用于操作再液化系统的方法与流程

用于操作再液化系统的方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术根据35u.s.c.
§
119(a)和(b)要求于2020年5月8日提交的美国临时专利申请第63/021,868号、第63/021,880号和第63/021,889号的优先权权益，这些美国临时专利申请的全部内容通过援引并入本文。


背景技术：

3.在一些特定的应用中，低温液体流(例如液氮)可以用于冷却目的。在这种情况下，液氮通常会至少部分地汽化，并且需要再冷凝这种氮蒸气，以避免氮产物和冷能(制冷)的损失。用来再冷凝这种流的典型方法是冷却气体并提取一定的焓，直到液化完成。焓的提取通常通过与另一种流体进行间接的热交换来进行，这种流体通常会在阀或/和涡轮机中经历压缩、冷却和压力下降的一些各种不同的步骤。
4.典型的替代性解决方案是将气态流与过冷液体混合，使得气体与过冷液体之间的直接热交换将使气态流冷凝。这种混合通常可以在罐的汽相中实现。


技术实现要素：

5.提供了一种用于提高低温流体再液化系统的可靠性和可用性的方法。该再液化系统可以包括：至少n个过冷却器，该n个过冷却器包括具有设计能力的马达和压缩机；以及控制至少一个马达的速度的至少一个变速系统。该再液化系统包括：在n等于2的情况下在马达和压缩机之间共享的n-1个变速系统，或者在n大于2的情况下在马达和压缩机之间共享的n-2个变速系统。该方法包括：将再液化系统连接到液态低温流体用户，该液态低温流体用户随后被供应液态低温流体；在液态低温流体用户内将液态低温流体汽化；并将汽化的低温流体送回主低温罐。其中，当具有变速系统的第一马达和第一压缩机处于或接近设计能力时，第一马达与变速系统脱离接合并连接到现有电网，从而释放变速系统，变速系统接合到第二马达和第二压缩机，然后启动第二马达和第二压缩机。
6.该再液化系统可以包括：使用共同的过冷却器和再循环回路来利用两个不同的主低温罐向两个不同的液态低温流体用户提供液态低温流体，其中，两个不同的主低温罐中的压力使用作用于两个不同的过冷液态低温流体阀的压力控制器来控制。并且或者，该再液化系统可以包括：从超前-滞后布置的两个或更多个过冷系统向至少一个液态低温流体用户提供制冷，其中，主低温罐中的压力使用作用于每个过冷却器出口阀的出口阀的压力控制器来控制。
附图说明
7.为了进一步理解本发明的本质和目的，应结合附图来参考以下详细说明，在附图中类似的元件被赋予相同或类似的附图标记，并且在附图中：
8.图1是根据本发明的一个实施例的基本整体系统的示意图。
9.图2是示出了根据本发明的一个实施例的双机组系统的液态低温流体用户和主低
温罐的细节的示意图。
10.图3是示出了根据本发明的一个实施例的双机组系统的过冷系统的细节的示意图。
11.图4是根据本发明的一个实施例的涡轮布雷顿系统的示意图。
12.附图标记
13.102＝主低温罐
14.103＝液态低温流体流
15.104＝汽化的低温流体流
16.105＝排气阀
17.106＝过冷却器
18.107＝温热的再循环流
19.108＝过冷的再循环流
20.109＝再循环控制阀
21.110＝再循环泵
22.111＝液体缓冲罐
23.112＝缓冲罐传输流
24.113＝缓冲罐传输控制阀
25.114＝液态低温流体(在主低温罐中)
26.115＝低温流体蒸气(在主低温罐中)
27.116＝液态低温流体用户
28.117＝外部液态低温流体源
29.118＝过冷却器旁路管线
30.119＝第一压力变送器(在主低温罐中)
31.120＝第一外围接口控制器
32.122＝第二压力变送器(在过冷却器旁路管线中)
33.123＝第二外围接口控制器
34.124＝第三外围接口控制器
35.125＝旁通控制阀
36.102a＝第一低温罐
37.102b＝第二低温罐
38.103a＝第一液态低温流体流
39.103b＝第二液态低温流体流
40.104a＝第一汽化的低温流体流
41.104b＝第二汽化的低温流体流
42.105a＝第一排气阀
43.105b＝第二排气阀
44.106a＝第一过冷却器
45.106b＝第二过冷却器
46.107＝温热的再循环流
47.107a＝第一温热的再循环流部分
48.107b＝第二温热的再循环流部分
49.108＝过冷的再循环流
50.108a＝第一过冷的再循环流部分
51.108b＝第二过冷的再循环流部分
52.109a＝第一再循环控制阀
53.109b＝第二再循环控制阀
54.110a＝第一再循环泵
55.110b＝第二再循环泵
56.110c＝传输泵
57.114a＝液态低温流体(在第一低温罐中)
58.114b＝液态低温流体(在第二低温罐中)
59.115a＝低温流体蒸气(在第二低温罐中)
60.115b＝低温流体蒸气(在第二低温罐中)
61.116a＝第一液态低温流体用户
62.116b＝第二液态低温流体用户
63.119a＝第一压力变送器(在主低温罐内)
64.119b＝第二压力变送器(在主低温罐内)
65.120＝第一外围接口控制器
66.122＝第二压力变送器(在过冷却器旁路管线中)
67.123＝第二外围接口控制器
68.124＝第三外围接口控制器
69.125＝旁通控制阀
70.126a＝第一增压盘管
71.126b＝第二增压盘管
72.127a＝第一压力控制器
73.127b＝第二压力控制器
74.128＝回流导管
75.129＝温热的低温液体返回流
76.130＝温热的再循环进料流
77.130a＝温热的再循环进料流的第一部分
78.130b＝温热的再循环进料流的第二部分
79.131＝温热的低温液体供应管线
80.132＝冷却水供应管线
81.133＝冷却水返回管线
具体实施方式
82.以下描述了本发明的说明性实施例。虽然本发明易受各种修改和替代形式的影响，但其具体实施例已通过举例在附图中示出并且在本文中详细描述。然而，应理解的是，
本文中对具体实施例的说明不旨在将本发明限于所披露的具体形式，而是相反地，其意图是涵盖落入如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效物以及替代物。
83.当然，将了解的是，在任何这类实际实施例的研制中，必须做出许多对实现方式特定的决策来实现开发者的特定目标(例如，遵守与系统相关及与商业相关的约束)，这些特定目标将随实现方式的不同而变化。此外，将了解的是，这样的发展工作可能是复杂且耗时的，但是对获得本披露益处的本领域普通技术人员而言仍是常见的保证。
84.为了简单起见，以下是对简化系统的基本操作的描述，该系统具有一个低温罐和一个过冷却器，如图1所展示的。元件编号是通用的，但本领域普通技术人员会认识到，该描述同样适用于第一机组(a)或第二机组(b)。下面给出了涉及两个低温罐和/或两个过冷却器的操作细节。
85.下面的系统描述了液氮的使用，但本领域技术人员会认识到，根据冷却目标系统所需的温度水平，任何合适的低温流体均可以用同样的概念(氧气、甲烷等
……
)来使用。
86.液氮114以饱和条件(压力p1)储存在主低温罐102中。氮蒸气115将占据主低温罐102的顶空。在正常操作中，一部分液氮114从主低温罐102中被提取出来，并被送到液氮用户116。液氮用户116将利用液氮流103进行内部制冷目的。因此，液氮流103将被汽化，并且汽化的氮气流104将被再循环到主低温罐102。
87.同时，一部分液氮114作为温热的再循环流107从主低温罐102中被提取出来，并被送到再循环泵110。加压液氮随后进入过冷却器106。过冷却器106将液氮冷却至少几摄氏度。然后，过冷的再循环流108被送回到主低温罐102，在此处过冷的再循环流作为喷雾被引入汽相115中。当与过冷液体接触时，从液氮用户116返回的汽化的氮气流104被冷却并冷凝回饱和液体114。
88.主低温罐102可以包括第一压力变送器119。第一压力变送器119可以与一个或多个外围接口控制器(pic)接口。第一pic 120在功能上连接到第一压力变送器119和再循环控制阀109。过冷却器旁路管线118流体连接到温热的再循环流107和过冷的再循环流108，从而允许至少一部分离开再循环泵110的加压的再循环流绕过过冷却器106。过冷却器旁路管线118可以包括第二压力变送器122。第二压力变送器122可以与一个或多个pic接口。第二pic 123在功能上连接到第二压力变送器122和旁通控制阀125两者。第三pic 124在功能上连接到第二压力变送器122和再循环泵110两者。
89.主低温罐102内的压力主要由在离开过冷却器106的过冷的再循环流108上的再循环控制阀109控制。
90.再液化系统还包括液体缓冲罐111、缓冲罐传输流112以及缓冲罐传输控制阀113。液体缓冲罐111可以根据需要从外部液氮源117(如液氮卡车拖车(未示出))再填充。
91.在下面的实施例中，为了便于解释和避免不必要的混淆，说明了具有两个机组(机组a和机组b)的系统。本领域普通技术人员将会认识到，如果需要这样的设计考虑，则所述的相同方法容易地适用于3个或更多个机组。
92.图2和图3中示意性地展示了本发明的一个实施例。再液化系统包括第一低温罐102a、第二低温罐102b、第一液氮流103a、第二液氮流103b、第一汽化的氮气流104a、第二汽化的氮气流104b、流体附接到第一汽化的氮气流104a的第一排气阀105a和流体附接到第二
汽化的氮气流104b的第二排气阀105b。
93.再液化系统还包括第一过冷却器106a、第二过冷却器106b、温热的再循环流107、第一温热的再循环流部分107a、第二温热的再循环流部分107b、过冷的再循环流108、第一过冷的再循环流部分108a、第二过冷的再循环流部分108b、第一再循环控制阀109a、第二再循环控制阀109b、第一再循环泵110a、第二再循环泵110b和第三再循环泵110c。
94.第一过冷却器106a和第二过冷却器106b以及任何潜在的附加过冷却器均可以由冷却水供应管线132和冷却水返回管线133进行冷却。
95.在本发明的一个实施例中，液态低温流体使用两个或更多个并联的过冷系统受到过冷。这两个或更多个过冷系统可以具有类似或不同的冷却能力。使用并联的过冷系统的目的是为了提高设备的整体可用性，以及增加再液化设备的冷却能力。
96.第一低温罐102b中的压力通过第一增压盘管126a(在压力达到预定的最小阈值的情况下)以及第一排气阀105a(在压力达到预定的最大阈值的情况下)两者保持在两个理想的最大值之间。
97.第一增压盘管和第二增压盘管126a/b是本领域内众所周知的。第一增压盘管和第二增压盘管通常是环境温度汽化器，这些环境温度汽化器使用来自环境的热量来汽化罐中少量的低温液体114a。然后，该少量的汽化液体被重新送入罐中，以根据需要保持或增加内部压力。
98.第一低温罐102b中的压力被控制为恒定值，该恒定值被设定在以上定义的预定最小压力值与预定最大压力值之间。该压力的控制由作用于过冷却器出口阀109a/b的压力控制器127a/b来保证。实施超前-滞后控制方案，使得只有在前一个过冷却器的出口阀完全打开或接近完全打开时，下一个过冷却器的冷却能力才会增加。
99.如本文中所使用的，术语“处于或接近设计能力”被定义为是指设计能力的80％以内，优选地是设计能力的90％以内，更优选地是设计能力的95％以内。
100.如本文中所使用的，术语“超前-滞后系统”被定义为如下系统，其中当系统需求超过单个单元的设计能力时，并且当“超前”装置处于或接近其设计能力时，“滞后”装置被激活并用于满足系统需求。这种“超前-滞后”系统是本领域中众所周知的。
101.如本文中所使用的，术语“完全打开或接近完全打开”就阀而言被定义为是指完全打开位置的80％以内，优选地是完全打开位置的90％以内，更优选地是完全打开位置的95％以内。
102.每个过冷却器均控制在其各自出口处的过冷的液态低温流体的温度。对于每个过冷却器而言，温度设定点可以是相同的，并且应该比相关低温罐102a/b的饱和温度低几摄氏度(通常低10摄氏度)。
103.为了正确平衡通过每个过冷却器的流量，必须考虑到以下各项：
[0104]-该过冷却器的冷却任务(通常是相关涡轮机器的速度)，
[0105]-过冷却器下游的温度与温度设定点之间的差。
[0106]
被满负载使用或几乎满负载使用的过冷却器(出口温度高于设定点，同时其他(多个)过冷却器仍有额外负载)与其他过冷却器相比将接收过多的流量。作用于该过冷却器下游处的阀的最大或接近最大开度的特定的控制器将允许在这种特定条件下减少该过冷却器上的流量。
[0107]
在本发明的另一个实施例中，在额定运行条件期间，来自第一低温罐102a的液氮在一个或多个并联设置的过冷单元中被过冷。然后，过冷的氮被喷洒在第一低温罐102a中，并与来自第一液态低温流体用户116a的过热蒸气104a混合。
[0108]
第二低温罐102b保持在并以比第一低温罐102a更高的压力下运行。来自第一低温罐102a的第一液态低温流体流103a比第二液态低温流体流103b更冷，并被泵压到第二低温罐102b的压力，并与来自第二液态低温流体用户116b的过热蒸气104b混合。
[0109]
来自第二低温罐102b的液态低温流体114b通过回流导管128被传输回到第一低温罐102a，以保持液态低温流体114a在第一低温罐102a中的水平。如果过冷却器106a/b被调低或停止，则系统仍然可以在两个温度水平下运行。正在被液态低温流体用户116a/b汽化的液态低温流体流103a/b然后通过排气阀105a/b排出。
[0110]
如果液态低温流体114a的库存接近第一低温罐102a的下限，则来自第二低温罐102b的液态低温流体114b就可以用来供应第一低温罐102a。如果液态低温流体114b的库存接近第二低温罐102b的下限，则来自第一低温罐102a的液态低温流体114a就可以使用传输泵110c通过温热的低温液体供应管线131用来供应第二低温罐102b。
[0111]
附加的过冷却器106可以被添加到前面描述的系统。如果需要的话，每个过冷却器106a/b均可以被配置成提供相同的冷却温度。增加过冷单元的数量有助于系统的整体能力和可用性。
[0112]
在一个实施例中，每个过冷却器106a/b均可以与第一低温罐102a断开，并只连接到第二低温罐102b。当低温罐102a/b中的一个低温罐在比另一个低温罐更高的温度下运行时，这种配置可以允许整个冷却系统的效率更高。
[0113]
转到图4，展示了典型的涡轮布雷顿循环(turbo-brayton cycle)。涡轮布雷顿是低温制冷装置，通常介于-100℃与-273℃之间，因此也是低温的。涡轮布雷顿是包含低温温度的工作流体循环的封闭的工作回路。冷却的工作流体与温热的再循环流107进行热交换，以通过过冷却器热交换器408从该温热的再循环流中提取热量。
[0114]
工作回路包括以下串联地布置的各项：第一压缩级403、第二压缩级405(优选地是等熵的或基本等熵的)、中间冷却器404、后冷却器406、以及用于冷却流体的再生式热交换器(recuperative heat exchanger)407(优选地是等压的或基本等压的)、用于使流体膨胀的涡轮膨胀机409(优选地是等熵的或基本等熵的)和再生式热交换器407、以及用于加热流体的过冷却器热交换器408(优选地是等压的或基本等压的)。
[0115]
典型的涡轮布雷顿系统包括第一马达401和第二马达402，这些马达优选地是电动的，分别用于驱动第一压缩级403和第二压缩级405。涡轮膨胀机409典型地包括驱动第一马达401的向心式涡轮。更确切地说，涡轮膨胀机409有助于第一马达401驱动第一压缩级。
[0116]
因此，该装置使用两个马达401/402，并且第二马达402仅在其端部中一个端部处驱动第二压缩级405。第二压缩级405位于第一压缩级403的下游(下游是指工作流体在回路10中的循环方向)。
[0117]
这种新颖的结构使得能够在两个压缩级上分配总焓增量δhs，并且因此能够使一个级的焓增量δhs减少并使压缩级的比速增加以接近每个压缩机的最佳比速。
[0118]
该总焓增量δhs在两个压缩级403/405之间分配，从而又能够使压缩级的比速增加并且接近或达到最佳比速。由于这个新颖的结构，这两个压缩级403/405可以接近或以最
佳比速运行(而不是如现有技术情况那样仅第一级)。
[0119]
在一种操作模式中，这两个马达401/402是相同的，这两个马达的速度是相同的，并且这两个压缩机403/405的比速是相同的并且是最佳的。
[0120]
在另一种操作模式中，这两个压缩级403/405可以由变速马达控制并以不同的速度运行，以在这两个马达401/402的机械功率和/或旋转速度不同的情况下也接近或以最佳比速运行。这两个压缩级403/405的压缩比可以被选择为使得这两个压缩级的比速尽可能接近最佳值。
[0121]
回到图2和图3，在本发明的另一个实施例中，可以使用两个或更多个并联的过冷系统对液态低温流体进行过冷。这两个或更多个过冷系统可以具有类似或不同的冷却能力。使用并联的过冷系统的目的是为了提高设备的整体可用性，以及增加设备的冷却能力。
[0122]
如上文关于涡轮布雷顿系统所讨论的，一些过冷却器系统在启动期间和/或为了以有效的方式控制其涡轮机械在降低的负载与高负载之间的运行而需要变速系统。在系统具有多个相同大小的过冷却器的情况下，可以设想在这些不同的过冷却器之间共享变速系统。当一个过冷却器启动时，将使用变速系统来控制其变速上升。当达到接近过冷却器的最大冷却功率的负载并需要一些额外的冷却时，关联到上述过冷却器的变速系统将被切换到另一个要启动的过冷却器，并且接近最大冷却功率的过冷却器将在变速系统切换之前关联到供电网络。在这个转换过程中，过冷却器的系统将无法跟随负载的变化而变化，因此来自第一低温罐102b的一些液氮将被用来补偿这种来自过冷却器的制冷供应的不足。
[0123]
在安装了两个过冷却器的情况下，一个变速系统可以在每个过冷却器的每个涡轮机之间共享。在n等于2的情况下，仅存在一个变速系统(即n-1)。在n大于2的情况下，存在一个或多个变速系统(即n-2)。这些变速系统可以在n个过冷却器的涡轮膨胀机之间共享。
[0124]
作为非限制性的示例，当n＝3时，将存在一个变速系统和两个恒速系统。在这种情况下，当涡轮膨胀机1(具有变速系统)处于或接近设计能力时，涡轮膨胀机2(在该系列中的下一个)将被启动并变速上升。一旦达到速度，变速系统就会从涡轮膨胀机1切换到涡轮膨胀机2，并且涡轮膨胀机1现在是以恒定速度运行。如在此使用的，术语“处于或接近设计能力”被定义为是指设计能力的80％以内，优选地是设计能力的90％以内，更优选地是设计能力的95％以内。
[0125]
应当理解，由本领域技术人员可在如所附权利要求中所表述的本发明的原则和范围内做出本文已经描述以解释本发明的本质的细节、材料、步骤和零件布置上的许多附加的改变。因此，本发明不旨在限于以上给出的示例中的具体实施例。