本申請為專利申請201480071324.2的分案申請，原申請的申請日為2014年12月26日，發(fā)明創(chuàng)造名稱為天然氣液化系統(tǒng)和方法。本發(fā)明涉及一種用于通過冷卻天然氣產生液化天然氣的天然氣液化系統(tǒng)和方法。
背景技術：
：從天然氣田獲得的天然氣在液化工廠中液化，從而天然氣可以以液體形式被存儲和運輸。當冷卻至約-162攝氏度時，相比于氣態(tài)天然氣，所述液體天然氣具有顯著減小的體積，且不需要在高壓下存儲。同時天然氣液化過程中除去包含在開采的天然氣中的雜質，例如水、酸性氣體和汞，并且在除去具有相對高的凝固點的較重組分后(如苯、戊烷的c5+烴類和其他更重的烴類)，所述天然氣被液化。已經開發(fā)了用于液化天然氣的各種技術，其中包括那些基于使用膨脹閥和渦輪機的膨脹過程和使用低沸點制冷劑(例如輕質烴，如甲烷、乙烷和丙烷)的熱交換過程的技術。例如，某個已知的天然氣液化系統(tǒng)(參照專利文獻1)包括用于冷卻天然氣的冷卻單元，其中從所述冷卻單元中除去雜質；膨脹單元，其用于等熵膨脹所述冷卻的天然氣；蒸餾單元，其用于蒸餾由所述膨脹單元以低于甲烷和較重的內容物的臨界壓力的壓力減壓的所述天然氣；壓縮機，其用于通過使用來自膨脹機的軸的輸出來壓縮來自所述蒸餾單元的所述蒸餾的天然氣；以及液化單元，其用于通過與混合的制冷劑進行熱交換來液化由壓縮機壓縮的所述蒸餾的天然氣。現(xiàn)有技術文件專利文件0004專利文獻1：us4,065,278技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明要完成的課題在如專利文獻1中所公開的常規(guī)的天然氣液化系統(tǒng)，希望所述壓縮機的出口壓力(或待被引入所述液化單元的進料氣體的壓力)是盡可能的高的，從而降低液化單元(尤其是，所述液化單元的主熱交換器)上的負荷，并且最大化所述液化工藝的效率。為了增加所述壓縮機的所述出口壓力時，需要相應大的動力。然而，在常規(guī)裝置中，其中由冷卻單元冷卻的所述進料氣體通過膨脹機膨脹，由膨脹機產生的動力是有限的，并且不足以將所述壓縮機的所述出口壓力提高到所需水平。在常規(guī)裝置中，由于需要使進料氣體在膨脹機中被膨脹之前被冷卻，所述冷卻單元需要相對大的容量，而這增加了所述冷卻單元的初始成本和運營成本。在常規(guī)裝置中，因為進料氣體的冷卻會導致產生冷凝物，有必要提供一種氣液分離器，在將所述進料氣體從所述冷卻單元引入所述膨脹機之前，從進料氣體中分離(除去)冷凝物。此外，由于在壓縮機的出口端，所述進料氣體溫度高，則所述液化單元的中間入口點與制冷劑之間產生顯著的溫差，從而所述冷卻單元需要相應大的容量。鑒于現(xiàn)有技術的這些問題，本發(fā)明的一個主要目的在于提供一種天然氣液化系統(tǒng)和方法，通過使用由所述進料氣體的膨脹在膨脹機中所產生的動力來增加所述壓縮機的出口端的壓力，并最大限度地減少所述冷卻單元所需的冷卻容量。完成所述課題的手段本發(fā)明的第一個方面提供一種天然氣液化系統(tǒng)(1)，其冷卻所述天然氣以產生液化天然氣，包括：第一膨脹機(3)，其用于通過膨脹加壓狀態(tài)下的天然氣作為原料氣體來產生動力；第一冷卻單元(11，12)，其用于冷卻在所述第一膨脹機中通過膨脹減壓的所述原料氣體；蒸餾單元(15)，其用于通過蒸餾由所述第一冷卻單元冷卻的所述原料氣體來減少或除去所述原料氣體中的重質組分；第一壓縮機(4)，其用于通過使用在所述第一膨脹機中所產生的動力來壓縮所述原料氣體，其中通過所述蒸餾單元從所述原料氣體中減少或除去所述重質組分；第二換熱器，其用于在被引入第一壓縮機的所述原料氣體和由第一壓縮機壓縮的所述原料氣體之間進行熱交換；以及液化單元(21)，其用于通過與制冷劑進行熱交換來液化由所述第一壓縮機壓縮的所述原料氣體。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，由于利用被所述第一冷卻單元冷卻之前的所述原料氣體的膨脹所產生的動力，從而可使所述第一壓縮機的出口壓力增加，降低所述第一冷卻單元所需的冷卻容量。本發(fā)明的第二方面提供一種天然氣液化系統(tǒng)，進一步包括熱交換器(69)，其用于對被引入所述蒸餾單元的所述原料氣體以及來自所述蒸餾單元的頂部餾分之間進行熱交換。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，即使當被引入到所述液化單元的所述原料氣體的溫度低于適當?shù)姆秶鷷r，能夠通過與被引入到所述蒸餾單元中的所述原料氣體進行熱交換來加熱所述蒸餾單元的頂部餾分，從而使所述原料氣體的溫度接近所述蒸餾單元的入口端的溫度。本發(fā)明的第三方面提供一種天然氣液化系統(tǒng)，進一步包括第二熱交換器(79)，其用于對待被引入所述第一壓縮機的所述原料氣體以及由所述第一壓縮機壓縮的所述原料氣體之間進行熱交換。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，即使當被所述第一壓縮機壓縮并被引入到所述液化單元的所述原料氣體的溫度高于適當?shù)姆秶鷷r，能夠通過與被引入到所述第一壓縮機中的所述原料氣體進行熱交換來冷卻來自所述第一壓縮機中的所述原料氣體，從而使所述原料氣體的溫度接近所述液化單元的入口端的溫度。發(fā)明效果正如可從前述中所理解，根據(jù)本發(fā)明的天然氣液化的液化系統(tǒng)，通過使用由原料氣體的膨脹于所述膨脹機產生的動力，可使得所述壓縮機的所述出口壓力增加，并使得所述冷卻單元所需的冷卻容量減小。附圖說明圖1為示出作為本發(fā)明的第一實施例給出的所述天然氣液化系統(tǒng)中的液化處理流程的示意圖；圖2為示出作為第一比較例給出的常規(guī)天然氣液化系統(tǒng)中的液化處理流程的示意圖；圖3為示出作為第二比較例給出的常規(guī)天然氣液化系統(tǒng)中的液化處理流程的示意圖；以及圖4為示出作為第一實施例的第一變形例給出的一種天然氣液化系統(tǒng)中的液化處理流程的示意圖；圖5為示出作為第一實施例的第二變形例給出的一種天然氣液化系統(tǒng)中的液化處理流程的示意圖；圖6為示出作為第一實施例的第三變形例給出的一種天然氣液化系統(tǒng)中的液化處理流程的示意圖；圖7為示出作為第一實施例的第四變形例給出的一種天然氣液化系統(tǒng)中的液化處理流程的示意圖；圖8為示出作為本發(fā)明的第二實施例給出的一種天然氣液化系統(tǒng)中的液化處理流程的示意圖；圖9為示出作為第二實施例的第一變形例給出的一種天然氣液化系統(tǒng)中的液化處理流程的示意圖；圖10為示出第一實施例的第五變形例的所述天然氣液化系統(tǒng)中的液化處理流程的示意圖。術語表1液化系統(tǒng)2除水單元3，3a第一膨脹機3b第二膨脹機4，4a第一壓縮機4b第三壓縮機5軸10，11，12第一冷卻器15蒸餾單元21液化單元23第一氣液分離容器33膨脹閥41制冷劑分離器44膨脹閥45噴頭54膨脹閥55噴頭69熱交換器79熱交換器80冷卻器z1暖區(qū)z2中間區(qū)z3冷區(qū)具體實施方式以下參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明。(第一實施例)圖1為示出作為本發(fā)明的第一實施例給出的所述天然氣液化系統(tǒng)中的液化處理流程的示意圖。將在下文示出的表1列出所述天然氣液化系統(tǒng)中的液化過程的模擬(仿真)結果。表2至表12的內容也是如此。表1示出在第一實施例的液化系統(tǒng)中的每個不同點處，待液化的天然氣的溫度、壓力、流速以及摩爾組成。在表1中，(i)至(ⅸ)列示出在液化系統(tǒng)1中用對應的圖1中羅馬數(shù)字(i)至(ix)表示的在各點處的值。含有約80至98mol％的甲烷的天然氣用作所述原料氣體或所述進料氣體。所述原料氣體也至少包含至少0.1mol％的作為較重內容物的c5+烴類，或者至少包含至少1ppmmol的作為較重內容物的btx(苯，甲苯，二甲苯)。非甲烷氣體的所述原料氣體的含量示于表1的列(i)中。根據(jù)液化的不同階段，在本說明書中使用的術語“原料氣體”并不一定需要為氣態(tài)，但也可以是液態(tài)。在此液化系統(tǒng)1中，所述原料氣體經管路l1供應到除水單元2，并且并被除去水份以避免結冰的問題。供給到所述除水單元2的所述原料氣體具有約20攝氏度的溫度，大約kpaa的壓力和大約00kg/hr的流速。所述除水單元2可以由填充有干燥劑(如分子篩)的多個塔構成，并可以將所述原料氣體中的水含量降低到小于0.1ppmmol。所述除水單元2可以由任何其它已知的能夠將所述原料氣體的水除去至低于所需的水平的單元構成。雖然這里省略了詳細的討論，液化系統(tǒng)1可以采用附加的已知設備，用于執(zhí)行在所述除水單元2中的處理步驟之前的初步處理步驟，諸如用于除去天然氣冷凝物的分離單元，用于除去如二氧化碳和硫化氫的酸性氣體的酸性氣體去除單元，以及用于除去汞的除汞單元。通常情況下，所述除水單元2接收原料氣體，其中通過使用這些設備從原料氣體中去除雜質。對供應到所述除水單元2中的所述原料氣體進行預處理，使得二氧化碳(co2)的含量小于50ppmmol，硫化氫(h2s)含量小于4ppmmol，硫含量小于20mg/nm3，汞含量小于10ng/nm3。所述原料氣體的來源可以不限于任何特定的來源，但也可以非排他性地在加壓狀態(tài)下從頁巖氣，致密砂巖氣和煤炭頭甲烷(coalheadmethane)中獲得。所述原料氣體不僅可以經由管道由諸如天然氣田的來源供應，也可以由儲存罐供應。在所述除水單元2從所述原料氣體除去水，將所述原料氣體經由管路l2被轉遞到第一膨脹機3。所述第一膨脹機3由渦輪機組成，其用于減少供應給其的天然氣的壓力，并在等熵的條件下從天然氣的膨脹中獲得動力(或能量)。由于在所述第一膨脹機3中的膨脹步驟(第一膨脹步驟)，所述原料氣體的壓力和溫度被降低。所述第一膨脹機3設有與第一壓縮機4共同的軸5(將在下文討論)，從而使得通過所述第一膨脹機3產生的動力可以用于向所述第一壓縮機4提供動力。如果所述第一膨脹機3的旋轉速度低于所述第一壓縮機4的旋轉速度，合適的增速齒輪單元可被放置在所述第一膨脹機3和所述第一壓縮機4之間。所述第一膨脹機3將所述原料氣體的溫度和壓力分別降低至約8.3攝氏度和大約kpaa。通常情況下，從所述第一膨脹機3排出的所述原料氣體的壓力在kpaa到kpaa(30bara到55bara)的范圍內，或更優(yōu)選在kpaa至kpaa(35bara至50bara)的范圍內。所述原料氣體從所述第一膨脹機3經管路l3被轉遞至冷卻器11。通過將另一個冷卻器12連接到所述冷卻器11的下游端形成冷卻單元(第一冷卻單元)。所述原料氣體通過與制冷劑在第一冷卻單元11，12中進行分階段的熱交換(第一冷卻步驟)而冷卻。已經由所述第一冷卻單元11，12冷卻的所述原料氣體的溫度在-20至-50攝氏度的范圍內，或更優(yōu)選地在-25至-35攝氏度的范圍內。如果引入所述液化系統(tǒng)1中的所述原料氣體(的壓力)相對較高(例如，高于100bara)，因為在所述第一膨脹機3的出口的溫度相對較低(例如，-30攝氏度)，可以省略所述第一冷卻單元11，12。在所述蒸餾單元15的上游側省略所述冷卻單元的可能性同樣適用于將在下文討論的在圖5至7中所示的多個實施例。在本實施例中，使用c3-mr(丙烷(c3)預冷卻的混合制冷劑)系統(tǒng)。在第一冷卻單元11，12中通過使用丙烷作為制冷劑預冷卻所述原料氣體，并在之后將其過冷卻至極低溫度，用于在制冷循環(huán)中使用將在下文討論的混合制冷劑下液化天然氣。用于中壓(mp)和低壓(lp)的丙烷制冷劑(c3r)被用于在第一冷卻單元11，12中在多個階段(在所示實施例在兩個階段)中冷卻所述原料氣體。雖然在附圖中未示出，第一冷卻單元11，12形成包括用于丙烷制冷劑的壓縮機和冷凝器的本身已知的制冷循環(huán)的一部分。液化系統(tǒng)1不一定需要基于所述c3-mr系統(tǒng)，但除了其它的可能性之外，還可以使用級聯(lián)系統(tǒng)，在所述級聯(lián)系統(tǒng)中通過使用具有不同沸點的相應的制冷劑(如甲烷，乙烷和丙烷)，使用例如乙烷和丙烷的混合介質的用于初步冷卻過程的dmr(雙混合制冷劑)系統(tǒng)以及使用不同的混合制冷劑分別用于初步冷卻、液化和過冷卻的單個循環(huán)的mfc(混合流體級聯(lián)系統(tǒng))來形成多個單獨的制冷循環(huán)。所述原料氣體從冷卻器12經管路l4被轉遞至所述蒸餾單元15。所述原料氣體在該點的壓力借助所述第一膨脹機3以及其它可選的過程的膨脹，應低于甲烷和較重組分的臨界壓力。所述蒸餾單元15基本上由內部設置有多層架的用于去除所述原料氣體中較重的內容物(蒸餾步驟)的蒸餾塔構成。由較重的內容物構成的液體經由連接到所述蒸餾單元15的蒸餾塔的底端的管路l5排出。經由所述管路l5從所述蒸餾單元15排出的所述由較重的內容物構成的液體具有大約177攝氏度的溫度和約20,000kg/hr的流速。術語“較重的內容物”是指例如苯的具有高凝固點的組分和具有低沸點的例如c5+烴類的組分。所述管路l5包括再循環(huán)單元，所述再循環(huán)單元包括用于通過與蒸汽(或油)進行熱交換來加熱從所述蒸餾單元15的蒸餾塔的底部排出的液體的一部分的再沸器16,并將加熱的液體再循環(huán)返回到所述蒸餾單元15，其中所述蒸汽(或油)從外部被提供給所述再沸器。來自所述蒸餾單元15的頂部餾分由所述原料氣體的較輕組分構成，所述較輕組分主要由具有低沸點的甲烷構成，并且所述原料氣體通過管路l6被引入所述液化單元21中，以在管道系統(tǒng)22a和22b中冷卻。轉遞到管路l5的所述原料氣體具有大約-45.6攝氏度的溫度和大約kpaa的壓力。在蒸餾單元15中除去所述較重組分的所述原料氣體含有少于0.1mol％的c5+和小于1ppmmol(苯，甲苯和二甲苯)的btx。通過流經所述管道系統(tǒng)22a和22b，所述原料氣體被冷卻至大約-65.2攝氏度，然后從所述液化單元21經由管路l7轉遞到第一氣液分離容器23。如將在下文中討論的，所述液化單元21基本上由所述液化系統(tǒng)1中的主熱交換器構成，而此熱交換器由線軸纏繞式熱交換器構成，所述線軸纏繞式熱交換器包括用于傳導所述原料氣體和制冷劑的傳熱管的外殼和線圈。所述液化單元21規(guī)定位于所述液化單元21下部的暖區(qū)z1，其用于接收所述混合制冷劑并具有最高的溫度(范圍)；位于所述液化單元21中部的中間區(qū)z2，其具有低于暖區(qū)z1的溫度；以及位于所述液化單元21上部的冷區(qū)，其用于排出所述液化的原料氣體并具有最低的溫度。在第一實施例中，所述暖區(qū)z1由在較高溫度側的較高暖區(qū)z1a和在較低溫度側的較低暖區(qū)z1b組成。管道系統(tǒng)22a和22b，以及管道系統(tǒng)42a，51a，和42b和51b，分別由在較高暖區(qū)z1a和較低暖區(qū)z1b提供的管束形成，其中通過所述管道系統(tǒng)引導所述混合制冷劑。在所說明的實施例中，較高暖區(qū)z1a的溫度在待冷卻的所述原料氣體的上游側(入口側)為大約-35攝氏度，而在所述原料氣體的下游側(出口側)為大約-50攝氏度。較低暖區(qū)z1b的溫度在所述原料氣體的上游側為大約-50攝氏度，而在所述原料氣體的下游側為大約-135攝氏度。中間暖區(qū)z2的溫度在所述原料氣體的上游側為大約-65攝氏度，而在所述原料氣體的下游側為大約-135攝氏度。冷區(qū)z3的溫度在所述原料氣體的上游側為大約-135攝氏度，而在所述原料氣體的下游側為大約-155攝氏度。各區(qū)域的在所述上游側和下游側的溫度并不限于這里提到的數(shù)值，并且在每個部分的溫度可以在預定的范圍內變化((±例如5攝氏度)。第一氣液分離容器23分離所述原料氣體的液相組分(冷凝物)，并且基本上由烴類構成的所述液體通過設置于管路l8的再循環(huán)泵24再循環(huán)返回所述蒸餾單元15。在第一氣液分離容器23中得到的并主要由甲烷構成的所述氣相組分經管路l9轉遞至第一壓縮機4。所述原料氣體以約0kg/hr的流速通過管路l8，并以約780,000kg/hr的流速通過管路l6。第一氣液分離容器23也可以通過使用混合制冷劑或乙烯制冷劑冷卻。所述第一壓縮機4由具有渦輪機葉片的用于壓縮所述原料氣體的單級離心式壓縮機構成，其安裝在與所述第一膨脹機3共有的軸5上。由所述第一壓縮機4(第一壓縮步驟)壓縮的所述原料氣體經管路l10引入所述液化單元21。由所述第一壓縮機4輸出到管路l10的所述原料氣體具有約-51攝氏度的溫度和約kpaa的壓力。引入所述液化單元21的原料氣體由所述第一壓縮機4壓縮，優(yōu)選地壓縮至超過至少kpaa的壓力。管路l10連接到位于所述液化單元21的所述暖區(qū)z1b的管道系統(tǒng)30，所述管道系統(tǒng)30的上游端連接到所述中間區(qū)z2中的管道系統(tǒng)31，然后連接到位于所述冷區(qū)z3的管道系統(tǒng)32。所述天然氣在通過流經所述管道系統(tǒng)31和32被液化并過冷卻后，經由設置于管路l11的膨脹閥33被轉遞到在附圖中未示出的用于存儲目的的lng儲存罐。經受所述液化步驟的所述原料氣體在所述膨脹閥33的下游端獲得-162攝氏度的溫度和大約120kpaa的壓力。流經所述液化單元21的所述原料氣體，通過使用混合制冷劑的制冷循環(huán)冷卻。在所說明的實施例中，所述混合制冷劑除了包括甲烷，乙烷和丙烷的烴類混合物，可各自含有氮氣，但也可能有其他本身已知的只要所需的冷卻容量可以實現(xiàn)的組合物。在所述液化單元21中，高壓(hp)混合制冷劑(mr)經由管路l12供應給制冷劑分離器41。組成所述制冷劑分離器41中的液相組分的所述混合制冷劑經由管路l13引入所述液化單元21，然后在所述液化單元21中向上流動通過分別位于暖區(qū)z1a和z1b的所述管道系統(tǒng)42a和42b，以及位于中間區(qū)z2的所述管道系統(tǒng)43。所述混合制冷劑然后在設置于管路l14中的膨脹閥44中膨脹，并部分閃蒸。在通過所述膨脹閥44后，所述混合冷凍劑從在中間區(qū)z2的上部設置的噴頭45向下噴出(以與所述液化單元21中的所述原料氣體的流動相反)。從所述噴頭45噴出的所述混合制冷劑向下流動，同時與由所述管道系統(tǒng)31，43和52(最后的管道系統(tǒng)將在下文中被討論)形成的中間管束和由所述管道系統(tǒng)22a，22b，30，42a，42b，51a和51b(最后兩個管道系統(tǒng)將在下文中被討論)形成的下部管束進行熱交換，所述管道系統(tǒng)31，43和52位于所述中間區(qū)z2，所述管道系統(tǒng)22a，22b，30，42a，42b，51a和51b位于所述暖區(qū)z1。組成所述制冷劑分離器41中的氣相組分的所述混合制冷劑經由管路l15引入所述液化單元21，然后在所述液化單元21中通過流經分別位于暖區(qū)z1a和z1b的所述管道系統(tǒng)51a和51b，流經位于所述中間區(qū)z2的所述管道系統(tǒng)52，以及流經位于所述冷區(qū)z3的所述管道系統(tǒng)53，向上流動。所述混合制冷劑然后在設置于管路l16中的膨脹閥54中膨脹，并部分閃蒸。已經通過所述膨脹閥54的所述混合制冷劑已冷卻到低于甲烷的沸點的溫度(在這種情況下大約-167攝氏度)，并且從位于所述冷區(qū)z3的上部的噴頭55向下排出(或以與所述液化單元21中的所述原料氣體相反的方向流動)。從所述噴頭55噴出的所述混合制冷劑向下流動，同時與由設置在冷區(qū)z3的所述管道系統(tǒng)32和53形成的上部管束進行熱交換，并在與位于下方的所述噴頭45噴出的所述混合制冷劑混合后向下流動，向下流動的同時與由位于中間區(qū)z2的所述管道系統(tǒng)31，43和52所形成的中間管束以及由位于暖區(qū)z1的所述管道系統(tǒng)22a,22b,30,42a,42b,51a和51b形成的下部管束進行熱交換。從所述噴頭45和55噴出的所述混合制冷劑最后經由連接到所述液化單元21的底端的管路l17作為低壓(lp)混合制冷劑(mp)氣體排出。設置于所述液化單元21中的用于所述混合制冷劑的設備(如制冷劑分離器41)形成本身已知的用于所述混合制冷劑的制冷循環(huán)的一部分，且輸出到管路l17的所述混合制冷劑在通過所述壓縮機和所述冷凝器后經由管路l12被再循環(huán)到制冷劑分離器41。如上所述，引入所述液化系統(tǒng)1中的所述原料氣體在所述膨脹步驟，所述冷卻步驟，所述蒸餾步驟，所述壓縮步驟以及所述液化步驟中被處理之后被有效地液化。這種液化系統(tǒng)可應用于，例如，用于產生液化天然氣(lng)的基本負荷液化廠(baseloadliquefactionplant)，所述液化天然氣(lng)主要由從天然氣田開采的所述原料氣體的甲烷構成。表1no.(i)(ii)(iii)(iv)(v)(vi)(vii)(viii)(ix)氣相分數(shù)1.001.001.000.000.930.001.001.000.00溫度[℃]20.088.32-42.58177.19-65.24-65.24-65.24-50.99-161.55壓力[kpa]5830.004850.004700.004705.004400.004400.004400.005483.00120.00摩爾流速[kgmole/h]420004200045020313450203334416864168641700質量流速[kg/h]7196197196197835041976478350483548699948699948698733摩爾分數(shù)氮氣0.0081995900.0000336260.008260844甲烷0.9499525020.0435088710.956667221乙烷0.0249987500.0323395500.024931118丙烷0.0099995000.1436545950.009076200丁烷0.0019999000.1651498650.000793571正丁烷0.0019999000.2328354680.000268518異戊烷0.0004999750.0668918310.000001710正戊烷0.0004999750.0670939280.000000817正己烷0.0005999700.0805918930.000000000苯0.0004999750.0671597860.000000000甲苯0.0000999950.0134320780.000000000對二甲苯0.0000499980.0067160400.000000000正庚烷0.0004999750.0671603910.000000000正辛烷0.0000999950.0134320790.000000000(第一和第二對比例)圖2和3是示出作為本發(fā)明的第一實施例的第一和第二個比較例給出的、天然氣液化的常規(guī)系統(tǒng)中液化過程流程的示意圖。在常規(guī)的天然氣的液化系統(tǒng)101和201中，對應于所述第一實施例的液化系統(tǒng)的部件相對應的部件標以相同的標號。表2和3分別示出第一和第二比較例的所述液化系統(tǒng)中的所述原料氣體的溫度，壓力，流速和摩爾分數(shù)。應當指出的是，第二比較例的所述液化系統(tǒng)201基于在專利文獻1(us4，065，278)中公開的現(xiàn)有技術。如圖2中所示，所述第一比較例的所述液化系統(tǒng)101沒有設有在第一實施例的液化系統(tǒng)1中使用的所述第一膨脹機3和第一壓縮機4，從所述除水單元2排出的所述原料氣體經由管路l101轉遞到冷卻器110。冷卻器單元通過將冷卻器11和冷卻器12串聯(lián)連接所述冷卻器110的下游端而形成，從而使得所述原料氣體通過在三個冷卻器110，11和12中進行熱交換而依次冷卻，所述冷卻器110，11和12分別使用高壓(hp)、中壓(mp)和低壓(lp)丙烷制冷劑。從所述下游端的所述冷卻器12排出的所述原料氣體具有約-34.5攝氏度的溫度和約5,680kpaa的壓力。所述原料氣體隨后通過在管路l4中的膨脹閥113中膨脹而減壓，然后被引入所述蒸餾單元15。在所述液化系統(tǒng)101中，形成在所述第一氣液分離容器23中的氣相組分的和基本上由甲烷構成的所述原料氣體經由管路l102被引入位于所述液化單元21的中間區(qū)z2的所述管道系統(tǒng)31中。從所述第一氣液分離容器23輸出到管路l12的所述原料氣體具有約-65.3攝氏度的溫度和約kpaa的壓力。表2no.(i)(ii)(iii)(iv)(v)(vi)(vii)(viii)氣相分數(shù)1.000.991.000.000.930.001.000.00溫度[℃]20.08-34.50-42.58176.73-65.25-65.25-65.25-161.56壓力[kpa]5830.005680.004700.004705.004400.004400.004400.00120.00摩爾流速[kgmole/h]4200042000450203144502033344168641700質量流速[kg/h]7196197196197834881962478345483495699951696348摩爾分數(shù)氮氣0.0081995900.0000723180.008260784甲烷0.9499525020.0640517960.956622861乙烷0.0249987500.0318418750.024947225丙烷0.0099995000.1294280300.009100267丁烷0.0019999000.1618164820.000796567正丁烷0.0019999000.2317380080.000270095異戊烷0.0004999750.0666671730.000001771正戊烷0.0004999750.0668462010.000000423正己烷0.0005999700.0802824980.000000003苯0.0004999750.0669019800.000000003甲苯0.0000999950.0133804850.000000000對二甲苯0.0000499980.0066902430000000000正庚烷0.0004999750.0669024270.000000000正辛烷0.0000999950.0133804860.000000000如在圖3中所示，第二比較例的所述液化系統(tǒng)201是第一比較例的液化系統(tǒng)101的改進，并設置有第一膨脹機3和第一壓縮機4。然而，與在第一實施例的液化系統(tǒng)1中使用的第一膨脹機3相反，所述膨脹機3被位于所述冷卻單元的下游側(在這種情況下所述冷卻單元由三個冷卻器110，11和12構成)。在所述液化系統(tǒng)201中，從所述冷卻器12排出的所述原料氣體被轉遞到分離器213，以被分離成氣體組分和液體組分。在所述分離器213中形成所述氣相組分的所述原料氣體被轉遞到所述膨脹機3，將在其內膨脹，然后經由管路l204被轉遞到所述蒸餾單元15。在所述分離器213中形成液體組分的所述原料氣體的部分被輸出到設有膨脹閥214的管路l205。已在所述膨脹閥214被膨脹的液體然后經由管路l204與來自所述膨脹機3的所述原料氣體一起被轉遞到所述蒸餾單元15。就所述蒸餾單元15的下游的部分而言，所述液化系統(tǒng)201類似于第一實施例中的所述液化系統(tǒng)201，已被所述壓縮機4輸出到管路l10的所述原料氣體具有大約-54.7攝氏度的溫度和大約kpaa的壓力。表3no.(i)(ii)(iii)(iv)(v)(vi)(vii)(viii)(ix)氣相分數(shù)1.001.001.000.000.940.001.001.000.00溫度[℃]20.08-45.36-44.83208.13-64.56-64.56-64.56-54.74-161.59壓力[kpa]5830.004705.004700.004705.004400.004400.004400.005120.00120.00摩爾流速[kgmole/h]420004178344200302442002500417004170041700質量流速[kg/h]7196197090097643421910776434263861700471700471694674摩爾分數(shù)氮氣0.0081995900.0000518710.008259333甲烷0.9499525020.0533984070.956509212乙烷0.0249987500.0320759320.024927984丙烷0.0099995000.1337507850.009066826丁烷0.0019999000.1538430840.000893180正丁烷0.0019999000.2308052330.000340430異戊烷0.0004999750.0692197940.000002448正戊烷0.0004999750.0694803240.000000589正己烷0.0005999700.0834726420.000000000苯0.0004999750.0695603980.000000000甲苯0.0000999950.0139122040.000000000對二甲苯0.0000499980.0069561020.000000000正庚烷0.0004999750.0695610200.000000000正辛烷0.0000999950.0139122050.000000000通過比較本發(fā)明與第一和第二比較例可以理解的是，根據(jù)本發(fā)明的液化系統(tǒng)1能夠使得通過膨脹更高溫度和更高壓力的原料氣體產生更大的動力，因為相比于具有位于所述冷卻單元110,112的下游側的所述膨脹機3的第二比較例的所述液化系統(tǒng)201，所述第一膨脹機3位于第一冷卻單元11，12的上游側。因此，可以以增加的動力驅動所述第一壓縮機4(或可以增加所述第一壓縮機4的所述出口壓力)，從而能夠增加引入所述液化單元21的原料氣體的壓力，并有利地增加在液化單元21中的液化過程的效率。所說明的實施例的所述液化系統(tǒng)1提供一個額外的優(yōu)勢在于減少所述冷卻單元所需的冷卻容量(從而省略第二個比較例中的冷卻器110)，因為由于所述第一膨脹機3位于所述第一冷卻單元11，12的上游側，所述原料氣體的溫度通過所述第一膨脹機3中所述原料氣體的膨脹被降低。在所說明的實施例中的所述液化系統(tǒng)1中，可以省略放置于所述冷卻單元和所述膨脹機3之間的用于去除所述原料氣體的冷凝物的氣液分離容器(分離器213)。(第一實施例的第一、第二和第三變形例)圖4，5和6為示出作為第一實施例的第一、第二和第三變形例分別給出的所述天然氣液化系統(tǒng)中的液化處理流程的示意圖。在圖4，5和6中所示的液化系統(tǒng)中，對于對應于第一實施例(以及其它變形例)的液化系統(tǒng)1的那些部件的部件標以相同數(shù)字，除了下面將討論的內容外，這些部件將在以下討論中省略其說明。如圖4中所示，所述第一變形例的所述液化系統(tǒng)1中，所述熱交換器69被設置在管路l4和管路l9之間。因此，在被引入第一壓縮機4之前，在所述第一氣液分離容器23中分離為所述氣相組分并流過所述管路l9的所述原料氣體通過與經由管路l4從所述冷卻單元12流至所述蒸餾單元15的所述原料氣體進行熱交換來加熱。由所述第一壓縮機4壓縮的所述原料氣體經所述管路l10引入所述液化單元21。所述管路l10的下游端被連接到位于暖區(qū)z1的管道系統(tǒng)30，所述暖區(qū)z1呈現(xiàn)所述液化單元21的最高溫度。所述管道系統(tǒng)30與管道系統(tǒng)22，管道系統(tǒng)42以及管道系統(tǒng)51一起形成位于暖區(qū)z1的管束，其中所述蒸餾單元15的頂部餾分被引入所述管道系統(tǒng)22，混合制冷劑流過所述管道系統(tǒng)42和管道系統(tǒng)51。由于這種設置，在所述第一實施例的第一變形例中，即使當經由管路l10被引入所述液化單元21的所述原料氣體的溫度水平應低于適當?shù)姆秶鲈蠚怏w的溫度能夠通過在所述熱交換器69中進行熱交換而被升高至適當?shù)乃?。換句話說，在所述第一實施例的第一變形例中，在壓縮后管路l10中的所述原料氣體的溫度能夠接近所述液化單元21中的引入點(管道系統(tǒng)30)處的溫度(優(yōu)選地偏差低于10攝氏度)，從而能夠減小所述液化單元21的熱負荷(或最小化熱應力的產生)。只要所述管路l10中的所述原料氣體的溫度在壓縮后能夠與所述液化單元21的引入點處的溫度接近，在第一變形例中的熱交換器69的設置能夠自由改變。例如，在圖5中所示的第二變形例的所述液化系統(tǒng)1中，所述熱交換器69設置在管路l4和管路l10之間。由所述第一壓縮機4壓縮并流過所述管路l10的所述原料氣體，在被引入所述液化單元21之前，通過與流過管路l4的所述原料氣體進行熱交換而冷卻。在第二變形例中，因為由所述熱交換器69加熱的所述原料氣體沒有受到如第一壓縮機4的裝置的介入，而被引入所述液化單元21，所述被引入所述液化單元1的所述原料氣體的溫度可以容易地控制。如圖6中所示，所述第三變形例的所述液化系統(tǒng)中，所述熱交換器69被設置在管路l4和管路l6之間。因此，從所述蒸餾單元15分離為頂部餾分并流過所述管路l6的所述原料氣體，在被引入所述液化單元21(所述管道系統(tǒng)22)之前，通過與流過管路l4的所述原料氣體進行熱交換而加熱。特別地，在所述第三變形例中，即使當所述原料氣體由含有如表1所示的相對較低水平的較重組分(高碳烴類)的天然氣(貧氣)構成，在所述蒸餾步驟之后流過所述管路l6的所述原料氣體的溫度可能低于適當?shù)姆秶鷷r，能夠通過在熱交換器69中進行熱交換使得所述原料氣體的溫度升高到適當?shù)乃健?第一實施例的第四變形例)圖7為示出作為第一實施例的第四變形例給出的天然氣液化系統(tǒng)中的液化處理流程的示意圖。在圖7中所示的液化系統(tǒng)中，對于對應于第一實施例(包括其變形例)的液化系統(tǒng)1的那些部件的部件標以相同數(shù)字，除了下面將討論的內容外，這些部件將在以下討論中省略其說明。第四變形例類似于第三變形例，但進一步包括設置于所述管路l9和所述管路l10之間的熱交換器79。在管路l10中進一步設置有使用低壓(lp)丙烷制冷劑(c3r)的冷卻器80。因此，從所述第一壓縮機4排出的所述原料氣體，在被引入所述液化單元21之前，通過與流過管路l9的所述原料氣體進行熱交換而冷卻。所述管路l10的下游端被連接到位于中間區(qū)z2的管道系統(tǒng)31。在第四變形例中，從所述第一壓縮機4排出的所述原料氣體能夠被引入中間區(qū)z2中。因此，暖區(qū)z1中的管束能夠由三個所述管道系統(tǒng)22、42和51形成，而在中間區(qū)z2的管束能夠由三個所述管道系統(tǒng)31、43和52形成。因此，在第四變形例中，當所述液化單元21通過使用線軸纏繞式熱交換器形成時，相比所述第三變形例的設置，在暖區(qū)z1和中間區(qū)z2的所述管道系統(tǒng)的設置可以被優(yōu)化(通過在不同區(qū)之間均勻分布所述管道系統(tǒng))，從而防止所述液化單元21的尺寸變得過大。類似于在所說明的實施例中的第一和第二冷卻器11和12，第五冷卻器80使用丙烷制冷劑，也可以使用其他形式的氣冷器或水冷器。(第一實施例的第五變形例)圖10為示出作為本發(fā)明的第一實施例的第五變形例給出的天然氣液化系統(tǒng)中的液化處理流程的示意圖。在圖10中所示的液化系統(tǒng)中，對于對應于第一實施例(包括其變形例)的液化系統(tǒng)1的那些部件的部件標以相同數(shù)字，除了下面將討論的內容外，這些部件將在以下討論中省略其說明。第五變形例類似于上面所討論的第四變形例，但省略了在所述第四變形例的所述第五冷卻器80，并且在由所述蒸餾單元15開始的所述管路l6和由所述第一壓縮機4開始的所述管路l10之間添加所述熱交換器100。其結果是，代替由第五冷卻器80冷卻，從所述第一壓縮機4排到管路l10的所述原料氣體通過從所述蒸餾裝置15排到所述管路l6的原料氣體(頂部餾分)冷卻，且與第四變形例類似地被引入熱交換器79。同時，從所述蒸餾單元15排出的所述原料氣體在所述熱交換之后通過管路l6被引入所述液化單元21，并且隨后通過所述管道系統(tǒng)22冷卻。由于這樣的設置，在第五變形例中，所述原料氣體由所述第五冷卻器80的冷卻如同在第四實施例中，可以通過在所述熱交換器100的熱交換增加或取代。在第八實施例中，省略在第五實施例中所使用的熱交換器69，但也可以設置熱交換器69，以使得從所述蒸餾單元15排到管路l6的所述原料氣體經由熱交換器69被引入到熱交換器100。(第二實施例)圖8為示出作為本發(fā)明的第二實施例給出的所述天然氣液化系統(tǒng)中的液化處理流程的示意圖。在圖8中所示的液化系統(tǒng)中，對于對應于第一實施例的液化系統(tǒng)1的那些部件的部件標以相同數(shù)字，除了下面將討論的內容外，這些部件將在以下討論中省略其說明。在所述第二實施例的液化系統(tǒng)1中，含有88mol％甲烷的富氣用作所述原料氣體。在此液化系統(tǒng)中，在所述蒸餾單元15被分離成頂部餾分的所述原料氣體經由管路l19直接引入到所述第一壓縮機4從而被壓縮。所述原料氣體隨后在暖區(qū)z1中的管道系統(tǒng)22中預冷卻，并經由管路l21轉遞給第一氣液分離容器23。所述第一氣液分離容器23分離所述原料氣體的液相組分(冷凝物)，并且構成所述液相組分的液態(tài)烴類通過設置于管路l22的膨脹閥89再循環(huán)到所述蒸餾單元15。同時，主要由甲烷構成并在第一氣液分離容器23中形成液相組分的所述原料氣體經由管路l23被轉遞到所述液化單元21中的所述管道系統(tǒng)31。在所述第二實施例的液化系統(tǒng)1中，因為第一氣液分離容器23設置在第一壓縮機4的下游側，以及從所述第一壓縮機4排出的原料氣體經由位于暖區(qū)z1中的管道系統(tǒng)22被引入第一氣液分離容器23中，能夠使得所述原料氣體的溫度接近所述液化單元21的所述暖區(qū)z1的溫度水平。此外，由于所述原料氣體在所述液化單元21的暖區(qū)z1(管道系統(tǒng)22)中冷卻，并且從第一氣液分離容器23排出的所述氣相組分被引入中間區(qū)z2(管道系統(tǒng)31)，能夠容易地使得所述原料氣體的溫度接近所述液化單元21的中間區(qū)z2的溫度水平。另外，因為從所述第一氣液分離容器23排出的所述原料氣體可通過第一壓縮機4被壓力輸送，能夠省略在一些包括第一實施例的實施例中設置于所述再循環(huán)管路(管路l21)的再循環(huán)泵24，所述再循環(huán)管路從第一氣液分離容器23延伸至所述蒸餾單元15。在所述液化單元21的所述原料氣體的液化中，提高所述壓縮機4的出口壓力(或增加被引入所述液化單元21的所述原料氣體的壓力)是有利的。然而，正如在第一實施例的情況下，當在所述第一氣液分離容器23中被分離的所述蒸餾單元15的頂部餾分在所述液化單元21中被冷卻，以及所述分離的氣相組分在被引入到所述液化單元21之前由所述第一壓縮機4壓縮時，因為所述原料氣體的溫度通過在所述液化單元21之前的所述第一壓縮機4增大，所述溫度取決于所述原料氣體的組分、壓力以及進料速度，所述原料氣體的溫度水平可能偏離用于引入所述液化單元21的合適的范圍，從而使所述液化單元21上的熱負荷可能變得過量。這樣的問題可以通過改變將所述原料氣體引入液化單元21的點來解決，但是，當主熱交換器由一種不允許引入點被輕易改變的諸如線軸纏繞式熱交換器構成時，情況就不一定如此了。因此，如果在蒸餾單元15中分離為頂部餾分的原料氣體經由管路l19直接轉發(fā)到第一壓縮機4被壓縮，由第一壓縮機4壓縮的原料氣體在液化單元21中的暖區(qū)z1冷卻，經冷卻的原料氣體在第一氣液分離器23分離，將原料氣體中的被分離的氣相組分被引入液化單元21的中間區(qū)域z2(暖區(qū)z1的下游)中，于本實施例的情況下，材料氣體的溫度可在適當?shù)姆秶鷥缺３?或原料氣體的溫度可以接近于在液化單元21的引入點的溫度水平)。(第二實施例的第一變形例)圖9為示出作為本發(fā)明第二實施例的第一變形例給出的所述天然氣液化系統(tǒng)中的液化處理流程的示意圖。在圖9中所示的液化系統(tǒng)中，對于對應于第二實施例的液化系統(tǒng)1的那些部件的部件標以相同數(shù)字，除了下面將討論的內容外，這些部件將在以下討論中省略其說明。如圖9所示，第一變形例的液化系統(tǒng)1包括位于所述管路l4和管路l20之間的熱交換器69，從而使得從第一壓縮機4排出并通過管路l20引導的原料氣體通過與流經管路l4的原料氣體進行熱交換而被加熱，然后被引入到位于液化單元21的暖區(qū)z1的管道系統(tǒng)。在所述第二實施例的第一變形例中，在所述熱交換器69中加熱的所述原料氣體沒有受到第一壓縮機4的介入，而被直接引入所述液化單元21，因此所述被引入所述液化單元21的所述原料氣體的溫度可以容易地控制。只要壓縮后所述管路l20中的所述原料氣體的溫度能夠與所述液化單元21的引入點處的溫度接近，在第二實施例中的第一變形例中的熱交換器69的定位在不偏離本發(fā)明的精神下，能夠發(fā)生各種改變。本發(fā)明已由具體實施方式描述，但這些實施例只是例子，并不以任何形式限制本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明的用于天然氣液化的所述液化系統(tǒng)和液化方法的各種組件并不一定完全不可或缺，但可以不脫離本發(fā)明的精神下被適當?shù)厝〈褪÷浴．斍暗?頁12