專利名稱：：在液化天然氣再氣化終端中用于動力生產(chǎn)的結構和方法
技術領域：
：本發(fā)明的
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是使用液化天然氣的動力生產(chǎn)，而且特別涉及液化天然氣再氣化設備中的動力生產(chǎn)和/或與動力裝置的一體化。技術背景液化天然氣(LNG)的輸入被期望加速，主要是由于超過原油的增加的使用以及技術和經(jīng)濟上的優(yōu)點。雖然有些當前現(xiàn)有的液化天然氣再氣化設備被擴展，但仍然必須補充新的再氣化設備以滿足將來對天然氣的要求。傳統(tǒng)的液化天然氣再氣化設備一般要求有外部熱源，例如敞開架的海水汽化器、浸沒燃燒汽化器、中間流體汽化器(例如，使用乙二醇-水混合物)和/或周圍空氣汽化器。然而，液化天然氣的汽化是能量消耗量大的過程，而且一般要求熱功當量大約為液化天然氣的內能的3%。更近來，通過將熱量產(chǎn)生過程與液化天然氣再氣化連接，已進行了嘗試以減小用于再氣化的能量需求。例如，動力裝置可與液4b天然氣再氣4匕相連接，與Mandrin和Griepentrog的美國專利No.4036028和No.4231226所分別描述的一樣。相似的結構公布于公開的Keller的美國專利申請No.2003/0005698、Johnson等人的EP0683847和Keller的WO02/097252。在這些已知的結構中，用于液化天然氣的再氣化的熱量通過熱交換流體來提供，該熱交換流體與渦輪排氣裝置或聯(lián)合循環(huán)動力裝置進行熱交換。雖然某些這樣的結構造成能量消耗的減少，但動力生產(chǎn)效率的增益通常并不顯著，這主要是由于這些過程不能有效地利用作為冷源的液化天然氣的很低的溫度(一般在-255。F至-150。F之間)。更進一步，尤其是，某些這樣的結構中的傳熱受限于傳熱介質的相對高的凝固點。由于這些或其他限制，動力生產(chǎn)效率通常是低的。在進一步已知的結構中，如EP0496283所描述的那樣，動力由蒸汽膨脹渦輪產(chǎn)生，該蒸汽膨脹渦輪由工作流體驅動(這里是水)，該工作流體被燃氣輪機排氣裝置加熱并被液化天然氣再氣化回路冷卻。雖然，這樣的結構使裝置的效率增加到至少某一程度，但仍然存在若干問題。例如，液化天然氣的低溫致冷含量的利用由于水的高凝固點而經(jīng)常受到限制。為了克服至少某些與高凝固溫度有關的困難，非水流體可在一般的蘭金(Ranking)循環(huán)動力生產(chǎn)中一皮用作工作流體。用于這種方法的典型結構7>開于Matsumoto和Aoki的美國專利No.4388092,在該專利中，來自蒸餾塔的多組分碳氫化合物流體被用于改善生產(chǎn)效率。然而，這些系統(tǒng)的操作以及多組分工作流體的監(jiān)測和控制是成本高而且復雜的。因此，雖然許多用于液化天然氣的應用和再氣化的過程和結構在本-
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中是公知的，但幾乎所有的過程和結構都因一個或多個缺點而受到損害。因此，仍有必要提供改善的用于液化天然氣的應用和再氣化的結構和方法。
發(fā)明內容本發(fā)明涉及在液化天然氣再氣化操作中用于動力生產(chǎn)的結構和方法，在該液化天然氣再氣化操作中，液化天然氣被用作工作流體，其中，處于液化狀態(tài)的液化天然氣被用于汽化器的上游以冷凝膨脹的工作流體，而一部分處于汽化狀態(tài)的液化天然氣(汽化天然氣)被用于汽化器的下游以驅動膨脹渦輪。最有利地，液化天然氣在管道壓力下被汽化，而被冷凝的膨脹的工作流體被泵送回至管道壓力并在汽化器的上游的位置與液化天然氣組合。因此，在本發(fā)明主題的一個方面中，液化天然氣再氣化裝置被設計成包括熱交換器，該熱交換器被配置成利用來自液化天然氣的致冷含量來冷凝膨脹的汽化天然氣。在這種裝置中的汽化器被配置成從液化天然氣產(chǎn)生汽化天然氣，而且膨脹器被流體連接到汽化器并被配置成使至少一部分汽化天然氣膨脹從而產(chǎn)生膨脹的汽化天然氣。優(yōu)選地，設計的裝置將進一步包括泵，被配置成從熱交換器接收冷凝的天然氣；以及流體連接到該泵的導管，被配置成使冷凝的天然氣與液化天然氣組合；和/或第二熱交換器，被配置成利用來自膨脹的汽化天然氣的熱量來加熱該至少一部分來自汽化器的汽化天然氣。在進一步優(yōu)選的方面中，該裝置包括第三熱交換器,被配置成使該至少一部分來自汽化器的汽化天然氣加熱到至少300。F的溫度(例如，利用來自燃氣輪機、廢熱回收裝置和/或燃燒加熱器的廢氣作為熱源)。另外，或者可選擇地，可包括熱交換流體回路，其被熱連接到汽化器和第四熱交換器(一般被配置成在膨脹器的上游的位置加熱來自汽化器的該部分汽化天然氣)。特別設計的裝置將包括第二個泵，該泵使液化天然氣從儲存壓力泵送至管道壓力，其中，儲存壓力在1磅/平方英寸至100磅/平方英寸之間，而且管道壓力在700磅/平方英寸至2000磅/平方英寸之間。因此，膨脹器一般被配置成使該部分汽化天然氣從大約1000-2000磅/平方英寸之間膨脹到大約1磅/平方英寸至100磅/平方英寸之間的壓力。也設計使該裝置包括流量控制器，該流量控制器控制從汽化器到膨脹器的該部分汽化天然氣的流量。在本發(fā)明主題的另一個方面中，使用天然氣作為工作流體的產(chǎn)生動力的方法將包括下述步驟在渦輪內膨脹至少一部分汽化天然氣(一般達到l-100磅/平方英寸之間的壓力)以產(chǎn)生動力和膨脹的汽化天然氣。而在另一個步驟中，使用液化天然氣的制冷低溫來冷凝膨脹的汽化天然氣，并組合冷凝的天然氣和液化天然氣，而在另一個步驟中，組合的液化和冷凝的天然氣被汽化以產(chǎn)生汽化天然氣。特別優(yōu)選的方法包括下述步驟使用來自燃氣輪機、廢熱回收裝置、燃燒加熱器的廢氣和/或膨脹的汽化天然氣的熱量在一個或多個熱交換器內加熱該部分汽化天然氣。進一步優(yōu)選的方法包括下述步驟在汽化器的上游的位置把液化天然氣至少泵送到管道壓力以產(chǎn)生汽化天然氣。最一般地，汽化器使用海水、熱交換介質和/或浸沒燃燒器作為熱源。在本發(fā)明主題的優(yōu)選的方面中，該部分汽化天然氣為總汽化天然氣的大約1%至50%之間。因此，而且從不同的觀點來看，發(fā)明人設計使用從汽化器的上游的工作流體，其中從汽化器的下游的位置抽吸該汽化天然氣工作流體。一般地，設計的開路動力循環(huán)包括膨脹渦輪和加熱汽化天然氣工作流體的加熱器，而冷凝的天然氣工作流體和從汽化器的上游的位置抽吸的液化天然氣二者被組合并送到汽化器。如同上述設計的裝置和方法，一般優(yōu)選的是在汽化器的上游的位置的液化天然氣處在大約管道壓力下，而且膨脹的汽化天然氣工作流體處在1-100磅/平方英寸之間的壓力下。本發(fā)明的各種目的、特征、方面和優(yōu)點根據(jù)下述本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細描述以及所帶的附圖是更加顯而易見的。圖1是根據(jù)本發(fā)明主題連接到液化天然氣再氣化操作的動力生產(chǎn)方案的一個典型結構；以及圖2是根據(jù)本發(fā)明主題連接到液化天然氣再氣化操作的動力生產(chǎn)方案的另一個典型結構。具體實施方式發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過在開路循環(huán)中使用至少一部分再氣化的液化天然氣作為工作流體，液化天然氣內的致冷含量可被有利地應用于再氣化設備中的動力的生產(chǎn)，其中，使用送到該設備的液化天然氣的低溫致冷含量，液化天然氣在膨脹后被冷凝。根據(jù)汽化器的結構，中間的熱交換介質可^^皮用于設計的結構中。應當特別理解液化天然氣被泵送到所需的壓力以在使用液化天然氣作為工作流體的開路動力循環(huán)中提供致冷。在這樣的裝置中，使用被輸送到該裝置的液化天然氣的低溫溫度，液化天然氣工作流體被冷凝。因此，應當可知液化天然氣再氣化和/或動力生產(chǎn)可借助于周圍空氣汽化器、海水汽化器和/或來自燃氣輪機或燃燒加熱器的廢熱來實現(xiàn)，這顯著地減少了動力生產(chǎn)中的燃料消耗。此外，由于液化天然氣被用作工作流體，所以不需要外部工作流體。從不同的觀點來看，由于工作流體不會在低溫溫度下凝固，顯著增加的致冷含量是可恢復的。典型的開路液化天然氣動力循環(huán)被示意地繪制于圖1，在圖中，動力生產(chǎn)被可操作地連接到具有大約350MMscfd(百萬標準立方尺/天)的送出率的液化天然氣再氣化裝置。然而，應當理解本發(fā)明的主題不限于特定的送出率，而且合適的裝置可具有更高或更低的送出率。下面的表1示出圖1中一般的液化天然氣成分。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表1來自儲罐或其他來源的液化天然氣流1一般處在70磅/平方英寸至100磅/平方英寸之間的壓力，并且處在大約-260。F至-250。F的溫度。由于需要滿足管道要求，流1被液化天然氣泵51泵送至合適的壓力，一屏殳大約為1200至1600磅/平方英寸，以形成加壓的液化天然氣流2。作為在這里使用的與數(shù)字連在一起的術語"大約"指的是從低于該數(shù)字的20%開始的數(shù)字到高于該數(shù)字的20%的數(shù)字的范圍，該數(shù)字也包括在內。例如，術語"大約-150。F"指的是-180。F至-120。F的范圍，以及術語"大約1400磅/平方英寸"指的是1372磅/平方英寸至1680磅/平方英寸的范圍一部分液化天然氣流2一皮分離成流3，并利用旁通閥524皮送到交換器54。流3在該交換器內從大約-250。F加熱到大約-170。F以形成流4，而膨脹的汽化天然氣工作流體8從大約40°F冷卻和冷凝到大約-215。F。如此冷凝的液化天然氣工作流體9處在大約80磅/平方英寸的壓力和大約-215。F的溫度，并,皮泵55泵送到大約1400磅/平方英寸的壓力，形成流IO,流10與液化天然氣流2的剩余部分組合以形成組合的流5。流5然后在汽化器53中被周圍熱源(例如周圍空氣或海水)提供的熱量加熱到大約40°F。汽化天然氣流6然后利用流量控制器(未示出)被分離成第一部分(大約85%,流7)和第二部分(大約15%,流30)。應當理解特別地，汽化天然氣流的分離比通常取決于液化天然氣成分和所要求的動力生產(chǎn)輸出。流7一皮送到用戶管道，而流30按如下所述一皮利用于動力循環(huán)。利用來自膨脹器排出流13的熱含量，流30首先在交換器56中被加熱到大約155。F，形成流11。如此被加熱的汽化天然氣在加熱器57中被外部源進一步加熱到大約450。F(或更高)，形成流12。應當理解許多外部熱源是合適的(例如，來自燃氣輪機、廢熱回收裝置和/或燃燒加熱器的廢氣)。產(chǎn)生的高壓高溫工作流體12然后在膨脹器58內被膨脹到大約75磅/平方英寸，形成流13,產(chǎn)生能被用來驅動發(fā)電機的動力。膨脹器排出的熱含量在交換器56內恢復形成流8,流8隨后在交換器54內一皮顯著地冷凌是形成流9以重復該動力循環(huán)。在圖1的典型結構中，開路動力循環(huán)使大約550加侖/分鐘的液化天然氣工作流體進行循環(huán)，產(chǎn)生大約5000kW。按照由除以對交換器57的熱量輸入的來自該循環(huán)的凈功率輸出的熱當量所計算的動力生產(chǎn)效率大約是68%。該效率可用更高的搡作溫度和壓力來進一步增大，這應與更高的設備費用和加熱要求相稱。關于分別從液化天然氣流2和流6抽吸的流3和流30的量，應當可知該特定的量將至少部分地由所要產(chǎn)生的動力的量來確定。例如，在要求相對大的動力的量地方，流30可以比流6多15%(例如16-20%、20-25%或甚至更高)。因此，以及取決于冷卻的膨脹器排出8的溫度，流3的量可相當大地變化。最一般地，流3將是至少符合有效冷凝膨脹的天然氣流8的量。因此，應當可知液化天然氣流2的低溫致冷含量的第一部分被用作液化天然氣工作流體的冷源，而且處于至少部分汽化形式的至少一部分液化天然氣#1加熱和膨脹，以在開路動力循環(huán)中做功。另一個典型的開路液化天然氣動力循環(huán)被示意地繪制于圖2，在圖中，動力生產(chǎn)被可操作地連接到液化天然氣再氣化裝置，該液化天然氣再氣化裝置使用中間的熱交換流體(例如，乙二醇-水、乙醇或導熱姆換熱劑等)以向液化天然氣汽化器提供熱量。這里，中間流體流14被泵59泵送到大約120磅/平方英寸，形成流15,流15優(yōu)選地在汽化器60內,皮周圍空氣加熱形成流16。流16的第一部分經(jīng)過流17在交4奐器61內用廢熱22進一步加熱到大約480。F或更高，形成加熱的流19,該流19加熱預熱的液化天然氣流11。流19作為流20離開熱交換器57,并與流16的第二部分(流18)組合以形成用在汽化器53中的流21。關于圖2的剩余組件，相同的設計思想應用于具有如圖l繪制的同樣的數(shù)字的同樣的組件。用于交換器22和57的合適的熱源包括燃氣輪機燃燒空氣、到表面冷凝器的冷卻水、來自燃氣輪機的廢氣和/或來自燃料燃燒加熱器的廢氣。然而，也可預想到許多可選^l奪的熱源，包括在裝置中存在的除了組合的循環(huán)裝置之外的單元。類似地，用于液化天然氣制冷的合適的接收器也可包括液化天然氣冷卻空氣或其他氣體的多個低溫過程(例如空氣分離裝置)；提供廢氣(例如重整的廢氣等)的過程；以及起到冷源(例如，二氧化碳流體生產(chǎn)裝置、脫鹽裝置或食物冷凍設備)作用的其他過程。因此，應當理解從汽化器的上游的位置抽吸的液化天然氣可被用來冷凝來自優(yōu)選開路動力循環(huán)的膨脹的汽化天然氣工作流體，其中，從汽化器的下游的位置抽吸該汽化天然氣工作流體。在本發(fā)明主題的進一步設計的方面中，一般優(yōu)選的是動力生產(chǎn)可操作地與液化天然氣再氣化設備和/或液化天然氣接收終端相連接，而且特別優(yōu)選的結構包括那些液化天然氣在一種過程中被再氣化的結構，在該過程中，至少液化天然氣的一部分被用于產(chǎn)生電力(最優(yōu)選與組合的動力循環(huán)一體化)。例如，合適的裝置和方法在我方共同擁有且同時待審的編號為PCT/US03/25372和PCT/US03/26805的國際專利申請中進行了描述，在此通過引用將其引入。因此，以及#4居特定的熱源，應當可知液化天然氣的再氣化所需要的能量可全部或僅僅部分地由設計的熱源提供。在熱源提供不足的熱量以使液化天然氣完全氣化時，應當可知可以提供補充的熱量。合適的補充熱源包括來自蒸汽輪機排出的廢熱、來自廢氣的冷凝功、用空氣、海水或廢氣的周圍加熱(例如通過向建筑物提供空調)。因此，應當理解設計的結構和過程可^t用于改進現(xiàn)有的再氣化裝置以改善動力生產(chǎn)效率和適應性，或可用于新的設備。應當特別理解使用根據(jù)本發(fā)明主題的結構可以實現(xiàn)許多優(yōu)點。尤其是，在沒有外部工作流體的條件下，例如蒸汽或具有除液化天然氣之外的成分的碳氫化合物，設計的結構可提供高度有效的液化天然氣動力生產(chǎn)循環(huán)。設計的過程可與動力裝置的任何類型相連接，并仍然提供好以及利用液化天然氣作為工作流體以獲得高的熱效率，一般在大約70%或更高的范圍內。在最優(yōu)選的裝置中，送出的液化天然氣被泵送到超臨界壓力并使用傳統(tǒng)的汽化器再氣化，而一部分再氣化的產(chǎn)品作為液化天然氣工作流體(汽化天然氣)被分離到開路動力循環(huán)。液化天然氣工作流體被進一步過熱和膨脹至較低壓力從而產(chǎn)生動力，其中，利用在-250。F至-150°F的范圍內送出的液化天然氣的低溫溫度，膨脹的工作流體被冷凝?？蛇x擇地，液化天然氣工作流體被泵送到超臨界壓力(這里高于臨界凝結壓力)，并被外部熱源加熱，然后被膨脹到較低壓力，用于帶有熱源的動力生產(chǎn)，該熱源與動力循環(huán)一體化或熱連接到該動力循環(huán)。利用送出的液化天然氣，膨脹的工作流體被冷凝、泵送并與該送出的液化天然氣混合以及在汽化器內加熱。根據(jù)所設計的裝置的概念上簡單的結構，應當可知根據(jù)本發(fā)明主題的動力生產(chǎn)可作為對現(xiàn)有設備的改進來實施，或在最開始建造的設備中實施。因此，用于帶有一體化液化天然氣再氣化的動力生產(chǎn)的結構和方法的具體實施例和應用已一皮-公開。然而，對于那些本領域內的4支術人員應當顯而易見的是在這里，在不脫離本發(fā)明原理的情況下，除那些已描述的內容之外的更多種改進是可能的。本發(fā)明的主題因此除了現(xiàn)有的公開以外并不會受到限制。此外，在解釋說明書時，所有的術語應當以與上下文一致的最寬泛可能的方式來解釋。特別地，術語"包括(comprises)"和"包括(comprising)"應當解釋為所指的是釆用非排他方式的元件、組件或步驟，表示所提及的元件、組件或步驟可以是現(xiàn)有的、已利用過的或與其他元件、組件或未確切引用的步驟相結合的。此外，在此通過引用而引入的引用中的術語的定義或使用與在此提供的該術語的定義不一致或相反時，在此提供的該術語的定義適用，而引用中的該術語的定義不適用。權利要求1.一種液化天然氣再氣化裝置，包括熱交換器，被配置成使用來自液化天然氣的致冷含量來冷凝膨脹的汽化天然氣；汽化器，被配置成從液化天然氣生產(chǎn)汽化天然氣；以及膨脹器，被流體連接到汽化器并配置成使至少一部分汽化天然氣膨脹從而產(chǎn)生膨脹的汽化天然氣。2.根據(jù)權利要求1所述的再氣化裝置，進一步包括泵，被配置成接收來自熱交換器的冷凝的天然氣；以及流體連接到泵的導管，被配置成使冷凝的天然氣與液化天然氣組合。3.根據(jù)權利要求1所述的再氣化裝置，進一步包括第二熱交換器，被配置成使用來自膨脹的汽化天然氣的熱量加熱來自汽化器的該至少一部分汽化天然氣。4.根據(jù)權利要求1所述的再氣化裝置，進一步包括第三熱交換器，被配置成使來自汽化器的汽化天然氣的該至少一部分汽化天然氣加熱到至少300°F的溫度。5.根據(jù)權利要求4所述的再氣化裝置，其中第三熱交換器被配置成使用從包括來自燃氣輪機、廢熱回收裝置和燃燒加熱器的廢氣的組中選擇的熱源。6.根據(jù)權利要求1所述的再氣化裝置，進一步包括第二個泵，被配置成使液化天然氣從儲存壓力泵送到管道壓力。7.根據(jù)權利要求6所述的再氣化裝置，其中儲存壓力在l磅/平方英寸和100磅/平方英寸之間，而且管道壓力在700磅/平方英寸和2000磅/平方英寸之間。8.根據(jù)權利要求1所述的再氣化裝置，其中膨脹器被配置成使該至少一部分汽化天然氣從大約1000-2000磅/平方英寸之間膨脹到大約1磅/平方英寸至100磅/平方英寸之間的壓力。9.根據(jù)權利要求1所述的再氣化裝置，進一步包括流量控制器，控制從汽化器到膨脹器的該至少一部分汽化天然氣的流量。10.根據(jù)權利要求1所述的再氣化裝置，進一步包括熱連接到汽化器的熱交換流體回路；以及第四熱交換器，被配置成在膨脹器的上游的位置加熱來自汽化器的該至少一部分汽化天然氣。11.一種使用天然氣作為工作流體來產(chǎn)生動力的方法，包括使渦輪內的至少一部分汽化天然氣膨脹以產(chǎn)生動力和膨脹的汽化天然氣；使用液化天然氣的致冷低溫來冷凝膨脹的汽化天然氣，并使冷凝的天然氣與液化天然氣組合；以及使組合的液化和冷凝的天然氣汽化以產(chǎn)生汽化天然氣。12.根據(jù)權利要求11所述的方法，進一步包括下述步驟在至少一個熱交換器內使用來自熱源的熱量加熱該一部分汽化天然氣，該熱源選自包括來自燃氣輪機、廢熱回收裝置、燃燒加熱器的廢氣和膨脹的汽化天然氣的組。13.根據(jù)權利要求11所述的方法，進一步包括下述步驟在汽化器的上游的位置使液化天然氣泵送到至少管道壓力以產(chǎn)生汽化天然氣。14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中汽化器使用海水、熱交換介質、浸沒燃燒器中的至少一個作為熱源。15.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中膨脹該部分汽化天然氣的步驟包括向l-100磅/平方英寸之間的壓力的膨脹。16.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中該部分汽化天然氣為總汽化天然氣的1%至50%之間。17.用汽化器的上游的位置抽吸的液化天然氣來冷凝來自開路動力循環(huán)的膨脹的汽化天然氣工作流體的應用，其中從汽化器的下游的位置抽吸該汽化天然氣工作流體。18.根據(jù)權利要求17所述的應用，其中開路動力循環(huán)包括膨脹渦輪以及加熱汽化天然氣工作流體的加熱器。19.根據(jù)權利要求17所述的應用，其中冷凝的天然氣工作流體和從汽化器的上游的位置抽吸的液化天然氣被送到汽化器。20.根據(jù)權利要求17所述的應用，其中在汽化器的上游的位置上的液化天然氣處在大約管道壓力，而且膨脹的汽化天然氣工作流體在1-100磅/平方英寸的壓力之間。全文摘要設計的動力生產(chǎn)結構和方法使用液化天然氣的致冷低溫來冷凝在膨脹渦輪內生產(chǎn)的膨脹的汽化天然氣，其中膨脹渦輪被從汽化器抽吸的加熱的汽化天然氣驅動。最一般地，被冷凝的膨脹的汽化天然氣與液化天然氣合并而且被送到汽化器。文檔編號F01K25/00GK101238322SQ200680026102公開日2008年8月6日申請日期2006年7月17日優(yōu)先權日2005年7月18日發(fā)明者J·馬克申請人:弗勞爾科技公司