专利名称：深冷液化制冷方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种深冷(cryogenic )液化/制冷方法和系统，该方法和系统 借助于用于产生冷却介质的化学制冷机和蒸气压缩式制冷机对由压缩机排 出的气体被导入冷箱(cold box)内的热交换器之前进行预冷，通过以往未 被利用的有效利用压缩机中产生的废热和从压缩机排出的气体的显热能有 效减小压缩机的驱动功率并使如氦液化/制冷系统和天然气再液化系统之类 的深冷液化/制冷系统运行的总功率消耗最小。
背景技术：
在现有的深冷液化/制冷设备中，压缩机处于室温环境中，需液化的气体 必须在冷却部分中被冷却到其液化温度、即沸点温度(例如，氦的沸点温度 大约是-269。C )，因此，温差相当大，且与常规的制冷机相比设备的制冷效 率相当低。据此，需从系统外侧导入冷却介质(辅助冷却介质)来提高制冷 效率。在氦液化/制冷系统中，普遍使用液氮作为辅助冷却介质。
作为一种公知的氦液化循环，专利文献1 (日本专利申请公开号
60—44775 )中披露了 一种使用氦作为制冷剂的闭合循环和能够实现这种循环 的系统。
图5为专利文献1中所公开的系统的示意图。在该图中，附图标记01 表示保持在真空下的绝热冷箱，附图标记02至06表示安置在冷箱01中的 第 一至第五级热交换器，附图标记07和08分别表示第 一和第二膨胀透平， 09表示焦耳-汤姆逊(J/T)膨胀阀，010表示用于从液体/气体氦的混合物中 分离液氦的气-液分离器。附图标记012表示压缩机，013表示高压管线，014 表示低压管线，015表示透平管线，016表示内部流过液氮用于冷却被压缩 的氦气的预冷管线。
在现有的氦液化/制冷设备中，从压缩机012排出的高压高温氦气流入第 一级热交换器的高压管线013,在那里氦气与预冷管线016中流动的液氮和 低压管线014内流动的氦气进行热交换而被冷却，然后所述氦气流经第二级
热交换器03的高压管线013被进一步冷却。从第二热交换器03流出的部分 高压氦气流入第一膨胀透平07，其余部分则流经第三级热交换器04的高压 管线013又被进一步冷却，然后再流经第四级热交换器05和第五级热交换 器06再被进一步冷却并流入J/T膨胀阀09。
进入第一膨胀透平07并在其中绝热膨胀的氦气成为中等压力和低温的 氦气，然后其使流入第三级热交换器04的低压管线014内的氦气冷却后进 入第二膨胀透平08，并在第二膨胀透平08中进一步膨胀而成为压力和温度 都低的氦气，之后该部分氦气流入第四级热交换器05的低压管线014，从而 使低压管线014内的氦气保持低的氦气温度。高压低温氦气到达J/T膨胀阀 09并在那里经历焦耳-汤姆逊膨胀而被部分液化，液体氦011被储存在气-液 分离器010内，而其余的低压低温氦气通过经过热交换器06~02的低压管线 014返回到压缩4几012。
专利文献2 (日本专利申请公开号10-238889 )公开了一种氦液化/制冷 系统，其中在上面提到的氦液化/制冷系统中附加有能有效控制一组驱动多级 压缩机的电机的独立的变速燃气透平发电系统，因此能利用系统的冷源并能 回收系统的废热。该系统由包括变频器的燃气透平电能产生部分、燃料供给 部分、以及化学制冷系统构成，化学制冷系统被构成为向利用燃气透平电能 产生部分的废气作为热源的系统的热交换器供给冷量(cold energy ),燃料供 给部分包括用于使由液化天然气罐供给的液化天然气的一部分气化的加热 装置和用于提供与液化天然气的蒸发潜热相应的冷量的蒸发部分。
采用这种结构旨在提高系统的热效率，这种热效率的提高是通过产生最 佳频率和适应多级压缩机组的组合的相似波形的电能使得每台用于驱动压
缩机的感应电才几被驱动的转动速度满足来自负载侧的要求从而达到压缩才几 的最佳效率，和通过设置使用如液化天然气之类的天然气的燃气透平电能产 生部分、燃料供给部分、以及化学制冷机而将产生与液化天然气的蒸发潜热 相应的冷量的蒸发部分和通过利用燃气透平电能产生部分的废热来产生冷 量的化学制冷机相结合来实现的。
专利文献l:日本专利申请公开号60-44775.
专利文献2:日本专利申请公开号10-238889.
发明内容
要解决的技术问题
对于深冷液化/制冷系统而言，几乎全部功率输入是用于压缩需液化的气 体。为了降低用于压缩需液化的气体的压缩机的功率输入，有效的是降低被 吸入压缩机内的需液化的气体的温度从而降低气体的比容。但是，需要的是 最终应将吸入的气体的温度冷却到低于室温的温度，且需要如制冷机之类的 能量设备。
另一方面，在现有的液化/制冷系统中，从压缩机排出的高压高温气体通 常在所述气体被导入设置在冷箱内的热交换器之前被水冷式后冷却器冷却 到接近室温(正常温度)的温度，以防止系统的制冷效率降低。
由压缩机排出并流经高压管线的高压气体和流经低压管线的待吸入压 缩机的低压气体在每级热交换器中彼此进行热交换。热交换器每级的出口处 的气体温度和每个热交换器的出口处的气体温度几乎相同，可是两个温度之 间仍存在小的差异。于是，被吸入压缩机内的气体的温度在被导入冷箱内的 热交换器的第一级内的高压气体的温度没有降低的情况下不会降低。
因此，在不降低气体温度的情况下输入压缩机的功率不会减小，且在压 缩机中产生废热，也就是说，压缩机内的摩擦损失热和高温高压气体的显热 没有被利用而浪费掉了。
在图5所示的现有的氦液化/制冷系统中，从压缩机012排出的高压常温 氦气通过高压管线013被导入第一级热交换器02并通过与被引入预冷管线 016的液氮进行热交换而被冷却，由于设有用于供给液氮的预冷管线，运行 费用将增加，此外，存在的问题是，由于所述气体流过多级热交换器时对接 近常温的氦气进行冷却，热交换器需要的级数很多，而且压缩机012中产生 的废热未被回收，系统的制冷效率没有提高。
在系统使用液氮作为辅助制冷介质的情况下，大型液化氮的工厂生产的 液氮需要通过如槽车(tanker lorry)之类的运输工具来供给。因此，在稳定 供给和运行费用方面存在问题，另外，即使可以降低氦液化/制冷系统运行所 需的功率输入，生产液氮所需的功率输入往往大于系统中功率输入的减少 量，因此，系统运行的总功率消耗增加。
在专利文献2所披露的氦液化/制冷系统中，通过供给由利用燃气透平电
器供给与液化天然气的蒸发潜热相应的冷量来提高系统的热效率。借助于这
些措施用液化天然气的蒸发潜热取代液氮，但是与图5所示的通过引入预冷
管线016内的液氮来完成预冷的现有系统相比，其没有本质区别。因此，不 能降低从压缩机排出的气体的温度，而且仍存在与图5所示的现有系统相同 的问题，即，不能降低压缩机的功率输入。
鉴于上面所提到的问题，本发明的目的是在不降低液化/制冷系统的制冷 效率的前提下，通过降低气体的温度降低被吸入压缩机内的需液化的气体的 比容来降低作为消耗运行系统的功率输入的最大部分的驱动压缩机所需的
功率输入，并通过减少用于冷却需液化的气体的热交换器的数量来使系统缩 小，以及通过有效利用压缩机中产生的废热或输入压缩机的功率而使系统的 功率消耗最小并提高系统的制冷效率。 解决问题的方案
为了达到所述目的，本发明提出的深冷液化/制冷方法包括以下步骤预 冷从压缩机排出的高温高压的需液化的气体；将所述气体输入多级热交换器 使之顺序被冷却；通过使气体绝热膨胀液化部分气体；以及利用未液化的低 温低压气体作为热交换器内的冷却介质，然后使所述气体返回压缩机，其中， 借助于利用压缩机中所产生的废热作为热源的化学制冷机进一步冷却由压 缩机压缩并被预冷的气体；并将被冷却的需液化气体导入热交换器的多级 内。
在本发明的方法中，高压需液化的气体在多级热交换器内被冷却的同 时，通过进一 步冷却从压缩机排出并被预冷的高压需液化的气体以及通过利 用废热即压缩机中产生的摩擦热作为热源的化学制冷机将降低了温度的高
优选借助于蒸气压缩式制冷机使由化学制冷机冷却的高压需液化的气 体进一步冷却，然后将所述气体导入热交换器的多级内。
本发明提出的深冷液化/制冷系统包括用于将需液化气体压缩到高温高 压的压缩机；用于预冷从压缩机排出的气体的后冷却器；用于顺序冷却被预 冷的气体的多级热交换器；用于膨胀在多级热交换器内被冷却的气体使其成 为液体和气体的混合物的膨胀阀；用于从混合物中分离出液体并储存液体的 气/液分离器；以及用于使从气/液分离器中的液体中分离出来的气体在其用 作多级热交换器的冷却介质之后返回压缩机的返回通道，其中，该系统还包 括利用压缩机中产生的废热作为热源进一 步预冷由后冷却器预冷的气体的 化学制冷机。
在本发明中，设有利用压缩机中产生的废热、即摩擦损失热的化学制冷 机，因此从压缩机排出的并被后冷却器预冷的高压需液化的气体在所述高压 气体被导入安置在冷箱内的多级热交换器之前被进一步冷却。然后所述高压 气体通过与从气/液分离器返回到压缩机的低温低压气体进行热交换而被冷 却。
通过将部分高压气体导入膨胀透平使其在该膨胀透平内膨胀并将膨胀 后的降低了压力和温度的气体加入从气/液分离器返回到压缩机的低温低压 气体中可将所述低温低压气体的温度控制到理想的温度。
进入多级热交换器的各级的高压气体的温度与从该多级热交换器的各 级排出的低温低压气体的温度大致相同，但它们之间仍有一些温差。因此， 在压缩机进口处的低压气体的溫度可通过降低进入多级热交换器的第 一 级 的高压气体的温度而降低。通过有效利用压缩机中产生的废热、即摩擦损失 热作为化学制冷机的热源本系统可减小输入压缩机的功率。
结果，根据本发明，可提高系统的总制冷效率(被液化的气体量或每单
位功率消耗的制冷能力)。从压缩机排出的废热的温度是60 80。C。如吸附式 制冷机和吸收式制冷机之类的化学制冷机具有能够回收废热的特点。借助于 回收压缩机中产生的废热或利用 从压缩机排出的气体的显热或利用这两者 的60 8(TC的热水通过化学制冷机可获得5 10'C的冷水。
在本发明中，优选设置蒸气压缩式制冷机，以便在气体进入多级热交换 器之前进一 步冷却由所述化学制冷机预冷的气体。
此外，优选将一部分被化学制冷机冷却的低温冷却介质进一步供到蒸气 压缩式制冷机的冷凝器作为该冷凝器的冷却介质，因此可通过降低冷凝过程 中的温度而使冷凝过程中蒸气压缩式制冷机内的压力降低，并使蒸气压缩式 制冷机的制冷效率提高。
再者，优选设置用于储存从气/液分离器导入的已液化的气体的贮液罐 (cargo tank)、用于压缩贮液罐内被蒸发的逸气(boiled-off gas )的压缩机、 用于将所述逸气导入压缩机并将被压缩的逸气作为冷却介质导入多级热交 换器的第 一级的预冷管线，借此可利用贮液罐内被蒸发的逸气来冷却多级热 交换器的第一级内的高压需液化气体，并可提高整个系统的制冷效率。
在由氦液化/制冷系统所代表的深冷液化/制冷系统中，广泛使用注油螺
杆压缩机。但是，在这类压缩机中，润滑油和压力密封剂被注入压缩机的压 缩空间内，致使其不能在极低温下运行。另外，当制冷温度低于-40。C时， 用来产生辅助冷源的热泵的效能系数(制冷能力/功率输入)将降到1以下，
且温度越低，效率越低。因此，当吸入气体的温度低到约-35。C时，可获得 整个系统的功率输入减小的效果。
因此，通过回收压缩机中产生的废热和从压缩机排出的高压气体的显热 并利用这些热量通过化学制冷机产生5 10。C的冷水可进行具有高节能效果 的制冷。虽然蒸气压缩式制冷机能产生具有宽温度范围的冷水，当形成5~10 。C的冷水时，其效率低于化学制冷机。因此，在将需液化的气体导入冷箱内 的热交换器之前使其冷却到约-35 。C的温度是有效的。
下面将参考图l对照现有系统的基本结构对本发明系统的基本结构进行 阐述。图la、 lb和lc示出了液化氦气时的深冷液化/制冷系统的基本结构。 图la表示现有的系统，图lb示出的本发明的系统设有用于使从压缩机排出 的高压气体在进入冷箱前进一步预冷时作为化学制冷机的吸附式制冷机，图 1 c示出的本发明的系统并列地设有用于使从压缩机排出的高压气体在进入 冷箱前进一步预冷时的吸附式制冷机和作为蒸气压缩式制冷机的氨制冷机。
在图la、 b和c中，附图标记021 (21)表示用于使其内侧空间保持低 温的冷箱。在图la的情况下，在冷箱内竖直地安置有由第一级022至第六 级027组成的多级热交换器(在图lb的情况下是第一级22至第五级26，在 图lc的情况下是第一级22至第四级25)。附图标记028、 029 (28、 29)分 别表示第一和第二膨胀透平，030 ( 30 )表示焦耳-汤姆逊膨胀阀，031(31) 表示用于从液体/气体氦混合物中分离出液氦的气/液分离器。附图标记033 (33)表示压缩机，034 (34)表示高压气体管线，035 ( 35 )表示低压气体 管线，036 (36)表示透平管线，037 (37)表示水冷式后冷却器，其用于对 从压缩机排出的、被导入冷箱内的热交换器前的高压气体进行冷却。
图lb和图lc所示系统的运行状况基本上与图la所示系统的运行状况 相同。从压缩机033 ( 33 )排出的高压高温氦气经过高压管线034 ( 34)进 入冷箱021 (21)内的热交换器的第一级022 (22)，在该处高压高温气体通 过与流过热交换器的第一级内的低压管线035 (35 )的低压低温气体进行热 交换而被冷却。高压气体流经顺序通过热交换器的第二、第三......以及最后
一级时被冷却，然后进入焦耳-汤姆逊膨胀阀030 ( 30 )。进入膨胀透平028、
28 (029、 29)的氦气在其中绝热膨胀而降低压力和温度并与低压管线035 (35)内流动的低压气体结合。借此，可将流经低压管线的低压气体的温度 控制在理想的温度。
进入焦耳-汤姆逊膨胀阀030 (30)的高压、低温气体经历焦耳-汤姆逊 膨胀，温度被降低到4K(-296。C)，此温度是沸点温度，即，氦的液化温度， 部分氦被液化。经液化的氦032 (32)在气/液分离器031 (31)中被分离并 被储存于其内，而其余的低压低温氦气部分流经低压管线035 ( 35 )经过热 交换器的级027至022 ( 26至22、 25至22 )返回压缩机033 ( 33 )。
在本发明的图lb和图lc所示的系统中，设有利用压缩机33中产生的 废热作为热源的吸附式制冷机38,经后冷却器37冷却的高压气体被设置在 高压管线34上的处于后冷却器37下游侧的热交换器39利用由吸附式制冷 机产生并供给到热交换器39的冷却介质进一步冷却。
在图lc所示的系统中，还设有氨制冷机40,由氨制冷机40产生的冷却 介质被供到设置在高压管线34上处于热交换器39的下游侧的热交换器，以 便在高压气体进入冷箱21内的热交换器的第一级22之前进一步被冷却。附 图中标出了每一过程的温度。
在本发明的图lb所示的系统中，进入第一级热交换器22的高压气体被 降低到1(TC,由于进入第一级热交换器22的高压气体的温度被降低，进入 压缩机的低压气体的温度被降低到-3。C。在本发明的图lc所示的系统中，进 入第一级热交换器22的高压气体被降低到-26。C,而进入压缩机的低压气体 的温度被降低到-39。C。
与图la所示的情况的100%的功率输入相比，图lb所示的压缩机的功 率输入被降低到92%,图lc所示情况的压缩机的功率输入被降低到85%。 此外，因为利用压缩机中产生的废热的吸附式制冷机38和氨制冷机40在高 压气体被导入冷箱21内的第一级热交换器22之前冷却所述气体，可减少液 化氦气所需的热交换器的级数，并可提高整个系统的制冷效率。
本发明的效果
根据本发明的方法，从压缩机排出的和被预冷的需液化的气体被利用压 缩机中产生的废热的化学制冷机进一步冷却，因此将所述气体导入冷箱内的 多级热交换器之前其被进一步降低温度。因此，返回到压缩机的低温低压气 体的温度被降低，被吸入压缩机内的需液化的气体的比容也降低，进而可使
压缩机的功率输入降低。此外，由于可有效利用压缩机中产生的废热，与现 有的深冷液化/制冷系统相比，可显著提高整个系统的热效率。
在气体被导入多级热交换器之前，通过使用蒸气压缩式制冷机来进一步 冷却被化学制冷机冷却过的需液化的气体可进一步降低供给热交换器的需 液化的气体的温度，进而可进 一 步降低压缩机的功率输入。
根据本发明的系统，通过设置化学制冷机使导向冷箱内的多级热交换器 的第 一 级内的需液化的气体的温度降低，从而使后冷却器的下游区中的和被 导入热交换器的第一级之前的气体冷却。因此，返回到压缩机的低温低压气 体的温度降低，被压缩机吸入的需液化的气体的比容减小，因而可使压缩枳j 的功率输入减小。另外，由于可有效利用压缩机中产生的废热，与现有的深 冷液化/制冷系统相比，可显著提高整个系统的热效率。
此外，由于降低了供给冷箱内的多级热交换器的第 一级的需液化气体的 温度，可减少多级热交换器的级数，这可使系统的尺寸减小。
在气体被导入多级热交换器之前，通过设置蒸气制冷机来进一步冷却被 化学制冷机冷却过的需液化的气体，可进一 步降低供给热交换器的需液化的 气体的温度，进而可进一步降低压缩机的功率输入。
再者，为了降低蒸气压缩式制冷机内制冷剂的冷凝温度，可将化学制冷
冷凝器，使冷凝过程中的压力降低，从而可提高蒸气压缩式制冷机的制冷效 率。
图la、 lb和lc的示意图用于说明与现有系统的基本结构相比的本发明 系统的基本结构；
图2为本发明系统的第一实施例的示意图； 图3为本发明系统的第二实施例的示意图； 图4为本发明系统的第三实施例的示意图； 图5为现有的深冷液化/制冷系统的示意图。 附图标记i兌明
01、 021、 21、和65 冷箱
02、 022、 22、 66、和107 第一热交换器
03、 023、 23、 67、和108第二热交换器
04、 024、 24和68第三热交换器
05、 025、 25和69第四热交换器
06、 026、 26和70第五热交换器
027和71第六热交换器
07、 028、和28第一膨胀透平
08、 029、和29第二膨胀透平
09、 030、 30、和112焦耳-汤姆逊膨胀阀；
010、 031、 31、 82、和113气-液分离器
011、 032、和32液氦
012、 033、 33、 51、和101压缩才几
013、 034、 34、 52、和102高压气体管线
014、 035、 35、 83、和109低压气体管线
015、 036和36透平管线
016液氦冷却管线
37后冷却器
38和61吸附式制冷机
39、 41、和91热交换器
40氨制冷机
53油分离器
54和103一次后冷却器
55和104二次后冷却器
56热回收装置
57油冷却器
59热水管线
62低温水循环管线
81杂质吸附装置
92氨制冷机
92a冷凝器
93支线
105压力槽 114 Hi液罐
115 BOG压缩才几
116 惰性气体管线
117 阀
具体实施例方式
下面将参考附图详细描述本发明的一些优选实施例。然而，申请人的意 图是，除非明确规定，这些实施例中所列举出的组成部件的尺寸、材料、相 关位置等应解释为说明性的，而不是对本发明范围的限制。
第一实施例
图2是本发明的应用于氦液化/制冷系统的第 一实施例的示意图。在该图 中，附图标记51表示压缩机，从压缩机的出口延伸的高压管线52上顺序设 有油分离器53、 一次后冷却器54、 二次后冷却器55。 乂人压缩:机51排出的高 压气体中混有的压缩机润滑油在油分离器53中被分离，于是润滑油将热量 传给流经热回收装置56中的热水管线59的热水，然后润滑油在油冷却器57 中被冷却并借助于油泵58返回压缩机51 。
在油分离器53内除去了润滑油的高压气体在一次后冷却器54和二次后 冷却器55中被冷却。被润滑油加热的并在热水管线59中流动的热水^皮导入 吸附式制冷机61来作为驱动吸附式制冷机61的热源。吸附式制冷机61是 一种公知的常规制冷机，其产生的低温水通过低温循环管线62被送到二次 后冷却器，以用作冷却高压气体的冷源。
高压气体在二次后冷却器55内冷却后通过精油分离器(precision oil separator) 64被供到冷箱65。
在冷箱65内安置有第一级至第十级热交换器66~75。高压气体在这些 热交换器内与返回压缩机51的低压气体进行热交换。附图标记76 79表示 膨胀透平，它们用于使从经过热交换器66~75的高压管线52分支出来的部 分高压气体在其内绝热膨胀而呈低温和低压。从每台膨胀透平排出的每股气 体被送到低压管线85以使其返回到压缩机51，借此将流经低压管线的低压 气体保持在低温。膨胀透平76所起的作用与图5所示的现有系统中的通过 预冷管线016供给的液氮的作用相似。
附图标记80表示用于与在膨胀透平76~79中的绝热膨胀类似的、使部
分高压气体在其内绝热膨胀的膨胀透平，以使此部分气体呈低温和中等压
力。所述呈低温和中等压力的气体通过焦耳-汤姆逊(J/T)膨胀阀84膨胀， 在此气体变成液体和气体的混合物并被送入气-液分离器82。这有益于冷却 气/液分离器82。流经高压管线52的高压气体通过J/T膨胀阀83膨胀，在 那里所述气体变为液体和气体的混合物并被送入气-液分离器82。然后可将 气/液分离器82内分离出的液氦用作未在附图中示出的制冷负载。液体/气体 氦混合物中的气体通过低压管线85经过热交换器75 66被吸入返回到压缩 机51。附图标记81表示用来除去高压气体内的杂质的杂质吸附装置。由四 边形包围的数值表示各过程的温度。
根据此第一实施例，利用热回收装置56回收对压缩机51润滑后的润滑 油的废热，而通过利用润滑油的废热的吸附式制冷机61产生的低温水可冷 却从压缩机51排出的高压气体。
由于从压缩机51排出的高压气体可在一次后冷却器54内被冷却之后在 二次后冷却器55内被所述低温水再冷却，在高压气体进入冷箱65之前其温 度降低。
因此，由于返回到压缩机51的低压气体的温度可被降低到大约与进入 冷箱65的高压气体的温度相同，被压缩才几51吸入的气体的比容可被降低， 结果可降低压缩机51的功率输入，由于进入冷箱的高压气体的温度可降低， 可减少用于液化氦气的热交换器的数量，从而可达到缩小冷箱尺寸的目的。
另外，由于回收了压缩机51内容纳的润滑油的热量并将此部分热量用 作吸附式制冷机61的热源，整个系统的制冷效率可得到提高。
第二实施例
下面，将参考附图3对本发明系统的第二实施例进行说明。第二实施例 与图2所示的第一实施例的不同之处在于，在高压管线52上的精油分离器 64的下游侧添加有热交换器91,并另外添加有用于向热交换器91供给4氐温 制冷剂的作为蒸气压缩式制冷机的氨制冷机92,还添加有支线93,其他结 构与第一实施例相同。图3中由四边形包围的数值表示各过程的温度。
在此第二实施例中，在二次后冷却器55内预冷的并经过精油分离器64 的高压气体在热交换器91内由氨制冷机92供给的制冷剂进一步冷却。部分 低温水从吸附式制冷机61经过支线93供给到氨制冷机92的冷凝器92a。借 此，氨制冷机内的冷凝温度被降低且冷凝过程中的压力被降低，而使氨制冷
第二实施例的作用和效果与第一实施例相同，另外，进入冷箱65的高 压气体可被进一步降低温度，因此，可进一步减小压缩机的功率输入且可进 一步减少冷箱65内的热交换器的数量。
此外，由于氨制冷机92利用吸附式制冷机61的低温水的冷量，可大大
提高整个系统的制冷效率。
第一实施例与图lb所示的系统相应，而第二实施例与图lc所示的系统 相应。如附图中的数值所示，与图la所示的现有系统相比，图lb所示的系 统中压缩机的功率输入降低了大约8%，图lc所示的系统中压缩机的功率输 入降低了大约15%。
与图la所示的现有系统相比，在图lb所示的系统中，系统有效品质因 数(1/COP (效能系数)每单位体积驱动压缩机所需的功率输入)约提高了 8%，而在图lc所示的系统中约^提高了 11%。
第三实施例
下面，将参考图4对本发明应用到天然气再液化系统的情况下的第三实 施例进行描述。在该图中，附图标记101表示压缩机。在高压管线102上顺 序设有一次后冷却器103和二次后冷却器104。从压缩机101排出的高压气 体被这些后冷却器冷却。附图标记105表示如吸附式制冷机或吸收式制冷机 之类的化学制冷机，与第一和第二实施例中的吸附式制冷机的方式相同，该 制冷机利用压缩机101润滑期间所容纳的润滑油和保留在润滑油内的如摩擦 损失热之类的废热产生冷水。所述冷水通过循环管线106作为冷源被供到二 次后冷却器104。
附图标记107表示第一级热交换器，108表示第二级热交换器。流经高 压管线102的高压气体在热交换器107和108内通过与流过低压气体管线 109返回压缩机101的低压气体进行热交换而被冷却。附图标记110表示膨 胀透平，从高压管线102分支出来的部分高压气体在其中绝热膨胀从而降低 温度和压力，降低了温度和压力的气体被供到第二级热交换器108的上游部 分的低压气体管线109，以使通过低压管线返回压缩机101的气体保持低温。 附图标记lll表示压力槽，该槽中集中有包含在后面将要提到的用来储存液 化天然气(LNG)的贮液罐114内的被蒸发的气体中的少量不纯气体(主要 成份为空气和称为惰性气体的气体)，如果需要，可开启阀117使被集中的
惰性气体经过管线116释放到外侧。
流经高压气管线102的高压气体通过压力槽111并经过焦耳-汤姆逊膨月长
阀112而作为低温中压气体供到气/液分离器113。由于低温，供给气/液分离 器113的部分气体被液化，气体在气/液分离器11内变为液体和气体的混合 物。在气/液分离器113内的天然气经过低压管线109返回到压缩机101。在 气/液分离器113内的液态天然气被输送到贮液罐114内卡者存。在贮液罐114 内已蒸发的气体被BOG (逸气)压缩机115压缩，并被导入第一级热交换 器107上游侧的低压气体管线109,起冷却第一级热交换器107内的高压气 体的作用。贮液罐114内已蒸发的气体是曱烷，其包含少量不纯气体(主要 是空气)。如上所述，这些不纯气体被集中在压力槽111内。图4中标出了 附图中各流程部分的压力和温度。
根据第三实施例，由于从压缩机101排出的高压气体在一次后冷却器 103中被冷却、然后在二次后冷却器104内由化学制冷才几105产生的冷水进 一步冷却，可使进入第一级热交换器107的高压气体的温度降低。
因此，由于通过低压气管线109返回压缩机101的低压气体的温度可被 降低到与进入第一级热交换器107的高压气体的温度相同，可降低被吸入压 缩机101内的气体的比容，结果可降低压缩机IOI的功率输入，同时进入第 一级热交换器107的高压气体的温度可降低。据此，液化天然气所需的热交 换器的数量可减少，这有利于缩小系统的尺寸。
此外，由于化学制冷机105借助于利用在润滑压缩机101期间所容纳的 润滑油的如摩擦损失热之类的废热运行，可提高整个系统的制冷效率。
工业实用性
根据本发明，在用于如氦和天然气之类的具有极低的沸点温度的深冷液 化气体的制冷系统中，通过利用在传统技术中未被利用的、在压缩机中产生 的废热和从压缩机排出的气体的显热作为用于化学制冷机或蒸气压缩式制 冷机的热源来产生冷量，以预冷从压缩机排出的气体和降低压缩机进口的气 体的温度，可降低压缩机进口的气体温度，且可有效降低压缩机的功率输入。 以这种方式可实现系统运行所需的总功率最小的液化/制冷方法和系统。
权利要求
1.一种深冷液化/制冷的方法，包括以下步骤预冷从压缩机排出的高温高压的需液化的气体；将所述气体导入多级热交换器以顺序地对其进行冷却；通过使所述气体绝热膨胀而液化部分所述气体；利用未液化的低温低压气体作为所述热交换器内的冷却介质，然后使所述气体返回所述压缩机；其中，由所述压缩机压缩并被预冷的所述气体被利用所述压缩机内产生的废热作为热源的化学制冷机进一步冷却；及将所述被冷却的需液化的气体导入所述热交换器的所述多级中。
2. 如权利要求1所述的深冷液化/制冷的方法，其中，由所述化学制冷 机冷却的所述高压需液化的气体被蒸气压缩式制冷机进一 步冷却，然后将所 述气体导入所述热交换器的所述多级中。
3. —种深冷液化/制冷系统，包括用于将需液化的气体压缩到高温高压的压缩机； 用于预冷从所述压缩机排出的所述气体的后冷却器； 用于顺序冷却所述被预冷的气体的多级热交换器；体和气体混合物；用于储存所述液体和气体混合物的气/液分离器；返回通道，其用于使从所述气/液分离器中的所述液体中分离出来的所述 气体在被用作所述多级热交换器的冷却介质后返回所述压缩机；其中，还设有化学制冷机，其利用所述压缩机产生的废热作为热源以进 一步预冷被所述后冷却器预冷过的所述气体。
4. 如权利要求1所述的深冷液化/制冷系统，其中，还包括蒸气压缩式 制冷机，以便在所述气体进入所述多级热交换器之前进一步冷却由所述化学 制冷机预冷过的所述气体。
5. 如权利要求4所述的深冷液化/制冷系统，其中，将由所述化学制冷制冷机的冷凝器。
6.如权利要求3所述的深冷液化/制冷系统，其中，还包括 用于储存>^人所述气/液分离器导入的所述被液化的气体的贮液罐； 用于压缩在所述贮液罐内被蒸发的逸气的压缩机；及 预冷管线，其用于将所述逸气导入所述压缩机并将所述经压缩的逸气作 为冷却介质导入所述多级热交换器的第 一级。
全文摘要
深冷液化/制冷方法和装置，其中利用高效的化学制冷机或蒸气压缩式制冷机冷却压缩机出口的气体，借此将需液化的低温气体吸入压缩机，以减小压缩机的轴功率并提高液化制冷效率。一种深冷液化制冷装置，其通过后冷却器(37)冷却由压缩机(33)压缩后的高压需液化的气体，通过膨胀器(膨胀透平)(28、29)使部分需液化的气体绝热膨胀，利用由这种膨胀而获得的低压低温气体冷却流经多级热交换器(22-27)的一些级的其余需液化的气体，并使这些高压气体绝热膨胀以液化气体，其中设有利用压缩机(33)排出的废热作为能源的化学制冷机(吸附式制冷机)(38)和氨制冷机(40)，高压气体在后冷却器(37)的最后一级和所述的多级热交换器的第一级中被预冷。
文档编号F25B9/00GK101099068SQ20058004624
公开日2008年1月2日 申请日期2005年2月24日 优先权日2004年11月15日
发明者关屋宣三, 小浜正己, 岸孝幸, 猪野展海, 町田明登, 西尾敏生, 野口雅人 申请人:株式会社前川制作所