專利名稱：小型lng生產(chǎn)的配置和方法
技術領域：
本發(fā)明的領域為天然氣液化和LNG (液化天然氣)卡車加載，且特別地是針對小型LNG設備的氣體膨脹過程的使用、和天然氣液化與LNG卡車加載設施的集成。
背景技術：
在北美的天然氣供應持續(xù)不斷地增加，主要由于新頁巖氣的開采，近來發(fā)現(xiàn)海上氣田，和在較小程度上，在建造了阿拉斯加天然氣管道之后將閑置的天然氣帶到了市場，且認為頁巖氣和煤層沼氣將構成能量市場中的大部分的未來增長。雖然天然氣供應不斷增加，原油供應卻不斷地減少，因為并未有儲油量的顯著/重大的新發(fā)現(xiàn)。如果繼續(xù)這種趨勢，那么運輸從原油得到的燃料將會很快變得成本太高，因而需要替代的可再生燃料(和特別地運輸燃料)。此外，由于燃燒天然氣也產(chǎn)生比其它化石材料(例如，煤或汽油)顯著更少的CO2，使用天然氣甚至更加合乎需要。用于運輸燃料的天然氣必須呈密度更高的形式，作為CNG (壓縮天然氣)或LNG。通過將天然氣壓縮到大約3000至4000psig的非常高的壓力來生產(chǎn)了 CNG。但是，即使在這樣的壓力，CNG的密度相對較低，且在高壓進行儲存需要很重重量的容器、且有潛在危險。另一方面，LNG具有顯著更高的密度，且可儲存從大約20至150pisg的相對較低的壓力。另外，LNG為比CNG更安全的燃料，因為其處于更低壓力、且在其被汽化并且以適當比例與空氣混合之前不會燃燒。然而，CNG比LNG更通常地作為運輸燃料，主要是由于液化LNG的較高成本、且缺少支持LNG加注燃料設施的基礎架構 。LNG可用來替換柴油、且目前在許多重型載重車輛中使用，包括垃圾轉運車(hauler),雜貨店送貨卡車、公共巴士和煤礦工人升降機。為了增加LNG燃料市場，小型LNG設備必須被構造為靠近于管道和LNG消費者二者，因為LNG的長距離轉移是成本較高的、且因此常常是不經(jīng)濟的。這樣的小型LNG設備應被設計成:通過液化2至10 MMscfd管道氣體，來每日生產(chǎn)30噸至130噸LNG。此外，這樣的小型LNG設備必須設計簡單，易于操作，且充分地穩(wěn)固以支持無人操作。另外，將會需要集成液化與LNG卡車加注燃料的操作來允許實現(xiàn)更大的遞送靈活性。在本領域中已知各種制冷過程用于LNG液化。這些制冷過程中最常見的是級聯(lián)過程，混合制冷劑過程，和丙烷預冷混合制冷劑過程。雖然這些已知的方法具有很高的能量效率，這些方法常常較為復雜、且需要循環(huán)若干種烴制冷劑或混合烴制冷劑。不利的是，這樣的制冷劑(例如，丙烷、乙烯和丙烯)在泄露的情況下是爆炸性的且是危險的。在LNG設備設計方面存在若干近來的創(chuàng)新。例如,授予Foglietta的美國專利N0.5，755，114教導了一種混合式液化循環(huán)，其包括閉環(huán)丙烷制冷循環(huán)和渦輪膨脹器循環(huán)。與常規(guī)液化過程相比，這個過程已經(jīng)被簡化，但對于小型LNG設備而言，仍是不適合的、和/或在經(jīng)濟上沒有吸引力。授予Whitesell的美國專利N0.7，673，476披露了一種不需要外部制冷的緊湊型和模塊式液化系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過再循環(huán)進料氣體而使用氣體膨脹來生成冷卻。雖然這種設計相對緊湊，再循環(huán)系統(tǒng)的操作較為復雜且使用烴氣體來用于冷卻仍有安全問題。授予Kikkawa的美國專利N0.5，363，655教導了使用氣體膨脹器和板與翅式熱交換器來用于進行LNG液化。雖然提供了多種優(yōu)點，對于小型LNG設備而言，這樣的過程仍然太復雜且成本太高。以下現(xiàn)實進一步加劇了上文所提到的缺陷:大部分已知的系統(tǒng)缺乏了用于將小型LNG設備與LNG加載操作進行集成的能力。因而，用于加載LNG卡車的當前做法/實踐通常需要LNG泵來將LNG從儲罐泵送到LNG卡車。明顯地，在LNG卡車加載操作期間所生成的汽化蒸氣被排到大氣，這有安全危害且造成排放污染。因而，雖然所有或幾乎所有已知的配置和方法提供了優(yōu)于先前已知的配置的某些優(yōu)點，但仍然有各種缺點。除了其它方面，大部分已知的LNG液化方法和配置較為復雜且成本較高，且因此不適合于小型LNG設備。此外，大部分已知的設備缺乏一種用于LNG加載操作的集成系統(tǒng)，這對于小型LNG設備而言是非常不合需要的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的主題針對于用于與LNG加載設施相集成的小型LNG設備的各種配置和方法。最優(yōu)選地，天然氣(例如，從管道遞送)使用氣體膨脹循環(huán)來在冷箱/低溫箱中被液化，冷箱采用二級壓縮機來產(chǎn)生至少兩個壓力水平的氣體。這樣產(chǎn)生的氣體然后被冷卻和膨脹到更低壓力以由此造成制冷，之后在熱交換器中混合為單個氣體流，該單個氣體流然后被進給/饋送到由膨脹器所驅動的壓縮機。還特別優(yōu)選地，LNG加載設施具有一種壓力控制系統(tǒng)，壓力控制系統(tǒng)使用高壓進料氣體作為原動力來將LNG產(chǎn)品從LNG儲罐移動到LNG卡車，而來自LNG卡車的汽化蒸氣在液化設備中被回收。

在一個特別優(yōu)選的方 面，小型LNG設備具有集成的加載終端，其中該設備包括具有閉合制冷循環(huán)的冷箱(優(yōu)選地為二級膨脹器制冷系統(tǒng)，利用非烴制冷劑操作)從而在足以從天然氣進料產(chǎn)生LNG的溫度將制冷含量提供給天然氣進料。通常，優(yōu)選地，LNG儲罐被熱聯(lián)接到制冷循環(huán)以接收并且儲存LNG，且第一汽化蒸氣管線提供了從LNG運輸器到冷箱的、以及從冷箱到LNG儲罐的第一汽化蒸氣，而第二汽化蒸氣管線提供了從LNG儲罐到冷箱的、以及從冷箱到天然氣進料的第二汽化蒸氣。最通常地，壓縮機壓縮了第一汽化蒸氣和第二汽化蒸氣中的至少一個，和/或差壓控制器維持了在LNG儲罐與LNG運輸器之間的預定壓差(例如，5-200 psi，更通常地10-50 psi)。在另一特別優(yōu)選的方面，使用儲罐中的內部管將來自儲罐的LNG從儲罐頂部卸載，這排除了在常用罐配置中通常使用的LNG罐存貨的LNG溢漏的潛在危險。因此，且從不同的角度看出，一種使天然氣液化且將LNG加載到LNG運輸器的方法將包括以下步驟:在使用閉合制冷循環(huán)的冷箱中液化天然氣進料，且將LNG進給到LNG儲罐。在另一步驟，來自LNG運輸器的第一汽化蒸氣被冷卻和壓縮，且用作原動力來將LNG從LNG儲罐遞送到LNG運輸器。以這樣的方法，特別優(yōu)選地，來自LNG儲罐的第二汽化蒸氣被冷卻和壓縮，且從冷箱移到天然氣進料。如之前那樣，通常優(yōu)選地，使用二級閉合制冷循環(huán)，通常使用非烴制冷劑來執(zhí)行了液化一種天然氣進料的步驟。結合附圖，從本發(fā)明的優(yōu)選實施例的下文的詳細描述，本發(fā)明的各種目的、特征、方面和優(yōu)點將會變得更加顯然。


圖1為根據(jù)本發(fā)明主題的一種示例性配置。圖2為示出在進料氣體與制冷回路之間的熱復合曲線的緊密/密切溫度逼近的示例性曲線圖。
具體實施例方式本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)了能以概念上簡單且具有成本效益的方式來將小型LNG設備與LNG卡車進行集成。在優(yōu)選方面，小型LNG設備通過液化適量進料氣體，具有通常在10噸至200噸之間，更通常地20-80噸之間，且最通常地30至130噸之間的每日LNG生產(chǎn)量。例如，具有30至130噸之間的每日LNG生產(chǎn)量的小型LNG設備將需要約2至l(MMscfd之間的進料氣體。在另一特別優(yōu)選的方面，制冷過程在壓縮膨脹循環(huán)中使用非烴制冷劑(例如，氮氣、空氣等)來避免通常與烴制冷系統(tǒng)相關聯(lián)的安全性問題。下文的描述和圖1示意性地示出了本文所提出的發(fā)明主題的各種方面。進料氣流I在100 ° 和453 psia以1.7 MMscfd的流率被供應到小型LNG液壓設備，具有以下組成:
1.0摩爾％N2、0.1摩爾％C02、96.5摩爾％甲烷、2摩爾％乙烷、以及0.5摩爾％丙烷和更重的組分。在氣體處理單元41中對氣體進行處理，氣體處理單元41通常包括胺單元和用于移除CO2和水的分子篩脫水單元，形 成一種干燥的且不含CO2的氣流2。經(jīng)干燥的氣流2與再循環(huán)氣流11相組合，且進入冷箱51，冷箱51通常包括至少五個熱交換器通道52、53、54、55和56。進料氣體由熱交換器通道52中的氮氣制冷而致冷，形成了在-223 0F的過冷流3，該過冷流3然后在JT閥71中減低壓力，形成了流4。在-227 T的閃蒸液體被儲存在以60psia操作的儲罐65中。閃蒸氣流8通過經(jīng)由閥70再循環(huán)回到交換器通道56而被回收。這種再循環(huán)流的制冷含量在冷箱541中被回收。因而，應當指出的是，來自儲罐的閃蒸流在交換器51中被加熱。從冷箱出來的流10由壓縮機68壓縮到進料氣體壓力，形成了流11，之后與進料氣流2相混合。使用兩個氮氣膨脹器(57和60)和兩個氮氣壓縮機(61和62)來使進料氣流2液化。氮氣或空氣可在此循環(huán)中使用，只要氣體是干燥的。如本領域中已知的那樣監(jiān)視烴含量，以檢測任何泄露，且該單元可在緊急情況期間立即關掉。來自壓縮機59 (聯(lián)接到膨脹器60)的流21 (3IMMscfd)在207psia和105 °F被進給/饋送到氮氣壓縮機61且被壓縮到260psia，形成了流22。壓縮機排放在環(huán)境冷卻器63中被冷卻，形成了流23，流23被分成兩部分:流24和25。流24與23的分流比通常為50%比50%，但其可從25%到70%變化，取決于進料氣體組成和壓力。流25在熱交換器通道55中被冷卻到大約-42 T，形成了流26，流26在膨脹器60中膨脹到169 psia。第一膨脹氣流27被致冷到-85 °F，其被按路線發(fā)送到熱交換器通道54的中部段以與第二膨脹氣體79相混合。流24被氮氣壓縮機62進一步壓縮到410 psia,以形成流28，由環(huán)境冷卻器64冷卻，形成了流29且被進給/饋送到熱交換器通道53。高壓氮氣流29被致冷到-158 T，形成了流30，流30由膨脹器57膨脹到169 psia，形成在-225 T的第二膨脹的氣流79。此冷氣體用于液化在熱交換器通道52中的進料氣體。第二膨脹氣體79在熱交換器通道54中與第一膨脹氮氣流27相混合，其提供額外致冷。在熱交換器通道54的下游，這種溫熱的混合流32在壓縮機58中壓縮，形成了流33，流33在壓縮機59中被進一步壓縮。這種兩步氣體膨脹器循環(huán)很高效地實現(xiàn)天然氣液化，如從圖2所示的在進料氣體與制冷回路之間的熱復合曲線的密切溫度逼近可得出。在常規(guī)LNG卡車加載操作期間，通常使用LNG泵將LNG從儲罐泵送到LNG卡車。這個操作需要至少2小時的時間，因為LNG卡車必須從通常周圍溫度致冷到冷凍/低溫(cryogenic)溫度。這個操作也生成大量汽化蒸氣,汽化蒸氣在大部分情況下被排到大氣且因此帶來嚴重的環(huán)境問題。與此相對比，且如圖1中所示，通過壓差將LNG從LNG儲罐65經(jīng)由流5、6和加載軟管66而轉移到LNG卡車67，由此允許在不使用LNG泵的情況下進行填充操作。使用在儲罐內的內部管99將LNG從頂部出口噴嘴98轉移。這種配置避免了從儲罐的任何底部噴嘴，因而避免了在常規(guī)儲罐設計中通常遇到的儲罐存貨的溢漏。因此，并不需要LNG泵?？筛鶕?jù)需要來調整流動控制器82以將一定流量遞送到LNG卡車。當儲罐中的液位降低到較低液位時，液位控件97將在預定低液位處停止流5中的流動。通常，LNG儲罐65被配置成具有30, 000加侖的容量，這個容量足以加載至少兩個LNG卡車，每個LNG卡車具有10,000加侖的容量。在LNG卡車加載操作期間，關閉了閥70，且打開了閥69，允許汽化蒸氣流7作為流9從卡車排到冷箱51。閥69使用壓力控制器81控制著LNG卡車蒸氣集管在大約50psig，LNG卡車的下壓力設置點。利用順序操作的這些閥，在加載期間汽化的蒸氣被回收、且避免了被排到大氣。為了提供驅動力以將LNG存貨從儲罐加壓到LNG卡車，閥84打開，向儲罐提供高壓氣體85。使用了壓差控制器88和壓力控制器83來控制所需流率。通常，差可設置為IOpsi或更高壓力，這取決于介于儲罐與卡車之間的距離，且可使用流量控制器82使LNG加載速率從250GPM到500GPM變化。若必需，則可增加差壓來增加加載速率。因此，應意識到，LNG泵送并非必需的，且可顯著減小所述加載系統(tǒng)的大小和成本。雖然本文中所提出的方法和設備可具有任何生產(chǎn)量，應意識到，這樣的設備和方法特別地適合于通過對適量進料氣體進行液化，具有通常在10至200噸，更通常地在20-80噸之間，且最通常地在30-60噸的每日LNG生產(chǎn)量的小型LNG設施。因此，所設想到的設備和方法可實施于可提供大量天然氣的任何位置處，且特別優(yōu)選的位置包括產(chǎn)氣井/氣體生產(chǎn)井，氣化設備(例如，煤和其它含碳材料)和使用來自天然氣管道的氣體的分散化位置。因而，應認識到，進料氣體組成可顯著不同，且取決于氣體組成的類型，可需要一個或多個預處理單元。例如，合適的預處理單元包括脫水單元、酸性氣移除單元等。進一步應指出，使用具有惰性氣體的冷箱是特別優(yōu)選的，特別地是在液化/填充站在城市環(huán)境的情況下。但是，各種其它低溫/冷凍裝置也認為是合適的，且替代裝置包括使用混合烴制冷劑的那些。此外，且特別是在儲罐具有略微更大的容量的情況下，設想到，來自LNG的制冷含量也可用于補充制冷要求。關于差壓控制器(dPC)，應當指出的是，dPC優(yōu)選地被實施為帶CPU的控制裝置，且因此可被配置為一種合適地 經(jīng)編程的個人計算機或可編程的邏輯控制器。而且，通常優(yōu)選地，dPC被配置成使得dPC對控制閥的操作進行控制以由此使用壓力傳感器和閥而維持了在儲罐與LNG運輸容器中的罐之間的預定壓差，如本領域中熟知的那樣。例如，可通過調節(jié)從壓縮機出口到儲罐途中的受壓縮的汽化蒸氣的壓力和/或流量，通過調節(jié)來自LNG運輸容器中的罐的汽化蒸氣的壓力和/或流量，和/或通過調節(jié)從儲罐到LNG運輸容器中的罐的LNG的壓力和/或流量，來實現(xiàn)控制。因而，在至少某些實施例中，差壓控制器將被配置成允許與LNG運輸器的填充操作同時進行液化操作。因此，將天然氣進給到液化單元以連續(xù)方式進行。但是，還設想到不連續(xù)的進給和液化。應當指出的是，與大部分已知的配置相反，來自儲罐和/或LNG運輸容器中的罐的汽化蒸氣的至少一部分并未被液化，而是用作原動流體來將LNG從儲罐移動到LNG運輸容器中的罐。因此，排除了對于LNG泵的需要。此外，應當指出的是，可采用從LNG運輸容器中罐的汽化蒸氣的制冷含量來補充冷箱中的制冷要求。因而，汽化蒸氣被加熱而不是如大部分操作中已知的那樣被冷 卻并且被再液化。另外還設想到，儲罐可被修改成使得用于從儲罐輸出的LNG從儲罐下部(例如，儲集槽或其它位置，通常在罐的重心下方)，通過罐的蒸氣空間被抽吸到填充管線/加載軟管，由此避免了與儲罐下部處的填充端口相關聯(lián)的問題。最通常地，該罐將包括終止于罐上部的內部填充管，以允許將內部填充管連接到填充管線/加載軟管。因此，已公開了小型LNG生產(chǎn)和填充的具體實施例和應用。但對于本領域技術人員顯而易見的是，在不偏離本文的發(fā)明概念的情況下，除了那些已經(jīng)描述的之外的許多另外修改是可能的。因此除了在所附權利要求的范圍中，本發(fā)明的主題不應受到限制。此外，在對說明書和權利要求二者進行解釋的過程中，所有術語應以與上下文一致的最可能的廣義方式來解釋。特別地，術語“包括”和“包含”應被解釋為以非排他性的方式來提及元件、構件或步驟，指示了所提及的元件、構件或步驟可與未明確提及的其它元件、構件或步驟一起存在、利用或組合。在說明書權利要求提及選自包括A、B、C……和N的組中的至少一個的情況下，本文應被解釋為需要來自該組的僅一個元件，而不是A加N，或B加N等。
權利要求
1.一種具有集成加載終端的小型LNG設備，包括: 制冷單元，其包括閉合制冷循環(huán)，所述閉合制冷循環(huán)配置成用以向天然氣進料提供一定量的制冷含量，所述制冷含量足以從天然氣進料產(chǎn)生LNG ； LNG儲罐，流體聯(lián)接到冷箱且配置成用以允許接收和儲存所述LNG ； 第一汽化蒸氣導管，配置成用以提供從LNG運輸器到冷箱的、和從所述冷箱到所述LNG儲罐的第一汽化蒸氣，以由此允許使用所述第一汽化蒸氣作為原動力來將所述LNG從所述LNG儲罐移出； 第二汽化蒸氣導管，配置成用以提供從所述LNG儲罐到所述冷箱的、和從所述冷箱到所述天然氣進料的第二汽化蒸氣；以及 壓縮機，其配置成用以允許壓縮所述第一汽化蒸氣和第二汽化蒸氣中的至少一個。
2.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，其還包括:差壓控制器，配置成用以維持著在所述LNG儲罐與所述LNG運輸器之間預定的壓差。
3.根據(jù)權利要求2所述的設備，其中，所述差壓控制器配置成用以允許與所述LNG運輸器的填充操作同時進行液化操作。
4.根據(jù)權利要求2所述的設備，其中，所述預定壓差在10-50psi之間。
5.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，所述制冷單元還包括:至少3個交換器通道，其利用二級氮氣壓縮膨脹器循環(huán)而提供所述天然氣液化制冷負荷；以及，交換器通道，配置成用以從所述第一汽化蒸氣和所述第二汽化蒸氣中的至少一個回收制冷含量。
6.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，所述閉合制冷循環(huán)包括生成低水平冷卻的二級渦輪膨脹器，二級渦輪膨脹器與二級壓縮系統(tǒng)流體地聯(lián)接，二級壓縮系統(tǒng)生成了進給所述渦輪膨脹器的高壓的經(jīng)致冷的氣體，而同時從渦輪膨脹器所產(chǎn)生的動力用于降低氣體壓縮要求，且其中所述制冷循環(huán)配置成用以利用非烴制冷劑來操作。
7.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，所述制冷單元和儲罐配置成用以提供每日10至200噸的LNG生產(chǎn)量。
8.一種對天然氣進行液化和將所述LNG加載到LNG運輸器的方法，包括: 在包括閉合制冷循環(huán)的冷箱中對天然氣進料進行液化，且將所述LNG進給到LNG儲te ； 加熱并壓縮來自LNG運輸器的第一汽化蒸氣；以及 使用經(jīng)加熱并且受壓縮的第一汽化蒸氣作為原動力以將來自所述LNG儲罐的LNG遞送到所述LNG運輸器。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其還包括以下步驟:加熱并壓縮來自所述LNG儲罐的第二汽化蒸氣，且將經(jīng)加熱并且受壓縮的第二汽化蒸氣進給到所述天然氣進料。
10.根據(jù)權利要求8所述的方法，還包括:使用差壓控制器來維持著在所述LNG儲罐與所述LNG運輸器之間預定的壓差。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，所述差壓控制器配置成用以允許與所述LNG運輸器的填充操作同時進行液化操作。
12.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，所述預定壓差在10-50psi之間。
13.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中通過使用一種運用非烴制冷劑的二級閉合制冷循環(huán)來在冷箱中執(zhí)行所述天然氣進料的液化。
14.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中所述LNG儲罐包括內部填充管，所述內部填充管將自所述儲罐下部的LNG通過所述儲罐的蒸氣空間輸送到位于所述儲罐外側位置的填充管線或加載軟管。
15.一種用于具有集成加載終端的LNG設備中的差壓控制器，其中，所述控制器編程為允許維持著在所述LNG設備中的LNG儲罐與?？吭谒鯨NG設備的加載終端處的LNG運輸器上的接納罐之間的預定壓差，且其中所述控制器還配置成用以控制來自所述LNG運輸器上的罐的經(jīng)壓縮的汽化蒸氣的流量和壓力中的至少一個。
16.根據(jù)權利要求15所述的差壓控制器，其中，所述控制器還配置成用以控制從所述儲罐到所述LNG運輸器上的罐的 LNG流量。
全文摘要
小型天然氣液化設備與LNG加載設施相集成，其中使用多級氣體膨脹循環(huán)來液化了天然氣。然后使用差壓控制系統(tǒng)將LNG加載到在加載設施處的LNG卡車上、或其它LNG運輸車輛上，差壓控制系統(tǒng)使用經(jīng)壓縮的汽化氣體作為原動力以將來自LNG儲罐的LNG移動到LNG卡車，從而避免使用LNG泵和相關聯(lián)的準備、以及避免將汽化蒸氣排入環(huán)境。
文檔編號F25J1/00GK103229011SQ201180046944
公開日2013年7月31日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權日2010年7月29日
發(fā)明者J.馬克 申請人:氟石科技公司