用于调节液化天然气容器中压力的方法和装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于调节第一容器(1)中的压力的方法，所述第一容器(1)具有以液相和气相存在的物质混合物，并且所述物质混合物包括第一组分和第二组分，其中，在该方法中，所述物质混合物的温度被设定成使得第一容器(1)中的压力低于预定值，并且在该设定温度和第一容器(1)中的压力下，物质混合物仅以液相和气相(F，G)存在。
【专利说明】用于调节液化天然气容器中压力的方法和装置
[0001] 本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的用于调节容器中的压力或温度的方 法，还涉及一种根据权利要求11的制冷装置，尤其是用于执行根据本发明的方法。
[0002] LNG(液化天然气）是主要由甲烷组成的低温液体，但也可以由更高级的烃组成，例 如乙烷、丙烷和丁烷。此外，LNG也可包含少量的氮气，其中氮气的比例根据LNG的质量和纯 度而改变。在低温液化气体的储存、运输和处理期间具体地通过热量的进入或者压力的减 少而产生的气相已知为蒸发气体。
[0003] 蒸发气体的产生导致该容器中的压力上升，其必须被补偿。根据现有技术，LNG蒸 发气体通常或者被供应到气体供应网中用于产生能量或热量，或者在外部再凝结并返回至 所述液化天然气容器。由于至少在德国，LNG蒸发气体在正常操作中必须不能被输出至大气 或燃烧，因此使用例如强制流动换热器形式的外部LNG超制冷器过冷器，其减少了容器中的 压力。该技术相对复杂并且昂贵。
[0004] 基于液氮(LIN)的制冷设备，尤其包括液化天然气容器中的冷却盘管，与例如外部 过冷器相比是更简单且更有利的解决方案。然而在该种情况下，必须确保在制冷设备的冷 表面上没有甲烷冻结，储存容器中的气相氮含量不会以不受控的方式增加，并且同时压力 被保持在容器中的最大容许压力以下。此外，出于安全原因，用于冷却的氮气在通过所述液 化天然气容器之后必须完全气化，以避免任何低温液体排放到周围环境中。
[0005] 针对该背景，本发明的目的是提供一种针对上述问题加以改进的方法和制冷装 置。
[0006] 该问题通过具有权利要求1所述特征的方法来解决。
[0007] 根据本发明方法的有利实施例尤其在相关的从属权利要求中描述。
[0008] 根据权利要求1，对物质混合物的温度预先采取措施，使其设定为使得第一容器中 的压力低于预定值，并且物质混合物在该设定温度以及第一容器的压力下以液相或气相存 在，具体而言，所述物质混合物不会形成固相。
[0009] 第一容器中的压力和温度因此被选择为使得，例如在天然气的情况下，所有天然 气组分（即，尤其是甲烷)为气态或液态。如果压力和温度描述了天然气在相图中位于"液相 线"以上的状态就是这种情况。在液相线以上，所述组分处于液相，并且在"固相线"下方，天 然气的所有成分均处于固相。在液相线处，在LNG的情况下，尤其甲烷开始冻结并进入固相。 未超过第一容器中的压力的预定值具体地根据容器的类型来计算。然而不管如何，该值均 小于第一容器设计的最大压力值并且也大于环境空气可被吸入的压力值，即，第一容器优 选地保持在大气压力以上。这种容器的压力值尤其在50毫巴和16巴超压之间变化，使得预 定压力值与第一容器一致地介于该范围内。
[0010] 在本发明的一个变型中，提供了一种包括液化天然气的物质混合物，其中第一组 分是烃，尤其是甲烷，其中第二组分尤其是氮气。如已经提及的，物质混合物也可以包括其 它的组分，例如乙烷、丙烷和/或丁烷，以及更重的烷烃。在本发明的一个变型中，物质混合 物的欲被设定的温度通过确定第一组分(尤其是甲烷)的摩尔分数来确定。
[0011] 在本发明的优选实施例中，甲烷的摩尔分数，具体而言是物质混合物的第一组分 的摩尔分数根据第一容器中的压力和温度测量来确定，其中，为了确定摩尔分数，具体地将 氮气/甲烷物质混合物的对应沸点作为第一容器中的主要压力和第一容器中的主要温度的 基础。换言之，甲烷含量具体地根据在物质混合物的各压力处的沸腾曲线的已知轮廓来确 定，其中所述物质混合物此处优选地假定为纯的甲烷/氮气混合物。通过测量第一容器中的 压力和温度，从而可以确定相应压力下的温度/摩尔分数图中甲烷的摩尔分数，因为所测量 的温度具体地对应于第一容器中物质混合物的沸腾温度。已经发现，以这种方式确定的甲 烷摩尔分数在小的误差范围内对应于实际存在的物质混合物的甲烷含量，该物质混合物除 了甲烷和氮气外还可包括另外的物质（参见上文）。
[0012] 压力和温度优选在第一容器中的物质混合物的液相中测量。这种确定甲烷摩尔分 数的方法尤其也可用于尤其存在于LNG中的具有其它组分(例如乙烷)的物质混合物，因为， 在LNG特有的乙烷浓度下，沸腾曲线的轮廓基本上完全取决于氮气和甲烷的含量。
[0013] 在本发明的一个优选变型中，第一容器中的温度通过与制冷剂的间接热交换来调 节，其中，制冷剂尤其包括氮气。制冷剂例如是通过容纳有液氮的外部氮气储存器来提供。
[0014] 在本发明的一个实施例中，制冷剂经过第一容器，其中制冷剂具体地流经设置于 第一容器中的制冷剂管线(例如冷却盘管或其它换热器的形式），并且其中在进入第一容器 之前制冷剂流具有第一温度和第一压力，在从第一容器排出后具有第二温度和第二压力。 所述第二温度和第二压力优选地使得制冷剂以气相存在。此外，第一温度和第一压力优选 地使得制冷剂至少部分地以液相存在。
[0015] 制冷剂(尤其是氮气），从物质混合物尤其是(尤其是LNG)吸收热量，其导致第一容 器中压力的下降。制冷剂的第一温度和第一压力的设定尤其固定了制冷剂的沸点。
[0016] 此外，在本发明的一个变型中，第一容器中的制冷剂流的第一压力以及尤其是第 一温度被设定成使得，在制冷剂管线中的主要压力下制冷剂的沸腾温度在罐中的气相物质 混合物的露点以下，并且尤其在罐中液相的沸腾温度以下，并且其中制冷剂的沸腾温度高 于罐中的物质混合物的液相温度。
[0017] 已知液体的沸点尤其取决于压力，设定合适的压力便设定了沸点，并因此设定了 制冷剂的气化温度(术语沸腾曲线用于相图）。因此例如完全可能的是，由于第一容器中与 制冷剂管线和/或换热器中具有不同压力，因此具体而言用作制冷剂的氮气与例如第一容 器中的物质混合物相比具有不同的沸腾温度。制冷剂的压力和/或质量流速尤其设定成使 得制冷剂在流经第一容器（以及相关的热吸收)之后以气相存在。此外，以这种方式确保了 制冷剂的温度不会被设定得高到以至于在第一容器中不会发生物质混合物气相的冷凝。此 外，制冷剂的温度不会被设定得低到以至于组分(尤其是甲烷)在第一容器中的主要压力条 件以及混合物组成条件下进入固相，即，在制冷剂管线上结冰，这将导致传递至制冷剂的热 量减少，因为尤其甲烷冰是一种相当好的热绝缘体。
[0018] 本发明的一个变型提供了第一阀，其具体地设置在第一容器的上游以调节制冷剂 流，其中如果第一容器中的压力超过预定值，则制冷剂流量增加，并且其中如果制冷剂在流 经第一容器后不完全以气相存在或者第一容器中的压力降至预定值以下，则制冷剂流量减 少。从而避免了在制冷过程结束时尤其是低温液体例如排放到开放的周围环境中。
[0019] 在本发明的优选变型中，提供设置在具体地第一容器下游的第二阀，其具体地调 节制冷剂流的压力和温度。
[0020] 根据本发明的问题另外通过一种根据权利要求11的制冷装置来解决。
[0021] 该制冷装置用于调节用于物质混合物、尤其用于液化气，尤其用于液化天然气的 第一容器中的压力，在该情况下包括以下特征：
[0022] 制冷剂储存器，制冷剂管线从该制冷剂储存器以制冷剂输送的方式被引导经过所 述第一容器，
[0023] 第一阀，用于调节制冷剂管线中的制冷剂流，其设置在第一容器的上游，
[0024] 第二阀，用于调节制冷剂流的压力和温度，其设置在第一容器下游的制冷剂管线 中，以及
[0025]压力计和温度计，其被构造成测量第一容器中的压力和温度。
[0026] 此处所述温度计被构造成使得温度测量优选地在第一容器的位于第一容器中的 填充液位下方的点处进行。
[0027] 在本发明的一个优选实施例中，当容器被填充以物质混合物时，所述制冷剂管线 至少部分地延伸至第一容器中物质混合物的液位上方。
[0028] 在本发明的一个优选实施例中，被构造成容纳所述物质混合物的第二容器至少热 传导地连接至第一容器，其中尤其是物质混合物的气相和/或液相可以在第一和第二容器 之间来回流动。
[0029] 此处压力和温度的调节也可以用于第二容器，尽管没有制冷剂管线穿过第二容 器，因为至少可以确保第一和第二容器之间的热交换。
[0030] 下面对于本发明实例性实施例附图的描述参照附图进一步解释了本发明的其它 特征和优点，其中：
[0031] 图1示出了用于两种不同压力的甲烷/氮气混合物的相图；
[0032]图2示出了甲烷/氮气混合物以及具有7%乙烷摩尔分数的甲烷/氮气/乙烷混合物 的相图；
[0033] 图3是根据本发明的制冷装置的示意性表示；
[0034] 图4是根据本发明的另一制冷装置的示意性表示；以及
[0035] 图5是根据本发明的具有两个容器的制冷装置的示意性表示。
[0036]图1示出了甲烷/氮气混合物形式的物质混合物在1.5巴(a)的压力115下和6(a)巴 的压力106下的相图106、115。沸腾曲线SL1( 1.5巴）和SL2(6巴）以及露点或冷凝曲线TL1 (1.5巴）和TL2(6巴）被分别描绘出。此外，液相线L被描绘出。从相图中可以清楚地看出，液 相温度强烈取决于物质混合物中的甲烷含量(X轴)并且随着甲烷含量的降低也降低。
[0037]此外，在所选的实施例中，在液相线L和沸腾曲线SL1之间始终具有至少15K的温 差。
[0038]制冷剂的温度随后被精确调整，以使得制冷剂的第一温度T1根据甲烷/氮气混合 物的甲烷摩尔分数在沸腾曲线SL1、SL2的下方延伸，但是位于液相线L的上方。这非常容易 实现给出的液相线L与沸腾曲线SL1之间的温差(例如，第一温度可以设置为比沸腾曲线SL1 低10K)。以这种方式，可以确保甲烷不会结冰并且同时制冷剂的第一温度T1充分低，足以冷 却所述物质混合物，使得气相G的部分被转换成液相F，条件是第一容器1中的压力已经达到 引导值。
[0039]然后可以实现，例如中断制冷并且仅当第一容器1中的压力达到预定压力值时才 继续，随后再次执行制冷，从预定值下降到引导值。
[0040] 因此从图1中可以清楚地看出，制冷剂必须具有怎样的第一温度作为液相线L和相 应沸腾曲线SL1/SL2的函数，才能根据本发明对第一容器1中的温度和压力进行调节。
[0041] 图2描述了两个相图115、116,其中第一相图115对应于纯的甲烷/氮气混合物（也 参见附图1)。另一相图116(同样被绘制为对应1.5巴的压力)示出了如果7%的乙烷被另外 混合入甲烷/氮气混合物时的沸腾曲线SL3和冷凝曲线TL3的轮廓。可以看出沸腾曲线SL1和 SL3仅略微不同。可以据此推断出，两种物质混合物的液相甲烷含量可以大致通过第一容器 1中的温度和压力测量来确定。因此，例如，第一容器1中处于1.5巴压力和例如85K温度117 下的物质混合物具有50%的甲烷含量(或者是摩尔分数），实质上与物质混合物中的乙烷含 量无关。通过这种甲烷含量的确定方式，可以随后确定可用来冷却物质混合物的制冷剂的 第一温度T1。应当注意，对于LNG中产生的典型浓度的其他组分(例如乙烷、丙烷、丁烷等）， 甲烷/氮气混合物的沸腾曲线仅有细微变化。然而，只要其它组分的浓度与LNG的传统组成 偏离至一显著程度，也可导致完全不同的沸腾曲线轮廓。
[0042] 从图2中可以清楚地看出，即便纯的气相氮（甲烷含量0 % )也可以在冷却时冷凝。 如果仅氮气储存在第一容器1中，则在77K下，以87K为目标温度使用液氮作为制冷剂，可在 第一容器1中产生87K的气相氮以及第一容器1中产生2.7巴的对应压力。
[0043] 图3示出了根据本发明的制冷装置，包括被构造成用于容纳物质混合物，尤其是 LNG的第一容器1。第一容器1优选地包括热绝缘，其将物质混合物与环境热量热隔离。所述 物质混合物可以存储在第一容器1的内部2。温度和压力计3也设置于其内，利用该温度和压 力计3,温度和压力可以优选在物质混合物的液相F中测定。外部液氮储存器4通过第一阀5 经由制冷剂管线6连接至第一容器1。第一阀5尤其用于调节制冷剂管线6中制冷剂流。液氮 在制冷剂管线6内经过第一容器1，制冷剂管线6尤其可采用至少在适当位置、在第一压力P1 和第一温度T1下采用冷却盘管7的形式，其中具体地第一温度T1在经过冷却盘管7时上升至 第二温度T2。随后制冷剂在第二温度T2下从第一容器1被再次抽出，其中第二阀8被设置在 制冷剂管线6中，具体而言第一压力P1和第一温度T1可利用第二阀设定。在该实例性实施例 中，制冷剂管线6或冷却盘管7在第一容器1中完全在物质混合物的气相G中延伸。
[0044] 在图4中，相反地，制冷剂管线6或冷却盘管7的位于第一容器1中的部分在物质混 合物的气相G和液相F两种相中延伸。冷却盘管7的该种布置更好地确保了制冷剂通过流经 物质混合物的液相F而完全进入气相，并且因此在第二阀8处已经完全以气相存在，从而避 免了低温液体的排出。
[0045] 此外，在根据图4的实例性实施例中，可提供温差计DT，其测量第一温度Tl(入口温 度）和第二温度（出口温度)之间的差值。在该差值的基础上，可得出关于在第二阀8处的制 冷剂状态的结论。可选地，第二压力Ρ2和第二温度Τ2可在第二阀8的上游测量，因此同样可 以确定制冷剂的状态。
[0046]在第三变型中，确保制冷剂已经在第一温度Τ1和第一压力Ρ1下沸腾。第一阀5随后 调节制冷剂流，一方面使得它确保物质混合物的充分冷却，另一方面使得制冷剂在第二阀8 处以气相存在。第一阀5和第二阀8的控制可以例如通过PID控制系统进行，其中完全气相的 制冷剂的存在将作为限制。
[0047]图5示出了另一个实例性实施例，其中第二容器lb连接至第一容器1，其中压力和 温度的调节仅在第一容器1中发生，并且由于热传导也对第二容器lb有影响。
[0048] 参考标号列表 「00491
【主权项】
1. 一种用于调节第一容器（1)中的压力的方法，所述第一容器（1)包括以液相和气相存 在的物质混合物，所述物质混合物包括第一组分和第二组分，其特征在于，所述物质混合物 的温度被设定成使得所述第一容器（1)中的所述压力在预定值以下，并且所述物质混合物 在所述设定温度和所述第一容器(1)中的主要压力下仅以液相(F)和气相(G)存在。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物质混合物包括液化天然气，其中所 述第一组分是烃，尤其是甲烷，其中所述第二组分尤其是氮。3. 根据前述权利要求其中一项所述的方法，其特征在于，为了确定所述第一组分，尤其 是甲烷的摩尔分数，执行所述物质混合物的压力和温度的测量，其中尤其是所述摩尔分数 通过与压力相关的沸腾曲线来确定，其中尤其是氮/甲烷物质混合物的沸腾曲线被用作基 础。4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述物质混合物的温度介于与所述第一组 分的所述确定的摩尔分数相关的、所述物质混合物的液相线(L)的温度和与所述确定的摩 尔分数相关的、所述物质混合物的露点曲线或所述物质混合物的所述沸腾曲线的温度之 间。5. 根据前述权利要求中一项所述的方法，其特征在于，所述第一容器（1)中的温度是通 过所述物质混合物和制冷剂之间的间接热交换来设定，其中所述制冷剂尤其包括氮或由氮 形成。6. 根据前述权利要求中一项所述的方法，其特征在于，所述制冷剂以制冷剂流的形式 通过所述第一容器(1)，其中在进入所述第一容器(1)之前所述制冷剂流具有第一温度(Tl) 和第一压力(Pl)，而在从所述第一容器（1)离开之后具有第二温度(T2)和第二压力(P2)，并 且其中所述第二温度(T2)和所述第二压力(P2)使得所述制冷剂流以气相存在，并且其中所 述第一温度(Tl)和所述第一压力(Pl)尤其是使得所述制冷剂流至少部分地以液相存在。7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一容器（1)中的制冷剂流的第一压 力(Pl)被设定成使得所述制冷剂的沸腾温度在所述物质混合物的沸腾温度以下，并且尤其 在天然气的沸点以下，并且尤其在氮气的沸点以下，并且其中所述制冷剂的沸腾温度等于 或高于所述物质混合物的液相温度。8. 根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述制冷剂流的所述第一温度(Tl)介 于与所述第一组分的所述确定的摩尔分数相关的、所述物质混合物的所述液相线(L)的温 度和与所述确定的摩尔分数相关的、所述物质混合物的所述沸腾曲线的温度之间。9. 根据前述权利要求中一项所述的方法，其特征在于，通过尤其设置于所述第一容器 (1)上游的第一阀（5)，制冷剂流被调节，其中如果所述第一容器(1)中的所述压力超过预定 值，则所述制冷剂流增加，其中如果所述制冷剂在流经所述第一容器（1)之后不完全以气相 存在，则所述制冷剂流减少。10. 根据前述权利要求中一项所述的方法，其特征在于，通过尤其设置于所述第一容器 (1)下游的第二阀（8)，所述制冷剂流的压力和温度被调节，其中沸腾的制冷剂流的压力如 下进行设定:在所述物质混合物的确定成分下或者在所述物质混合物的所述第一组份的确 定摩尔分数下，所述制冷剂流的沸腾温度高于所述液相线(L)并低于所述物质混合物的沸 腾曲线。11. 一种制冷装置，用于调节用于物质混合物，尤其用于液化气，尤其用于液化天然气 的第一容器（1)中的压力，尤其利用权利要求1至10其中一项所述的方法，所述制冷装置具 有： 制冷剂储存器(4)，制冷剂管线(6)从所述制冷剂储存器(4)被引导经过所述第一容器 ⑴， 第一阀（5)，用于调节所述制冷剂管线中所引导的制冷剂流，其中所述第一阀（5)设置 于所述第一容器(1)的上游， 第二阀（8)，用于调节所述制冷剂管线中所引导的所述制冷剂流的压力和温度，其中所 述第二阀(8)设置于所述第一容器(1)的下游， 压力计和温度计(3)，用于测量所述第一容器（1)中的所述物质混合物的压力和温度。12. 根据权利要求11所述的制冷装置，其特征在于，当所述容器被填充以所述物质混合 物时，所述制冷剂管线(6)被构造成至少部分地延伸到所述第一容器(1)中的所述物质混合 物的液位(200)之上。13. 根据权利要求11至12其中一项所述的制冷装置，其特征在于，同样被构造成容纳所 述物质混合物的第二容器（Ib)至少热传导地连接至所述第一容器（1)，其中尤其是所述两 个容器（1，Ib)如下进行连接:气相(G)和/或液相(F)的所述物质混合物可以在所述两个容 器(l，lb)之间来回流动。
【文档编号】F17C13/02GK105899867SQ201480060105
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年9月30日
【发明人】C·温德迈尔, R·霍夫曼, D·拉梅斯
【申请人】林德股份公司