一种船用氮气液化系统及方法与流程

1.本发明涉及氮气液化技术领域，具体涉及一种船用氮气液化系统及方法。


背景技术：

2.船舶需要大量氮气资源，用于气调保鲜、气体抑制、气动控制等领域。国内船舶通常采用变压吸附和膜分离等技术，以空气为原料在船舶现场制取氮气，压缩到15mpa以上再充灌到钢瓶组中，但是钢瓶储存氮气存在占用重量及空间资源多的问题。由于液氮的密度远高于氮气的密度，其储存设备的体积和重量明显低于钢瓶组，能够节约大量重量及空间资源。
3.氮气液化需要低温介质，工业上获得低温的常用方法包括相变制冷和气体绝热膨胀制冷。相变制冷是利用氟利昂、氨等液体在气化时从外界吸收热量来制冷。每种制冷介质的适用范围不同，通过多级复叠技术，逐级降温，可以获得-170℃以下的低温。但该技术的装置组成复杂，循环制冷介质多采用乙烯、甲烷等易燃易爆物质，不适合船舶使用。
4.气体绝热膨胀制冷是利用高压气体在膨胀机中的节流减压来制冷，通过气体循环制冷，逐步降低到氮气液化温度。在气体工业生产中，根据液化气量的不同，大多采用低压膨胀机制冷流程和中压膨胀机制冷流程。产品氮气进入冷箱中分为两路，部分氮气通过膨胀机进行膨胀制冷，将另外一股氮气液化。该液化循环内部全流程氮气处于气体状态，无液氮产生，特别适合应用于海上平台或船舶上需要将氮气进行液化的场合。如中国专利号“201820684683.0”与“201821012130.7”分别公开了一种船用bog(蒸发气体)再液化装置，采用蒸发气体本身作为制冷剂将蒸发气体进行液化，装置内存在液态工质，且制冷循环与液化循环并不相互独立。
5.但是，常规船用气体液化装置可能存在液态的制冷工质，海上倾斜与摇摆的条件对其造成了不利影响，且其气体液化率较低，无法实现氮气的全部液化。并且，传统的陆用氮气液化装置设备组成较为复杂，海上平台和船舶上空间有限，无法直接应用陆用氮气液化装置。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种安全可靠的船用氮气液化系统及方法。
7.本发明采用的技术方案为：一种船用氮气液化系统，包括氮气循环压缩机，氮气储罐、主换热器、透平膨胀机、液化器、制氮装置和液氮储罐，所述氮气循环压缩机的进出口均与循环管路连通；所述氮气储罐设于第一管路上，第一管路的两端分别与循环管路连通；所述循环管路与第二管路的一端连通，第二管路与主换热器的第一流体通道连通，第二管路的另一端与透平膨胀机的入口连通，透平膨胀机的出口通过第三管路与循环管路连通；所述第三管路上配置有液化器，第三管路与主换热器的第二流体通道连通；所述制氮装置的入口与原料气供应管路连通，制氮装置的出口与第四管路的一端连通，第四管路沿流体流
动方向依次穿过主换热器的第三流体通道和液化器后，与液氮储罐的入口连通。
8.按上述方案，所述船用氮气液化系统还包括第五管路和氮气冷却器，第五管路的一端与循环管路相连，第五管路的另一端与透平膨胀机的内部连通，为透平膨胀机的轴承运转提供润滑氮气；透平膨胀机的制动端通过管路与氮气冷却器相连，氮气冷却器通过回流管路与透平膨胀机的制动端相连；制动氮气104经过膨胀机制动端升温后，在氮气冷却器中被降低常温，重新进入膨胀机制动端。
9.按上述方案，所述船用氮气液化系统还包括轴承气储罐，轴承气储罐安装于第五管路上。
10.按上述方案，所述回流管路与循环管路连通。
11.按上述方案，所述主换热器、液化器和透平膨胀机均可安装在冷箱内。
12.按上述方案，在第一管路、循环管路、第二管路、第四管路和第五管路上配置的阀门。
13.本发明还提供了一种基于如上所述船用氮气液化系统的压力调节方法，所述方法为：氮气循环压缩机启动后，阀门v2和阀门v3打开，氮气储罐中的高纯氮气进入氮气循环压缩机，使高压氮气压力逐渐升高；高压氮气经过阀门v3，再返回氮气循环压缩机入口；当氮气循环压缩机进出口压力稳定后，关闭阀门v3，打开阀门v4，使循环的高压氮气全部进入冷箱；在氮气液化过程中，当氮气循环压缩机入口压力降低时，阀门v3打开，当氮气循环压缩机入口压力升高时，阀门v3关闭；当氮气循环压缩机出口压力降低时，阀门v2打开，当氮气循环压缩机出口压力升高时，阀门v1打开。
14.本发明还提供了一种基于如上所述系统的船用氮气液化方法，该方法为：低压氮气在氮气循环压缩机内被压缩到设定压力；压缩后的高压氮气在主换热器冷却至设定温度成为低温高压氮气；低温高压氮气进入透平膨胀机内，压力降低到0.1～0.2mpa，温度降低到-180℃～-196℃；降温后的低压氮气依次返回液化器和主换热器，为制氮装置制备的氮气冷却和液化提供冷量；制氮装置制备的氮气依次在主换热器内和液化器7内冷却至设定温度，冷凝为液氮。
15.按上述方案，低压氮气在氮气循环压缩机内被压缩到0.4～1.2mpa。
16.按上述方案，高压氮气在主换热器冷却至-120～-150℃。
17.本发明的有益效果为：本发明由氮气循环和氮气液化两部分组成，二者相对独立运行，互不干扰，提高了装置在船舶应用的可靠性、操作性、维修性和安全性；制冷部分采用高纯氮气作为冷媒介质，通过设置氮气储罐和多个控制阀门，可保证氮气循环密闭空间的压力稳定，安全可靠；制冷循环内部全流程氮气处于气体状态，无液氮产生；设备组成及结构简单，产品液化率高，具备抵抗海上平台和船用环境下倾斜与摇摆工况的能力。
附图说明
18.图1为本发明一个具体实施例的流程示意图。
19.其中：1、氮气循环压缩机；2、氮气储罐；3、轴承气储罐；4、氮气冷却器；5、主换热器；6、透平膨胀机；7、液化器；8、制氮装置；9、液氮储罐；10、冷箱；11、循环管路；12、第一管路；13、第二管路；14、第三管路；15、第四管路；16、回流管路；17、第五管路；101、压缩循环氮气；102、低压循环氮气；103、膨胀机轴承气；104、制动氮气；201、氮气；202、液氮；v1～v5均
为阀门。
具体实施方式
20.为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
21.如图1所示的一种船用氮气液化系统，包括氮气循环压缩机1，氮气储罐2、主换热器5、透平膨胀机6、液化器6、制氮装置8和液氮储罐9，所述氮气循环压缩机1的进出口均与循环管路11连通；所述氮气储罐2设于第一管路12上，第一管路12的两端分别与循环管路11连通；所述循环管路11与第二管路13的一端连通，第二管路13与主换热器5的第一流体通道连通，第二管路13的另一端与透平膨胀机6的入口连通，透平膨胀机6的出口通过第三管路14与循环管路11连通；所述第三管路14上配置有液化器6，第三管路14与主换热器5的第二流体通道连通；所述制氮装置8的入口与原料气供应管路连通，制氮装置8的出口与第四管路15的一端连通，第四管路15沿流体流动方向依次穿过主换热器5的第三流体通道和液化器6后，与液氮储罐9的入口连通。
22.优选地，所述船用氮气液化系统还包括第五管路17和氮气冷却器4，第五管路17的一端与循环管路11相连，第五管路17的另一端与透平膨胀机6的内部连通，为透平膨胀机6的轴承运转提供润滑氮气；透平膨胀机6的制动端通过管路与氮气冷却器4相连，氮气冷却器4通过回流管路16与透平膨胀机6的制动端相连；制动氮气104经过透平膨胀机6制动端升温后，在氮气冷却器4中被降低常温，重新进入透平膨胀机6的制动端。
23.优选地，所述船用氮气液化系统还包括轴承气储罐3，轴承气储罐3安装于第五管路17上。
24.优选地，所述回流管路16与循环管路11连通。
25.优选地，所述主换热器5、液化器6和透平膨胀机6及其它低温部件均可安装在冷箱10内，进行统一保温。
26.本发明中，各管路上分别配置有阀门；具体地，在第一管路12、循环管路11、第二管路13、第四管路15和第五管路17上配置的阀门如图1标记v1～v5所示。氮气液化过程采用高纯氮气作为制冷循环介质，平时储存在氮气储罐2中。为了保证系统压力稳定，氮气循环压缩机1进出口设置了4个阀门，根据压力变化调节阀门开度。氮气循环压缩机1启动后，阀门v2和阀门v3打开，氮气储罐2中的高纯氮气进入氮气循环压缩机1，使得高压氮气102压力逐渐升高。高压氮气102经过阀门v3，再返回氮气循环压缩机1入口。当氮气循环压缩机1进出口压力稳定后，关闭阀门v3，打开v4，使循环的高压氮气102全部进入冷箱10。在氮气201液化过程中，当氮气循环压缩机1入口压力降低时，阀门v3打开，当氮气循环压缩机1入口压力升高时，阀门v3关闭；当氮气循环压缩机1出口压力降低时，阀门v2打开，当氮气循环压缩机1出口压力升高时，阀门v1打开。通过以上过程，可以保证氮气循环压缩机1进出口的压力稳定。
27.一种基于如上系统的船用氮气液化方法，该方法为：低压氮气101在氮气循环压缩机1内被压缩到设定压力(可为0.4～1.2mpa)；压缩后的高压氮气102在主换热器5冷却至设定温度(可为-120～-150℃)成为低温高压氮气102；低温高压氮气102进入透平膨胀机6内，压力降低到0.1～0.2mpa，温度降低到-180℃～-196℃；降温后的低压氮气101依次返回液化器6和主换热器5，为制氮装置8制备的氮气201冷却和液化提供冷量；制氮装置8制备的氮
气201在主换热器5内冷却至设定温度(可为-120～-150℃)，在液化器6内冷却到设定温度(可为-180～-160℃)，冷凝为液氮202。
28.实施例：参见附图1所示。
29.氮气液化过程与制冷过程各自独立运行。
30.氮气循环压缩机1启动，低压氮气101在氮气循环压缩机1内被压缩到0.4～1.2mpa，压缩后的高压氮气102进入冷箱10中，在主换热器5被返流的低温压缩循环氮气101冷却到-120～-150℃；低温高压氮气102进入透平膨胀机6内膨胀减压降温(温度低于高压氮气沸点)，压力降低到约0.1～0.2mpa，温度降低到约-180℃～-196℃，压缩氮气101减压过程中的能量通过主轴传送到透平膨胀机6另一侧的增压端；降温后的低压氮气101依次返回液化器7和主换热器5，为氮气201的冷却和液化提供冷量。复温后低压氮气101返回到氮气循环压缩机1，再次进行制冷循环。
31.一部分高压氮气102经过单向阀v5进入轴承气储罐3中，随后作为膨胀机轴承气103，直接连接透平膨胀机6，为透平膨胀机6的轴承运转提供润滑氮气；透平膨胀机6的制动端与氮气循环压缩机1直接连接，制动氮气104经过透平膨胀机6的制动端升温后，在氮气冷却器4中被降低常温，重新进入透平膨胀机6的制动端。
32.制氮装置8制备的氮气201，在主换热器5内被返流低压氮气101冷却到-120～-150℃，在液化器7中被返流低压氮气101冷却到约-180～-160℃，完全冷凝为液氮202后，送入液氮储罐9中。
33.氮气液化过程采用高纯氮气作为制冷循环介质，平时储存在氮气储罐2中。为了保证系统压力稳定，氮气循环压缩机1进出口设置了4个阀门，根据压力变化调节阀门开度。氮气循环压缩机1启动后，阀门v2和v3缓慢打开，氮气储罐2中的高纯氮气进入氮气循环压缩机1，使得高压氮气102压力逐渐升高。高压氮气经过阀门v3，再返回氮气循环压缩机1入口。当氮气循环压缩机1进出口压力稳定后，缓慢关闭v3，缓慢打开v4，使循环的高压氮气102全部进入冷箱10。在氮气液化过程中，当氮气循环压缩机1入口压力降低时，阀门v3微开，当氮气循环压缩机1入口压力升高时，阀门v3微关；当氮气循环压缩机1出口压力降低时，阀门v2微开，当氮气循环压缩机1出口压力升高时，阀门v1微开。通过以上过程，可以保证氮气循环压缩机1进出口的压力稳定。
34.本发明将膨胀机制冷和氮气液化分开，各自独立运行。氮气循环压缩机1入口设置一个氮气储罐2，为透平膨胀机6制冷循环提供稳定气源。液化循环内部全流程气体处于气态，无液态产生，因此适应船舶倾斜摇摆环境的能力较强，设备组成及结构简单，适合应用于海上平台或船舶上需要将氮气进行液化的场合。
35.最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。