專利名稱：用于優(yōu)化的液化天然氣生產(chǎn)的方法和系統(tǒng)的制作方法
用于優(yōu)化的液化天然氣生產(chǎn)的方法和系統(tǒng)
背景技術(shù)：
世界上的能量需求正在增加，并且預(yù)測(cè)為繼續(xù)增長(zhǎng)。作為能量載體的天然氣近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注，并且預(yù)計(jì)天然氣將會(huì)變得更重要。為了遠(yuǎn)距離傳輸天然氣，液化天然氣LNG常常被認(rèn)為是最佳的選擇，尤其是在外國(guó)。難于處置的(stranded)天然氣或者伴生氣是作為來(lái)自石油生產(chǎn)的“廢棄物”的氣源。目前很少對(duì)這些氣源進(jìn)行利用。通常將它們?nèi)紵簟ｋS著天然氣價(jià)格的上漲和對(duì)環(huán)境的更多關(guān)注，對(duì)這些源進(jìn)行利用在經(jīng)濟(jì)上變得更加可行并且在政治上也變得更加重要。這些源很多都是海上的，并且，在浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置FPSO單元上的液化在很多情況下是最佳選擇。FPSO提供了靈活性，這是因?yàn)镕PSO可以相對(duì)容易地移動(dòng)到其它源。FPSO的挑戰(zhàn)在于可用的空間。此外，還應(yīng)當(dāng)使裝備的重量最小化，并且制冷劑優(yōu)選地應(yīng)當(dāng)是不可燃的。LNG生產(chǎn)中的重要問(wèn)題是能量需求。生產(chǎn)每千克LNG的高的能量需求，即能耗率， 使其不那么有利可圖并且不太環(huán)保。經(jīng)濟(jì)上可行的氣源的數(shù)量會(huì)變小。較低的能量需求率除了降低操作成本之外，還將節(jié)省投資成本，這是因?yàn)檠b備將會(huì)更小。陸上LNG生產(chǎn)對(duì)于重量和空間沒(méi)有同樣的限制，但是能量高效的LNG生產(chǎn)卻是一樣重要。隨著設(shè)備容量變得越來(lái)越大，能量效率也變得越來(lái)越重要。通常在級(jí)聯(lián)布置中，涉及多組分制冷劑MCR的技術(shù)被認(rèn)為是用于LNG生產(chǎn)的最高效的技術(shù)。該技術(shù)通常用在較大的設(shè)備、基本負(fù)荷設(shè)備中，并且在某種程度上用在中等規(guī)模設(shè)備中。由于其復(fù)雜性，因此MCR技術(shù)很昂貴而且控制很慢。另外，需要?dú)怏w補(bǔ)充(make-up) 組件來(lái)確保MCR制冷劑的正確組成。另外的缺點(diǎn)是，制冷劑是可燃的，這可能是一個(gè)問(wèn)題， 尤其在海上設(shè)施中。如果使用惰性氣體(諸如氮?dú)?的單組分的制冷技術(shù)會(huì)是比較能量高效的，其將在成本、緊湊性、重量、魯棒性、控制和安全性方面表現(xiàn)出顯著的改進(jìn)。那么，在大規(guī)模設(shè)備中實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)也會(huì)是令人感興趣的。美國(guó)專利5. 768. 912和5. 916. 260提出了基于氮?dú)鈫沃评鋭┘夹g(shù)的LNG生產(chǎn)的工藝。該制冷劑被分成至少兩個(gè)分開(kāi)的流，這兩個(gè)分開(kāi)的流在至少兩個(gè)分開(kāi)的膨脹機(jī)中進(jìn)行冷卻和膨脹。每個(gè)流被膨脹直至壓縮機(jī)組的吸入壓力，也就是裝置中的最小制冷壓力，因此，會(huì)使用比所必需的能量更多的能量。美國(guó)專利6. 412. 302描述了一種LNG液化組件，該組件使用兩個(gè)獨(dú)立的膨脹機(jī)制冷循環(huán)，其中，一個(gè)循環(huán)具有甲烷或者烴混合物，而另一個(gè)循環(huán)具有氮?dú)?。每個(gè)循環(huán)具有一個(gè)在不同溫度水平工作的膨脹機(jī)。循環(huán)中的每個(gè)可以被分別控制。使用兩個(gè)分開(kāi)的制冷劑將需要兩個(gè)制冷劑緩沖系統(tǒng)。使用易燃的制冷劑也意味著限制或者額外的裝備。使用工業(yè)廢氣(process gas)作為制冷劑的MCR工藝和裝置的幾個(gè)專利被授權(quán)， 例如美國(guó)專利7. 225. 636和歐洲專利1455152。這些專利的共同點(diǎn)在于，熱吸收包括了制冷劑的相變，這固有地給出了更加復(fù)雜的系統(tǒng)。從而需要更多裝備，并且控制變得復(fù)雜而敏感。需要有基于惰性的單組分制冷劑的高效的工藝。本發(fā)明描述了使用惰性氣體作為制冷劑的、具有靈活控制的、能量高效并緊湊的LNG生產(chǎn)組件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于優(yōu)化的LNG生產(chǎn)的方法和系統(tǒng)。為了使能耗率最小化，需要使換熱器損失最小化。這是通過(guò)在一個(gè)或多個(gè)單組分和單相制冷循環(huán)中布置至少兩個(gè)膨脹機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以便可以分別控制進(jìn)入膨脹機(jī)的質(zhì)量流、溫度和壓力水平。通過(guò)這樣的布置， 制冷過(guò)程可以適合在不同的壓力和溫度下變化的氣體組成，并且同時(shí)可以使效率最優(yōu)化。 該控制固有地是魯棒的和靈活的。根據(jù)本發(fā)明的LNG生產(chǎn)設(shè)備可以適合不同的氣源，并且同時(shí)可以保持低的能耗率。在一個(gè)方面中，本發(fā)明涉及一種用于借助于使用單相氣態(tài)制冷劑的制冷組件來(lái)生產(chǎn)液化的且過(guò)冷卻的天然氣的方法，該制冷組件包括至少兩個(gè)膨脹機(jī)；壓縮機(jī)組件；用于從天然氣吸收熱量的換熱器組件；以及散熱組件，并且此外，該方法包括在膨脹機(jī)回路中布置膨脹機(jī)；在所有回路中僅使用一種且相同的制冷劑；將來(lái)自各個(gè)膨脹機(jī)的膨脹的制冷劑流傳遞到換熱器組件中，其中每個(gè)膨脹機(jī)都處于適合對(duì)密相進(jìn)行去過(guò)熱、冷凝或者冷卻和/或?qū)μ烊粴膺M(jìn)行過(guò)冷卻的質(zhì)量流和溫度水平；以及借助于壓縮機(jī)組件，在壓縮的流中向各個(gè)膨脹機(jī)提供制冷劑，該壓縮機(jī)組件具有壓縮機(jī)或者壓縮機(jī)級(jí)，其實(shí)現(xiàn)了針對(duì)各個(gè)膨脹機(jī)的適合的入口壓力和出口壓力。在另一方面中，本發(fā)明涉及一種用于借助于使用單相氣態(tài)制冷劑的制冷組件來(lái)生產(chǎn)液化的且過(guò)冷卻的天然氣的系統(tǒng)，該制冷組件包括至少兩個(gè)膨脹機(jī)；壓縮機(jī)組件；用于從天然氣吸收熱量的換熱器組件；以及散熱組件，其中，膨脹機(jī)布置在膨脹機(jī)回路中；在所有回路中僅使用一種且相同的制冷劑；來(lái)自各個(gè)膨脹機(jī)的膨脹的制冷劑流被傳遞到換熱器組件中，每個(gè)膨脹機(jī)都處于適合對(duì)密相進(jìn)行去過(guò)熱、冷凝或者冷卻和/或?qū)μ烊粴膺M(jìn)行過(guò)冷卻的質(zhì)量流和溫度水平；以及借助于壓縮機(jī)組件，在壓縮的流中向各個(gè)膨脹機(jī)提供制冷劑，該壓縮機(jī)組件具有壓縮機(jī)或者壓縮機(jī)級(jí)，其實(shí)現(xiàn)了針對(duì)各個(gè)膨脹機(jī)的適合的入口壓力和出口壓力。從屬權(quán)利要求詳細(xì)說(shuō)明了優(yōu)選的實(shí)施例。膨脹機(jī)的出口壓力被控制成盡可能高，并同時(shí)向用于過(guò)冷卻的LNG生產(chǎn)的換熱器裝置饋以所需的制冷溫度。接著，保持每個(gè)壓縮機(jī)級(jí)的吸入壓力盡可能高。這與現(xiàn)有技術(shù)不同，參見(jiàn)例如美國(guó)專利5. 916.沈0，其中，所有流都被膨脹直至最小制冷壓力。本發(fā)明的主要改進(jìn)在于使壓縮機(jī)的比功量(specific work volume)和比吸入量最小化，從而改善整體系統(tǒng)效率。管線尺寸被減小，因而閥門和傳動(dòng)裝置(actuator)更小。所有這些因素有助于顯著地降低成本和空間要求。安裝工作也會(huì)變得較不復(fù)雜從而更高效。減少換熱器損失在低溫處理中是至關(guān)重要的。本發(fā)明的重要的實(shí)施例是，其通過(guò)使制冷過(guò)程適合LNG生產(chǎn)的如下主要三個(gè)不同的階段，將溫差減小到最小去過(guò)熱、 冷凝(超臨界壓力下的密相的冷卻)和過(guò)冷卻。這與現(xiàn)有技術(shù)是不同的，例如美國(guó)專利 6. 412. 302，其對(duì)于密相的去過(guò)熱和冷凝/冷卻不具有分別的適應(yīng)。本發(fā)明將使用氣相的單制冷劑進(jìn)行操作。氮?dú)馐秋@然的替選。非易燃性在例如海上設(shè)施中被認(rèn)為是優(yōu)點(diǎn)。僅使用一種單組分制冷劑也降低了復(fù)雜性。


附圖示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。圖1示出了液化天然氣生產(chǎn)的原理階段，其中，相應(yīng)的冷卻能力需要是用三條直線來(lái)表示的。圖2示出了本發(fā)明的暖組合曲線和冷組合曲線的示例。圖3描繪了本發(fā)明的包括三個(gè)膨脹機(jī)的實(shí)施例。圖4示出了包括布置在三個(gè)分開(kāi)的制冷循環(huán)中的三個(gè)膨脹機(jī)的另外的實(shí)施例。圖5示出了僅包括兩個(gè)膨脹機(jī)的實(shí)施例。圖6描繪了與圖5相似的、但膨脹機(jī)布置在分開(kāi)的制冷循環(huán)中的實(shí)施例。圖7示出了允許對(duì)制冷劑流進(jìn)行分流和合并的實(shí)施例。圖8示出了圖7的一部分，其中，圖3至圖6所示出的膨脹機(jī)中的至少一個(gè)設(shè)置有串聯(lián)耦合的膨脹機(jī)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及液化天然氣LNG的生產(chǎn)。取決于氣源，組成會(huì)不同。例如，氣體組成可以包括88%的甲烷、9%的重?zé)N、2%的二氧化碳以及的水、氮?dú)夂推渌⒘繗怏w。在液化之前，需要將二氧化碳、水(將會(huì)凍結(jié))和有害的微量氣體(諸如H2S)的濃度降低到可接受的水平，或者將其從氣流中除去。井氣在進(jìn)入液化步驟之前，將經(jīng)過(guò)預(yù)處理步驟。在圖3 至圖6中，用附圖標(biāo)記9表示該預(yù)處理過(guò)的天然氣流。LNG生產(chǎn)的過(guò)程主要可以分為三個(gè)不同的階段A)去過(guò)熱；B)冷凝；以及C)過(guò)冷卻，參見(jiàn)圖1中的示意性略圖。甲烷的臨界壓力大約為46巴。臨界壓力取決于天然氣源的組成將自46巴起向上變化。在天然氣組成的臨界壓力以上，冷凝是不可能的。然而，取代冷凝，天然氣將經(jīng)過(guò)比熱容增加的階段。每個(gè)階段都需要不同的比冷卻能力(specific cooling capacity)。為了減少換熱器的損失，必須使整個(gè)LNG生產(chǎn)過(guò)程中的暖流和冷流之間的溫差最小化。通過(guò)利用多個(gè)膨脹機(jī)，其中，每個(gè)膨脹機(jī)可以分別用質(zhì)量流、壓力水平和溫度來(lái)控制，可以在制冷容量和冷卻需要之間實(shí)現(xiàn)接近的溫度適應(yīng)。圖1中用三條直線來(lái)表示三個(gè)階段的冷卻能力。獨(dú)立控制的膨脹機(jī)對(duì)每個(gè)階段的冷卻能力做出主要貢獻(xiàn)。膨脹機(jī)的最佳數(shù)量將取決于氣源的組成、氣體壓力、所需的溫度和LNG設(shè)備的容量。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的配置。三個(gè)膨脹機(jī)1、2、3(例如透平膨脹機(jī))向冷箱8 提供不同溫度的膨脹的氣流，該膨脹的氣流適合天然氣流9的液化過(guò)程。壓縮機(jī)組5、6、7 服務(wù)于所有這三個(gè)膨脹機(jī)。膨脹機(jī)3向冷箱8提供流60，該流60適合于執(zhí)行天然氣流9的高效過(guò)冷卻，例如溫度區(qū)間為從_85°C下至_160°C，參見(jiàn)圖1。在_85°C以上，流60在冷箱8 中貢獻(xiàn)有限的凈制冷容量，這是因?yàn)榉謩e由膨脹機(jī)3所提供和所返回的質(zhì)量流59和質(zhì)量流 61相等。膨脹機(jī)2向冷箱8提供流56，該流56適合執(zhí)行高熱容的氣體的冷凝或冷卻，參見(jiàn)圖1。該過(guò)程的溫度區(qū)間在_85°C和-25°C之間。類似于膨脹機(jī)3，分別由膨脹機(jī)2所提供和所返回的質(zhì)量流陽(yáng)和質(zhì)量流57將對(duì)-25X以上的冷卻能力具有有限的貢獻(xiàn)。膨脹機(jī)1 向冷箱8提供流52，該流52適合于執(zhí)行去過(guò)熱，使得從天然氣流9的入口溫度降至膨脹機(jī) 2的較高的工作溫度，即_25°C。所提供和所返回的質(zhì)量流是用附圖標(biāo)記51、53來(lái)表示的。
壓縮機(jī)5、6、7串聯(lián)安裝以形成壓縮機(jī)組。壓縮機(jī)組可以包括不同數(shù)量的級(jí)，并且每級(jí)有一個(gè)或者多個(gè)并聯(lián)的壓縮機(jī)。每級(jí)上的壓力比被最優(yōu)化成冷箱8中的溫度需求。這些壓力比和質(zhì)量流在操作期間是可以通過(guò)壓縮機(jī)的速度控制來(lái)改變和控制的。從而可以調(diào)整容量和溫度范圍。通過(guò)改變裝置中的總存量，可以改變總壓力水平并控制總?cè)萘?。存量緩沖組件連接至低壓壓縮機(jī)級(jí)的吸入側(cè)和高壓壓縮機(jī)的排放側(cè)。閥門32和34用于控制向緩沖容器25 傳送制冷劑。換熱器10、11、12向周圍環(huán)境排出熱量。圖3還示出了不同的膨脹機(jī)1、2、3如何連接至壓縮機(jī)組5、6、7的示例。膨脹機(jī)3 被饋以來(lái)自散熱換熱器11的出口氣體一流58，而另外兩個(gè)膨脹機(jī)1、2被饋以來(lái)自散熱換熱器10的出口氣體一一流50、54。通常，通過(guò)應(yīng)用本發(fā)明，可以使膨脹機(jī)入口壓力和出口壓力適合每個(gè)膨脹機(jī)。根據(jù)圖3的實(shí)施例示出了冷箱8是由三個(gè)分開(kāi)的膨脹機(jī)回路來(lái)提供服務(wù)的。由于例如冷箱組件8的機(jī)械要求，所以對(duì)與冷箱組件8有關(guān)的制冷劑流進(jìn)行分流和合并是有利的。圖7示出了用于對(duì)制冷劑流進(jìn)行分流和合并的示例。在膨脹機(jī)的上游將暖流50分流成流51和流55。在膨脹機(jī)的下游將冷流52和56合并成流M。通過(guò)在膨脹機(jī)的上游對(duì)暖流進(jìn)行分流，并且在膨脹機(jī)的下游對(duì)冷流進(jìn)行合并，可以實(shí)現(xiàn)高效的處理。然而，這種配置具有固有的缺點(diǎn)，即適合于每個(gè)膨脹機(jī)的單獨(dú)的入口壓力和出口壓力是不可能的。降低了最優(yōu)化能量效率的潛能。通過(guò)應(yīng)用本實(shí)施例，所有的壓縮機(jī)和膨脹機(jī)都集成在同一制冷裝置中。這樣就給出了實(shí)現(xiàn)用于旋轉(zhuǎn)裝備的非常緊湊的解決方案的潛能，從而降低了成本。此外，壓縮機(jī)級(jí)5、 6、7中的每一個(gè)從由膨脹機(jī)1、2、3所形成的三個(gè)不同的吸入壓力進(jìn)行吸取。通過(guò)從最大可能的壓力，即質(zhì)量流61、57、53，進(jìn)行吸取，使得壓縮機(jī)功最小化，從而提高了總效率。壓縮機(jī)的吸入量也被最小化。管線的尺寸被減小，因而閥門和傳動(dòng)裝置更小。將顯著地降低空間要求并且成本將會(huì)更低。安裝工作也將變得不太復(fù)雜而且更高效。能量效率的主要改進(jìn)在于使用了適合于天然氣液化的三個(gè)不同階段的三個(gè)分開(kāi)的膨脹機(jī)電路。這與現(xiàn)有技術(shù)是不同的，例如在美國(guó)專利6. 412. 302中，不具有用于密相的去過(guò)熱以及冷凝/冷卻的分別的適應(yīng)。所述系統(tǒng)的熱力學(xué)結(jié)果可以參見(jiàn)圖3。通過(guò)修改每個(gè)膨脹機(jī)1、2和3的質(zhì)量流、壓力比和溫度，可以將由冷組合曲線和暖組合曲線之間的距離所指示的換熱器損失減小到最小。本制冷裝置將使用氣相的制冷劑進(jìn)行操作。氮?dú)馐敲黠@要應(yīng)用的氣體，這是因?yàn)樗哂杏欣膶傩圆⑶沂潜蛔C明了的制冷劑。氮?dú)獾哪栔亓看笥诩淄榈哪栔亓?。在用于透平壓縮機(jī)時(shí)，高的分子量是有利的。美國(guó)專利6. 412. 302中提出使用甲烷或者烴混合物。烴也是易燃的，這在有些應(yīng)用中，例如在海上設(shè)施中，被認(rèn)為是缺點(diǎn)。圖4示出了第二實(shí)施例，其中，膨脹機(jī)1、2、3中的每個(gè)在分開(kāi)的循環(huán)中進(jìn)行操作， 該循環(huán)具有其自己的壓縮機(jī)配置。膨脹機(jī)1、2、3是分別由壓縮機(jī)13、壓縮機(jī)14、15和壓縮機(jī)16、17、18來(lái)供應(yīng)的。每個(gè)循環(huán)中的壓縮機(jī)或者壓縮機(jī)級(jí)的數(shù)量可以變化。如圖3所示， 膨脹機(jī)1、2、3中的每個(gè)將向冷箱8提供適合不同溫度區(qū)域的制冷容量。分開(kāi)的循環(huán)給出了關(guān)于壓力、溫度和質(zhì)量流控制的改進(jìn)的靈活性，即不同天然氣液化處理階段的制冷容量?？梢苑謩e用存量控制和壓縮機(jī)速度控制來(lái)控制每個(gè)循環(huán)。圖4 示出了存量控制組件的示例。這三個(gè)分開(kāi)的循環(huán)連接至存量緩沖容器25，該存量緩沖容器 25被保持在低于循環(huán)中的最低高壓并且高于循環(huán)中的最高低壓的壓力。閥門沈至31將用于在循環(huán)和容器25之間傳輸質(zhì)量。雖然循環(huán)分別工作，但是它們?cè)趯?duì)裝置進(jìn)行控制時(shí)是互相連接并且相互依賴的。分開(kāi)的存量控制給出了改變每個(gè)循環(huán)中的總壓力水平的可能性。靈活的控制思想使具有分開(kāi)的循環(huán)的系統(tǒng)是魯棒的并且能夠適應(yīng)氣源流和組成的變化、和突然出現(xiàn)的狀況。可能的缺點(diǎn)可能是需要更多的壓縮機(jī)。然而，與圖3所示的系統(tǒng)相比，主要不會(huì)增加總的吸入量。如圖1所示，在LNG生產(chǎn)的過(guò)程中使用三個(gè)膨脹機(jī)基本上是有利的。然而，通過(guò)使用四個(gè)或者更多個(gè)膨脹機(jī)可以實(shí)現(xiàn)甚至更高的效率，這個(gè)未示出。原因在于暖組合曲線和冷組合曲線之間的甚至更好的適應(yīng)。在能量效率是決定性的大規(guī)模設(shè)備中，有可能可以接受增加的復(fù)雜性。圖5和圖6示出了基于與圖3和圖4所示相同的原理的LNG生產(chǎn)的實(shí)施例，但是只有兩個(gè)而非三個(gè)膨脹機(jī)。圖5描繪了具有公共壓縮機(jī)組的示例，并且圖6示出了包括分開(kāi)的循環(huán)的示例。在所示的兩種情況下，膨脹機(jī)3適合對(duì)液化天然氣進(jìn)行過(guò)冷卻，而膨脹機(jī) 2適合對(duì)稠密氣體進(jìn)行去過(guò)熱和冷凝/冷卻。因而，膨脹機(jī)2用于生產(chǎn)液化天然氣，而膨脹機(jī)3用于過(guò)冷卻。與具有三個(gè)膨脹機(jī)的解決方案相比，暖組合曲線和冷組合曲線之間的適應(yīng)將會(huì)較差，但是配置較不復(fù)雜。與具有三個(gè)膨脹機(jī)的實(shí)施例相比，總的壓縮機(jī)吸入量將不會(huì)減少，這是因?yàn)楸仨氃黾訅嚎s機(jī)6、5或者14、15的吸入容量，以處理稠密氣體的去過(guò)熱和冷凝/冷卻二者。至于具有三個(gè)膨脹機(jī)的所述系統(tǒng)，可以通過(guò)存量控制和壓縮機(jī)速度控制來(lái)執(zhí)行容量控制。對(duì)于分開(kāi)的循環(huán)，參見(jiàn)圖6，可以獨(dú)立地控制兩個(gè)循環(huán)的壓力水平。存量控制是由包括容器25以及閥門觀、29、30和31的制冷劑質(zhì)量緩沖系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行的。容器25中的壓力被保持低于系統(tǒng)中的最低高壓并且高于系統(tǒng)中的最高低壓。閥門用于向容器傳輸質(zhì)量和從容器傳輸質(zhì)量。對(duì)于圖5中的連接的系統(tǒng)，由容器25以及閥門32和34來(lái)安排存量控制。 通過(guò)改變制品存量，可以改變總的壓力水平，并且可以控制容量。壓縮機(jī)速度變化可以用于改變總?cè)萘?，但是也用于每個(gè)壓縮機(jī)級(jí)的分別控制，從而有機(jī)會(huì)在不同的壓力水平上改變?nèi)萘?。圖5和圖6中的膨脹機(jī)2在高溫循環(huán)中提供冷卻能力。這種冷卻能力可以例如通過(guò)串聯(lián)的兩個(gè)膨脹機(jī)來(lái)提供，參見(jiàn)圖8。在穿過(guò)第二膨脹機(jī)2b降至高溫循環(huán)的低壓的最終膨脹之前，質(zhì)量流陽(yáng)將首先在膨脹機(jī)加中膨脹并降至中間壓力，并在冷箱8中進(jìn)行過(guò)冷卻。復(fù)雜性將會(huì)稍微增加，但是這將提高能量效率。原理上，可以用兩個(gè)或者更多個(gè)串聯(lián)的膨脹機(jī)來(lái)取代膨脹機(jī)1、2和3中的任何一個(gè)。所有以上提出的解決方案都不限于液化天然氣生產(chǎn)。汽化氣體(也被認(rèn)為是天然氣)的再液化是另一應(yīng)用，其中，本發(fā)明可以用在例如海上LNG載體上和陸上終端中。雖然未在圖中示出，仍然可以理解的是多于三個(gè)膨脹機(jī)是適用的，例如四個(gè)或者甚至更多個(gè)。示例將例如如圖3所示的本發(fā)明應(yīng)用于典型的天然氣源，取決于外部條件，可以實(shí)現(xiàn)大約0.32kWh/kg LNG的算出的能量效率。與現(xiàn)有技術(shù)解決方案相比，這是顯著的改進(jìn)，例如根據(jù)美國(guó)專利6. 412. 302，在相等的環(huán)境條件下并且基于本描述中所建議的操作數(shù)據(jù)，其所具有的算出的能量效率為0.44kWh/kg LNG。
權(quán)利要求
1.一種用于借助于使用單相氣態(tài)制冷劑的制冷組件來(lái)生產(chǎn)液化的且過(guò)冷卻的天然氣的方法，所述制冷組件包括至少兩個(gè)膨脹機(jī)(1-3 ；2-3)；壓縮機(jī)組件(5-7 ；13-18 ； 5-7 ；14-18)；換熱器組件(8)，用于從天然氣吸收熱量；以及散熱組件(10-12 ； 19-24 ；10-12 ；20-24)，其特征在于在膨脹機(jī)回路中布置所述膨脹機(jī)(1-3 ；2-3)；在所有回路中僅使用一種且相同的制冷劑；將來(lái)自各個(gè)所述膨脹機(jī)(1-3;2-3)的膨脹的制冷劑流傳遞到所述換熱器組件(8)中， 每個(gè)所述膨脹機(jī)都處于適合對(duì)密相進(jìn)行去過(guò)熱、冷凝或者冷卻和/或?qū)μ烊粴膺M(jìn)行過(guò)冷卻的質(zhì)量流和溫度水平；以及借助于所述壓縮機(jī)組件(5-7 ；13-18 ；5-7 ；14-18)，在壓縮的流中向各個(gè)所述膨脹機(jī) (1-3 ；2-3)提供所述制冷劑，所述壓縮機(jī)組件具有壓縮機(jī)或者壓縮機(jī)級(jí)，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)各個(gè)所述膨脹機(jī)的適合的入口壓力和出口壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用氮?dú)庾鳛樗鲋评鋭?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，將所述膨脹機(jī)(1-3；2-3) 連接至所述壓縮機(jī)組件(5-7)，以便流動(dòng)地形成具有分開(kāi)的膨脹機(jī)回路(52，51，56，55，60， 59 ；56, 55,60, 59)的集成的制冷組件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，將所述膨脹機(jī)(1-3；2-3) 連接至所述壓縮機(jī)組件(5-7)，以便流動(dòng)地形成集成的制冷組件，其中對(duì)與所述換熱器組件 (8)有關(guān)的所述膨脹機(jī)回路(52，56)中的冷流進(jìn)行合并。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，將所述膨脹機(jī)(1-3；2-3) 連接至所述壓縮機(jī)組件(5-7)，以便流動(dòng)地形成集成的制冷組件，其中在所述膨脹機(jī)(1-3 ； 2-3)的上游對(duì)與所述換熱器組件(8)有關(guān)的所述膨脹機(jī)回路(51，56)中的暖流進(jìn)行分流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，將所述膨脹機(jī)(1-3；2-3) 連接至所述壓縮機(jī)組件(5-7)，以便流動(dòng)地形成集成的制冷組件，其中在所述膨脹機(jī)(1-3 ； 2-3)的上游對(duì)暖流(51,5 進(jìn)行分流，并且對(duì)與所述換熱器組件(8)有關(guān)的冷流(52，56) 進(jìn)行合并。
7.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，將每個(gè)所述膨脹機(jī)(1-3； 2-3)連接至所述壓縮機(jī)組件(13-18 ；14-18)，以便流動(dòng)地形成分開(kāi)的制冷循環(huán)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、權(quán)利要求2、權(quán)利要求3和權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，通過(guò)改變制冷劑存量來(lái)控制制冷容量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、權(quán)利要求2和權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，通過(guò)分開(kāi)的存量控制來(lái)獨(dú)立地改變每個(gè)循環(huán)中的所述制冷容量。
10.根據(jù)任一上述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，通過(guò)壓縮機(jī)速度控制來(lái)控制所述制冷容量。
11.根據(jù)任一上述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，用具有膨脹機(jī)級(jí)之間的中間冷卻的、串聯(lián)連接的兩個(gè)或者更多個(gè)膨脹機(jī)來(lái)取代所述膨脹機(jī)中的任何一個(gè)。
12.一種用于借助于使用單相氣態(tài)制冷劑的制冷組件來(lái)生產(chǎn)液化的且過(guò)冷卻的天然氣的系統(tǒng)，所述制冷組件包括至少兩個(gè)膨脹機(jī)(1-3 ；2-3)； 壓縮機(jī)組件(5-7 ；13-18 ；5-7 ； 14-18)； 換熱器組件(8)，用于從天然氣吸收熱量；以及散熱組件(10-12 ； 19-24 ；10-12 ；20-24)，其特征在于 所述膨脹機(jī)(1-3 ；2-3)布置在膨脹機(jī)回路中； 所有回路中僅使用一種且相同的制冷劑；來(lái)自各個(gè)所述膨脹機(jī)(1-3 ；2-3)的膨脹的制冷劑流被傳遞到所述換熱器組件(8)中， 每個(gè)所述膨脹機(jī)都處于適合對(duì)密相進(jìn)行去過(guò)熱、冷凝或者冷卻和/或?qū)μ烊粴膺M(jìn)行過(guò)冷卻的質(zhì)量流和溫度水平；以及到各個(gè)所述膨脹機(jī)(1-3 ；2-3)的制冷劑是借助于所述壓縮機(jī)組件(5-7 ；13-18 ；5-7 ； 14-18)、在壓縮的流中來(lái)提供的，所述壓縮機(jī)組件具有壓縮機(jī)或者壓縮機(jī)級(jí)，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)各個(gè)所述膨脹機(jī)的適合的入口壓力和出口壓力。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，氮?dú)庥米魉鲋评鋭?br> 14.根據(jù)權(quán)利要求12和權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述膨脹機(jī)(1-3；2-3) 連接至所述壓縮機(jī)組件(5-7)，以便流動(dòng)地形成具有分開(kāi)的膨脹機(jī)回路(52，51，56，55，60， 59 ；56,55,60, 59)的集成的制冷組件。
15.根據(jù)權(quán)利要求12和權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述膨脹機(jī)(1-3；2-3) 連接至所述壓縮機(jī)組件(5-7)，以便流動(dòng)地形成集成的制冷組件，其中對(duì)與所述換熱器組件 (8)有關(guān)的所述膨脹機(jī)回路(52，56)中的冷流進(jìn)行合并。
16.根據(jù)權(quán)利要求12和權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述膨脹機(jī)(1-3；2-3) 連接至所述壓縮機(jī)組件(5-7)，以便流動(dòng)地形成集成的制冷組件，其中在所述膨脹機(jī)(1-3 ； 2-3)的上游對(duì)與所述換熱器組件(8)有關(guān)的所述膨脹機(jī)回路(51，56)中的暖流進(jìn)行分流。
17.根據(jù)權(quán)利要求12和權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述膨脹機(jī)(1-3；2-3) 連接至所述壓縮機(jī)組件(5-7)，以便流動(dòng)地形成集成的制冷組件，其中在所述膨脹機(jī)(1-3; 2-3)的上游對(duì)暖流(51,5 進(jìn)行分流，并且對(duì)與所述換熱器組件(8)有關(guān)的冷流(52，56) 進(jìn)行合并。
18.根據(jù)權(quán)利要求12和權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)膨脹機(jī)(1-3；2-3) 連接至所述壓縮機(jī)組件(13-18 ； 14-18)，以便流動(dòng)地形成分開(kāi)的制冷循環(huán)。
19.根據(jù)權(quán)利要求12、權(quán)利要求13、權(quán)利要求14和權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，通過(guò)改變制冷劑存量來(lái)控制制冷容量。
20.根據(jù)權(quán)利要求12、權(quán)利要求13和權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷容量在每個(gè)循環(huán)中通過(guò)分開(kāi)的存量控制而被獨(dú)立地改變。
21.根據(jù)任一上述權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷容量通過(guò)壓縮機(jī)速度控制來(lái)控制。
22.根據(jù)任一上述權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述膨脹機(jī)中的任何一個(gè)被具有膨脹機(jī)級(jí)之間的中間冷卻的、串聯(lián)連接的兩個(gè)或者更多個(gè)膨脹機(jī)所取代。
全文摘要
一種用于借助于使用單相氣態(tài)制冷劑的制冷組件來(lái)生產(chǎn)液化的且過(guò)冷卻的天然氣的方法和系統(tǒng)，該制冷組件包括至少兩個(gè)膨脹機(jī)(1-3)；壓縮機(jī)組件(5-7)；用于從天然氣吸收熱量的換熱器組件(8)；以及散熱組件(10-12)。根據(jù)本發(fā)明的新穎特征在于在膨脹機(jī)回路中布置膨脹機(jī)(1-3)；在所有回路中僅使用一種且相同的制冷劑；將來(lái)自各個(gè)膨脹機(jī)的膨脹的制冷劑流傳遞到換熱器組件(8)中，每個(gè)膨脹機(jī)都處于適合對(duì)密相進(jìn)行去過(guò)熱、冷凝或者冷卻和/或?qū)μ烊粴膺M(jìn)行過(guò)冷卻的質(zhì)量流和溫度水平；以及借助于壓縮機(jī)組件，在壓縮的流中向各個(gè)膨脹機(jī)提供制冷劑，該壓縮機(jī)組件具有壓縮機(jī)或者壓縮機(jī)級(jí)，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)各個(gè)膨脹機(jī)的適合的入口壓力和出口壓力。
文檔編號(hào)F25J1/02GK102239377SQ200980133223
公開(kāi)日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2009年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者卡爾·約根·魯梅爾霍夫, 比約恩·哈拉爾德·豪克達(dá)爾, 阿爾內(nèi)·雅各布森 申請(qǐng)人:海威石油天然氣系統(tǒng)公司