应当认识到的是，当来自传输线路冷却的返回液体过冷且与至HP输出泵的输出LNG混合时，可保持至泵吸入部的稳定压力。

为了示出优于之前已知的构造和方法的优点，现有技术的图1中示出了典型的现有技术的LNG卸载终端。这里，使用1,000 MMscfd(9,500 GPM)的流速下的吸入泵54，LNG在大约-255℉下从储存罐55泵送至220psig，形成流10。除非上下文相反指出，则本文所示的所有范围都应当理解为包括其端点，且端部端口的范围应当理解为包括商业上实际的值。类似地，所有值的清单应当认作是包括中间值，除非上下文相反指出。

为了冷却主LNG传输线路1，大约300GPM流使用流动控制阀58，使用小循环线路2转移至卸载码头区域51。来自LNG传输线路的热增益将再循环的LNG升高大约20℉，形成大约-230℉的流5，其与LNG输出流11混合，形成混合流13。减压阀57用于将线路压力从220psig减小至大约130psig，这是允许再循环流动流5的返回所需的。应当注意的是，该再循环构造需要主线路中从LP泵54到HP泵64的显著减压，这代表了泵送能量中的显著损失。

流13分成两个部分：大约1,000GPM下的一部分流14用于在冷凝器59中冷凝蒸发气体，且其余部分的流15进一步经过压力控制阀61降压，其控制HP输出泵的吸入压力，通常在100psig下。至冷凝器的LNG流由流量阀60控制，流量阀60由通常设置为7的液体与蒸气的质量比来控制。然而，冷凝器压力取决于利用LNG的冷却量，这继而又取决于LNG和蒸发气体成分和温度；且因此，恒流比并未确保恒定压力。该压力不稳定加可变液体水平(液体压头)对流17处的HP输出泵吸入压力有显著影响。

冷凝器底部流16与流17混合，且给送至HP输出泵64。由于这里没有用于混合的泵吸入中的缓冲，故到达泵吸入部的混合物含有一些蒸气，其引起不稳定和潜在的泵空化。缺少缓冲还在泵启动和停机期间产生问题，因为通常设置为泵设计流量的20%的泵反冲流动流19将淹没冷凝器，破坏冷凝过程。出于此原因，此过程构造将在从保持变至卸载操作(且反之亦然)期间遇到问题。在1400psig的形成流18且在正常操作下的HP输出泵排放由气化器65加热至大约40℉，形成流20，作为销售气体至管线。

鉴于上文，应当认识到的是，现有技术的图1的构造和方法需要大量能量来用于将输出LNG从输出集管再循环至卸载码头区域。此外，用于现有技术的图1的构造和方法的控制系统并未确保至HP输出泵的稳定压力，使得瞬变操作困难，因为冷凝器的操作对泵吸入压力有影响。

相反，构想出的构造和方法通过泵送来使蒸发气体冷凝物过冷和使用蒸发气体冷凝物的制冷内容物来用于冷却LNG传输线路来减轻以上问题。因此，优选的构造包括LP输出泵，其构造成从LNG储存罐提供LNG流，且流体地联接到HP LNG输出泵以及蒸发气体冷凝器上，其冷凝蒸发气体，且将过冷的液体LNG提供至HP输出泵。压缩机和冷凝器流体地来联接到LNG储存罐上，且构造成接收LNG蒸气，且因此提供加压的饱和LNG液体。最优选的是，增压泵安装在吸入筒中，且构造成使得增压泵排出压力将满足经由LNG传输线路往返于卸载码头的再循环的压力要求，而不会影响主LNG输出线路的压力，且使得在输出线路上不需要减压装置(例如，JT阀、膨胀涡轮等)，其将有利地最大限度减小压降。最优选的是，增压泵吸入筒流体地联接到冷凝器上且位于冷凝器下游，且构造成操作为缓冲罐，以在泵启动和停机操作期间从HP输出泵接收泵反冲液体。因此，缓冲罐向压力和流动波动提供缓冲，确保了稳定的操作系统。

根据本发明的主题的一个示例性构造在图2中绘出，其中LNG传输线路联接到LNG循环系统上。在此循环系统中，蒸发气体冷凝物的一部分泵送和用于冷却从LNG码头区域到LNG储存区域的LNG传输线路，而不会干扰主LNG输出流路，这避免了热应力和潜在的操作问题。在其它优点中，应当认识到的是，构想出的构造和方法保持至HP输出泵的过冷液体，且还大致减少了资金和能量需要。

更具体而言，LNG经由传输线路1和3和阀50提供(通常从LNG输送器，其未示出)至储存罐55。蒸发气体经由线路4给送至蒸发气体压缩机56，其提供压缩的蒸发气体12和混合流14至再冷凝器59。大约-255℉的LNG使用在1,000 MMscfd( 9,500 GPM)的流速的罐内泵54从储存罐55泵送至220psig，形成流10。为了冷却主LNG传输线路1，来自冷凝物缓冲罐67的冷凝物由增压泵66在大约1000GPM形成流21的速率下泵送，且分成两部分：流22和23。大约300GPM下的流22使用流量控制阀58经由小循环线路2发送至卸载码头区域51。来自LNG传输线路的热增益将再循环的LNG升高大约5到20℉，在大约230℉下形成流5，其与LNG输出流10混合，形成混合流13，混合流13进一步分成两部分：流14和流17。大约1,000GPM下的流14至冷凝器59压力降低，冷凝器59由流量阀60控制，流量阀60由通常设置为7的液体与蒸气的质量比控制。冷凝器压力通过重设流量比率控制器来保持在恒定压力下。再冷凝器压力取决于以LNG冷却的量，其继而又取决于LNG和蒸发气体成分和温度；且因此，流量比按需要来调整以保持恒定压力，确保了冷凝器操作的稳定性。在所有操作中，冷凝器填充不像现有设计中那样由液体淹没。冷凝物经由线路16排放至下筒67，且由增压泵66泵送来用于线路冷却，且与至HP输出泵64的主输出LNG混合。来自HP输出泵64的流18然后给送至蒸发器65，以用于作为管线气体20的气化和输送。泵反冲流动流19经由流量控制阀63给送回缓冲罐67。泵吸入缓冲罐具有在启动或停机期间保持HP输出泵操作所需的缓冲容积的容量，这将有助于闪蒸出任何气体内容物且确保泵吸入液体保持过冷，因此消除了迄今已知的方法和构造的不稳定性。

因此，应当认识到的是，各种利用由构造和方法来实现，其使用蒸发气体冷凝物来冷却LNG传输线路，尤其是在过冷LNG由增压泵给送至HP输出泵的情况下，这所以在HP输出泵吸入部处保持了恒定压力，这继而又减小了能量消耗，且改善了输出系统的操作稳定性。尽管许多备选的构造认为是适于这里使用，但大体上优选的是，来自储存罐的蒸发气体由压缩机压缩，且通过使蒸发气体与LP输出LNG的一部分在冷凝器器皿中在由冷凝器压力重设的流量比控制器下接触来冷凝。同样，大体上优选的是，蒸发气体冷凝物从冷凝器排出至配备有增压泵的缓冲罐，增压泵使冷凝物加压一定压力(例如，至少100psi)，该压力有效产生过冷液体，过冷液体适用于冷却传输线路，且用于与输出的LNG混合。因此，且从又一个观点来看，HP输出泵由LP输出泵和蒸发气体冷凝物给送，而不用将控制阀安装在输出集管上，这消除了以其它方式存在于迄今已知的系统和方法的主集管中的压降。

此外，应当认识到的是，缓冲罐将不但操作为至增压泵的吸入筒，而且还用于接收和暂时储存冷凝物，这将避免冷凝器填料的淹没，而不会干扰冷凝操作。缓冲罐中的水平控制可使用增压泵排放物上的控制阀来实现。此外，缓冲罐容量还可调整成在HP泵启动或停机期间或在异常状态下保持反冲流，因此稳定了输出系统。

因此，将LNG流从LNG源(例如，LNG储存罐)传输的方法包括由来自LNG储存罐的蒸发气体形成加压饱和LNG液体的步骤，以及泵送饱和LNG且使加压LNG的一部分循环来冷却LNG传输线路的另一个步骤。最通常的是，循环LNG至少50到100psi过冷，使得与主输出LNG的组合流具有足够的NPSH和压力来给送HP输出泵。从另一个观点看，蒸发气体冷凝物压力比HP输出泵吸入部低至少50到100psi，使得HP泵入口流完全过冷，避免了形成至泵吸入部的两相和通常在迄今已知的过程中经历的泵空化。其它方面，适合连同本文提出的教导内容使用的构想出的构造和方法在通过引用并入本文中的WO2005/045337和WO/2007/120782中找到。

本领域的技术人员应当清楚的是，除已经描述的那些之外的另外许多改型是可能的，而不会脱离本文的发明构想。因此，本发明的主题不由除所附权利要求的范围之外的限制。此外，阐释说明书和权利要求两者中，所有用语都应当按照上下文来以最宽可能的方式理解。具体而言，用语"包括"（comprises and comprising）应当理解为以非排他的方式指出元件、构件或步骤，指出了提到的元件、构件或步骤可呈现或使用，或与并未明确提到的其它元件、构件或步骤组合。在说明书的权利要求提到选自A,B,C...和N构成的集合的事物中的至少一者的情况下，文本应当理解为仅需要集合中的一个元件，而不是A加N或B加N等。