液化天然气再气化中的用于废热回收和环境空气蒸发器的配置和方法

摘要

所构想的发电设备和液化天然气再气化设施采用环境空气和非环境空气的组合作为持续热源，以再气化液化天然气并且优化电力产生。最优选地，所构想的设备和方法可在不同温度条件下在不需要补充热源的情况下操作。

说明书

本申请是申请号200980127856.2、申请日2009年7月17日、发明名称“液化天然气再气化中的用于废热回收和环境空气蒸发器的配置和方法”的中国发明专利申请的分案申请。

本申请要求我们共同待审的于2008年7月17日提交的序列号为61/081636的美国临时申请的优先权。

技术领域

本发明的领域是LNG（液化天然气）再气化，尤其是使用环境空气蒸发和低级/废热的再气化。

背景技术

LNG蒸发是相对能量密集（energyintensive）的过程，其通常需要等于在LNG中大约1.5%能量含量的热负荷。该显著的能量要求通常通过使用海水作为外部热源来满足。然而，使用海水再气化LNG是有环境问题的，因为水的局部还原会不利地影响海洋生物循环和环境。替代性地，可使用在水下燃烧蒸发器中的燃料气体燃烧来蒸发LNG。然而，这种系统需要燃料气体并且趋于产生不期望的排放物。

在再气化液化气体的其它已知方法中，环境空气被用作环境空气蒸发器的热源。虽然这种类型的蒸发器在低温设备（例如，氮蒸发器）中是十分常见的，但是环境空气蒸发器通常受限于相对小的容量，并且在大多数情形中不能产生来自LNG的环境温度气体产物。当应用于LNG蒸发时，环境空气蒸发器通常产生在大约-40℉的蒸发产物，这对于大多数管线规格来说是不可接受的。为了增加蒸发LNG的温度，热量被补充给环境空气蒸发器，如美国专利No.7,392,767中所教导的那样。在此，采用骤冷塔（quenchcolumn）作为用于加热循环液体的热源，并且采用附加的间接热交换器以产生热液体流，该热液体流供应热量以蒸发LNG。虽然这种骤冷塔配置在一些废热回收配置中可能有效，尤其是来自气轮机排气的废热，但是不可避免的是将排气过冷至低于排气露点的温度，从而导致不期望的废副产物，该副产物必须被中和或者以其它方式处理。

替代性地，如在美国专利No.5,251,452中所描述的，LNG环境空气蒸发器能够使用循环加热和除霜来操作。虽然这种蒸发在概念上是简单的并且不需要LNG作为燃料源，然而仍存在各种不利之处。其中，这种环境空气蒸发方案通常需要相对大数量的空气蒸发器、测试空间、以及因而高操作和资本成本。为了防止上述缺陷中的至少一些，已经描述各种新的配置，其帮助在LNG接收终端回收电力。在这种配置中，LNG被用作用于产生电力的散热装置、和/或发电设备的燃料，如在我们共同待审的序列号为PCT/US03/25372的国际专利申请（公布为WO2004/109206Al）、PCT/US03/26805（公布为WO2004/109180Al）和PCT/US05/24973（公布为WO2006/019900Al）中所描述的，上述文献均以引用的方式并入本文中。

虽然这些配置中的大多数趋于将能量消耗降低至少一些程度（例如，经由环境空气蒸发器和/或来自气轮机排气的废热回收），但是这种配置常常在产生液体流出物方面仍是相对低效的，在电力产生效率方面没有明显改进。在其它已知配置中，如在美国专利No.5,457,951中所描述的，LNG使用热传递介质在集成组合循环发电设备中再气化，其中蒸气循环的工作流体与LNG在其中蒸发的热交换器中的热交换流体进行热交换，且其中热交换流体进一步制冷压缩机的进口空气。然而，这种配置通常受限于常规热交换器并且因而不能利用环境空气交换器的益处。

因此，虽然本领域已知用于具有LNG利用和/或再气化的发电设备的多种过程和配置，但是几乎所有的发电设备都具有一个或多个不足。因而，在LNG再气化的环境空气蒸发器领域，仍存在提供用于废热回收的改进配置和方法的需求。

发明内容

本发明涉及一种LNG再气化的配置和方法，其中来自环境空气和非环境空气源的热量被用于蒸发LNG。最优选地，所构想的方法和配置包括环境空气蒸发器和热交换器，其中热传递介质加热来自环境空气蒸发器的蒸发天然气，其中热传递介质使用主要且持续的源加热，该主要且持续的源提供足够的热量以将蒸发天然气升高至管线传输温度。

在本发明主题的一个方面，发电设备包括环境空气交换器，该交换器将LNG蒸发成具有第一温度的冷却蒸发天然气流。第一热交换器耦接至环境空气交换器并且接收冷蒸发天然气流以及使用来自热传递介质回路中的热传递介质的热量将冷蒸发天然气流加热至第二温度。最优选地，热传递介质回路热耦接至废热源，所述废热源是用于热传递介质回路的主要且持续的热源；并且废热源允许将热传递介质加热至足够的量以将冷蒸发天然气流从第一温度升高至第二温度。在这种配置和方法中，还优选的是，来自环境空气交换器的冷凝水被提供给热量回收蒸气发生器。

尤其优选的是，废热源包括热量回收蒸气发生器，并且热传递介质回路经由第二和第三热交换器耦接至热量回收蒸气发生器。仍优选的是，废热源是至热传递介质回路的唯一热源。其中热量回收蒸气发生器包括选择性催化剂还原单元，通常优选的是，该设备还包括控制单元，该控制单元调节在热传递介质回路的各个线路中的热传递介质的流率，以从而保持在选择性催化剂还原单元中的期望温度。在进一步构想的其它方面，热传递介质回路用来自至少两个不同源的废热加热，和/或该设备可包括第二环境空气交换器，该第二环境空气交换器与第一环境空气交换器交替地操作。

因此，本发明人还构想出一种再气化LNG并且产生电力（power）的方法，其中在一个步骤中LNG在环境空气交换器中被蒸发，以形成冷蒸发天然气流。在另一步骤中，冷蒸发天然气流在第一热交换器中使用热传递介质回路中的热传递介质加热，其中热传递介质回路热耦接至热源而不是环境空气。最典型地，废热源是用于热传递介质回路的主要且持续的热源（例如，热量回收蒸气发生器），其典型地经由至少两个热交换器耦接至热传递介质回路。例如，这种热交换器可使用热量回收蒸气发生器的锅炉给水作为热源。关于选择性催化还原单元（其中实施的话），应用上述提供的相同考虑。

因而，从不同的角度看，气化LNG的方法将包括在环境空气蒸发器中蒸发LNG的步骤以及通过使用来自锅炉给水的热量作为主要且持续热源（例如，来自热量回收蒸气循环的BFW）在下游热交换器中将蒸发LNG加热至适合管线传输温度的另一步骤。需要时，BFW能够有利地用于对环境空气蒸发器进行除霜。

本发明的各个目的、特征、方面以及优势从本发明的优选实施例的下述详细描述将更加显而易见。

附图说明

图1是根据本发明主题的具有LNG再气化的一个示例性发电设备的示意图。

图2是根据本发明主题的具有LNG再气化和选择性催化还原单元的另一示例性发电设备的示意图。

图3是根据图2的具有环境空气蒸发器除霜系统的另一示例性发电设备的示意图。

具体实施方式

本发明涉及使设备中的LNG蒸发的配置和方法，其中使用一个或多个环境空气交换器将LNG蒸发至相对低的温度（例如，大约-40℉），且其中冷却的蒸发LNG经由与废热或低级热源的间接热交换通过热传递流体进一步被加热。例如，在最优选的配置中，再循环BFW（锅炉给水）被用来吸取气轮机热量并且控制排气的露点温度以便避免冷凝。因而，构想出一种气化LNG的方法，其中LNG在环境空气蒸发器中被蒸发并且在下游热交换器中进一步被加热至适合于管线传输的温度，其中来自锅炉给水的热量被用作热交换器的主要且持续的热源。

最优选地，废热还用于产生高压蒸气，该高压蒸气用于经由冷凝蒸气轮机生成电力，在该蒸气轮机中，蒸气冷凝废热由热传递流体回收用于LNG加热。需要时，蒸气的至少一部分用于使得LNG的一部分过热，用于对环境空气蒸发器进行除霜。因此，构想出一种发电设备和用于操作发电设备的方法，其中环境空气交换器用于将LNG蒸发成处于第一温度的冷却蒸发天然气流。于是，热交换器接收冷却蒸发天然气流并且使用来自热传递介质回路中的热传递介质的热量将冷却蒸发天然气流加热至第二温度，该热传递介质回路热耦接到废热源，该废热源用作热传递介质回路的主要且持续的热源。虽然许多的废热源被认为是合适的，但是尤其优选的是，废热源允许将热传递介质加热至足够的量以将冷蒸发天然气流的温度从第一温度升高至第二温度。

从不同的角度看，构想出一种再气化LNG并产生电力的方法，其中LNG在环境空气交换器中被蒸发以形成冷蒸发天然气流。然后，冷蒸发天然气流使用热传递介质回路的热传递介质在第一热交换器中被加热，该热传递介质回路热耦接到热源而不是环境空气。尤其优选的是，废热源是用于热传递介质回路的主要且持续的热源，尤其优选的源包括热量回收蒸气发生器。

例如，如在图1的示例性设备中所描述的，通常以从100MMscfd至1000MMscfd或更高的输出率从存储装置输出的LNG（流1）被LNG泵51加压至从大约1000psig至1600psig，从而形成流2。在本文结合数值使用的术语“大约”是指该数值+/-10%的范围。LNG在环境空气蒸发器52中从-255℉被加热至大约-40℉，从而形成流3。环境空气蒸发器通常包括热交换管道，该热交换管道将来自向下的空气流的热量传递至蒸发器管道中的向上的LNG流，同时通常在LNG的入口点处在蒸发器的下部的管道上形成冰。环境空气流5通常在60℉至100℉并且具有从40%至100%的相对湿度，该环境空气流被冷却至大约-20℉，从而形成不含水的空气流6。当环境空气蒸发器用冰完全冻住时，其热传递区域将变得无效，且冰层必须通过除霜来去除。除霜循环时间取决于环境湿度条件和除霜方法。在除霜循环期间从环境空气蒸发器去除的冷凝水流6具有能够用作锅炉给水补充(makeup)的冷凝质量。然后，局部加热并蒸发的LNG流3在交换器53中使用热传递流体33进一步加热至大约36℉，从而形成至管线的天然气流4。

最优选地，通过来自至少两个不同源（来自BFW再循环回路和来自冷凝蒸气轮机排出（discharge））的废热来加热热传递流体回路。例如，如图1所示，来自调温加热器（trimheater）53的热传递流体流30由泵65泵送，从而形成流31，该流31在热交换器58中由热BFW流16加热至从大约80℉至100℉，从而形成流32，该流32在交换器56中使用蒸气轮机排出流23被进一步加热，从而形成在80℉至120℉的加热流33，该加热流33再循环，从而将热量供应给调温加热器53。

处于大约1000℉的气轮机排气流7用于产生来自废热回收蒸气发生器HRSG54的在600psig和750℉的高压蒸气流22。控制阀61控制高压蒸气的温度，保持优化温度，该优化温度满足用于LNG加热的热传递流体的加热要求以及用于电力生成的蒸气要求。高压蒸气用于在蒸气轮机55中生成电力，通过排出至大约2psia压力从而形成流23。排气蒸气在真空冷凝器56中被冷凝至大约120℉，从而使用热传递流体流32作为冷却介质形成流24。应当理解的是，在该电力生成配置中不需要冷却水，而当使用冷LNG以较低真空度操作时，产生的电力甚至能够更高。

尤其进一步优选的是，控制单元控制BFW流以将气轮机排气的温度保持高于露点至少10℉，通常通过将BFW流分离为两个部分来实现，其中一个部分将热量供应给热传递流体回路而另一部分供应给用于产生蒸气的除气器。最优选地，热传递流体被蒸气轮机排出进一步加热，以加热来自环境空气蒸发器的蒸发LNG，如将在下文进一步描述的那样。

更具体地，泵57将BFW流24泵送至大约50psig，从而形成流10。水补充即流11（优选地使用来自环境空气蒸发器的除霜水产生）被添加以形成流12，该流12与再循环BFW流13混合从而形成被供给到HRSG54的流14。来自HRSG的加热BFW流15被分离为两个部分：流16和流17。取决于交换器58中的热量需求，分离比（流16：流15）是通常在0.1至0.7范围内的比。随着最大化热量回收所需的交换器58中需要的负荷增加，该比趋于增加。流16在热交换器58中被冷却，进而形成流18，从而向热传递流体提供热量。然后，泵59泵送BFW，从而形成13。由温度控制器使用控制阀60控制流13的流率，从而控制至HRSG的BFW温度，通常在大约110℉，在高于排气的露点温度至少10℉。应当理解的是，BFW再循环系统和控制方法对于最大化热量回收提供明显贡献同时避免来自气体冷凝引起的操作问题，因而减少或甚至消除侵蚀和液体废气流。

加热BFW流17通向除气器62，在该除气器中，低压蒸气流19用于从BFW流中去除氧含量，从而避免蒸气发生系统中的侵蚀。除气水流20由BFW泵63泵送至大约700psig从而形成流21，并且通向HRSG用于蒸气生成。空气/氧作为流27离开除气器62。

在图2中示出了替代性配置，其包括用于在排气排出到大气之前将NOx、SOx和其它排放物从排气移除的SCR（选择性催化剂还原）单元82。图2类似于图1中的配置，不同之处在于SCR单元嵌入到HRSG堆54中。因此，BFW流动流21分离为两个部分：流41和流42。流42的流率经由阀81被控制，使得按照SCR催化剂的设计要求，气轮机排气被冷却至优化温度（由传感器101测量），通常在750℉。流43的流率由控制阀61控制，用于满足LNG加热要求交换器56和最大化蒸气轮机55所生成的电力。优选地，流43和44在供给至蒸气轮机55之前结合。关于在图2中的其余部件，同样的构想要求（applyfor）图1中部件的相似的附图标记。

在图3中示出了又一替代性配置，其中采用蒸气来对环境空气蒸发器进行除霜。在这种配置和方法中，通常优选的是，至少第二环境空气蒸发器被采用并且相对于第一蒸发器交替地操作，使得当第一蒸发器处于蒸发模式时第二蒸发器处于除霜模式。典型配置类似于图2，不同之处在于高压蒸气的一部分用于使得LNG的一部分蒸发并过热，用于除霜。在环境空气蒸发器99的除霜循环期间，在除霜逻辑控制器102的控制下，LNG入口阀72关闭且LNG流动控制阀71打开，从而控制流率在从大约4MMscfd至40MMscfd。使用蒸气流92（经由阀103）将流91在交换器98中过热至大约200℉，从而形成通向除霜环境空气蒸发器99的流93。冷却除霜气流95与在加热循环时来自环境空气蒸发器的加热气体混合，从而形成至调温加热器53的结合流103。来自交换器98的冷却蒸气94结合蒸气轮机流出物以形成流23，该流23接着供给到交换器56。仍然应当注意的是，本文所示的构想出的配置和方法有利地允许作为补充水的高质量冷凝物回收到蒸气系统中，而不使用蒸气或燃料或化学处理。由此，使用回收冷凝物减少了由蒸气发电设备使用的水并且消除来自锅炉给水处理设备的废物排放。相对于图3中的其余部件，相同的构想要求图1和图2的部件的相似的附图标记。因而，优选配置和方法利用从气轮机排气产生的蒸气以加热LNG的一部分，以从而使用控制逻辑加速环境空气蒸发器的除霜（尤其是，以交替顺序操作两个或更多个环境空气蒸发器的情形）。

因此，尤其应当认识到的是，所构想的配置和方法能够容易地适应LNG输出的可变容积、不同的环境空气蒸发器、和/或不同的废热源（例如，气轮机、工业废热、太阳能热量、地热热量）。此外，所构想的配置和方法将可操作在不同的环境和处理条件，因为废热源是主要且持续的热量源。在其它益处之中，这种配置和方法将允许独立于环境温度和/或LNG处理容积的持续操作。如本文所使用的，术语“主要且持续的热源”是指，单个热源或多个热源提供将热传递介质加热至适合于将蒸发LNG加热至管线（或传输、处理或存储）温度的温度所需热量的至少51%、更优选地至少70%、甚至更典型地至少90%；并且在LNG在环境空气蒸发器中被蒸发时，该单个热源或多个热源在所有时间都持续地提供热量。

还应当注意的是，在尤其优选的方面，废热源是至热传递介质回路的唯一热源。在提供多个废热源时，应当理解的是，热传递介质回路可配置成允许用来自至少两个不同源（例如，锅炉给水和蒸气轮机排气）的废热进行加热。虽然不限于本发明主题，但是优选地是，用于LNG再气化交换器的热传递流体包括在LNG的低温下不冻住的溶液，并且该溶液具有良好的热传递特性。例如，合适流体可包括乙二醇水溶液（例如，乙二醇或丙二醇）、溶剂或盐基溶液（例如，甲酸钾溶液）。然而，还可认为具有良好热物理性质的许多替代性溶剂和浓度适用于本文。

最后，应当理解的是，本文示出的热集成配置导致电力输出和电力生成效率的明显增加同时降低了LNG再气化设备的资本成本，在蒸发器如上所述地被除霜的情形中尤其如此。

因而，已经公开了废热回收和环境空气蒸发器配置的具体实施例和应用。然而，本领域技术人员应当理解的是，在不偏离本发明的概念的情况下，除已经描述的以外的许多修改是可能的。因此，除了在本公开的精神中之外，该发明的主题并不受限制。此外，在解释说明书和构想的权利要求书时，所有的术语应当与全文一致地以最宽泛可能的方式来解释。尤其是，术语“包括”和“包含”应当解释为以非排他方式的元件、部件或步骤，从而表示所参考的元件、部件或步骤可代表或使用或结合未明确参考的其它元件、部件或步骤。此外，在参考文献中定义或使用术语的情况下，当以引用方式并入本文中的该术语与本文所提供的该术语的定义不一致或相反时，应用本文所提供的术语的定义。