本申请要求于2015年12月14日提交的标题为“EXPANDER-BASED LNG PRODUCTION PROCESSES ENHANCED WITH LIQUID NITROGEN”的美国临时专利申请62/266,979的权益，其全部内容通过引用并入本文。
本申请与以下专利申请有关：标题为“Method and System for Separating Nitrogen from Liquefied Natural Gas Using Liquefied Nitrogen”的美国临时专利申请号62/266,976；标题为“Method of Natural Gas Liquefaction on LNG Carriers Storing Liquid Nitrogen”的美国临时专利申请No.62/266,983；以及标题为“Pre-Cooling of Natural Gas by High Pressure Compression and Expansion”的美国临时专利申请No.62/622,985，均具有共同的发明人和受让人并且与本申请在同一日期提交，其公开的内容通过引用整体并入本文。
背景
公开领域
本公开一般性地涉及天然气液化以形成液化天然气(LNG)的领域。更具体地，本公开涉及从海上和/或偏远天然气源生产和转移LNG。
相关技术的描述
该部分意在介绍可能与本公开相关的本领域的各个方面。该讨论意在提供有助于更好地理解本公开的特定方面的框架。因此，应当理解，该部分应该从这个角度来阅读，而不一定作为对现有技术的承认。
LNG是快速增长的将天然气从天然气供应充足的地点供应到对天然气具有强烈需求的远离地点的手段。常规LNG循环包括：a)初始处理天然气资源以去除污染物，例如水，硫化合物和二氧化碳；b)通过各种可能的方法(包括自制冷，外部制冷，贫油等)分离一些较重质的烃气体，如丙烷，丁烷，戊烷等；c)基本上通过外部制冷来制冷天然气以在处于或接近大气压力和约-160℃下形成液化天然气；d)在设计用于该目的的船舶或油船中将LNG产品运输到销售地点；和e)在再气化厂将LNG再加压和再气化以形成可分配给天然气消费者的加压的天然气料流。常规LNG循环的步骤(c)通常需要使用通常由大型燃气涡轮机驱动器提供动力的大型制冷压缩机，所述大型燃气涡轮机排放大量碳和其他排放物。作为液化厂的一部分，需要数十亿美元的大量资本投资和大规模的基础设施。常规LNG循环的步骤(e)通常包括使用低温泵将LNG再加压至所需的压力，然后通过经由中间流体但最终与海水交换热量或通过燃烧一部分天然气以加热并蒸发LNG而使LNG再气化以形成加压的天然气。通常，可用的低温LNG的有效能未被利用。
相对较新的LNG生产技术被称为浮动式LNG(FLNG)。FLNG技术涉及在浮动结构(例如驳船或船舶)上建造气体处理和液化设施。FLNG是在建造通往岸边的天然气管道在经济上不可行的情况下用于海上搁浅天然气货币化的技术解决方案。FLNG也越来越多地被考虑用于位于偏远、环境敏感和/或政治上具有挑战性的地区的陆上和近岸天然气田。与常规的陆上LNG相比，该技术具有一定的优势，因为它在生产现场具有较低的环境占地面积。由于大部分LNG设施是在造船厂以较低的人工费率和降低的执行风险建造的，因此该技术还可以更快地和以更低的成本交付项目。
尽管FLNG与常规陆上LNG相比具有若干优势，但在该技术的应用方面仍存在重大技术挑战。例如，FLNG结构必须在通常小于陆上LNG厂可用面积四分之一的面积内提供相同水平的气体处理和液化。因此，需要开发减少FLNG厂占地面积，同时保持液化设施的能力以降低整体项目成本的技术。减少占地面积的一个有前途的手段是改变FLNG厂中使用的液化技术。已知的液化技术包括单一混合制冷剂(SMR)工艺，双重混合制冷剂(DMR)工艺和基于膨胀器的(或膨胀)工艺。基于膨胀器的工艺具有几种优势，使其非常适用于FLNG项目。最显著的优势在于该技术在不需要外部烃制冷剂的情况下提供液化。去除液体烃制冷剂库存(如丙烷储存)显著降低了对FLNG项目特别严重的安全问题。与混合制冷剂工艺相比基于膨胀器的工艺的另外优势在于基于膨胀器的工艺对海上运动不太敏感，因为主要的制冷剂大部分保持处于气相。
虽然基于膨胀器的工艺具有其优点，但是已经证明将该技术应用于LNG产量超过200万吨/年(MTA)的FLNG项目比使用混合制冷剂工艺不那么具有吸引力。已知的基于膨胀器的工艺机组(train)的生产能力通常小于1.5MTA。相比之下，混合制冷剂工艺机组(例如丙烷预冷工艺或双重混合制冷剂工艺)可具有大于5MTA的机组生产能力。基于膨胀器的工艺机组的尺寸是有限的，因为其制冷剂在整个工艺中大部分保持处于蒸气状态，并且制冷剂通过其显热吸收能量。由于这些原因，在整个工艺中制冷剂体积流速是大的，并且热交换器和管道的尺寸成比例地大于混合制冷剂工艺中使用的那些。此外，压缩扩展器马力大小的限制导致随着基于膨胀器的工艺机组的生产能力增加的并联旋转机械。如果允许多个基于膨胀器的机组，则可以使得使用基于膨胀器的工艺的FLNG项目的生产率可以大于2MTA。例如，对于6MTA的FLNG项目，六个或更多个并联的基于膨胀器的工艺机组可以足以实现所需的产量。然而，使用多个膨胀器机组时，设备数量、复杂性和成本都会增加。此外，如果基于膨胀器的工艺需要多个机组，而混合制冷剂工艺可以用一个或两个机组获得所需的生产率，则与混合制冷剂工艺相比基于膨胀器的工艺的假定的工艺简单性开始被质疑。由于这些原因，需要开发这样的FLNG液化工艺，其具有基于膨胀器的工艺的优点，同时实现高LNG生产能力。还需要开发FLNG技术解决方案，其更能够应对船舶运动对气体处理所带来的挑战。
授予Williams等人的美国专利NO.3,400,547公开了在LNG生产设施内的工艺，其中在不同位置产生的液氮(LIN)被用作制冷剂以液化天然气。该工艺使用丙烷冷却器来冷却天然气，然后通过与蒸发的LIN间接热交换来冷凝天然气。授予Thompson的GB专利NO.1,596,330公开了在LNG生产设施内的工艺，其中在不同位置产生的LIN被用作制冷剂以液化天然气。该工艺使用丙烷和乙烯冷却器连同LIN将天然气液化成LNG。这两个专利公开的工艺具有使用机械制冷系统同时仍需要大量的LIN来生产LNG的缺点。这两种方法估计，对于所生产的每吨LNG，需要大约一吨或更多吨的LIN。在FLNG应用中，在浮动结构的顶部或船壳中用于储存LIN的空间可能是有限的。在FLNG上使用LIN的LNG生产技术是有利的，因为它将显著减少液化工艺所需的顶部空间。此外，对于所生产的每吨LNG使用小于1吨LIN，或更优选小于0.75吨LIN，或更优选小于0.5吨LIN的LNG生产技术将是有利的。
授予Foglietta的美国专利NO.6,412,302描述了基于进料气体膨胀器的工艺，其中使用两个独立的闭合制冷回路来冷却进料气体以形成LNG。第一闭合制冷回路使用进料气体或进料气体的组分作为制冷剂。氮气用作第二闭合制冷回路的制冷剂。与基于双回路氮膨胀器的工艺相比，该技术具有需要更小设备和顶部空间的优点。例如，与基于双回路氮膨胀器的工艺相比，该技术进入低压压缩机的制冷剂的体积流速可以小20％至50％。然而，该技术仍然限制在小于1.5MTA的生产能力。
授予Minta的美国专利NO.8,616,012描述了基于进料气体膨胀器的工艺，其中进料气体用作闭合制冷回路中的制冷剂。在该闭合制冷回路中，制冷剂被压缩至大于或等于1500psia或更优选大于2500psia的压力。然后将制冷剂冷却并膨胀以达到低温温度。然后将该冷却的制冷剂用于热交换器以将进料气体从温热温度冷却至低温温度。然后使用过冷制冷回路进一步冷却进料气体以形成LNG。在一种实施方案中，过冷制冷回路是使用闪蒸气体作为制冷剂的闭合回路。该基于进料气体膨胀器的工艺具有不限于小于1MTA的机组生产能力范围的优点。已经考虑了约6MTA的机组尺寸。然而，由于该技术需要两个独立的制冷回路和进料气体的压缩，因此该技术具有高设备数量和增加的复杂性的缺点。此外，高压操作也意味着设备和管道将比其他基于膨胀器的工艺重得多。
授予Maunder等人的GB专利NO.2,486,036描述了基于进料气体膨胀器的工艺，该工艺是包括预冷膨胀器回路和液化膨胀器回路的开环制冷循环，其中膨胀后的气相用于液化天然气。根据Maunder，工艺中包括液化膨胀器显著降低了再循环气体速率和整体所需的制冷功率。该技术比Foglietta和Minta所描述的技术简单，因为仅有一种类型的制冷剂与单个压缩串(string)一起使用。然而，该技术仍然限于小于1.5MTA的生产能力，并且它需要使用不是用于LNG生产的标准设备的液化膨胀器。已经显示对于贫天然气液化而言，该技术的效率低于Foglietta和Minta描述的技术。
仍然需要开发具有基于膨胀器的工艺的优点同时具有高LNG生产能力和减少的设施占地面积的LNG生产工艺。还需要开发LNG技术解决方案，其更能够应对船舶运动对气体处理所带来的挑战。这样的高生产能力的基于膨胀器的液化工艺将特别适用于其中基于膨胀器的液化工艺的内在安全性和简单性受到高度重视的FLNG应用。
概述
本公开提供了用于生产液化天然气(LNG)的方法。将天然气料流引导至机械制冷单元以液化天然气料流并形成压力大于50psia(345kPa)且小于500psia(3445kPa)的加压的液化天然气(LNG)料流。在第一位置提供液体制冷剂过冷单元。在地理上与第一位置分开的第二位置产生液体制冷剂。将产生的液体制冷剂输送到第一位置。在液体制冷剂过冷单元中通过在加压的LNG料流与至少一个液体制冷剂料流之间交换热量来过冷加压的LNG料流，以由此产生LNG料流。
本公开还提供了用于生产液化天然气(LNG)的系统。机械制冷单元使用基于进料气体膨胀器的工艺液化天然气料流并形成压力大于50psia(345kPa)且小于500psia(3445kPa)的加压的液化天然气(LNG)料流。在第一位置设置液氮(LIN)过冷单元。在地理上与第一位置分开的第二位置产生液氮(LIN)料流。将LIN料流输送到LIN过冷单元。LIN过冷单元通过在加压的LNG料流和LIN料流中的至少一个料流之间交换热量来过冷加压的LNG料流，以由此产生LNG料流和至少一个蒸发的LIN料流。
前面已经宽泛地概述了本公开的特征，使得可以更好地理解下面的详细描述。本文还将描述另外的特征。
附图简要描述
由下面描述、所附的权利要求书和附图，本公开的这些和其他特征、方面和优点将变得显然可见，以下简要描述附图。
图1是示出基于膨胀器的热交换器工艺的温度冷却曲线的图。
图2A是已知的FLNG技术的价值链的简化图。
图2B是公开的方面的价值链的简化图。
图3是根据公开的方面的系统的示意图。
图4是根据公开的方面的机械制冷单元的示意图。
图5是根据公开的方面的液氮(LIN)过冷单元的示意图。
图6是根据公开的方面的LIN过冷单元的示意图。
图7是示出根据公开的方面的方法的流程图。
应该注意的是，附图仅仅是示例，并且不意在由此限制本公开的范围。此外，附图通常不是按比例绘制的，而是为了方便和清楚的目的而绘制，以阐明本公开的各方面。
详述
为了促进对本公开的原理的理解，现在将参考附图中所示的特征，并且将使用特定的语言来描述这些特征。然而应当理解，不意在由此限制本公开的范围。可以设想如本文所述的本公开的原理的任何另外的应用以及任何改变和另外的修改，如本公开所涉及领域技术人员通常会想到的。为了清楚起见，一些与本公开无关的特征可能未在附图中示出。
首先，为了便于参考，阐述了本申请中使用的某些术语及其在该上下文中使用的含义。在本文使用的术语未在下文中定义的情况下，应该赋予该术语相关领域人员已经赋予该术语的如反映在至少一个印刷出版物或公布专利中的最宽泛的定义。此外，本技术不受以下所示术语的用法的限制，因为用于相同或类似目的的所有等同物、同义词、新发展和术语或技术被认为是在本权利要求书的范围内。
如本领域普通技术人员将理解的，不同的人可以通过不同的名称来提及相同的特征或组件。本文件不意在区分仅在名称上不同的组件或特征。附图不一定按比例绘制。本文中的某些特征和组件可能按比例放大或以示意性形式示出，并且为了清楚和简明起见，可能未示出常规元件的一些细节。当提及本文描述的附图时，为了简单起见，可以在多个附图中引用相同的附图标记。在下面的描述和权利要求书中，术语“包括”和“包含”以开放式方式使用，并且因此应该被解释为表示“包括但不限于”。
词语“所述”、“一个”和“一种”不一定限于仅表示一个，而是包含性的并且是开放式的，从而任选地包括多种这样的要素。
如本文所使用的，术语“大约”、“约”、“基本上”和类似的术语意在具有与本公开的主题所属领域的普通技术人员的常用和可接受的用法相一致的广泛的含义。阅读本公开的本领域技术人员应该理解，这些术语意在允许描述和要求保护的某些特征的描述，而不将这些特征的范围限制于所提供的精确数值范围。因此，这些术语应该被解释为表示所描述的主题的非实质性或无关紧要的修改或变化，并且被认为是在本公开的范围内。
术语“热交换器”是指设计成将热量从一种物质有效地转移或“交换”到另一种物质的装置。示例性的热交换器类型包括并流或逆流热交换器，间接热交换器(例如螺旋缠绕式热交换器，板翅式热交换器如铜焊铝板翅型、壳管式热交换器等)，直接接触式热交换器或这些的一些组合等等。
术语“两用运输工具”是指能够(a)将LIN输送到用于天然气和/或LNG的出口终端和(b)将LNG输送到LNG进口终端的船舶。
如前所述，常规的LNG循环包括：(a)初始处理天然气资源以除去污染物，例如水，硫化合物和二氧化碳；(b)通过各种可能的方法(包括自制冷，外部制冷，贫油等)分离一些较重质的烃气体，如丙烷，丁烷，戊烷等；(c)基本上通过外部制冷来制冷天然气以在处于或接近大气压力和约-160℃下形成LNG；(d)在设计用于该目的的船舶或油船中将LNG产品输送到销售地点；和(e)在再气化厂将LNG再加压和再气化以形成加压的天然气料流，其可分配给天然气消费者。本文公开一般性地涉及使用液氮(LIN)液化天然气。通常，使用LIN来生产LNG是非常规的LNG循环，其中上述步骤(c)被使用大量的LIN作为开环制冷源的天然气液化工艺替代，并且其中上述步骤(e)可以修改成使用低温LNG的有效能来促进氮气液化以形成LIN，其然后可以被输送到资源地点并用作生产LNG的制冷源。公开的LIN到LNG概念可以还包括在船舶或油船中将LNG从资源地点(出口终端)输送到销售地点(进口终端)，以及将LIN从销售地点反向输送到资源地点。
本文公开的方面提供了用于增强用于生产LNG的机械制冷工艺的方法，其使用在不同位置产生的液体制冷剂过冷来自机械制冷工艺的液化天然气。更具体地，描述了这样的工艺，其中经处理的天然气可被引导至机械制冷工艺。天然气可在机械制冷工艺中完全液化以产生加压的LNG料流，其中加压的LNG料流的压力大于50psia(或345kPa)且小于500psia(或3445kPa)，或更具体地大于100psia(或690kPa)且小于400psia(或2758kPa)，或更具体地大于200psia(或1379kPa)且小于300psia(或2068kPa)。然后加压的LNG料流可以通过与至少一个液体制冷剂料流交换热量来过冷，以形成LNG料流。在与天然气液化的位置不同(并且可以距离这样的位置50英里，或100英里，或200英里，或500英里，或1,000英里，或多于1000英里)的地理位置产生液体制冷剂料流。机械制冷工艺可以是单混合制冷剂工艺，纯组分级联制冷剂工艺，双重混合制冷剂工艺，基于膨胀器的制冷工艺或任何其他公知的可以液化天然气料流以产生加压的LNG料流的制冷工艺。
在一个方面，通过使用在不同位置产生的LIN来过冷来自基于膨胀器的工艺的加压的LNG，可以增强用于生产LNG的基于膨胀器的工艺。可以处理天然气以去除杂质(如果存在的话，例如水，重质烃和酸性气体)，以使天然气适用于液化。经处理的天然气可以在基于膨胀器的工艺中完全液化以产生加压的LNG料流，其中加压的LNG料流的压力大于50psia(或345kPa)且小于500psia(或3445kPa)，或更具体地大于100psia(或690kPa)且小于400psia(或2758kPa)，或更具体地大于200psia(或1379kPa)且小于300psia(或2068kPa)。然后加压的LNG料流可以通过与至少一个LIN料流交换热量来过冷以形成LNG料流。基于膨胀器的工艺可以是基于氮气膨胀器的工艺，或者可以是基于进料气体膨胀器的工艺。
图1示出了基于膨胀器的液化工艺的典型温度冷却曲线100。较高的温度曲线104是天然气料流的温度曲线。较低的温度曲线102是冷的冷却料流和温的冷却料流的复合温度曲线。如所示的，冷却曲线由三个温度夹点(pinch-point)标记。最低温度夹点106发生在两个冷却料流中较冷的那个(通常为冷的冷却料流)进入热交换器的地方。中间的温度夹点108发生在第二冷却料流(通常是温的冷却料流)进入热交换器的地方。温的温度夹点110发生在冷和温的冷却料流离开热交换器的地方。最低温度夹点106设置冷的冷却料流所需的流速。由于冷的冷却料流在膨胀到低温之前首先被温的冷却料流冷却，所以冷的冷却料流的流速也影响温的冷却料流所需的流速。一种增加基于膨胀器的工艺的生产能力而不显著增加设备尺寸和所需功率的方式是提高最低温度夹点的温度。在这种情况下，为了生产LNG，需要额外的制冷来过冷来自基于膨胀器的工艺的加压的LNG。用另外的机械制冷循环来过冷加压的LNG将既不是有利的也不是有效率的。因此，本文描述的方面提出使用在不同位置产生的液体制冷剂来过冷加压的LNG。液体制冷剂可以是LIN。
在某些情况下，液体制冷剂可以用一定量的能量生产，这使得生产加压的LNG和液体制冷剂的整个工艺比常规LNG生产工艺热力学上更有效率。例如，制冷剂可以是由空气分离长产生的氮，其中氮用由LNG气化可得的冷液化。通常，在LNG气化过程中，由LNG气化可得的所有有效能都会损失到环境中。使用这种有效能可以导致在显著低的能量成本下生产LIN以使所公开的方面的整体能量需求与常规LNG生产工艺的能量成本相当或甚至比其更低。
根据所公开的方面，基于膨胀器的工艺可以是基于进料气体膨胀器的工艺。基于进料气体膨胀器的工艺可以是开环进料气体工艺，其中循环回路包括温端膨胀器回路和冷端膨胀器回路。温端膨胀器可排出第一冷却料流，冷端膨胀器可排出第二冷却料流。第一冷却料流的温度可高于第二冷却料流的温度。第一冷却料流的压力可以与第二冷却料流的压力相同或相似。冷端膨胀器可排出两相料流，其被分离成第二冷却料流和第二加压的LNG。天然气可以被处理以去除杂质(如果存在的话，例如水，重质烃和酸性气体)，以使天然气适用于液化。经处理的天然气可以通过与第一冷却料流和第二冷却料流间接交换热量而被完全液化以产生第一加压的LNG料流。第一加压的LNG料流可与第二加压的LNG料流混合以形成加压的LNG料流。加压的LNG料流的压力大于50psia(或345kPa)且小于500psia(或3445kPa)，或者更具体地大于100psia(或690kPa)且小于400psia(或2758kPa)，或者更具体地大于200psia(或1379kPa)且小于300psia(或2068kPa)。加压的LNG料流可以通过与至少一个LIN料流交换热量而被过冷以形成LNG料流。过冷工艺可以包括使用至少一个热交换器以允许在蒸发LIN料流和加压的LNG料流之间的间接热交换。过冷工艺可以另外包括其他设备，例如压缩机、膨胀器、分离器和/或其它公知的设备，以促进加压的LNG料流的冷却。与加压的LNG料流热交换之后，蒸发的LIN料流可用于液化第二经处理的天然气料流以产生另外的加压的LNG料流。在使用LIN过冷加压的LNG料流之前另外的加压的LNG料流可与加压的LNG料流混合。
在一个公开的方面中，所生产的LNG可以在LNG生产位置被装载到LNG运输工具和/或两用运输工具上并且被输送到不同位置处的进口终端，在那里LNG被卸载和再气化。来自LNG气化的冷能可用于液化氮，然后将其装载到LIN运输工具和/或两用运输工具上并输送回到LNG生产位置，其中LIN用于液化经处理的天然气。
图2A和2B是突出显示本文公开的方面的价值链与常规FLNG技术的价值链之间的区别的简化图，其中FLNG设施包含处理和液化天然气所需的所有或几乎所有设备。如图2A所示，LNG货船200a将LNG从FLNG设施202输送到基于陆地的进口终端204，在那里LNG被卸载和再气化。现在没有货物和压舱物的LNG货船200b返回到FLNG设施202以重新装载LNG。相对而言，本文公开并如图2B所示的方面提供了具有比FLNG设施202(图2A)小得多的占地面积的浮动处理单元(FPU)206。参考图2B，LIN货船或两用船208a(其在进口终端204处装载有LIN)到达FPU 206并将其LIN货物卸载到FPU 206上和/或其内的储罐。在FPU 206上，机械制冷单元将天然气冷却成加压的LNG料流。然后，加压的LNG料流在FPU 206上的LIN过冷单元内过冷，以产生LNG。产生的LNG被输送到LNG货船或两用船舶208b。现在装载有LNG的LNG货船或两用船208b航行至进口终端204，在那里LNG可以被卸载和再气化。来自LNG再气化的冷能用于在进口终端204处液化氮。在进口终端204处液化的氮可在空气分离单元210处产生。空气分离单元210可以是进口终端204的一部分或在其内，或与进口终端204分开的设施。然后LIN可以被装载到LIN货船或两用船舶，其返回到FPU 206以重复液化工艺。
在另一方面，LIN可用于液化在LNG生产、输送和/或卸载期间来自储罐的LNG汽化气体。在另一方面，来自过冷工艺的LIN和/或蒸发的LIN可用于冷却进入机械制冷工艺的燃气涡轮机的入口空气。另一方面，LIN和/或LIN汽化气体可以用于在液化工艺的调节(turndown)或关闭期间使液化设备保持冷却。在另一方面，氮蒸气可以用于在LNG生产之间的期间解冻(derime)低温换热器。含有污染物的氮蒸气可以排放到大气中。
图3是根据公开的方面的系统300的示意图。可以处理天然气以去除杂质(如果存在的话，例如水，重质烃和酸性气体)，以产生适用于液化的经处理的天然气料流302。经处理的天然气料流302可以被引导至机械制冷单元304，在那里经处理的天然气302被完全液化以产生加压的LNG料流306。加压的LNG料流306的压力可以大于50psia(或345kPa)且小于500psia(或3445kPa)，或更具体地大于100psia(或690kPa)且小于400psia(或2758kPa)，或更具体地大于200psia(或1379kPa)且小于300psia(或2068kPa)。机械制冷单元304可以包括单混合制冷工艺，纯组分级联制冷工艺，双重混合制冷工艺，基于膨胀器的制冷工艺或任何其他公知的可以将经处理的天然气料流302液化成加压的LNG料流306的制冷工艺。机械制冷单元304可包括用于提供机械功率以驱动机械制冷单元304内的压缩机的燃气涡轮机。加压的LNG料流306可以被引导至液体制冷剂过冷单元308，在那里加压的LNG料流306通过与液体制冷剂料流310交换热量而被过冷形成LNG料流312。液体制冷剂料流310在与机械制冷单元304和液体制冷剂过冷单元308的位置不同的位置产生。液体制冷剂气体料流310在液体制冷剂过冷单元308内蒸发和温热之后作为制冷剂排放物314离开液体制冷剂过冷单元308。液体制冷剂过冷单元308包括至少一个热交换器，以允许液体制冷剂料流310与加压的LNG料流306之间的间接热交换。液体制冷剂过冷单元308可另外包括其他设备，例如压缩机、膨胀器、分离器和/或其他公知的促进加压的LNG料流306的冷却的设备。在与加压的LNG料流306热交换之后，蒸发的液体制冷剂料流310可用于液化第二经处理的天然气料流316以形成另外的加压的LNG料流。在用液体制冷剂料流310过冷加压的LNG料流306以形成LNG料流312之前，另外的加压的LNG料流可与加压的LNG料流306混合。
图4是根据公开的方面的机械制冷单元400的图示。机械制冷单元400包括基于进料气体膨胀器的工艺。待由机械制冷单元400液化的天然气可以被处理以除去杂质(如果存在的话，例如水，重质烃和酸性气体)，以产生适用于液化的经处理的天然气料流402。经处理的天然气料流402与再循环的制冷剂料流404使用合并装置403混合。然后，可通过一个或多个歧管、分流器或其他类型的分离器406、408、409分离合并的天然气料流405，以产生第二经处理的天然气料流410，第一制冷剂料流412，第二制冷剂料流414和待使用液体制冷剂液化的小的经处理的天然气料流415，如将在本文中解释的。第一制冷剂料流412在第一膨胀器417中膨胀以产生第一冷却料流416。第一冷却料流416进入至少一个热交换器418，在那里它与第二经处理的天然气料流410和第二制冷剂料流414交换热量以冷却这两个料流。现在被加热的第一冷却料流416，作为第一温料流420离开至少一个热交换器418。第二制冷剂料流414在至少一个热交换器418中冷却后在第二膨胀器422中膨胀以产生两相料流424。两相料流424的压力可与第一冷却料流416的压力相同或接近相同。两相料流424可在两相分离器426中被分离为其蒸气组分和其液体组分以形成第二冷却料流428和第二加压的LNG料流430。第一冷却料流416的温度可高于第二冷却料流428的温度。第二加压的LNG料流430可以在离开两相分离器426之后使用泵432泵送到更高的压力。第二冷却料流428可以进入至少一个热交换器418，在那里它与第二经处理天然气料流410和第二制冷剂料流414交换热量以冷却所述料流。加热的第二冷却料流作为第二温料流434离开至少一个热交换器418。第二经处理的天然气料流410可以与第一冷却料流416和第二冷却料流428交换热量以产生第一加压的LNG料流436。在第一加压的LNG料流436已经离开至少一个热交换器418之后，第一加压的LNG料流436可在水力涡轮机437或其他减压装置中减压。第一加压的LNG料流436可以与第二加压的LNG料流430混合以形成合并的加压的LNG料流438。合并的加压的LNG料流438的压力可以大于50psia(或345kPa)且小于500psia(或3445kPa)，或更具体地大于100psia(或690kPa)且小于400psia(或2758kPa)，或更具体地大于200psia(或1379kPa)且小于300psia(或2068kPa)。如本文将进一步描述的，加压的LNG料流438可以被引导至LIN过冷单元。
第一温料流420可以与第二温料流434在合并装置440中合并以形成合并的温制冷剂料流442。合并的温制冷剂料流442可以在多个压缩机级中被压缩以形成再循环的制冷剂料流404。压缩机级可以包括第一压缩机级444，第二压缩机级446和第三压缩机级448。第一压缩机级444可以由燃气涡轮机(未示出)驱动。第二压缩机级446可以由第一膨胀器417产生的轴功率单独驱动。第三压缩机级448可由第二膨胀器422产生的轴功率单独驱动。冷却器450、452和454可分别在第一、第二和第三压缩机级444、446、448之后冷却合并的温制冷剂料流442。
图5是根据公开的方面的LIN过冷单元500的示意图。LIN过冷单元500可与图4所示的机械制冷单元400一起使用。在与LIN过冷单元500的位置不同的位置处产生的LIN被输送到LIN过冷单元500的位置并作为LIN料流504被引导至至少一个热交换器502。LIN料流504在至少一个热交换器502中通过过冷加压的LNG料流506(其可以与图4的合并的加压的LNG料流438相同)而蒸发以产生蒸发的氮气料流508和LNG料流510。蒸发的氮气料流508可以被引导至第二热交换器512以液化经处理的天然气料流514(其可以与小的经处理的天然气料流415相同)，以形成另外的加压的LNG料流516。在进入至少一个热交换器502之前，另外的加压的LNG料流516可以在合并装置518中与加压的LNG料流506合并。另外的加压的LNG料流516在与加压的LNG料流506合并之前，可在水力涡轮机520或其他减压装置中降低压力。蒸发的氮气料流508在第二热交换器512中被经处理的天然气料流514加热以形成氮排放气体522，氮排放气体522可排放到大气中或用于LIN过冷单元500所处的气体处理设施的其他区域中。
图6是根据公开的方面的LIN过冷单元600的示意图。LIN过冷单元600可以与图4所示的机械制冷单元400一起使用。在与LIN过冷单元600的位置不同的位置处产生的LIN从不同位置输送并且作为LIN料流602被引导至LIN过冷单元600。泵604可将LIN料流602泵送至大于400psi的压力以形成高压LIN料流606。高压LIN料流606与加压的LNG料流608(其可与图4的合并的加压的LNG料流438相同)在至少一个热交换器610中交换热量以形成第一温热的氮气料流612。第一温热的氮气料流612可以在第一膨胀器614中膨胀以产生第一另外冷却的氮气料流616。第一另外冷却的氮气料流616在至少一个热交换器610中与加压的LNG料流608交换热量以形成第二温热的氮气料流618。
在第二温热的氮气料流618在一个或多个压缩机级中被压缩以形成压缩的氮气料流620之前，第二温热的氮气料流618可以与其他工艺料流间接交换热量，例如在第二热交换器619中。如图6所示，一个或多个压缩机级可以包括两个压缩机级，包括第一压缩机级622和第二压缩机级624。第二压缩机级624可以由第一膨胀器614产生的轴功率单独驱动。第一压缩机级622可以由第二膨胀器626产生的轴功率单独驱动。在每个压缩级之后，压缩的氮气料流620可以分别在冷却器628、630中与环境进行间接热交换来冷却。压缩的氮气料流620可以在第二膨胀器626中膨胀以产生第二另外冷却的氮气料流632。第二另外冷却的氮气料流632在至少一个换热器610中与加压的LNG料流608交换热量以形成第三温热的氮气料流634。加压的LNG料流608通过与高压LIN料流606、第一另外冷却的氮气料流616和第二另外冷却的氮气料流632交换热量而被过冷以形成LNG料流636。第三温热的氮气料流634可以被引导至第三热交换器638以液化经处理的天然气料流640(其可以与图4中的小的经处理的天然气料流415相同)，以形成另外的加压的LNG料流642。在加压的LNG料流608在至少一个热交换器610中过冷之前，另外的加压的LNG料流642可与加压的LNG料流608在合并装置644中合并。在与加压的LNG料流608合并之前，另外的加压的LNG料流642可以在水力涡轮机646中降低压力。第三温热的氮气料流634可以被经处理的天然气料流640加热以形成氮排放气体648，该氮排放气体648可以排放到大气中或用于LIN过冷单元600所处的气体处理设施的其他区域中。与图5中所示的LIN过冷单元500相比，图6中所示的LIN过冷单元600将过冷加压的LNG料流的LIN需求降低了大约20％至25％。然而，过冷单元的选择可取决于标准例如LIN的成本和LIN储存的可用顶部空间和/或LIN过冷单元本身。
图7是用于生产液化天然气(LNG)的方法700的流程图。在块702处，天然气料流被引导至机械制冷单元以液化天然气料流并形成压力大于50psia(345kPa)且小于500psia(3445kPa)的加压的液化天然气(LNG)料流。在块704处，在第一位置提供液体制冷剂过冷单元。在块706处，在地理上与第一位置分开的第二位置处产生液体制冷剂。在块708处，将所产生的液体制冷剂输送到第一位置。在块710处，通过在加压的LNG料流和至少一个液体制冷剂料流之间交换热量，使加压的LNG料流在液体制冷剂过冷单元中过冷，以由此产生LNG料流。
仅出于说明性目的提供图7中描绘的步骤，并且可以不需要特定的步骤来进行所公开的方法学。此外，图7可能没有示出可以进行的所有步骤。权利要求书以及仅权利要求书限定了所公开的系统和方法学。
本文描述的方面具有相对于已知技术的几个优点。例如，所描述的方面可显著增加常规机械制冷工艺的生产能力，而不显著增加机械制冷工艺的所需功率和占地面积。例如，与已知基于进料气体膨胀器的工艺相比，本文所述的基于进料气体膨胀器的工艺连同LIN过冷可以在相当的机械制冷功率下产生多大约50％的LNG。所需的LIN量为对于生产的每吨LNG约0.26吨LIN。减少的LIN量使得该技术特别适用于FLNG应用。与已知的进料气体膨胀器技术相比，使用所公开的方面，通过基于进料气体膨胀器的工艺的50％额外生产量仅分别使低压压缩机所需的体积流量和低温热交换器负载增加了约10％。
所公开的方面可以包括以下编号段落中所示的方法和系统的任何组合。这不能被认为是所有可能方面的完整列举，因为可以从上面的描述中想到任何数量的变体。
1.生产液化天然气(LNG)的方法，包括：
将天然气料流引导至机械制冷单元以液化天然气料流并形成压力大于50psia(345kPa)且小于500psia(3445kPa)的加压的液化天然气(LNG)料流；
在第一位置提供液体制冷剂过冷单元；
在地理上与第一位置分开的第二位置产生液体制冷剂；
将产生的液体制冷剂输送到第一位置；和
通过在加压的LNG料流和至少一个液体制冷剂料流之间交换热量在液体制冷剂过冷单元中过冷加压的LNG料流，以由此产生LNG料流。
2.段落1的方法，其中机械制冷单元包括基于膨胀器的制冷工艺。
3.段落2的方法，其中基于膨胀器的制冷工艺是基于进料气体膨胀器的工艺。
4.段落3的方法，其中基于进料气体膨胀器的工艺是基于开环进料气体膨胀器的工艺。
5.段落3的方法，其中基于进料气体膨胀器的工艺是基于闭环原料气体膨胀器的工艺。
6.段落3的方法，其中基于进料气体膨胀器的工艺包括：
从温端膨胀器排出第一冷却料流；和
从冷端膨胀器排出两相料流；
其中第一冷却料流的温度高于两相料流的温度。
7.段落3的方法，其中所述加压的LNG料流是第一加压的LNG料流，并且所述方法还包括将所述两相料流分离成第二冷却料流和第二加压的LNG料流。
8.段落3的方法，其中基于进料气体膨胀器的工艺包括：
从温端膨胀器排出第一冷却料流；和
从冷端膨胀器排出第二冷却料流；
其中第一冷却料流的温度高于第二冷却料流的温度。
9.段落7或8的方法，其中第一冷却料流的压力与第二冷却料流的压力相同或基本上相同。
10.段落9的方法，还包括在将加压的LNG料流引导至液体制冷剂过冷单元之前，将第二加压的LNG料流与第一加压的LNG料流混合。
11.段落1-10中任一段的方法，其中液体制冷剂过冷单元包括至少一个热交换器。
12.段落1-11中任一段的方法，其中液体制冷剂过冷单元包括至少一个压缩机和/或膨胀器。
13.段落1-12中任一段的方法，其中蒸发的液体制冷剂料流用于液化第二经处理的天然气料流以产生另外的加压的LNG料流。
14.段落13的方法，其中在用液体制冷剂过冷加压的LNG料流之前，将另外的加压的LNG料流与加压的LNG料流混合。
15.段落1-14中任一段的方法，还包括将机械制冷单元和液体制冷剂过冷单元设置在浮动LNG设施上。
16.段落1-15中任一段的方法，还包括使用液体制冷剂再液化LNG汽化气体。
17.段落1-16中任一段的方法，其中液体制冷剂和/或液体制冷剂汽化气体用于在机械制冷单元调节和/或停机期间使机械制冷单元和/或液体制冷剂过冷单元设备保持冷却。
18.段落1-17中任一段的方法，其中温液体制冷剂蒸气用于解冻用于交换热量的换热器。
19.段落1-18中任一段的方法，还包括：
将LNG料流在两用运输工具中从第一位置输送到第二位置；和
在LNG料流已经从两用运输工具卸载之后，将液体制冷剂在两用运输工具中从第二位置输送到第一位置。
20.段落1-19中任一段的方法，其中机械制冷单元包括单混合制冷剂工艺，纯组分级联制冷剂工艺或双重混合制冷剂工艺中的一种。
21.段落1-20中任一段的方法，其中所述加压的LNG料流具有大于100psia(690kPa)且小于400psia(2758kPa)的压力。
22.段落1-21中任一段的方法，其中所述加压的LNG料流具有大于200psia(1379kPa)且小于300psia(2068kPa)的压力。
23.段落1-22中任一段的方法，其中所述液体制冷剂包括液氮(LIN)。
24.段落23的方法，还包括在LNG再气化过程中通过与LNG交换热量来产生LIN。
25.段落23的方法，还包括将LIN加压至大于400psia(2758kPa)的压力以形成高压液氮料流。
26.段落25的方法，还包括在高压液氮料流与加压的LNG料流之间交换热量以形成温氮气料流。
27.段落23的方法，还包括：
在液体制冷剂过冷单元中，在至少一个膨胀器设备中降低至少一个温热的天然气料流的压力，以降低所述至少一个温热的氮气料流的压力，并由此产生至少一个另外冷却的氮气料流。
28.段落27的方法，其中所述至少一个另外的冷却的氮气料流与加压的LNG料流交换热量以形成温热的氮气料流。
29.段落27的方法，还包括：
将所述至少一个膨胀器设备与用于产生电力的至少一个发电机连接。
30.段落27的方法，还包括：
将所述至少一个膨胀器设备与用于压缩温热的氮气料流的至少一个压缩机连接。
31.段落1-30中任一段的方法，还包括：
将加压的LNG料流从多个机械制冷单元引导至液体制冷剂过冷单元以产生至少一个LNG料流。
32.用于生产液化天然气(LNG)的系统，包括：
机械制冷单元，其配置为使用基于进料气体膨胀器的工艺来液化天然气料流并形成压力大于50psia(345kPa)且小于500psia(3445kPa)的加压的液化天然气(LNG)料流；
设置在第一位置的液氮(LIN)过冷单元；
在地理上与第一位置分开的第二位置产生并且被输送到LIN过冷单元的液氮(LIN)料流；
其中所述LIN过冷单元配置为通过在所述加压的LNG料流与所述LIN料流中的至少一个料流之间交换热量来过冷所述加压的LNG料流，由此产生LNG料流和至少一个蒸发的LIN料流。
33.段落32的系统，其中机械制冷单元包括：
温端膨胀器，其配置为从其中排出第一冷却料流；和
冷端膨胀器，其配置为从其中排出两相料流；
其中所述第一冷却料流的温度高于所述两相料流的温度；
其中所述加压的LNG料流是第一加压的LNG料流，和
其中所述两相料流配置为分成第二冷却料流和第二加压的LNG料流。
34.段落32的系统，其中机械制冷单元包括：
温端膨胀器，其配置为从其中排出第一冷却料流；和
从冷端膨胀器排出第二冷却料流；
其中第一冷却料流的温度高于第二冷却料流的温度。
35.段落33或34的系统，其中第一冷却料流的压力与第二冷却料流的压力相同或基本上相同。
36.段落35的系统，其中在将加压的LNG料流引导至LIN过冷单元之前，将第二加压的LNG料流与第一加压的LNG料流混合。
37.段落32-35中任一段的系统，其中至少一个蒸发的液体制冷剂料流用于液化第二经处理的天然气料流以产生另外的加压的LNG料流。
38.段落32-36中任一段的系统，其中机械制冷单元和液体制冷剂过冷单元设置于浮动LNG设施上。
39.段落32-37中任一段的系统，还包括：
两用运输工具，其配置成将LNG料流从第一位置输送到第二位置并在过冷的LNG料流已从两用运输工具卸载之后在两用运输工具中将液体制冷剂从第二位置输送到第一位置。
应该理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对前述公开作出数值改变，修改和替换。因此，前面的描述并不意在限制本公开的范围。更确切地说，本公开的范围仅由所附权利要求书及其等同物来确定。还可以预期的是，本实施例中的结构和特征可以改变、重排、取代、删除、复制、组合或添加至彼此。