天然气液化系统和方法

天然气液化系统和方法
【专利摘要】通过使用由原料气体的膨胀使膨胀机产生的动力，增大压缩机的出口压力，并降低对于冷却器的冷却容量的要求。天然气液化系统(1)包括：第一膨胀机(3)，其用于通过使用压力状态下的天然气作为原料气体来产生动力；第一冷却单元(11，12)，其用于冷却在所述第一膨胀机中通过膨胀减压的所述原料气体；蒸馏单元(15)，其用于通过蒸馏由所述第一冷却单元冷却的所述原料气体来减少或除去所述原料气体中的重质组分；第一压缩机(4)，其用于通过使用在所述第一膨胀机中所产生的动力来压缩通过所述蒸馏单元从其中减少或除去所述重质组分的所述原料气体；以及液化单元(21)，其用于通过与制冷剂进行热交换来液化由所述第一压缩机压缩的所述原料气体。
【专利说明】
天然气液化系统和方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种用于通过冷却天然气产生液化天然气的天然气液化系统和方法。
【背景技术】
[0002] 从天然气田获得的天然气在液化工厂中液化，从而天然气可液体形式被存储 和运输。当冷却至约-162摄氏度时，相比于气态天然气，所述液体天然气具有显著减小的体 积，且不需要在高压下存储。同时天然气液化过程中除去包含在开采的天然气中的杂质，例 如水、酸性气体和隶，并且在除去具有相对高的凝固点的较重组分后(如苯、戊烧的巧+控类 和其他更重的控类），所述天然气被液化。
[0003] 已经开发了用于液化天然气的各种技术，其中包括那些基于使用膨胀阀和满轮机 的膨胀过程和使用低沸点制冷剂(例如轻质控，如甲烧、乙烧和丙烷)的热交换过程的技术。 例如，某个已知的天然气液化系统(参照专利文献1)包括用于冷却天然气的冷却单元，其中 从所述冷却单元中除去杂质;膨胀单元，其用于等赌膨胀所述冷却的天然气;蒸馈单元，其 用于蒸馈由所述膨胀单元W低于甲烧和较重的内容物的临界压力的压力减压的所述天然 气;压缩机，其用于通过使用来自膨胀机的轴的输出来压缩来自所述蒸馈单元的所述蒸馈 的天然气；W及液化单元，其用于通过与混合的制冷剂进行热交换来液化由压缩机压缩的 所述蒸馈的天然气。 现有技术文件 专利文件
[0004] 专利文献 1:US4,065,278

【发明内容】
本发明要完成的课题
[0005] 在如专利文献1中所公开的常规的天然气液化系统，希望所述压缩机的出口压力 (或待被引入所述液化单元的进料气体的压力）是尽可能的高的，从而降低液化单元(尤其 是，所述液化单元的主热交换器)上的负荷，并且最大化所述液化工艺的效率。
[0006] 为了增加所述压缩机的所述出口压力时，需要相应大的动力。然而，在常规装置 中，其中由冷却单元冷却的所述进料气体通过膨胀机膨胀，由膨胀机产生的动力是有限的， 并且不足W将所述压缩机的所述出口压力提高到所需水平。
[0007] 在常规装置中，由于需要使进料气体在膨胀机中被膨胀之前被冷却，所述冷却单 元需要相对大的容量，而运增加了所述冷却单元的初始成本和运营成本。
[000引在常规装置中，因为进料气体的冷却会导致产生冷凝物，有必要提供一种气液分 离器，在将所述进料气体从所述冷却单元引入所述膨胀机之前，从进料气体中分离（除去） 冷凝物。此外，由于在压缩机的出口端，所述进料气体溫度高，则所述液化单元的中间入口 点与制冷剂之间产生显著的溫差，从而所述冷却单元需要相应大的容量。
[0009]鉴于现有技术的运些问题，本发明的一个主要目的在于提供一种天然气液化系统 和方法，通过使用由所述进料气体的膨胀在膨胀机中所产生的动力来增加所述压缩机的出 口端的压力，并最大限度地减少所述冷却单元所需的冷却容量。 完成所述课题的手段
[0010] 本发明的第一个方面提供一种天然气液化系统（1)，其冷却所述天然气W产生液 化天然气，包括:第一膨胀机(3)，其用于通过膨胀加压状态下的天然气作为原料气体来产 生动力;第一冷却单元（11，12)，其用于冷却在所述第一膨胀机中通过膨胀减压的所述原料 气体;蒸馈单元（15)，其用于通过蒸馈由所述第一冷却单元冷却的所述原料气体来减少或 除去所述原料气体中的重质组分;第一压缩机(4)，其用于通过使用在所述第一膨胀机中所 产生的动力来压缩所述原料气体，其中通过所述蒸馈单元从所述原料气体中减少或除去所 述重质组分；W及液化单元(21)，其用于通过与制冷剂进行热交换来液化由所述第一压缩 机压缩的所述原料气体。
[0011] 根据本发明的第一方面，由于利用被所述第一冷却单元冷却之前的所述原料气体 的膨胀所产生的动力，从而可使所述第一压缩机的出口压力增加，降低所述第一冷却单元 所需的冷却容量。
[0012] 本发明的第二方面还包括第二冷却单元(85)，其设置在所述第一压缩机和所述液 化单元之间W冷却由所述第一压缩机压缩的所述原料气体。
[0013] 根据本发明的第二方面，通过增加被引入所述液化单元的原料气体的压力，即使 在所述原料气体的溫度水平超过适当的范围的时候，由于在所述第二冷却单元中的冷却， 所述原料气体的溫度水平可W被调整到接近所述液化单元的引入点处的溫度水平的水平， 从而可W减少所述液化单元上的负荷，提高所述液化过程的效率。
[0014] 本发明的第=方面提供一种天然气液化系统，其中所述液化装置包括线轴缠绕式 热交换器，并且从所述第一压缩机排出的所述原料气体被引入到所述线轴缠绕式热交换器 的位于所述线轴缠绕式热交换器的高溫侧上的暖区(Z1)。
[0015] 根据本发明的第=方面，如果由于所述第一压缩机的出口压力的增加，所述原料 气体的溫度应该提高，那么通过将所述原料气体从所述线轴缠绕式热交换器的所述暖区 (Z1)侧引入，来使得所述原料气体的溫度水平更接近所述液化单元中的溫度，能够减小所 述液化单元上的所述负荷，且增加所述液化过程的效率。
[0016] 本发明的第四方面还包括一种天然气液化系统，其进一步包括第二压缩器(75)， 其设置在所述第一压缩机和所述液化单元之间W压缩由所述第一压缩机排出的所述原料 气体。
[0017] 根据本发明的第四方面，被引入所述液化单元的所述原料气体的压力甚至可W进 一步增加，从而可W提高在所述液化单元中进行的所述液化过程的效率。
[0018] 本发明的第五方面提供一种天然气液化系统，其进一步包括第一电机(81)，其由 外部电力供电，并且对其的控制取决于引入所述液化单元的原所述料气体的压力值，所述 第二压缩机由所述第一电机驱动。
[0019] 根据本发明的第五方面，被引入所述液化单元的所述原料气体的压力能够W稳定 的方式增加，从而可W将所述原料气体的溫度保持在合适的范围内，且所述液化过程能够 在所述液化单元中W既有效率又稳定的方式进行。
[0020] 本发明的第六方面还包括一种天然气液化系统，其进一步包括第二冷却器(85)， 其设置在所述第二压缩机和所述液化单元之间w冷却所述原料气体。
[0021] 根据本发明的第六方面，通过增加被引入所述液化单元的原料气体的压力，即使 在所述原料气体的溫度水平超过适当的范围的时候，由于在所述第二冷却单元中的冷却， 所述原料气体的溫度水平可W被调整到接近所述液化单元的引入点处的溫度水平的水平， 从而可W减少所述液化单元上的负荷，提高所述液化过程的效率。
[0022] 本发明的第屯方面提供一种天然气液化系统，其进一步包括发电机组(87)，其用 于将由所述第一膨胀机产生的动力转化为电力；W及第二电机(84)，其用于驱动所述第一 压缩机，所述第二电机由通过发电机组产生的电力供电。
[0023] 根据本发明的第屯方面，所述第一膨胀机和所述第一压缩机彼此电气连接，从而 使得所述第一压缩机的所述出口压力可W通过利用由所述第一膨胀机产生的动力增加。同 时，相比其中所述第一膨胀机和所述第一压缩机彼此机械连接的情况，能够增加所述系统 的操作模式的自由度。
[0024] 本发明的第八方面提供一种天然气液化系统，其进一步包括第二电机(84)，其使 得所述第一膨胀机和所述第一压缩机彼此机械偶联，并通过外部电力供电，其中，所述第一 压缩机用于通过使用由所述第一膨胀机产生的动力和第二电机产生的动力来压缩所述原 料气体。
[0025] 根据本发明的第八个方面，由所述第二电机提供的动力可W用于增大通过所述第 一膨胀机在驱动所述第一压缩机时提供的动力，从而使得所述第一压缩机的所述出口压力 能够W既有效率又稳定的方式增加。
[0026] 本发明的第九方面提供一种天然气液化系统，其中，将所述原料气体直接引入所 述第一压缩机，其中从所述原料气体中所述重质组分被蒸馈装置减少或除去，所述系统进 一步包括第一气液分离容器(23)，其用于接收由所述第一压缩机压缩的经由所述液化单元 的所述原料气体；W及其中在第一气液分离容器中分离的所述原料气体的气相组分被再次 引入所述液化单元，所述原料气体的液相成分再循环到所述蒸馈单元。
[0027] 根据本发明的第九方面，可W不需要用于将所述原料气体从第一气液分离容器再 循环到所述蒸馈单元的累，而运有助于简化系统。
[0028] 本发明的第十方面还包括一种天然气液化系统，其进一步包括第二冷却器(85)， 其设置在所述第一压缩机和所述第一气液分离容器之间W冷却所述原料气体。
[0029] 根据本发明的第十方面，即使在由所述第一压缩机压缩的所述原料气体的溫度水 平超过适当的范围的时候，由于在所述第二冷却单元中的冷却，所述原料气体的溫度水平 可W被调整到接近所述液化单元的引入点处的溫度水平的水平，从而可W减少所述液化单 元上的负荷，提高所述液化过程的效率。
[0030] 本发明的第十一方面提供一种天然气液化系统，其进一步包括第二膨胀机(3b)， 其设置在所述第一膨胀机(3a)和所述蒸馈单元之间，从而通过膨胀原料气体来产生动力； W及第=压缩机(4b )，其放置于所述蒸馈单元和所述第一压缩机(4a)之间W通过使用由所 述第二膨胀机产生的动力来压缩由所述蒸馈单元蒸馈的所述原料气体。
[0031] 根据本发明的第十一方面，通过在所述第一和第二膨胀机中有利地膨胀所述原料 气体，能够减小所述第一冷却单元所需的冷却容量，并且通过使用所述第一和第=压缩机， 其中所述第一和第=压缩机利用由所述第一和第二膨胀机产生的动力，可W有效地提高被 引入所述液化单元的所述原料气体的压力。
[0032] 本发明的第十二方面提供一种天然气液化系统，其进一步包括第二膨胀机(3b)， 其设置为与所述第一膨胀机(3a)并联，从而通过膨胀所述原料气体来产生动力；W及第= 压缩机(4b)，其放置于所述蒸馈单元和所述第一压缩机(4a)之间W通过使用由所述第二膨 胀机产生的动力来压缩由所述蒸馈单元蒸馈的所述原料气体。
[0033] 根据本发明的第十二方面，即使当引入所述液化系统的所述原料气体的体积增加 的时候，在所述液化单元中的所述液化过程能够W稳定的方式进行。
[0034] 本发明的第十=方面提供一种天然气液化系统，其中所述液化单元包括板翅式热 交换器。
[0035] 根据本发明的第十=方面，即使当由所述第一压缩机压缩的所述原料气体的溫度 水平随着所述原料气体的压力的升高而升高时，引入所述液化单元的引入点（在所述液化 单元侧的所述溫度水平)可W容易地响应于所述原料气体的溫度的升高而改变。
[0036] 本发明的第十四方面提供一种天然气液化系统，其中由所述第一压缩机压缩的所 述原料气体的压力高于517化PaA。
[0037] 本发明的第十五方面提供一种天然气液化系统，其中由所述第二压缩机压缩的所 述原料气体的压力高于517化PaA。
[0038] 根据本发明的第十四或第十五方面，通过将被引入所述液化单元的所述原料气体 的压力升高到合适的值，能够提高在所述液化单元中进行的所述液化过程的效率。
[0039] 本发明的第十六方面提供一种天然气液化系统，进一步包括热交换器(69)，其用 于对被引入所述蒸馈单元的所述原料气体W及来自所述蒸馈单元的顶部馈分之间进行热 交换。
[0040] 根据本发明的第十六方面，即使当被引入到所述液化单元的所述原料气体的溫度 低于适当的范围时，能够通过与被引入到所述蒸馈单元中的所述原料气体进行热交换来加 热所述蒸馈单元的顶部馈分，从而使所述原料气体的溫度接近所述蒸馈单元的入口端的溫 度。
[0041] 本发明的第十屯方面提供一种天然气液化系统，进一步包括第一气液分离容器 (23)，其用于从所述蒸馈单元接收顶部馈分；W及第=冷却单元(86)，其放置于所述蒸馈单 元和所述第一气液分离容器之间，W冷却来自所述蒸馈单元的顶部馈分。
[0042] 根据本发明的第十屯方面，不需要通过使用所述液化单元来冷却待被引入所述第 一气液分离容器的原料气体，从而减小所述液化单元上的负荷。
[0043] 本发明的第十八方面提供一种天然气液化系统，进一步包括第二热交换器(79)， 其用于对待被引入所述第一压缩机的所述原料气体W及由所述第一压缩机压缩的所述原 料气体之间进行热交换。
[0044] 根据本发明的第十八方面，即使当被所述第一压缩机压缩并被引入到所述液化单 元的所述原料气体的溫度高于适当的范围时，能够通过与被引入到所述第一压缩机中的所 述原料气体进行热交换来冷却来自所述第一压缩机中的所述原料气体，从而使所述原料气 体的溫度接近所述液化单元的入口端的溫度。
[0045] 本发明的第十九方面提供一种天然气液化系统，包括第五冷却单元(80)，其用于 通过使用水、空气或丙烷制冷剂在所述第二热交换器的上游点处冷却被所述第一压缩机压 缩的所述原料气体。
[0046] 根据本发明的第十九方面，即使当被所述第一压缩机压缩并被引入到所述液化单 元的所述原料气体的溫度高于适当的范围时，能够通过使用所述第五冷却单元来冷却来自 所述第一压缩机中的所述原料气体，从而使所述原料气体的溫度接近所述液化单元的入口 端的溫度。特别地，通过使用具有相对较高的冷却容量的丙烷来冷却所述原料气体，能够提 高使用所述第一压缩机进行的所述原料气体的压缩过程的操作上的自由度。
[0047] 本发明的第二十方面提供一种天然气液化系统，进一步包括第=热交换器（100)， 其用于在被所述第一压缩机压缩的所述原料气体W及来自所述蒸馈单元的所述顶部馈分 之间进行热交换。
[0048] 根据本发明的第二十方面，即使当被所述第一压缩机压缩并被引入到所述液化单 元的所述原料气体的溫度高于适当的范围时，能够通过与所述蒸馈单元的所述顶部馈分之 间进行热交换来冷却来自所述第一压缩机中的所述原料气体，从而使所述原料气体的溫度 接近所述液化单元的入口端的溫度。
[0049] 本发明的第二十一方面提供一种天然气液化系统（1)，其冷却所述天然气W产生 液化天然气，包括:第一膨胀机(3)，其用于通过膨胀压力状态下的天然气作为原料气体来 产生动力；蒸馈单元（15)，其用于通过蒸馈通过所述第一膨胀机的膨胀来减压的所述原料 气体，来减少或除去所述原料气体中的重质组分;第一压缩机(4)，其用于通过使用在所述 第一膨胀机中所产生的动力来压缩所原料气体，其中通过所述蒸馈单元从所述原料气体中 减少或除去所述重质组分；W及液化单元(21)，其用于通过与制冷剂进行热交换来液化由 第一压缩机压缩的所述原料气体。
[0050] 根据本发明的第二十一方面，就相对高的压力(例如aOObarA或更高）的所述原料 气体的液化而言，由所述原料气体的膨胀通过所述第一膨胀机产生动力，从而能够增加所 述第一压缩机的所述出口压力。
[0051] 本发明的第二十二方面提供一种天然气液化系统（1)，其冷却所述天然气W产生 液化天然气，包括:第一膨胀机(3)，其用于通过膨胀压力状态下的天然气作为原料气体来 产生动力；第一冷却单元（1〇，11，12)，其用于在所述第一膨胀机的至少上游点或下游点处 冷却所述原料气体;蒸馈单元（15)，其用于通过蒸馈由所述第一冷却单元冷却的所述原料 气体来减少或除去所述原料气体中的重质组分;第一压缩机(4)，其用于压缩所述原料气 体，其中通过所述蒸馈单元从所述原料气体中减少或除去所述重质组分；W及液化单元 (21)，其用于通过与制冷剂进行热交换来液化由所述第一压缩机压缩的所述原料气体中的 气相组分。
[0052] 根据本发明的第二十二个方面，防止由所述压缩机压缩并引入所述液化单元的所 述原料气体的溫度过度上升，从而能够容易地将所述原料气体的溫度调整到接近在所述液 化单元的入口端的溫度。
[0053] 本发明的第二十=方面提供一种天然气液化系统，进一步包括第一气液分离容器 (23)，其用于接收由所述第一压缩机压缩的所述原料气体；W及第二冷却单元(85)，其放置 于所述第一压缩机和所述第一气液分离容器之间，W冷却由所述第一压缩机排出的所述压 缩的气体。
[0054] 根据本发明的第二十=方面，不需要通过所述液化单元来冷却待被引入所述第一 气液分离容器的所述原料气体，从而减小所述液化单元上的负荷。
[0055] 本发明的第二十四方面提供一种天然气液化系统，进一步包括第二气液分离容器 (25)，其用于接收被所述第一压缩机压缩并分离的所述压缩气体的一部分，由所述第二气 液分离容器分离的液相组分再循环至蒸馈单元。
[0056] 根据本发明的第二十四方面，即使当所述原料气体的临界压力相对较低，而待由 所述液化系统处理的所述原料气体的压力比临界压力高时，能够减小所述液化单元的液化 负荷，并能够提高所述蒸馈单元的工艺稳定性。
[0057] 本发明的第二十五方面提供一种天然气液化系统，进一步包括热交换器(69)，其 用于对被引入所述蒸馈单元的所述原料气体W及来自所述蒸馈单元的顶部馈分之间进行 热交换。
[0058] 根据本发明的第二十五方面，即使当被引入到所述液化单元的所述原料气体的溫 度低于适当的范围时，能够通过与待被引入到所述蒸馈单元中的所述原料气体进行热交换 来加溫所述蒸馈单元的顶部馈分，从而使所述原料气体的溫度接近所述液化单元(21)的入 口端的溫度。
[0059] 本发明的第二十六方面提供一种天然气液化方法，其通过冷却所述天然气W产生 液化天然气，包括:第一膨胀步骤，其用于通过使用压力状态下的天然气作为原料气体来产 生动力;第一冷却步骤，其用于冷却在所述第一膨胀步骤中通过膨胀减压的所述原料气体； 蒸馈步骤，其用于通过蒸馈在所述第一冷却步骤中冷却的所述原料气体来减少或除去所述 原料气体中的重质组分；W及第一压缩步骤，其用于通过使用在所述第一膨胀步骤中产生 的动力来压缩所述原料气体，其中在所述蒸馈步骤中从所述原料气体中减少或除去所述重 质组分；W及液化步骤，其用于通过与制冷剂进行热交换来液化在所述第一压缩步骤中压 缩的所述原料气体。
[0060] 本发明的第二十屯个方面提供一种天然气液化方法，其通过冷却所述天然气W产 生液化天然气，包括:第一膨胀步骤，其用于通过膨胀压力状态下的天然气作为原料气体来 产生动力;第一冷却步骤，其用于至少在所述第一膨胀步骤之前或之后冷却所述原料气体； 蒸馈步骤，其用于通过蒸馈在所述第一冷却步骤中冷却的所述原料气体来减少或除去所述 原料气体中的重质组分;第一压缩步骤，其用于压缩所述原料气体，其中在所述蒸馈步骤中 从所述原料气体中减少或除去所述重质组分；W及液化步骤，其用于通过与制冷剂进行热 交换来液化气相组分，其中所述气相组分从在所述第一压缩步骤中压缩的所述原料气体中 分离。 发明效果
[0061] 正如可从前述中所理解，根据本发明的天然气液化的液化系统，通过使用由原料 气体的膨胀于所述膨胀机产生的动力，可使得所述压缩机的所述出口压力增加，并使得所 述冷却单元所需的冷却容量减小。
【附图说明】
[0062] 图1为示出作为本发明的第一实施例给出的所述天然气液化系统中的液化处理流 程的示意图； 图2为示出作为第一比较例给出的常规天然气液化系统中的液化处理流程的示意图； 图3为示出作为第二比较例给出的常规天然气液化系统中的液化处理流程的示意图； 图4为示出作为第一实施例的第一变形例给出的一种天然气液化系统中的液化处理流 程的示意图； 图5为示出作为第一实施例的第二变形例给出的一种天然气液化系统中的液化处理流 程的示意图； 图6为示出作为第一实施例的第=变形例给出的一种天然气液化系统中的液化处理流 程的示意图； 图7为示出作为第一实施例的第四变形例给出的一种天然气液化系统中的液化处理流 程的示意图； 图8为示出作为第一实施例的第五变形例给出的一种天然气液化系统中的液化处理流 程的示意图； 图9为示出作为第一实施例的第六变形例给出的一种天然气液化系统中的液化处理流 程的示意图； 图10为示出作为第一实施例的第屯变形例给出的一种天然气液化系统中的液化处理 流程的示意图； 图11为示出作为本发明的第二实施例给出的一种天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图； 图12为示出作为本发明的第=实施例给出的一种天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图； 图13为示出作为第=实施例的变形例给出的一种天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图； 图14为示出作为本发明的第四实施例给出的一种天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图； 图15为示出作为本发明的第五实施例给出的一种天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图； 图16为示出作为本发明的第六实施例给出的一种天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图； 图17为示出作为第六实施例的第一变形例给出的一种天然气液化系统中的液化处理 流程的示意图； 图18为示出作为第六实施例的第二变形例给出的一种天然气液化系统中的液化处理 流程的示意图； 图19为示出作为第六实施例的第=变形例给出的一种天然气液化系统中的液化处理 流程的示意图； 图20为示出作为第六实施例的第四变形例给出的一种天然气液化系统中的液化处理 流程的示意图； 图21为示出作为本发明的第屯实施例给出的一种天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图； 图22为示出作为本发明的第八实施例给出的一种天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图； 图23为示出作为第八实施例的第一变形例给出的一种天然气液化系统中的液化处理 流程的示意图； 图24为示出作为第八实施例的第二变形例给出的一种天然气液化系统中的液化处理 流程的示意图； 图25为示出作为本发明的第九实施例给出的一种天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图； 图26为示出作为第九实施例的变形例给出的一种天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图； 图27为示出作为本发明的第十实施例给出的一种天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图； 图28为示出作为第十实施例的第一变形例给出的一种天然气液化系统中的液化处理 流程的示意图； 图29为示出作为第十实施例的第二变形例给出的一种天然气液化系统中的液化处理 流程的示意图； 图30为示出作为本发明的第十一实施例给出的一种天然气液化系统中的液化处理流 程的示意图； 图31为示出根据本发明的天然气液化系统中的设置于所述膨胀机和所述压缩机之间 的连接装置的第一变体的示意图； 图32为示出根据本发明的天然气液化系统中的设置于所述膨胀机和所述压缩机之间 的连接装置的第二变体的示意图； 图33为示出第一实施例的第八变形例的所述天然气液化系统中的液化处理流程的示 意图。 术语表
[0063] 1 液化系统 2 除水单元 3,3a 第一膨胀机 3b 第二膨胀机 4,4a 第一压缩机 4b 第二压缩机 5 轴 10,11，12第一冷却器 15 蒸馈单元 21 液化单元 23 第一气液分离容器 33 膨胀阀 41 制冷剂分离器 44 膨胀阀 45 喷头 54 膨胀阀 55 喷头 69 热交换器 71 第四压缩机 72 第四冷却器 75 第二压缩机 81 电机(第一电机） 82 控制器 83 压力计 84 电机(第二电机） 85 第二冷却器 86 第=冷却器 87 发电机 89 膨胀阀 91 分离器 92 膨胀阀 96,97,97 齿轮 Z1 暖区 Z2 中间区 Z3 冷区
【具体实施方式】
[0064] W下参照附图对本发明的优选实施例进行说明。
[0065] (第一实施例） 图1为示出作为本发明的第一实施例给出的所述天然气液化系统中的液化处理流程的 示意图。将在下文示出的表1列出所述天然气液化系统中的液化过程的模拟(仿真)结果。表 2至表12的内容也是如此。表1示出在第一实施例的液化系统中的每个不同点处，待液化的 天然气的溫度、压力、流速W及摩尔组成。在表1中，（i)至（ix)列示出在液化系统1中用对应 的图1中罗马数字(i)至(ix)表示的在各点处的值。
[0066] 含有约80至98mol%的甲烧的天然气用作所述原料气体或所述进料气体。所述原 料气体也至少包含至少0 . Imol %的作为较重内容物的巧+控类，或者至少包含至少Ippm mol的作为较重内容物的BTX(苯，甲苯，二甲苯）。非甲烧气体的所述原料气体的含量示于表 1的列（i)中。根据液化的不同阶段，在本说明书中使用的术语"原料气体"并不一定需要为 气态，但也可W是液态。
[0067] 在此液化系统1中，所述原料气体经管路L1供应到除水单元2,并且并被除去水份 W避免结冰的问题。供给到所述除水单元2的所述原料气体具有约20摄氏度的溫度，大约 5830kPaA的压力和大约720000kg/hr的流速。所述除水单元2可W由填充有干燥剂(如分子 筛)的多个塔构成，并可W将所述原料气体中的水含量降低到小于O.lppm mol。所述除水单 元2可W由任何其它已知的能够将所述原料气体的水除去至低于所需的水平的单元构成。
[0068] 虽然运里省略了详细的讨论，液化系统1可W采用附加的已知设备，用于执行在所 述除水单元2中的处理步骤之前的初步处理步骤，诸如用于除去天然气冷凝物的分离单元， 用于除去如二氧化碳和硫化氨的酸性气体的酸性气体去除单元，W及用于除去隶的除隶单 元。通常情况下，所述除水单元2接收原料气体，其中通过使用运些设备从原料气体中去除 杂质。对供应到所述除水单元2中的所述原料气体进行预处理，使得二氧化碳(0)2)的含量 小于50ppm mol，硫化氨化2S)含量小于4ppm mol，硫含量小于20mg/Nm3,隶含量小于lOng/ Nm]。
[0069] 所述原料气体的来源可W不限于任何特定的来源，但也可W非排他性地在加压状 态下从页岩气，致密砂岩气和煤炭头甲烧(coal head methane)中获得。所述原料气体不仅 可W经由管道由诸如天然气田的来源供应，也可W由储存罐供应。
[0070] 在所述除水单元2从所述原料气体除去水，将所述原料气体经由管路L2被转递到 第一膨胀机3。所述第一膨胀机3由满轮机组成，其用于减少供应给其的天然气的压力，并在 等赌的条件下从天然气的膨胀中获得动力(或能量）。由于在所述第一膨胀机3中的膨胀步 骤(第一膨胀步骤），所述原料气体的压力和溫度被降低。所述第一膨胀机3设有与第一压缩 机4共同的轴5(将在下文讨论），从而使得通过所述第一膨胀机3产生的动力可W用于向所 述第一压缩机4提供动力。如果所述第一膨胀机3的旋转速度低于所述第一压缩机4的旋转 速度，合适的增速齿轮单元可被放置在所述第一膨胀机3和所述第一压缩机4之间。所述第 一膨胀机3将所述原料气体的溫度和压力分别降低至约8.3摄氏度和大约4850kPaA。通常情 况下，从所述第一膨胀机3排出的所述原料气体的压力在3000kPaA到5500kPaA(30barA到 55barA)的范围内，或更优选在3500kPaA至5000kPaA(3化arA至50barA)的范围内。
[0071] 所述原料气体从所述第一膨胀机3经管路L3被转递至冷却器11。通过将另一个冷 却器12连接到所述冷却器11的下游端形成冷却单元(第一冷却单元）。所述原料气体通过与 制冷剂在第一冷却单元11，12中进行分阶段的热交换(第一冷却步骤)而冷却。已经由所述 第一冷却单元11，12冷却的所述原料气体的溫度在-20至-50摄氏度的范围内，或更优选地 在-25至-35摄氏度的范围内。如果引入所述液化系统1中的所述原料气体(的压力）相对较 高（例如，高于lOObarA)，因为在所述第一膨胀机3的出口的溫度相对较低（例如，-30摄氏 度），可W省略所述第一冷却单元11，12。在所述蒸馈单元15的上游侧省略所述冷却单元的 可能性同样适用于将在下文讨论的在图4至26,30和33中所示的多个实施例。
[0072] 在本实施例中，使用C3-MR(丙烷(C3)预冷却的混合制冷剂)系统。在第一冷却单元 11，12中通过使用丙烷作为制冷剂预冷却所述原料气体，并在之后将其过冷却至极低溫度， 用于在制冷循环中使用将在下文讨论的混合制冷剂下液化天然气。用于中压(MP)和低压 化P)的丙烷制冷剂(C3R)被用于在第一冷却单元11，12中在多个阶段(在所示实施例在两个 阶段）中冷却所述原料气体。虽然在附图中未示出，第一冷却单元11，12形成包括用于丙烷 制冷剂的压缩机和冷凝器的本身已知的制冷循环的一部分。
[0073] 液化系统1不一定需要基于所述C3-MR系统，但除了其它的可能性之外，还可W使 用级联系统，在所述级联系统中通过使用具有不同沸点的相应的制冷剂(如甲烧，乙烧和丙 烧），使用例如乙烧和丙烷的混合介质的用于初步冷却过程的DMR(双混合制冷剂)系统W及 使用不同的混合制冷剂分别用于初步冷却、液化和过冷却的单个循环的MFC(混合流体级联 系统)来形成多个单独的制冷循环。
[0074] 所述原料气体从冷却器12经管路L4被转递至所述蒸馈单元15。所述原料气体在该 点的压力借助所述第一膨胀机3W及其它可选的过程的膨胀，应低于甲烧和较重组分的临 界压力。所述蒸馈单元15基本上由内部设置有多层架的用于去除所述原料气体中较重的内 容物(蒸馈步骤)的蒸馈塔构成。由较重的内容物构成的液体经由连接到所述蒸馈单元15的 蒸馈塔的底端的管路L5排出。经由所述管路L5从所述蒸馈单元15排出的所述由较重的内容 物构成的液体具有大约177摄氏度的溫度和约20,000kg/hr的流速。术语"较重的内容物"是 指例如苯的具有高凝固点的组分和具有低沸点的例如巧+控类的组分。所述管路L5包括再 循环单元，所述再循环单元包括用于通过与蒸汽(或油)进行热交换来加热从所述蒸馈单元 15的蒸馈塔的底部排出的液体的一部分的再沸器16,并将加热的液体再循环返回到所述蒸 馈单元15，其中所述蒸汽(或油)从外部被提供给所述再沸器。
[0075] 来自所述蒸馈单元15的顶部馈分由所述原料气体的较轻组分构成，所述较轻组分 主要由具有低沸点的甲烧构成，并且所述原料气体通过管路L6被引入所述液化单元21中， W在管道系统22a和22b中冷却。转递到管路L5的所述原料气体具有大约-45.6摄氏度的溫 度和大约4700kPaA的压力。在蒸馈单元15中除去所述较重组分的所述原料气体含有少于 O.lmol%的巧+和小于Ippm mol(苯，甲苯和二甲苯）的BTX。通过流经所述管道系统2?和 22b，所述原料气体被冷却至大约-65.2摄氏度，然后从所述液化单元21经由管路L7转递到 第一气液分离容器23。
[0076] 如将在下文中讨论的，所述液化单元21基本上由所述液化系统1中的主热交换器 构成，而此热交换器由线轴缠绕式热交换器构成，所述线轴缠绕式热交换器包括用于传导 所述原料气体和制冷剂的传热管的外壳和线圈。所述液化单元21规定位于所述液化单元21 下部的暖区Z1，其用于接收所述混合制冷剂并具有最高的溫度(范围）；位于所述液化单元 21中部的中间区Z2,其具有低于暖区Z1的溫度；W及位于所述液化单元21上部的冷区，其用 于排出所述液化的原料气体并具有最低的溫度。在第一实施例中，所述暖区Z1由在较高溫 度侧的较高暖区Zla和在较低溫度侧的较低暖区nb组成。管道系统22a和22b，W及管道系 统42a，51a，和42b和51b，分别由在较高暖区Zla和较低暖区Zlb提供的管束形成，其中通过 所述管道系统引导所述混合制冷剂。在所说明的实施例中，较高暖区Zla的溫度在待冷却的 所述原料气体的上游侧(入口侧)为大约-35摄氏度，而在所述原料气体的下游侧（出口侧） 为大约-50摄氏度。较低暖区nb的溫度在所述原料气体的上游侧为大约-50摄氏度，而在所 述原料气体的下游侧为大约-135摄氏度。中间暖区Z2的溫度在所述原料气体的上游侧为大 约-65摄氏度，而在所述原料气体的下游侧为大约-135摄氏度。冷区Z3的溫度在所述原料气 体的上游侧为大约-135摄氏度，而在所述原料气体的下游侧为大约-155摄氏度。各区域的 在所述上游侧和下游侧的溫度并不限于运里提到的数值，并且在每个部分的溫度可W在预 定的范围内变化(（±例如5摄氏度）。
[0077] 第一气液分离容器23分离所述原料气体的液相组分(冷凝物），并且基本上由控类 构成的所述液体通过设置于管路L8的再循环累24再循环返回所述蒸馈单元15。在第一气液 分离容器23中得到的并主要由甲烧构成的所述气相组分经管路L9转递至第一压缩机4。所 述原料气体W约83500kg/hr的流速通过管路L8,并W约780,000kg/hr的流速通过管路L6。 第一气液分离容器23也可W通过使用混合制冷剂或乙締制冷剂冷却。
[0078] 所述第一压缩机4由具有满轮机叶片的用于压缩所述原料气体的单级离屯、式压缩 机构成，其安装在与所述第一膨胀机3共有的轴5上。由所述第一压缩机4(第一压缩步骤)压 缩的所述原料气体经管路L10引入所述液化单元21。由所述第一压缩机4输出到管路L10的 所述原料气体具有约-51摄氏度的溫度和约5500kPaA的压力。引入所述液化单元21的原料 气体由所述第一压缩机4压缩，优选地压缩至超过至少5171kPaA的压力。
[0079] 管路L10连接到位于所述液化单元21的所述暖区nb的管道系统30,所述管道系统 30的上游端连接到所述中间区Z2中的管道系统31，然后连接到位于所述冷区Z3的管道系统 32。所述天然气在通过流经所述管道系统31和32被液化并过冷却后，经由设置于管路L11的 膨胀阀33被转递到在附图中未示出的用于存储目的的LNG储存罐。经受所述液化步骤的所 述原料气体在所述膨胀阀33的下游端获得-162摄氏度的溫度和大约120kPaA的压力。
[0080] 流经所述液化单元21的所述原料气体，通过使用混合制冷剂的制冷循环冷却。在 所说明的实施例中，所述混合制冷剂除了包括甲烧，乙烧和丙烷的控类混合物，可各自含有 氮气，但也可能有其他本身已知的只要所需的冷却容量可W实现的组合物。
[0081] 在所述液化单元21中，高压化P)混合制冷剂(MR)经由管路L12供应给制冷剂分离 器41。组成所述制冷剂分离器41中的液相组分的所述混合制冷剂经由管路L13引入所述液 化单元21，然后在所述液化单元21中向上流动通过分别位于暖区Zla和nb的所述管道系统 42a和42b，W及位于中间区Z2的所述管道系统43。所述混合制冷剂然后在设置于管路L14中 的膨胀阀44中膨胀，并部分闪蒸。
[0082] 在通过所述膨胀阀44后，所述混合冷冻剂从在中间区Z2的上部设置的喷头45向下 喷出与所述液化单元21中的所述原料气体的流动相反）。从所述喷头45喷出的所述混合 制冷剂向下流动，同时与由所述管道系统31，43和52(最后的管道系统将在下文中被讨论） 形成的中间管束和由所述管道系统22a，22b，30,42a，4化，51a和5化(最后两个管道系统将 在下文中被讨论)形成的下部管束进行热交换，所述管道系统31，43和52位于所述中间区 Z2，所述管道系统22a，22b，30，42a，4化，51a和5化位于所述暖区Z1。
[0083] 组成所述制冷剂分离器41中的气相组分的所述混合制冷剂经由管路L15引入所述 液化单元21，然后在所述液化单元21中通过流经分别位于暖区Zla和Zlb的所述管道系统 51a和5化，流经位于所述中间区Z2的所述管道系统52, W及流经位于所述冷区Z3的所述管 道系统53,向上流动。所述混合制冷剂然后在设置于管路L16中的膨胀阀54中膨胀，并部分 闪蒸。
[0084] 已经通过所述膨胀阀54的所述混合制冷剂已冷却到低于甲烧的沸点的溫度(在运 种情况下大约-167摄氏度），并且从位于所述冷区Z3的上部的喷头55向下排出（或W与所述 液化单元21中的所述原料气体相反的方向流动）。从所述喷头55喷出的所述混合制冷剂向 下流动，同时与由设置在冷区Z3的所述管道系统32和53形成的上部管束进行热交换，并在 与位于下方的所述喷头45喷出的所述混合制冷剂混合后向下流动，向下流动的同时与由位 于中间区Z2的所述管道系统31，43和52所形成的中间管束W及由位于暖区Z1的所述管道系 统22a，22b，30，42a，4化，51a和5化形成的下部管束进行热交换。
[0085] 从所述喷头45和55喷出的所述混合制冷剂最后经由连接到所述液化单元21的底 端的管路L17作为低压化P)混合制冷剂(MP)气体排出。设置于所述液化单元21中的用于所 述混合制冷剂的设备（如制冷剂分离器41)形成本身已知的用于所述混合制冷剂的制冷循 环的一部分，且输出到管路L17的所述混合制冷剂在通过所述压缩机和所述冷凝器后经由 管路L12被再循环到制冷剂分离器41。
[0086] 如上所述，引入所述液化系统1中的所述原料气体在所述膨胀步骤，所述冷却步 骤，所述蒸馈步骤，所述压缩步骤W及所述液化步骤中被处理之后被有效地液化。运种液化 系统可应用于，例如，用于产生液化天然气化NG)的基本负荷液化厂（base load liquefaction plant)，所述液化天然气化NG)主要由从天然气田开采的所述原料气体的甲 烧构成。
[0087] 表 1 LTO88」（弟一和弟二对化例）
图2和3是示出作为本发明的第一实施例的第一和第二个比较例给出的、天然气液化的 常规系统中液化过程流程的示意图。在常规的天然气的液化系统101和201中，对应于所述 第一实施例的液化系统的部件相对应的部件标W相同的标号。表2和3分别示出第一和第二 比较例的所述液化系统中的所述原料气体的溫度，压力，流速和摩尔分数。应当指出的是， 第二比较例的所述液化系统201基于在专利文献1(US4,065,278)中公开的现有技术。
[0089] 如图2中所示，所述第一比较例的所述液化系统101没有设有在第一实施例的液化 系统1中使用的所述第一膨胀机3和第一压缩机4,从所述除水单元2排出的所述原料气体经 由管路L101转递到冷却器110。冷却器单元通过将冷却器11和冷却器12串联连接所述冷却 器110的下游端而形成，从而使得所述原料气体通过在=个冷却器110,11和12中进行热交 换而依次冷却，所述冷却器110,11和12分别使用高压化P)、中压(MP)和低压化P)丙烷制冷 剂。从所述下游端的所述冷却器12排出的所述原料气体具有约-34.5摄氏度的溫度和约5， 680kPaA的压力。所述原料气体随后通过在管路L4中的膨胀阀113中膨胀而减压，然后被引 入所述蒸馈单元15。
[0090] 在所述液化系统101中，形成在所述第一气液分离容器23中的气相组分的和基本 上由甲烧构成的所述原料气体经由管路L102被引入位于所述液化单元21的中间区Z2的所 述管道系统31中。从所述第一气液分离容器23输出到管路L12的所述原料气体具有约-65.3 摄氏度的溫度和约4400kPaA的压力。
[0091] 表2
[0092] 如在图3中所示，第二比较例的所述液化系统201是第一比较例的液化系统101的 改进，并设置有第一膨胀机3和第一压缩机4。然而，与在第一实施例的液化系统1中使用的 第一膨胀机3相反，所述膨胀机3被位于所述冷却单元的下游侧(在运种情况下所述冷却单 元由=个冷却器110,11和12构成）。在所述液化系统201中，从所述冷却器12排出的所述原 料气体被转递到分离器213, W被分离成气体组分和液体组分。在所述分离器213中形成所 述气相组分的所述原料气体被转递到所述膨胀机3，将在其内膨胀，然后经由管路L204被转 递到所述蒸馈单元15。在所述分离器213中形成液体组分的所述原料气体的部分被输出到 设有膨胀阀214的管路L205。已在所述膨胀阀214被膨胀的液体然后经由管路L204与来自所 述膨胀机3的所述原料气体一起被转递到所述蒸馈单元15。
[0093] 就所述蒸馈单元15的下游的部分而言，所述液化系统201类似于第一实施例中的 所述液化系统201，已被所述压缩机4输出到管路L10的所述原料气体具有大约-54.7摄氏度 的溫度和大约5120kPaA的压力。
[0094] Table 3

L0095」通巧比较本发明与第一和第二比较例可理解的是，根据本发明的液化《统1能 够使得通过膨胀更高溫度和更高压力的原料气体产生更大的动力，因为相比于具有位于所 述冷却单元110,112的下游侧的所述膨胀机3的第二比较例的所述液化系统201，所述第一 膨胀机3位于第一冷却单元11，12的上游侧。因此，可增加的动力驱动所述第一压缩机4 (或可W增加所述第一压缩机4的所述出口压力），从而能够增加引入所述液化单元21的原 料气体的压力，并有利地增加在液化单元21中的液化过程的效率。
[0096] 所说明的实施例的所述液化系统1提供一个额外的优势在于减少所述冷却单元所 需的冷却容量(从而省略第二个比较例中的冷却器110)，因为由于所述第一膨胀机3位于所 述第一冷却单元11，12的上游侧，所述原料气体的溫度通过所述第一膨胀机3中所述原料气 体的膨胀被降低。在所说明的实施例中的所述液化系统1中，可W省略放置于所述冷却单元 和所述膨胀机3之间的用于去除所述原料气体的冷凝物的气液分离容器(分离器213)。
[0097] (第一实施例的第一变形例） 图4为示出作为第一实施例的第一变形例给出的天然气液化系统中的液化处理流程的 示意图。在图4中所示的液化系统中，对于对应于第一实施例的液化系统1的那些部件的部 件标W相同数字，除了下面将讨论的内容外，运些部件将在W下讨论中省略其说明。
[0098] 在第一实施例的所述液化系统中，采用使用甲烧和乙締作为制冷剂的级联制冷工 系统。代替了第一实施例的线轴缠绕式热交换器(液化单元21)，所述主热交换器由各自由 板翅式热交换器构成的甲烧热交换器21a和乙締热交换器2化形成。
[0099] 所述甲烧热交换器21a规定具有第一传热单元61的热区，所述第一传热单元61接 收高压化P)甲烧制冷剂(C1R);具有第二传热单元62的中间区，所述第二传热单元62接收中 压(MP)甲烧制冷剂；W及具有第=传热单元63的冷区，所述第=传热单元63接收低压化P) 甲烧制冷剂。
[0100] 所述乙締热交换器2化规定具有第四传热单元64的热区，所述第四传热单元64接 收高压化P)乙締制冷剂(C2R);具有第五传热单元65的中间区，所述第五传热单元65接收中 压(MP)乙締制冷剂；W及具有第六传热单元66的冷区，所述第六传热单元66接收低压化P) 乙締制冷剂。
[0101] 所述蒸馈单元15中被分离为顶部馈分的所述原料气体经由管路L6被引入所述液 化单元21，并由位于所述乙締热交换器2化的暖区和中间区之上的第屯传热单元22冷却。由 所述第一压缩机4压缩的所述原料气体经由所述管路L10被转递到所述乙締热交换器2化。 沿管路L10流动的所述原料气体被引入位于所述乙締热交换器21b的横跨中间区和冷区的 第八传热单元67,并分两个阶段在所述中间区和冷区被冷却。从所述乙締热交换器21b排出 的所述原料气体被引入从所述乙烧热交换器21a的暖区延伸至其冷区的第九传热单元68， W分=个阶段在暖区、中间区和冷区被冷却。
[0102] 在本发明的第一实施例的第一变形例的所述液化系统1中，由于使用所述板翅式 热交换器作为所述主热交换器，可W得到容易改变将所述管路L10连接到所述主热交换器 的点的好处。因此，即使当流经管路L10的所述原料气体的溫度水平随其压力一起升高时， 通过根据所述原料气体的溫度水平改变将所述原料气体引入所述热交换器的点（或通过使 得所述原料的溫度接近引入到所述热交换器的点处的溫度），能够减小所述热交换器的热 负荷，并能增加所述液化过程的效率。
[0103] (第一实施例的第二、第S和第四变形例） 图5,6和7为示出作为第一实施例的第二、=和四变形例分别给出的所述天然气液化系 统中的液化处理流程的示意图。在图5,6和7中所示的液化系统中，对于对应于第一实施例 (W及其它变形例）的液化系统1的那些部件的部件标W相同数字，除了下面将讨论的内容 夕h运些部件将在W下讨论中省略其说明。
[0104] 如图5中所示，所述第二变形例的所述液化系统1中，所述热交换器69被设置在管 路L4和管路L9之间。因此，在被引入第一压缩机4之前，在所述第一气液分离容器23中分离 为所述气相组分并流过所述管路L9的所述原料气体通过与经由管路L4从所述冷却单元12 流至所述蒸馈单元15的所述原料气体进行热交换来加热。由所述第一压缩机4压缩的所述 原料气体经所述管路L10引入所述液化单元21。所述管路L10的下游端被连接到位于暖区Z1 的管道系统30,所述暖区Z1呈现所述液化单元21的最高溫度。所述管道系统30与管道系统 22,管道系统42W及管道系统51-起形成位于暖区Z1的管束，其中所述蒸馈单元15的顶部 馈分被引入所述管道系统22,混合制冷剂流过所述管道系统42和管道系统51。
[0105] 由于运种设置，在所述第一实施例的第二变形例中，即使当经由管路L10被引入所 述液化单元21的所述原料气体的溫度水平应低于适当的范围，所述原料气体的溫度能够通 过在所述热交换器69中进行热交换而被升高至适当的水平。换句话说，在所述第一实施例 的第二变形例中，在压缩后管路L10中的所述原料气体的溫度能够接近所述液化单元21中 的引入点（管道系统30)处的溫度(优选地偏差低于10摄氏度），从而能够减小所述液化单元 21的热负荷(或最小化热应力的产生）。
[0106] 只要所述管路L10中的所述原料气体的溫度在压缩后能够与所述液化单元21的引 入点处的溫度接近，在第二变形例中的热交换器69的设置能够自由改变。例如，在图6中所 示的第S变形例的所述液化系统1中，所述热交换器69设置在管路L4和管路L10之间。由所 述第一压缩机4压缩并流过所述管路L10的所述原料气体，在被引入所述液化单元21之前， 通过与流过管路L4的所述原料气体进行热交换而冷却。在第S变形例中，因为由所述热交 换器69加热的所述原料气体没有受到如第一压缩机4的装置的介入，而被引入所述液化单 元21，所述被引入所述液化单元1的所述原料气体的溫度可W容易地控制。
[0107] 如图7中所示，所述第四变形例的所述液化系统中，所述热交换器69被设置在管路 L4和管路L6之间。因此，从所述蒸馈单元15分离为顶部馈分并流过所述管路L6的所述原料 气体，在被引入所述液化单元21(所述管道系统22)之前，通过与流过管路L4的所述原料气 体进行热交换而加热。特别地，在所述第四变形例中，即使当所述原料气体由含有如表1所 示的相对较低水平的较重组分(高碳控类)的天然气(贫气)构成，在所述蒸馈步骤之后流过 所述管路L6的所述原料气体的溫度可能低于适当的范围时，能够通过在热交换器69中进行 热交换使得所述原料气体的溫度升高到适当的水平。
[0108] (第一实施例的第五变形例） 图8为示出作为第一实施例的第五变形例给出的天然气液化系统中的液化处理流程的 示意图。在图8中所示的液化系统中，对于对应于第一实施例(包括其变形例）的液化系统1 的那些部件的部件标w相同数字，除了下面将讨论的内容外，运些部件将在w下讨论中省 略其说明。
[0109] 第五变形例类似于第四变形例，但进一步包括设置于所述管路L9和所述管路L10 之间的热交换器79。在管路L10中进一步设置有使用低压化P)丙烷制冷剂(C3R)的第五冷却 器80。因此，从所述第一压缩机4排出的所述原料气体，在被引入所述液化单元21之前，通过 与流过管路L9的所述原料气体进行热交换而冷却。所述管路L10的下游端被连接到位于中 间区Z2的管道系统31。
[0110] 在第五变形例中，从所述第一压缩机4排出的所述原料气体能够被引入中间区Z2 中。因此，暖区Z1中的管束能够由=个所述管道系统22、42和51形成，而在中间区Z2的管束 能够由=个所述管道系统31、43和52形成。因此，在第五变形例中，当所述液化单元21通过 使用线轴缠绕式热交换器形成时，相比所述第四变形例的设置，在暖区Z1和中间区Z2的所 述管道系统的设置可W被优化(通过在不同区之间均匀分布所述管道系统），从而防止所述 液化单元21的尺寸变得过大。类似于在所说明的实施例中的第一和第二冷却器11和12,第 五冷却器80使用丙烷制冷剂，也可W使用其他形式的气冷器或水冷器。
[0111] (第一实施例的第六变形例） 图9为示出作为本发明的第一实施例的第六变形例给出的天然气液化系统中的液化处 理流程的示意图。表4W举例的方式示出在第六实施例的液化系统中的每个不同点处，待液 化的天然气的溫度、压力、流速W及摩尔组成。表5W举例的方式示出在所述液化系统中使 用所述混合制冷剂的制冷循环中的制冷剂的溫度、压力、流速W及组成。在图9中所示的液 化系统中，对于对应于第一实施例(包括其变形例）的液化系统1的那些部件的部件标W相 同数字，除了下面将讨论的内容外，运些部件将在W下讨论中省略其说明。
[0112] 如图9所示，除了在所述原料气体组成和热交换器69的存在(或不存在)方面的差 异，所述第六变形例的所述液化系统1类似于第二至第四变形例的液化系统。在运种情况下 所述管路L10被连接到位于所述液化单元21的所述中间区Z2的所述管道系统31。图9还示出 设置于所述液化系统1的使用混合制冷剂的制冷循环系统70的结构。在运种情况下，如表4 所示，所述原料气体由具有相对高水平的较重的内容物(高碳控类)的天然气（富气)构成。 通过适当地调整所述第一膨胀机3中所述原料气体的膨胀，与第一实施例相比，所述蒸馈单 元15的顶部馈分具有相对较低的压力（约3300kPaA)。其结果是，相比于如结合第一实施例 所讨论的贫气液化过程，所述天然气液体能够经由连接到所述蒸馈单元15的底端的所述管 路L5 W相对较高的效率(例如约89 %的丙烷和约100 %的下烧)回收。
[0113] 在所述制冷循环系统70中，经由管路L17从所述液化单元21中排出的相对较低的 压力（约320KPaA)的混合制冷剂由第一制冷剂压缩机17压缩(第一阶段），由第一中间冷却 器27冷却，由第二制冷剂压缩机18压缩(第二阶段），由第二中间冷却器28冷却，由第=制冷 剂压缩机19压缩(第=阶段）W及由第=中间冷却器29冷却。然后所述混合制冷剂通过包括 第一至第四制冷剂冷却器34一37的一系列冷却器进一步冷却，并经由管路L12引入制冷剂 分离器41。所述第一到第四制冷剂冷却器34…37通过与超高压化HP)，高压化P)，中压(MP) 和低压(LP)丙烷制冷剂进行热交换来分阶段冷却所述混合制冷剂。
[0114] 如上所述，所述制冷循环系统70设置有用于在所述原料气体被引入到所述液化单 元21之前冷却该原料气体的丙烷预冷却设备（图中未示出），并且出于此目的使用丙烷制冷 剂。运样的制冷循环系统70也可W被应用于其它实施例(包括其变形例）。
[0115]表4 …117」（巧一买施例的巧屯变形例）
图10为示出作为本发明的第一实施例的第屯变形例给出的所述天然气液化系统中的 液化处理流程的示意图。表6W举例的方式示出在第屯变形例的液化系统中的每个不同点 处，待液化的天然气的溫度、压力、流速W及摩尔组成。在图10中所示的液化系统中，对于对 应于第一实施例(包括其变形例）的液化系统1的那些部件的部件标W相同数字，除了下面 将讨论的内容外，运些部件将在W下讨论中省略其说明。
[0118] 在第屯变形例中，与在第六变形例中相类似，富气被用作所述原料气体，当所述原 料气体W其临界压力相对较高的方式组成时，运种变形例是有利的。在所述液化系统1中， 使用低压化P)丙烷制冷剂(C3R)的第S冷却器86设置于管路L6,所述管路L6将所述蒸馈单 元15连接到第一气液分离容器23中，W及使用类似的低压丙烷制冷剂的第二冷却器85设置 于管路L10,所述管路L10将所述第一压缩机4连接到所述液化单元21。因此，从所述蒸馈单 元15排到所述管路L6的所述原料气体由所述第=冷却器86冷却，并被引入到所述第一气液 分离容器23。因此，在第屯变形例中，与其他变形例如第六变形例相反，待被引入到第一气 液分离容器23的所述原料气体不需要由所述液化单元21(管道系统22)冷却，运样能够减小 所述液化单元21的液化过程中的负荷。
[0119] 从所述第一压缩机4排到管路L10的所述原料气体通过所述第二冷却器85被冷却， 然后被引入到所述液化单元21。在运种情况下，所述管路L10的下游端被连接到位于暖区Z1 或所述液化单元21最热的部分中的所述管道系统30。因此，在第屯变形例中，即使当由于材 料气体的压缩，所述原料气体的溫度水平超过适当范围时，在第二冷却器85中的冷却能够 使得所述原料气体的溫度接近所述液化单元21的暖区Z1的溫度水平，从而能够减小所述液 化单元21上的热负荷(热应力）。
[0121] (第一实施例的第八变形例）
图33为示出作为本发明的第一实施例的第八变形例给出的天然气液化系统中的液化 处理流程的示意图。在图33中所示的液化系统中，对于对应于第一实施例(包括其变形例） 的液化系统1的那些部件的部件标W相同数字，除了下面将讨论的内容外，运些部件将在W 下讨论中省略其说明。
[0122] 第八变形例类似于上面所讨论的第五变形例，但省略了在所述第五变形例的所述 第五冷却器80,并且在由所述蒸馈单元15开始的所述管路L6和由所述第一压缩机4开始的 所述管路LIO之间添加所述热交换器100。其结果是，代替由第五冷却器80冷却，从所述第一 压缩机4排到管路L10的所述原料气体通过从所述蒸馈装置15排到所述管路L6的原料气体 (顶部馈分)冷却，且与第五变形例类似地被引入热交换器79。同时，从所述蒸馈单元15排出 的所述原料气体在所述热交换之后通过管路L6被引入所述液化单元21，并且随后通过所述 管道系统22冷却。由于运样的设置，在第八变形例中，所述原料气体由所述第五冷却器80的 冷却如同在第五实施例中，可W通过在所述热交换器100的热交换增加或取代。在第八实施 例中，省略在第五实施例中所使用的热交换器69,但也可W设置热交换器69, W使得从所述 蒸馈单元15排到管路L6的所述原料气体经由热交换器69被引入到热交换器100。
[0123] (第二实施例） 图11为示出作为本发明的第二实施例给出的所述天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图。表7W举例的方式示出在第二实施例的液化系统中的每个不同点处，待液化的天 然气的溫度、压力、流速W及摩尔组成。在图11中所示的液化系统中，对于对应于第一实施 例的液化系统1的那些部件的部件标W相同数字，除了下面将讨论的内容外，运些部件将在 W下讨论中省略其说明。
[0124] 所述第二实施例的所述液化系统1进一步包括用于气体供给的第四压缩机71，W 及用于供应原料气体到所述除水单元2的所述管路L1的上游端上的第四冷却器72。在所述 液化系统1中，在被供应到所述除水单元2之前由管路L18供应的所述原料气体通过用于供 应气体的第四压缩机71压缩，并且通过连接到管路L18下游端的第四冷却器72冷却。
[0125] 在所述第二实施例的所述液化系统1中，即使当供应到所述液化系统1中的原料气 体的压力相对较低时，所述原料气体可W由用于供应气体的所述第四压缩机71压缩到所需 的压力，使得从所述第一压缩机4供应到所述液化单元21的原料气体可W维持在相对较高 的压力水平(在运种情况下大约6,800kPaA)。运种液化系统1特别适合用于处理来自相对较 低的压力的来源如页岩气的原料气体。
[0126] 另外，因为所述第二实施例的所述液化系统1能够将从所述第一压缩机4供应到所 述液化单元21的所述原料气体的溫度保持W相对高的水平，由于用于气体供应的第四压缩 机71的存在，管路L10可W被连接到位于所述液化单元21的溫暖部分或暖区Z1的管道系统 30(引入混合制冷剂的点，其中所述混合制冷剂具有与被引入到所述液化单元21的原料气 体大致相同的溫度水平）。此后，使所述原料气体从所述管道系统30流至位于中间区Z2的管 道系统31，W及由此流至位于冷区Z3的管道系统32, W被液化并过冷却。
[0127] 因此，在本第二实施例的液化系统1中，即使当被引入到所述液化单元21的所述原 料气体的溫度上升时，因为所述原料气体被引入到所述液化单元21的具有相似的溫度水平 的暖区Zl(高溫侧），能够减小液化单元21上的热负荷(热应力），并且能够增大液化过程的 效率。所述液化系统1可根据所述原料气体的压力水平，被配置为不用考虑用于供应气体的 第四压缩机71的存在，使得原料气体被引入到所述液化单元21的暖区Z1。如果所述原料气 体的压力高到使得所述原料气体的溫度高于所述液化单元21的暖区Z1(高溫侧)的溫度，可 通过设置如在图10中所示的实施例中类似的第二冷却器85减小所述液化单元21上的负荷。
L0129J (第S实施例）
图12为示出作为本发明的第=实施例给出的所述天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图。表8W举例的方式示出在第=实施例的液化系统中的每个不同点处，待液化的天 然气的溫度、压力、流速W及摩尔组成。在图12中所示的液化系统中，对于对应于第一和第 二实施例的液化系统1的那些部件的部件标W相同数字，除了下面将讨论的内容外，运些部 件将在W下讨论中省略其说明。
[0130] 所述第=实施例的所述液化系统1进一步包括连接到所述第一压缩机4的下游端 的用于附加压缩的第二压缩机75,从而使已经通过所述第一压缩机4压缩的所述原料气体 经由管路LlOa被转递到所述第二压缩机75,并且在所述第二压缩机75中被进一步被压缩 (在运种情况下被压缩至约7000kPaA)之后，经由管路L1化引入所述液化单元21。所述液化 单元21的内部结构类似于第二个实施例的所述液化单元21的内部结构，管路L1化被连接到 位于所述液化单元21的暖区Z1的管道系统30。
[0131] 在所述第=实施例的液化系统1中，由于所述第二压缩机75被添加到所述第一压 缩机4的下游端，经由管路LlOb从所述第二压缩机75转递到所述液化单元21的所述原料气 体的压力甚至能够被进一步增加(例如高达7,000~10,000kPaA)，从而使得液化过程的效 率甚至能够被进一步提高。
[0132] 表8

[0133] (第S实施例的变形例） 图13为示出作为本发明的第=实施例的变形例给出的所述天然气液化系统中的液化 处理流程的示意图。在图13中所示的液化系统中，对于对应于第一到第=实施例的液化系 统1的那些部件的部件标W相同数字，除了下面将讨论的内容外，运些部件将在W下讨论中 省略其说明。
[0134] 在本变形例的所述液化系统中，所述第二压缩机75由电机(第一电机)8巧区动，电 机81的速度由为变频驱动设计的控制器82来控制。所述电机81接收电力的外部供应。所述 电机81的速度(或所述第二压缩机75的操作），根据由设置在所述管路L1化的压力计83所检 测的压力值控制，从而使得被引入所述液化单元的原料气体的压力21保持在一个固定值 (或一个固定的范围内）。因此，被引入所述液化单元21的所述原料气体的压力能够通过所 述压缩机75W稳定的方式增加，从而也可W将所述原料气体的溫度保持在合适的范围内， 且所述液化过程能够在所述液化单元21中W既有效率又稳定的方式进行。
[0135] (第四实施例） 图14为示出作为本发明的第四实施例给出的所述天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图。表9W举例的方式示出在第四实施例的液化系统中的每个不同点处，待液化的天 然气的溫度、压力、流速W及摩尔组成。在图14中所示的液化系统中，对于对应于第一到第 =实施例的液化系统1的那些部件的部件标W相同数字，除了下面将讨论的内容外，运些部 件将在W下讨论中省略其说明。
[0136] 所述第四实施例的液化系统1进一步包括第二冷却器85,其使用低压化P)丙烷制 冷剂(C3R)，所述第二冷却器85设置在图12所示的第S实施例的所述第二压缩机75的下游 端部上。从所述第一压缩机4排到管路LlOa的所述原料气体通过所述第二压缩机75被压缩， 被转递到所述第二冷却器85从而被冷却，并且经由管路LlOc被引入到所述液化单元21。所 述液化单元21的内部结构类似于第=个实施例的所述液化单元21的内部结构，管路LlOc被 连接到位于所述液化单元21的暖区Z1的管道系统30。
[0137] 在所述第四实施例的液化系统1中，由于原料气体通过第二压缩机75的压缩，即使 原料气体的溫度超过合适的范围时，通过在所述第二压缩机75的下游设置的使用低压丙烷 制冷剂的所述第二冷却器85中冷却所述原料气体，能够使得所述原料气体的溫度接近带到 所述液化单元21的暖区Z1的溫度水平，从而能够减小所述液化单元21上的热负荷，且能够 提高所述液化过程的效率。如果在所述第一压缩机4的启动时间使用所述第二冷却器85(使 用呈现比水或空气更高的冷却容量的丙烷制冷剂）用于在循环操作中所述原料气体的冷 却，则能够实现改进的冷却(0摄氏度W下）的性能。
[013引亲9

'[0139]表10比较了第^至第四实施例W及第一和第二比较例中的不同压缩机的动力需 求。如表10所示，第一至第四实施例的总动力需求与具体动力小于所述第一和第二比较例 (现有技术)。 「01401 亲 10 LU'14'I」 ^弟立头她1 夕U；
图15为示出作为本发明的第五实施例给出的所述天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图。在图15中所示的液化系统中，对于对应于第一到第四实施例的液化系统1的那些 部件的部件标W相同数字，除了下面将讨论的内容外，运些部件将在W下讨论中省略其说 明。
[0142] 在第五实施例的液化系统1中，与第一到第四实施例相反，所述第一膨胀机3 W及 第一压缩机4不是彼此机械连接，而是彼此电气连接。所述第一膨胀机3被连接到发电机87， 从而使得由膨胀机3产生的动力由所述发电机87转换成电力。由所述发电机87产生的电力 被供应给电机84,用于驱动该第一压缩机4。换句话说，通过第一膨胀机3产生的动力由第一 压缩机4使用。由发电机87供应的电力可W至少是用于驱动电机84的电力的一部分，并且当 电力短缺时，外部电源可W用于增大短缺的电力。
[0143] 在所述第五实施例的液化系统1中，因为所述第一膨胀机3 W及所述第一压缩机4 彼此电气连接，能够增加所述第一膨胀机3W及所述第一压缩机4在启动和/或断电时的操 作模式的自由度(例如使得所述第一膨胀机3 W及所述第一压缩机4可W单独操作）。
[0144] (第六实施例） 图16为示出作为本发明的第六实施例给出的所述天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图。在图16中所示的液化系统中，对于对应于第一到第五实施例的液化系统1的那些 部件的部件标W相同数字，除了下面将讨论的内容外，运些部件将在W下讨论中省略其说 明。
[0145] 在所述第六个实施例的液化系统1中，含有88mol%甲烧的富气用作所述原料气体 (类似于第六、第屯和第八实施例的变形例）。在此液化系统中，在所述蒸馈单元15被分离成 顶部馈分的所述原料气体经由管路L19直接引入到所述第一压缩机4从而被压缩。所述原料 气体随后在暖区Z1中的管道系统22中预冷却，并经由管路L21转递给第一气液分离容器23。
[0146] 所述第一气液分离容器23分离所述原料气体的液相组分(冷凝物），并且构成所述 液相组分的液态控类通过设置于管路L22的膨胀阀89再循环到所述蒸馈单元15。同时，主要 由甲烧构成并在第一气液分离容器23中形成液相组分的所述原料气体经由管路L23被转递 到所述液化单元21中的所述管道系统31。
[0147] 在所述第六实施例的液化系统1中，因为第一气液分离容器23设置在第一压缩机4 的下游侧，W及从所述第一压缩机4排出的原料气体经由位于暖区Z1中的管道系统22被引 入第一气液分离容器23中，能够使得所述原料气体的溫度接近所述液化单元21的所述暖区 Z1的溫度水平。此外，由于所述原料气体在所述液化单元21的暖区Z1(管道系统22)中冷却， 并且从第一气液分离容器23排出的所述气相组分被引入中间区Z2(管道系统31)，能够容易 地使得所述原料气体的溫度接近所述液化单元21的中间区Z2的溫度水平。另外，因为从所 述第一气液分离容器23排出的所述原料气体可通过第一压缩机4被压力输送，能够省略在 一些包括第一实施例的实施例中设置于所述再循环管路(管路L21)的再循环累24,所述再 循环管路从第一气液分离容器23延伸至所述蒸馈单元15。
[0148] 在所述液化单元21的所述原料气体的液化中，提高所述压缩机4的出口压力(或增 加被引入所述液化单元21的所述原料气体的压力)是有利的。然而，正如在第一实施例的情 况下，当在所述第一气液分离容器23中被分离的所述蒸馈单元15的顶部馈分在所述液化单 元21中被冷却，W及所述分离的气相组分在被引入到所述液化单元21之前由所述第一压缩 机4压缩时，因为所述原料气体的溫度通过在所述液化单元21之前的所述第一压缩机4增 大，所述溫度取决于所述原料气体的组分、压力W及进料速度，所述原料气体的溫度水平可 能偏离用于引入所述液化单元21的合适的范围，从而使所述液化单元21上的热负荷可能变 得过量。运样的问题可W通过改变将所述原料气体引入液化单元21的点来解决，但是，当主 热交换器由一种不允许引入点被轻易改变的诸如线轴缠绕式热交换器构成时，情况就不一 定如此了。因此，如果在蒸馈单元15中分离为顶部馈分的原料气体经由管路L19直接转发到 第一压缩机4被压缩，由第一压缩机4压缩的原料气体在液化单元21中的暖区Z1冷却，经冷 却的原料气体在第一气液分离器23分离，将原料气体中的被分离的气相组分被引入液化单 元21的中间区域Z2(暖区Z1的下游）中，于本实施例的情况下，材料气体的溫度可在适当的 范围内保持(或原料气体的溫度可W接近于在液化单元21的引入点的溫度水平）。
[0149] (第六实施例的第一变形例） 图17为示出作为本发明的第六实施例的变形例给出的所述天然气液化系统中的液化 处理流程的示意图。表11W举例的方式示出在第六实施例的液化系统中的每个不同点处， 待液化的天然气的溫度、压力、流速W及摩尔组成。在图17中所示的液化系统中，对于对应 于第六实施例的液化系统1的那些部件的部件标W相同数字，除了下面将讨论的内容外，运 些部件将在w下讨论中省略其说明。
[0150] 在该变形例的运种液化系统1中，省略了在图16所示的第六实施例中使用的第一 冷却器11，并且使用低压丙烷作为制冷剂的第二冷却器85被设置在所述第一压缩机4的下 游侧。在经由管路L21被引入所述气液分离器23之前，所述原料气体经由管路L20a从所述第 一压缩机4被转递至所述第二冷却器85W在其中冷却，并在经由管路L21被引入第一气液分 离容器23之前，经由管路L2化被转递至位于所述液化单元21的暖区Z1的管道系统22W被进 一步冷却。
[0151] 在第六实施方式的第一变形例的本液化系统中，由于第二冷却器85设置在第一压 缩机4的下游侧，即使当从第一压缩机4排出的原料气体的溫度高于所述液化单元21的暖区 Z1中的溫度，由于应用于原料气体的第二冷却器85的冷却作用，能够使得原料气体的溫度 接近液化单元21的暖区Z1的溫度水平。 LUIW」 ^弟穴头她巧化'、」弟^卿弟二雙化1 夕U;
图18和19为示出作为第六实施例的第二和第=变形例分别给出的所述天然气液化系 统中的液化处理流程的示意图。在图18和19中所示的液化系统中，对于对应于第六实施例 (包括其它实施例和变形例）的液化系统1的那些部件的部件标W相同数字，除了下面将讨 论的内容外，运些部件将在W下讨论中省略其说明。
[0154] 如图18所示，所述第二变形例的液化系统1包括位于所述管路L4和管路L19之间的热交 换器69,从而使得在所述蒸馈单元15中被分离为顶部馈分并通过管路L19引导的原料气体 通过与流经管路L4的原料气体进行热交换被加热，然后被引入所述第一压缩机4,其中所述 流经管路L4的原料气体从冷却器12流至蒸馈单元15。由所述第一压缩机4压缩的所述原料 气体经所述管路L20引入所述液化单元21。所述管路L20的下游端被连接到位于暖区Z1或所 述液化单元21最热的部分中的所述管道系统22。
[0155] 由于运种设置，在所述第二变形例中，即使当经由管路L20被引入所述液化单元21 的所述原料气体的溫度低于适当的范围，所述原料气体的溫度能够通过在所述热交换器69 中进行热交换而被升高至适当的水平。换句话说，能够使得所述管路L20中的已被压缩的原 料气体的溫度接近在液化单元21中的引入点（管道系统22)处的溫度，从而使得所述液化单 元21上的热负荷(热应力)能够减少。
[0156] 如图19所示，第S变形例的液化系统1包括位于所述管路L4和管路L20之间的热交 换器69,从而使得从第一压缩机4排出并通过管路L20引导的原料气体通过与流经管路L4的 原料气体进行热交换而被加热，然后被引入到位于液化单元21的暖区Z1的管道系统。在第 =变形例中，在所述热交换器69中加热的所述原料气体没有受到第一压缩机4的介入，而被 直接引入所述液化单元21，因此所述被引入所述液化单元21的所述原料气体的溫度可W容 易地控制。
[0157] 只要压缩后所述管路L20中的所述原料气体的溫度能够与所述液化单元21的引入 点处的溫度接近，在第六实施例中的第二和第=变形例中的热交换器69的定位在不偏离本 发明的精神下，能够发生各种改变。
[0158] 图20为示出作为本发明的第六实施例的第四变形例给出的所述天然气液化系统 中的液化处理流程的示意图。表12W举例的方式示出在第四变形例的液化系统中的每个不 同点处，待液化的天然气的溫度、压力、流速W及摩尔组成。在图20中所示的液化系统中，对 于对应于第六实施例(包括其它变形例）的液化系统1的那些部件的部件标W相同数字，除 了下面将讨论的内容外，运些部件将在W下讨论中省略其说明。
[0159] 与第六实施例相比，所述第四变形例的配置适用于，当原料气体具有相对较低的 压力，而由于所述原料气体的组成可能包括氮和较重的内容物，其临界压力相对较高的时 候。在所述液化系统1中，与所述第六个实施例的第一变形例类似，所述原料气体经由路线 L20a从第一压缩机4被转递到第二冷却器85W在其中冷却，并且经由路线L2化被引入第一 气液分离容器23。然而，在第四变形例中，管路L20b不经过所述液化单元21的介入，直接连 接到第一气液分离容器23，而且形成所述第一气液分离容器23中的气相组分的所述原料气 体被转递到位于暖区Z1或所述液化单元21的最热的部分的管道系统30。由于运种结构，在 第四变形例中，与第一变形例相反，不需要使得被引入所述第一气液分离容器23的所述原 料气体(通过引入所述管道系统22中）冷却，运样能够减小所述液化单元21的液化过程中的 负荷。 r〇1A01 勒 9

[0161] (第屯实施例） 图21为示出作为本发明的第屯实施例给出的所述天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图。在图21中所示的液化系统中，对于对应于第一到第六实施例的液化系统1的那些 部件的部件标W相同数字，除了下面将讨论的内容外，运些部件将在W下讨论中省略其说 明。
[0162] 所述第屯实施例的所述液化系统1类似于第六实施例的所述液化系统1，但不同的 是，两个膨胀机(第一膨胀机3a和第二膨胀机3b)彼此并联地与所述除水单元2的下游端连 接。在第屯实施例中，第一膨胀机3a和第二膨胀机3b分别通过各自共有的轴5a、5b与一对压 缩机(第一压缩机4a和第=压缩机4b)相连接。
[0163] 如图21所示，从所述除水单元2排出的原料气体通过各自的管路L2a和L2b被转递 至第一和第二膨胀机3a和3b。从第一和第二膨胀机3a和3b排出的原料气体经由管路L3a、 L3b和L3被转递至所述冷却器12。在运种情况下，因为能够减少冷却装置所需的冷却容量， 只设置有使用低压(LP)丙烷制冷剂(C3R)的单个冷却器12。
[0164] 所述蒸馈单元15的被分离为顶部馈分的原料气体通过管路L19被转递至所述第= 压缩机4bW被压缩。所述原料气体随后从第=压缩机4b经由管路L20被转递至位于所述暖 区Z1中的管道系统22W在其中冷却，然后经由管路L21被引入第一气液分离容器23。
[0165] 所述第一气液分离容器23分离所述原料气体的液相组分(冷凝物），并且由液态控 类构成的所述液相组分通过设置于管路L22的膨胀阀89再循环到所述蒸馈单元15。同时，形 成在第一气液分离容器23中分离的气相组分的所述原料气体经由管路L24被转递至所述第 一压缩机4aW被压缩，而从第一压缩机4a排出的所述原料气体经由管路L25被引入位于所 述液化单元21的所述暖区Z1中的管道系统30。
[0166] 根据使用一对膨胀机3a和3bW及一对压缩机4a和4b的第屯实施例的设置，即使当 供应给所述液化系统1的所述原料气体具有相对较高的压力和具有低的临界压力时，所述 原料气体能够通过使用多个压缩机4a和4bW适当的方式被压缩(而不会导致被引入所述蒸 馈单元15的所述原料气体超出临界压力而被压缩）。
[0167] (第八个实施例） 图22为示出作为本发明的第八实施例给出的所述天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图。在图22中所示的液化系统中，对于对应于第一到第屯实施例的液化系统1的那些 部件的部件标W相同数字，除了下面将讨论的内容外，运些部件将在W下讨论中省略其说 明。
[0168] 所述第八实施例的所述液化系统1与第六或第屯实施例的所述液化系统1相类似， 但不同的是，两个第一膨胀机3a和3b串联连接，而所述分离器91位于两个第一膨胀机3a和 3b之间。
[0169] 如图22所示，从除水单元2排出的所述原料气体经由管路L2被转递到所述第一膨 胀机3a，W在其内膨胀，然后经由管路L3被引入所述分离器91。在所述分离器91中分离为气 相组分的所述原料气体经由管路L26被转递到所述第二膨胀机3b，W在其内膨胀，然后经由 管路L27被转递到冷却器12。与此同时，原料气体的液相组分(冷凝物)经由设置于管路L28 中的膨胀阀92被转递到所述冷却器12。
[0170] 根据第八实施例，与上文所讨论的第屯实施例类似，即使当供应给所述液化系统 的所述原料气体具有相对较高的压力和低临界压力时，所述原料气体可W通过使用多个压 缩机4a和4bW适当的方式压缩。
[0171] (第八实施例的第一和第二变形例） 图23和24为示出作为第八实施例的第一和第二变形例分别给出的所述天然气液化系 统中的液化处理流程的示意图。在图23和24中所示的液化系统中，对于对应于第八实施例 (包括其它实施例和变形例）的液化系统1的那些部件的部件标W相同数字，除了下面将讨 论的内容外，运些部件将在W下讨论中省略其说明。
[0172] 如图23中所示，所述第一变形例的所述液化系统1与第八实施例类似，但不同的 是，所述热交换器69被设置在管路L4和管路L9之间。因此，在所述蒸馈单元15中分离为顶部 馈分并流过所述管路L19的所述原料气体，在被引入所述第=膨胀机4b之前，通过与流过管 路L4的所述原料气体进行热交换而加热，所述管路L4从所述冷却器12开始到蒸馈单元15。 在所述第一变形例中，由于运种设置，即使当经由管路L20被引入所述液化单元21的所述原 料气体的溫度低于适当的范围时，所述原料气体的溫度能够通过在所述热交换器69中进行 热交换而被适当地升高。
[0173] 如图24中所示，所述第二变形例的所述液化系统1与第八实施例类似，但不同的 是，所述热交换器69被设置在管路L4和管路L25之间。因此，由所述第一压缩机4a压缩并通 过所述管路L25引导的所述原料气体，在被引入位于所述液化单元21的所述暖区Z1的所述 管道系统30之前，通过与流过管路L4的所述原料气体进行热交换而加热，所述管路L4开始 于所述冷却器12,结束于所述蒸馈单元15。在第二变形例中，因为在所述热交换器69中加热 的所述原料气体没有受到第一压缩机4的介入，而被直接引入所述液化单元21，因此所述被 引入所述液化单元的所述原料气体的溫度可W容易地控制。
[0174] 只要待被引入所述液化单元21的所述原料气体的溫度能够与所述液化单元21的 引入点处的溫度接近，在第一和第二变形例中的热交换器69的位于不偏离本发明的精神 下，能够发生各种改变。
[0175] (第九实施例） 图25为示出作为本发明的第九实施例给出的所述天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图。在图25中所示的液化系统中，对于对应于第一到第八实施例的液化系统1的那些 部件的部件标W相同数字，除了下面将讨论的内容外，运些部件将在W下讨论中省略其说 明。
[0176] 当所述原料气体的临界压力相对较低，从所述第一压缩机4排到所述第一气液分 离容器23的原料气体的压力可能高于临界压力（或第一气液分离容器23无法正常工作）时， 所述第九实施例的所述液化系统1类似于第六实施例的第一变形例是有利的。在所述液化 系统1中，所述原料气体从第一压缩机4经由管路L20a转递到第二冷却器85W在其中冷却， 然后经由管路L2化转递到位于所述液化单元21的暖区Z1中的管道系统22W待在其中进一 步冷却。通过管路L21引导的原料气体被转递到从管路L21的分支点分出的管路L22和L23， 其中一条管路在另一条之上，从而使得所述原料气体的一部分经由设置于较下的管路L22 的膨胀阀89被再循环至所述蒸馈单元15,而所述原料气体的剩余部分经由较上的管路L23 被引入位于所述液化单元21的中间区Z2中的管道系统31。由于运种设置，第九实施例的所 述液化系统1使得所述液化单元21中的液化过程上的负荷减少。
[0177] (第九实施例的变形例） 图26为示出作为本发明的第九实施例的变形例给出的所述天然气液化系统中的液化 处理流程的示意图。在图26中所示的液化系统中，对于对应于第九实施例的液化系统1的那 些部件的部件标W相同数字，除了下面将讨论的内容外，运些部件将在W下讨论中省略其 说明。
[0178] 所述变形例的所述液化系统1包括第二气液分离容器25,其中通过管路L22引导的 所述原料气体经由膨胀阀89被引入所述第二气液分离容器25。所述第二气液分离容器25分 离所述原料气体的液相组分(冷凝物），并且将所述分离的液相组分经由设置于管路L30的 膨胀阀90再循环到所述蒸馈单元15。同时，形成所述第二气液分离容器25内的气相组分的 原料气体被转递至连接管路L19的管路L31，从而使得所述原料气体经由设置于管路L31的 膨胀阀93被转递至所述第一压缩机4。由于运种设置，运个变形例的所述液化系统1具有稳 定所述蒸馈单元15中的过程的优点。
[0179] (第十实施例） 图27为示出作为本发明的第十实施例给出的所述天然气液化系统中的液化处理流程 的示意图。在图27中所示的液化系统中，对于对应于第一到第九实施例的液化系统1的那些 部件的部件标W相同数字，除了下面将讨论的内容外，运些部件将在W下讨论中省略其说 明。
[0180] 第十实施例的所述液化系统1与图16中所示的第六实施例相类似，但就所述蒸馈 单元15的上游部分而言，其类似于图3中所示的比较例。更具体地，在第十实施例的所述液 化系统中，所述膨胀机3位于冷却单元的下游侧(在运种情况下为=个冷却器10、11和12)， 并从所述冷却器12排出的原料气体经由管路L4a被转递到所述分离器13W被分离为气体和 液体。在所述分离器13中形成所述气相成分的所述原料气体经由管路L4b被转递到所述膨 胀机3,并且在所述膨胀机3内膨胀后，经由管路L4c被转递到所述蒸馈单元15。在所述分离 器13中形成液相组分的所述原料气体被转递到设有膨胀阀14的管路L4d。已在所述膨胀阀 14中被膨胀后，所述液相组分经由管路L4c与来自所述膨胀机3的所述原料气体一起被转递 到所述蒸馈单元15。
[0181] 在第十实施例的所述液化系统中，由于运种设置，通过将所述膨胀机3位于所述冷 却单元的下游侧从而降低其输出动力，能够避免通过使用由膨胀机3提供的动力由所述压 缩机4压缩的所述原料气体的溫度的过度上升，从而能够容易地使所述原料气体的溫度接 近所述液化单元21的引入点的溫度。不需要考虑所述第一膨胀机3和冷却器11和12(在第六 实施例省略了冷却器10)的设置，也能够获得所述第六实施例获得的优点。在第十实施例的 所述液化系统1中，类似于结合图17中所示的实施例一起讨论的实施例，使用更低压的丙烷 作为制冷剂的第二冷却器85可W可选地设置在所述第一压缩机4的下游端。同样如图26所 示的实施例中，代替所述第一气液分离容器23,所示第二气液分离容器25可能设置在所述 液化系统1中用来接收经由膨胀阀89通过管路L22引导的原料气体。在运种情况下，围绕着 第二气液分离容器25的结构(如管路L30和L31，W及膨胀阀89和90)可W类似于图26所示的 结构。
[0182] (第十实施例的第一和第二变形例） 图28和29为示出作为第十实施例的第一和第二变形例分别给出的所述天然气液化系 统中的液化处理流程的示意图。在图28和29中所示的液化系统中，对于对应于第十实施例 的液化系统1的那些部件的部件标W相同数字，除了下面将讨论的内容外，运些部件将在W 下讨论中省略其说明。
[0183] 如图28所示，所述第一变形例的液化系统1与第十实施例相类似，但是不同的是， 在所述管路L4a和管路L19之间设置有热交换器69,从而使得在所述蒸馈单元15中分离为顶 部馈分并通过管路L19引导的原料气体通过与流经管路L4a的原料气体进行热交换被加热， 然后被引入所述第一压缩机4,其中所述流经管路L4a的原料气体从冷却器12流至所述第一 膨胀机3的上游侧的所述分离器13。由于运种设置，在所述第一变形例中，即使当经由管路 L20被引入所述液化单元21的所述原料气体的溫度低于适当的范围，所述原料气体的溫度 能够通过在所述热交换器69中进行热交换而被维持在适当的水平。
[0184] 如图29中所示，所述第二变形例的所述液化系统1与第十实施例类似，但不同的 是，所述热交换器69被设置在管路L4a和管路L25之间。因此，由所述第一压缩机4a压缩并通 过所述管路L20引导的所述原料气体，在被引入位于所述液化单元21的所述暖区Z1的所述 管道系统22之前，通过与流过管路L4a的所述原料气体进行热交换而加热，所述管路L4开始 于所述冷却器12,结束于所述分离器13。在第二变形例中，因为在所述热交换器69中加热的 所述原料气体没有受到第一压缩机4的介入，而被直接引入所述液化单元21，因此所述被引 入所述液化单元的所述原料气体的溫度可W容易地控制。
[0185] (第十一实施例） 图30为示出作为本发明的第十一实施例给出的所述天然气液化系统中的液化处理流 程的示意图。在图30中所示的液化系统中，对于对应于第一到第十实施例的液化系统1的那 些部件的部件标W相同数字，除了下面将讨论的内容外，运些部件将在W下讨论中省略其 说明。
[0186] 第十一实施例的所述液化系统1与上文讨论过的第六实施例类似，但不同之处在 于与如图15中所示的类似，所述第一膨胀机3连接到所述第一压缩机4。更具体地，在第十一 实施例的液化系统1中，所述第一膨胀机3W及第一压缩机4不是彼此机械连接，而是彼此电 气连接。所述第一膨胀机3被连接到发电机87,而由所述第一膨胀机3产生的动力由运个发 电机87转换成电力。由所述发电机87产生的电力被供应给驱动所述第一压缩机4的电机84。 换句话说，通过第一膨胀机3产生的动力由第一压缩机4使用。由发电机87供应的电力可W 至少是用于驱动电机84的电力的一部分，并且当电力短缺时，外部电源可W用于增大短缺 的电力。
[0187] (所述膨胀机和压缩机的变形例） 图31和32为示出可W用于上述所讨论的不同实施例中的天然气液化系统中的在所述 膨胀机和所述压缩机之间的机械连接装置的第一和第二变体的示意图；
[0188] 图31所示的变体中，电机(第二电机)84介于第一膨胀机3和第一压缩机4之间，所 述电机84的速度由用于变频控制驱动的控制器82控制。所述电机84接收来自外部来源的电 力的供应。第一膨胀机3,第一压缩机4和电机84设置在一个共同的轴上，由所述第一膨胀机 3通过所述原料气体的膨胀产生的动力能够被用于驱动所述第一压缩机4。从而，能够减少 电机84的动力要求。因此通过使用电机84的动力来增加由第一膨胀机3的产生的动力，所述 第一压缩机4的出口压力能够W稳定的方式增加。
[0189] 在图32所示的变体中，所述第一膨胀机3的轴，所述第一压缩机4的轴和所述电机 84的轴分别装有齿轮96、97和98。第一膨胀机3的齿轮96与电机84的齿轮97晒合，W及电机 84的齿轮97与第一压缩机4的齿轮98晒合。因此，第一膨胀机3W及第一压缩机4经由电机84 W动力传递关系连接(机械连接）。由于运种设置，通过使用所述电机84的动力来增大由所 述第一膨胀机3产生的动力，所述第一压缩机4的出口压力W稳定的方式增加。所述第一膨 胀机3、所述第一压缩机4W及所述电机84的连接设置可W由本身已知的诸如行星齿轮机的 齿轮机构构成。
[0190] 本发明已由【具体实施方式】描述，但运些实施例只是例子，并不W任何形式限制本 发明。根据本发明的用于天然气液化的所述液化系统和液化方法的各种组件并不一定完全 不可或缺，但可W不脱离本发明的精神下被适当地取代和省略。
【主权项】
1. 天然气液化系统，其冷却天然气以产生液化天然气，包括： 第一膨胀机，其用于通过膨胀压力状态下的天然气作为原料气体来产生动力； 第一冷却单元，其用于冷却在所述第一膨胀机中通过膨胀减压的所述原料气体； 蒸馏单元，其用于通过蒸馏由所述第一冷却单元冷却的所述原料气体来减少或除去所 述原料气体中的重质组分； 第一压缩机，其用于通过使用在所述第一膨胀机中所产生的动力来压缩通过所述蒸馏 单元从其中减少或除去所述重质组分的所述原料气体;以及 液化单元，其用于通过与制冷剂进行热交换来液化由所述第一压缩机压缩的所述原料 气体。2. 根据权利要求1所述的天然气液化系统，进一步包括第二冷却单元，其设置在所述第 一压缩机和所述液化单元之间以冷却由所述第一压缩机压缩的所述原料气体。3. 根据权利要求1或2述的天然气液化系统，其中所述液化装置包括线轴缠绕式热交换 器，并且从所述第一压缩机排出的所述原料气体被引入到所述线轴缠绕式热交换器的位于 所述线轴缠绕式热交换器的高温侧上的暖区。4. 根据权利要求1所述的天然气液化系统，进一步包括第二压缩单元，其设置在所述第 一压缩机和所述液化单元之间以压缩从所述第一压缩机排出的所述原料气体。5. 根据权利要求4所述的天然气液化系统，进一步包括第一电机，其由外部电力供电， 并且对其的控制取决于引入所述液化单元的所述原料气体的压力值，所述第二压缩机由所 述第一电机驱动。6. 根据权利要求4的天然气液化系统，进一步包括第二冷却单元，其设置在所述第二压 缩机和所述液化单元之间以冷却所述原料气体。7. 根据权利要求1所述的天然气液化系统，进一步包括发电机组，其用于将由所述第一 膨胀机产生的动力转化为电力；以及第二电机，其用于驱动所述第一压缩机，所述第二电机 通过所述发电机组产生的电力供电。8. 根据权利要求1所述的天然气液化系统，进一步包括第二电机，其使得所述第一膨胀 机和所述第一压缩机彼此机械偶联，并通过外部电力供电，其中，所述第一压缩机用于通过 使用由所述第一膨胀机产生的动力和第二电机产生的动力来压缩所述原料气体。9. 根据权利要求1所述的天然气液化系统， 其中，通过所述蒸馏单元从其中减少或除去所述重质组分的所述原料气体被直接引入 所述第一压缩机，并且所述系统进一步包括第一气液分离容器，其用于经由所述液化单元 接收由所述第一压缩机压缩的所述原料气体;以及 其中在所述第一气液分离容器中分离的所述原料气体的气相组分被再次引入所述液 化单元，而所述原料气体的液相成分被再循环到所述蒸馏单元。10. 根据权利要求9的天然气液化系统，进一步包括第二冷却单元，其设置在所述第一 压缩机和所述第一气液分离容器之间以冷却所述原料气体。11. 根据权利要求1的天然气液化系统，进一步包括:第二膨胀机，其设置在所述第一膨 胀机和所述蒸馏单元之间以通过膨胀所述原料气体产生动力；以及 第三压缩机，其放置于所述蒸馏单元和所述第一压缩机之间以通过使用由所述第二膨 胀机所产生的动力来压缩由所述蒸馏单元蒸馏的所述原料气体。12. 根据权利要求1所述的天然气液化系统，进一步包括： 第二膨胀机，其设置为与所述第一膨胀机并联，从而通过膨胀所述原料气体来产生动 力；以及 第三压缩机，其放置于所述蒸馏单元和所述第一压缩机之间以通过使用由所述第二膨 胀机产生的动力来压缩由所述蒸馏单元蒸馏的所述原料气体。13. 根据权利要求1所述的天然气液化系统，其中所述液化单元包括板翅式热交换器。14. 根据权利要求1所述的天然气液化系统，其中由所述第一压缩机压缩的所述原料气 体的压力高于5171KPaA。15. 根据权利要求4或5所述的天然气液化系统，其中由所述第二压缩机压缩的所述原 料气体的压力高于5171KPaA。16. 根据权利要求1~8任一项所述的天然气液化系统，进一步包括热交换器，其用于对 被引入所述蒸馏单元的所述原料气体以及来自所述蒸馏单元的顶部馏分之间进行热交换。17. 根据权利要求1~8任一项所述的天然气液化系统，进一步包括第一气液分离容器， 其用于从所述蒸馏单元接收顶部馏分；以及第三冷却单元，其放置于所述蒸馏单元和所述 第一气液分离容器之间，以冷却来自所述蒸馏单元的顶部馏分。18. 根据权利要求1~8任一项所述的天然气液化系统，进一步包括第二热交换器，其用 于对待被引入所述第一压缩机的所述原料气体以及由所述第一压缩机压缩的所述原料气 体之间进行热交换。19. 根据权利要求18的天然气液化系统，进一步包括第五冷却单元，其用于通过使用 水、空气或丙烷制冷剂在所述第二热交换器的上游点处冷却被所述第一压缩机压缩的所述 原料气体。20. 根据权利要求18的天然气液化系统，进一步包括第三热交换器，其用于在被所述第 一压缩机压缩的所述原料气体以及来自所述蒸馏单元的所述顶部馏分之间进行热交换。21. 天然气液化系统，其冷却天然气以产生液化天然气，包括： 第一膨胀机，其用于通过膨胀压力状态下的天然气作为原料气体来产生动力； 蒸馏单元，其用于通过蒸馏通过所述第一膨胀机中的膨胀减压的所述原料气体来减少 或除去所述原料气体中的重质组分； 第一压缩机，其用于通过使用在所述第一膨胀机中所产生的动力来压缩通过所述蒸馏 单元从其中减少或除去所述重质组分的所述原料气体;以及 液化单元，其用于通过与制冷剂进行热交换来液化由所述第一压缩机压缩的所述原料 气体。22. 天然气液化方法，其通过冷却天然气以产生液化天然气，包括： 第一膨胀步骤，其用于通过膨胀压力状态下的天然气作为原料气体来产生动力； 第一冷却步骤，其用于冷却通过在所述第一膨胀步骤中的膨胀减压的所述原料气体； 蒸馏步骤，其用于通过蒸馏在所述第一冷却步骤中冷却的所述原料气体来减少或除去 所述原料气体中的重质组分； 第一压缩步骤，其用于通过使用在所述第一膨胀步骤中所产生的动力来压缩在所述蒸 馏步骤中从其中减少或除去所述重质组分的所述原料气体;以及 液化步骤，其用于通过与制冷剂进行热交换来液化在所述第一压缩步骤中压缩的所述 原料气体。
【文档编号】F25J5/00GK106062495SQ201480071324
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2014年12月26日
【发明人】吉川喜次, 酒井功朗, 酒井功一朗
【申请人】千代田化工建设株式会社