专利名称：用于lng汽化的兰金循环/发电方法
用于LNG汽化的兰金循环/发电方法安全和有效的传送天然气(NG)需要在运输之前将天然气液化。一旦该液化天然气(LNG)达到目的地，则该天然气在它能够用作燃料源之前必须再气化。液化天然气的再气化或者汽化(其需要输入功或者热)提供了二次发电的机会，其使用液化天然气的初始冷温度和用于汽化的输入功或者热。但是，先前已知的与液化天然气的汽化有关的发电方法因为几个原因而是不太理想的。例如，已知的是其中工作流体仅仅部分冷凝的方法导致了复杂性，包括需要相分离器，其又增加了成本和可能更重要地，使得所述方法更难以控制和对于故障(upsets)更敏感，这会对热交换装备产生过度的应力(stress)。此外，一些方法具有热动力学低效的缺点，这归因于当不同组成的流合并时的混合损失。最后，该已知的方法没有公开使用天然气作为工作流体的成分。与上述有关的，US-A-3479832公开了通过再循环的包含氮气的工作流体的蒸气相的膨胀来发电，该工作流体提供了用于汽化液化天然气的间接热交换。该热交换是在一系列的模块中进行的，在这些模块的每个中，将工作流体蒸气(或者馏分)进行部分冷凝，除去和相分离。将离开第一模块的部分冷凝的工作流体的蒸气相部分(在液化天然气流动方向上)进行压缩，将来自所述流体的液体相部分泵送和与压缩的蒸气相部分合并，并且将该混合物在第一和随后的模块中通过间接热交换来连续加热。离开每个随后的模块的部分冷凝的工作流体的蒸气相部分为在前的模块提供了热负荷(heat duty)，将液体相部分泵送，在它来源的模块中通过间接热交换进行加热，然后与所述模块和在前的模块中加热的返回的工作流体部分进行混合，来在接下来的模块中进一步加热。将离开最后模块的加热的两相混合物进行合并，加热，作功膨胀(work expanded)来发电，并且再循环来为最后的模块提供热负荷。在该示例性方法中，这里有四个模块，其中该液体相的氮气含量连续地从 20. 6mol%降低到0. Imo 1%,并且该再循环的工作流体包含4. 8%的氮气。离开第四模块的合并的工作流体部分的流量O9200mol/h)接近于进入第一模块的流量(6570mol/h)的4. 5 倍。本发明的实施方案通过提供系统和方法而满足了本领域的需要，该系统和方法用于与液化天然气汽化过程相关联的发电，而没有以往的缺点。具体的，在一方面，本发明提供在使用再循环的工作流体的液化天然气工艺的汽化中发电的方法，该方法包含步骤
(a)加压该工作流体；
(b)加热和汽化该加压的工作流体；
(c)在一个或多个膨胀器中将该加热的和汽化的工作流体进行膨胀，来发电，离开该一个或多个膨胀器的该工作流体包含(i)2-llmoW)氮气，(ii)甲烷，(iii)第三成分，其沸点大于或等于丙烷的沸点，和(iv)包括乙烷或乙烯的第四成分；
(d)通过与加压的液化天然气流间接热交换使得该液化天然气汽化，来冷却该膨胀的工作流体，该冷却的工作流体进行至少基本上(substantially)冷凝使得少于10%的该工作流体在该至少基本上冷凝后是蒸汽，和该膨胀的工作流体的摩尔组成在该工作流体和天然气之间的热交换过程中不发生变化；和
(e)将该冷却的工作流体再循环到步骤(a)中。优选的，离开该一个或多个膨胀器的工作流体包含6-10. 6mol%的氮气。通常，被供给以与天然气直接热交换的膨胀的工作流体的流量等于在所述的热交换结束时的膨胀的工作流体的流量。通常，该冷却的工作流体优选是在所述的直接热交换中完全冷凝的。但是，如果该冷却的工作流体需要在热交换中并未完全冷凝，则该工作流体可以被相分离，并且步骤(a) 包含压缩所形成的蒸气相和泵送所形成的液体相。该工作流体包含氮气；甲烷；第三成分，通常是烷烃，它的沸点大于或者等于丙烷的沸点，优选小于己烷的沸点；和包含乙烷或者乙烯的第四成分。该工作流体可以包含天然气。可以在膨胀器之间利用再加热该膨胀的工作流体来在两个或多个膨胀器中发电。该膨胀的工作流体可以分成第一流和第二流，其中该第一流是在步骤(d)中冷却的，和其中将该第二流再加压，然后在步骤(b)中加热。通常，所述的第一流在与天然气的热交换中被冷却之前被进一步膨胀。根据一个实施方案，公开了在液化天然气工艺的汽化中发电的方法，该方法包含步骤(a)加压工作流体；(b) 加热和汽化该加压的工作流体；(C)在一个或多个膨胀器中将该加热的和汽化的工作流体膨胀以发电，离开该一个或多个膨胀器的工作流体包含 2-llmoW)的氮气，甲烷，第三成分，它的沸点大于或者等于丙烷的沸点，和包含乙烷或者乙烯的第四成分；(d)冷却该膨胀的工作流体，以使得该冷却的工作流体至少基本上冷凝，优选完全冷凝；和(e)将该冷却的工作流体再循环到步骤(a)中，其中该膨胀的工作流体的冷却是通过在热交换器中与加压的液化天然气流间接热交换来发生的，和其中在该热交换器入口处的膨胀的工作流体的流量等于在该热交换器出口处的膨胀的工作流体的流量。根据另外一个实施方案，公开了在液化天然气工艺的汽化中发电的方法，该方法包含步骤(a)加压工作流体；(b) 加热和汽化该加压的工作流体；(c)在一个或多个膨胀器中将该加热的和汽化的工作流体进行膨胀以发电，其中该工作流体包含2-llmoW)的氮气，天然气，第三成分，它的沸点大于或者等于丙烷的沸点，和包含乙烷或者乙烯的第四成分；(d)冷却该膨胀的工作流体，以使得该冷却的工作流体至少部分地冷凝；和(e)将该至少部分冷凝的工作流体再循环到步骤(a)中，其中该膨胀的工作流体的冷却是通过在热交换器中与加压的液化天然气流间接热交换来发生的，和其中在该热交换器入口处的膨胀的工作流体的流量等于在该热交换器出口处的膨胀的工作流体的流量。通常，该工作流体包含超过在天然气中自然存在的氮气量的氮气。通常，该冷却的工作流体是在所述的直接热交换中至少基本上冷凝的，优选是完全冷凝的。但是，该冷却的工作流体需要在热交换中仅仅部分冷凝，该部分冷凝的工作流体被是相分离，并且步骤(a)包含压缩所形成的蒸气相和泵送所形成的液体相。根据仍然的另外一种实施方案，公开了在液化天然气工艺的汽化中发电的方法， 该方法包含步骤加压工作流体；加热和汽化该加压的工作流体；在一个或多个膨胀器中将该加热的和汽化的工作流体膨胀以发电；冷却该膨胀的工作流体；和再循环该冷却的工作流体，其中该膨胀的工作流体的冷却是通过在热交换器中与加压的液化天然气流进行间接热交换来发生的，其中改进包括工作流体包含2-llmoW)的氮气，和其中该冷却的工作流体是至少基本上冷凝的，优选完全冷凝的。根据仍然的另外一种实施方案，公开了通过本发明的方法用于在液化天然气的汽化系统中来发电的设备，该设备包含至少一个膨胀装置；至少一个加热装置；至少一个冷凝器；和具有多种成分的工作液体(working liquid)，其中该工作液体包含2-llmoW)的氮气，包含甲烷或者天然气的第二成分，第三成分(它的沸点大于或者等于丙烷的沸点)， 和包含乙烷或者乙烯的第四成分。当结合附图来阅读时，能够对前述的以及下面的示例性实施方案的详细说明进行更好的理解。为了说明本发明的实施方案，在附图中表示了本发明示例性的实施方案；但是，本发明不限于所公开的具体的方法和手段。在附图中
图Ia是流程图，表示了根据本发明一种实施方案的示例性发电系统； 图Ib是流程图，表示了根据本发明一种实施方案的示例性发电系统； 图2是流程图，表示了在根据本发明的实施方案的发电系统中，将液化天然气示例性的用作工作流体的成分；
图3是流程图，表示了根据本发明的实施方案的示例性发电系统，该系统包括分流； 图4是示意图，比较了根据本发明的实施方案的工作流体的氮气含量与净回收功率 (net recovered power)；
图5是示意图，比较了根据本发明的实施方案的工作流体的氮气含量与净回收功率； 图6是根据本发明的实施方案，当工作流体的氮气含量是大约7. 81mol%时，主热交换器的示例性冷却曲线的图示；和
图7是根据本发明的实施方案，当工作流体的氮气含量是大约0. 40mol%时，主热交换器的示例性冷却曲线的图示。图Ia是表示了包括本发明方面的示例性发电系统的图。加压的液化天然气(LNG) 流可以经过主热交换器106的冷端104，供给通过管线102，来在液化天然气汽化回路100 的管线108中产生加压的天然气(NG)。该天然气的传输压力例如可以是76 bar (7. 6 MPa)。关于发电回路200，管线202中的工作流体可以通过泵204加压，并且管线206中的该加压的工作流体然后可以输送通过主热交换器106的冷端104。在该加压的工作流体在主热交换器106中加热之后，管线208中的该加压的工作流体可以通过加热器210来进一步加热和完全汽化。该加压的工作流体可以是管线212中完全汽化的工作流体。管线212 中该完全汽化的工作流体然后可以在膨胀器214中膨胀。膨胀器214所产生的功可以例如通过使用发电机216而转化成电能。来自管线218中的膨胀器214的废工作流体(exhaust working fluid)可以任选的在再加热器220中进一步加热。可以例如在一个或多个膨胀器之间使用一个或多个再加热器。在管线222中所形成的工作流体流可以任选的在膨胀器 224中进一步膨胀。类似于膨胀器214，由膨胀器2M所产生的功可以例如通过使用发电机 226而转化成为电能。来自管线228中的膨胀器224的废工作流体然后可以供给到主热交换器106的热端107，以冷却和冷凝该工作流体。该冷却的和冷凝的工作流体(其现在是液体工作流体)然后可以再循环回到管线202中来再加压。前述的方法经常称作兰金循环 (Rankine cycle)。主热交换器106可以例如是一个或多个物理热交换器。该一个或多个热交换器可以是板翅式热交换器，并且尺寸例如是1. 2mxl. 3m x8m。虽然
图1中的膨胀器214可以被解释为是单个膨胀器，但是应当注意膨胀器214 也可以解释为代表了例如一个或多个用于膨胀的膨胀器。该任选的膨胀器2M还可以是一个或者多个物理装置。流向热交换器106的液化天然气可以是例如大约10068 kmol/h。在这样的情况中，膨胀器214能够例如产生4000 kff-8000 kW的功率。任选的膨胀器2M能够例如产生 7000 kff - 15000 kW的功率。管线202中的低压工作流体典型的压力例如可以是10 bar-25 bar (1.0-2. 5 MPa)。管线206中高压工作流体典型的压力例如可以是60 bar-80 bar (6-8 MPa)。驱动泵204所需的功率可以是例如2000 kff-4000 kW。离开加热器210和任选的再加热器220典型的温度例如可以是40°C -250°C。离开该发电循环(power generation cycle)的一个或多个膨胀器的工作流体可以包括例如下面的成分氮气，甲烷，和第三成分，该第三成分的沸点大于或者等于丙烷。该第三成分可以例如是任何正烷烃，它们各自的异构体，(例如丙烷，异丁烷，丁烷，戊烷，异戊烷，己烷)或者其任意的组合。此外，该工作流体的成分数可以包括大于三种的成分。例如， 第四成分可以是例如乙烯，乙烷，丙烯或者二甲醚(DME)。该工作流体的氮气含量可以大于2moW)。例如，该工作流体的氮气含量可以是 2-llmol%，和更优选 6-10. 6mol%。在另外一种实施方案中，离开该发电回路的膨胀器的工作流体可以包括例如下面的成分天然气，氮气，和第三成分，该第三成分的沸点大于或者等于丙烷的沸点。该第三成分例如可以是任何的正烷烃，它们各自的异构体，(例如丙烷，异丁烯，丁烷，戊烷，异戊烷， 己烷)，或者其任意组合。因为天然气中氮气的天然存在量可以是低的，可以将氮气加入到天然气和该第三成分的这种混合物中。此外，在这个实施方案中，工作流体的成分数可以包括大于三种成分。例如第四成分可以是例如乙烯，乙烧，丙烯或者二甲醚(DME)
液化天然气(其典型的已经包含甲烷，乙烷，和有时候氮气)可以用作形成该工作流体的基础物(base)。例如，加入氮气、乙烷和戊烷到该液化天然气中产生了这样的混合物。使用天然气作为该工作流体的成分明显节约了资金和资源，因为将天然气用作成分降低了这样的需要，即，输入和/或存储至少一些已经存在于天然气中的成分的需要。该天然气已经现场(on site)存在，来用于所述方法的汽化部分中。例如，如图2所示，三个小罐(tank)250，255和260可以用于存储工作流体成分。液化天然气供料270已经存在于用于汽化280的位置上。该液化天然气供料270因此不仅可以用于汽化观0，而且可以用作发电循环四0中的工作流体的成分。将天然气用作形成工作流体的基础物还允许使用较小的存储罐来存储工作流体的各自附加的成分。此外，使用天然气能够消除存储甲烷的需要，甲烷是工作流体典型的最大的成分之一。在一种实施方案中，来自发电循环中的最后的膨胀器的废工作流体可以在主热交换器106中冷却之后，进行部分冷凝(例如如图Ib所示)。在另外一种实施方案中，来自发电循环中的最后的膨胀器的废工作流体可以在主热交换器106中冷却之后，进行完全冷凝(例如如图Ia所示)。在仍然的另外一种实施方案中，来自发电循环中的最后的膨胀器的废工作流体可以在主热交换器106中冷却之后，进行基本上冷凝(即，冷凝使得小于10%的工作流体是蒸汽)(同样例如如图Ib所示)。在热交换器106中完全冷凝该废工作流体可以是有利的，因为当废工作流体完全冷凝时不需要相分离器，这导致了成本节约。因为当该废工作流体完全冷凝时不需要再混合，因此这里存在着较少的热力学混合损失的可能。当该工作流体通过在热交换器106中冷却没有完全冷凝时，可以使用相分离器 203 (如图Ib所示)从流202中分离液体和蒸气。该工作流体的液体部分可以例如通过泵 204加压。该工作流体的蒸气部分可以例如通过压缩机205压缩。由泵204和压缩机205 所形成的流然后可以在管线206中合并，以输送通过主热交换器106的冷端104。在图3中，对应于图Ia和Ib中所示的实施方案的元件和流体流的元件和流体流由相同的标号标识。参考图3所示的实施方案，分流300可以取自每个膨胀器的废工作流体，除了最低压力膨胀器之外。在图3所示的该示例性实施方案中，分流300可以通过让该分流300通过主热交换器106的区域来首先被冷却和冷凝。管线302中的冷却的和冷凝的分流然后可以通过泵304加压。管线306中该加压的分流可以再引入到主热交换器106中以加热。该加热的分流然后可以再引入到原管线206中，用于在主热交换器106中进一步加热。使用分流300能够例如允许更有效的热供给和热需求的匹配。作为可替换项，分流306可以与流206分别地在热交换器106中再加热。在这样的情况中，两种升温的流将在该热交换器的热端合并来形成流208。使用该示例性实施方案之一(这里在膨胀之前将工作流体加热到110°C的温度) 能够达到接近于例如四％的热效率。该热效率例如是如下来计算的用膨胀器所产生的功减去泵运行所需的功，并且用所形成的净功除以供给到加热器210和220中的过程的热。
实施例在氮气布雷顿循环和本发明的示例性发电系统之间进行了比较。作为此处所用的，氮气布雷顿循环是如下来运行的。将冷氮气从低压压缩到高压(在冷压缩机中，并且在接近于进入的液化天然气的温度的温度下)，然后在热交换器(或者交换器)中升温，然后从高压膨胀到低压，然后返回和冷却回到初始状态。使用来自该液化天然气的冷来为低压氮气提供一小部分的(a fraction of)冷却。所产生的净功是温或者热膨胀器的功输出减去冷压缩机的功输入。对这个实施例来说，将液化天然气(组成为0.4moW)氮气，96. 3moW)甲烷和 3. 3md%乙烷)在76 bar (7. 6 MPa)的绝对压力下引入。如下表1所示，通过本发明的示例性系统所产生的功率大于氮气布雷顿循环的功率，即使氮气布雷顿循环的膨胀器中的温度水平更高。该示例性系统的方法使用泵，该泵消耗了比氮气布雷顿循环所用的冷压缩机更小的功率。该示例性系统还使用了两个膨胀器，而氮气布雷顿循环仅仅使用单个膨胀器。但是，该氮气布雷顿循环的膨胀器具有高得多的额定功率(较大的尺寸)。比较结果如下
表I
氮气(N2)布雷顿系统本发明的示例性系统生产力13800公吨/天(inTPD)生产力:4000公吨/天(inTPD)氮气加热到260°C工作流体加热到iio°c膨胀器能量20000W膨胀器能量112;35kW和6641kW冷压缩机能量12300kW泵能量3375kW
权利要求
1.使用再循环的工作流体在液化天然气工艺的汽化中发电的方法，该方法包含以下步骤(a)加压该工作流体；(b)加热和汽化该加压的工作流体；(c)在一个或多个膨胀器中将该加热和汽化的工作流体膨胀以发电，离开该一个或多个膨胀器的该工作流体包含(i) 2-1 ImoW)氮气，(ii)甲烷，(iii)第三成分，其沸点大于或等于丙烷的沸点，和(iv)包括乙烷或乙烯的第四成分；(d)通过与加压的液化天然气流间接热交换使得该液化天然气汽化来冷却该膨胀的工作流体，该冷却的工作流体至少基本上冷凝，使得少于10%的该工作流体在该至少基本上冷凝后是蒸汽，和该膨胀的工作流体的摩尔组成在该工作流体和天然气之间的热交换过程中不发生变化；和(e)将该冷却的工作流体再循环到步骤(a)中。
2.根据权利要求1的方法，其中离开该一个或多个膨胀器的工作流体包含6-10.6mol% 的氮气。
3.根据权利要求1或者权利要求2的方法，其中被供给以与天然气直接热交换的该膨胀的工作流体的流量等于在所述的热交换结束时的该膨胀的工作流体的流量。
4.根据权利要求1-3中任何一个的方法，其中该冷却的工作流体是完全冷凝的。
5.根据前述权利要求中任何一个的方法，其中该第三成分(iii)是烷烃。
6.根据权利要求5的方法，其中该第三成分(iii)的沸点小于己烷的沸点。
7.根据前述权利要求中任何一个的方法，其中该第四组分包含丙烯或二甲醚。
8.根据前述权利要求中任何一个的方法，其中该工作流体包含天然气。
9.根据前述权利要求中任何一个的方法，其中利用在膨胀器之间该膨胀的工作流体的再加热来在两个或多个膨胀器中发电。
10.根据前述权利要求中任何一个的方法，进一步包含将膨胀的工作流体分成第一流和第二流，其中该第一流在步骤(d)中冷却，和其中将该第二流再加压和然后在步骤(b)中加热。
11.根据权利要求10的方法，其中在与天然气的热交换中被冷却之前，该第一流被进一步膨胀。
12.在液化天然气工艺的汽化中发电的方法，该方法包含以下步骤(a)加压工作流体；(b)加热和汽化该加压的工作流体；(c)在一个或多个膨胀器中将该加热和汽化的工作流体膨胀以发电，离开该一个或多个膨胀器的工作流体包含2-llmoW)的氮气，甲烷，第三成分，该第三成分的沸点大于或者等于丙烷的沸点，和包含乙烷或者乙烯的第四成分；(d)冷却该膨胀的工作流体，使得该冷却的工作流体至少基本上冷凝；和(e)将该冷却的工作流体再循环到步骤(a)中，其中该膨胀的工作流体的冷却是通过在热交换器中与加压的液化天然气流间接热交换发生的，和其中在该热交换器入口处的膨胀的工作流体的流量等于在该热交换器出口处的膨胀的工作流体的流量。
13.在液化天然气工艺的汽化中发电的方法，该方法包含以下步骤(a)加压工作流体；(b)加热和汽化该加压的工作流体；(c)在一个或多个膨胀器中将该加热和汽化的工作流体膨胀以发电，其中该工作流体包含2-llmoW)的氮气，天然气，第三成分，该第三成分的沸点大于或者等于丙烷的沸点， 和包含乙烷或者乙烯的第四成分；(d)冷却该膨胀的工作流体，使得该冷却的工作流体至少部分地冷凝；和(e)将该至少部分冷凝的工作流体再循环到步骤(a)中，其中该膨胀的工作流体的冷却是通过在热交换器中与加压的液化天然气流间接热交换发生的，和其中在该热交换器入口处的该膨胀的工作流体的流量等于在该热交换器出口处的该膨胀的工作流体的流量。
14.在液化天然气的汽化中发电的方法，该方法包含以下步骤(a)加压工作流体；(b)加热和汽化该加压的工作流体；(c)在一个或多个膨胀器中将该加热和汽化的工作流体膨胀以发电；(d)冷却该膨胀的工作流体；和(e)将该冷却的工作流体再循环到步骤(a)中，其中该膨胀的工作流体的冷却是通过在热交换器中与加压的液化天然气流间接热交换发生的，改进包含工作流体包含2-llmd%的氮气和其中该冷却的工作流体是至少基本上冷凝的。
15.发电设备，其用于液化天然气系统的汽化中，该设备包含至少一个膨胀装置；至少一个加热装置；至少一个冷凝器；和具有多种成分的工作液体，其中该工作液体包含2-llmoW)的氮气，包含甲烷或者天然气的第二成分，第三成分，该第三成分的沸点大于或者等于丙烷的沸点，和包含乙烷或者乙烯的第四成分。
全文摘要
在液化天然气(102)的兰金循环汽化中发电(216，226)，其中将包含2-11mol%氮气的再循环性工作流体(202-228)至少部分地冷凝，提供热交换负荷(106)来汽化该天然气，并且进行再循环，而在与天然气的热交换过程中不改变它的摩尔组成。优选将该工作流体完全冷凝，同时提供热交换负荷。
文档编号F17C9/04GK102209867SQ200980144368
公开日2011年10月5日 申请日期2009年11月3日 优先权日2008年11月6日
发明者D·M·赫伦, 徐建国 申请人:气体产品与化学公司