可供选择的预冷却配置的制作方法

专利名称：可供选择的预冷却配置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于气体物流液化的系统和方法，更特别地，涉及一种在大容量 液化设备中用于天然气物流液化的系统和方法。
背景技术：
在过去的若干年里，液化天然气(LNG)工业已经朝着利用大容量液化设备的方向 发展以便实现与大型设备相关的有利的经济性。然而，当制冷剂的质量和体积流量增大 时，规模扩大带来的问题出现了。例如，压缩设备特别是与预冷却相关的压缩设备的设计 成为问题所在，因为增加的流率需要更大的压缩机叶轮，具有更高的叶端速度、更厚和更重 的外壳以及更高的叶轮进口速度。当设备规模扩大时，由于接近基础空气动力学的极限 (fundamentalaerodynamic limits)，压缩机的设计成为更大的问题，因而，规模扩大可能 受到这些考虑因素的限制。另外这些预冷却压缩机是大的且通常包含多级。此外，在许多 情况下规模扩大需要大型而笨重的设备，其制造和/或安装可能困难并且成本高。转让给本发明的受让人的美国专利No. 6，962，060 (Petrowski等人)公开了一种 可供选择的为大型设备液化而设计的系统，包含压缩机系统，其包括具有第一级和第二级 的第一压缩机，其中第一压缩机的第一级适于压缩第一气体，第一压缩机的第二级适于压 缩第四气体与来自第一压缩机的第一级的中间压缩气体的混合物；具有第一级和第二级的 第二压缩机，其中第二压缩机的第一级适于压缩第二气体，第二压缩机的第二级适于压缩 第三气体与来自第二压缩机的第一级的中间压缩气体的混合物。在满载(full rates)下和在调节(turndown)期间为较大容量液化设备提供稳定 运行的方法和系统是所需要的。

发明内容
本发明的实施方案通过下述方式满足了本领域中的这种需要提供一种用于 较大容量液化设备的液化天然气的液化系统和方法，在满载(full rates)下和在调节 (turndown)期间其是稳定的且可运行的。在一个示范性实施方案中，公开了一种天然气液化系统，该系统包括至少接收天 然气进料物流的第一预冷却制冷系统；至少接收第一制冷剂物流的第二预冷却制冷系统； 以及与第一预冷却制冷系统和第二预冷却制冷系统流体连接的深冷热交换器，其接收来自 第一预冷却制冷系统的天然气进料物流和来自第二预冷却制冷系统的第一制冷剂物流，以 液化天然气进料物流，其中第二预冷却制冷系统只接收与第一预冷却制冷系统所接收的物 流成分不同的物流。在另一个示范性实施方案中，公开了一种液化天然气的方法，该方法包括以下步 骤提供天然气进料物流；提供第一制冷剂物流；在第一预冷却制冷系统中至少预冷却天 然气进料物流；在第二预冷却制冷系统中至少预冷却第一制冷剂物流；以及在深冷热交换 器中蒸发已预冷却的第一制冷剂物流以通过间接热交换来冷却已预冷却的天然气进料物 流，其中第二预冷却制冷系统只预冷却与第一预冷却制冷系统所预冷却的物流成分不同的 物流。在另外一个示范性实施方案中，公开了一种用于大容量液化设备的天然气液化系 统，该系统包括第一预冷却制冷系统，其接收选自由以下组成的组中的一种物流天然气进料物流，和至少一种制冷剂物流；第二预冷却制冷系统，其接收不被第一预冷却制冷系统 所接收的来自由以下组成的组的任何其余物流天然气进料物流，和至少一种制冷剂物流； 以及与第一预冷却制冷系统和第二预冷却制冷系统流体连接的深冷热交换器，其适于接收 来自第一预冷却制冷系统和第二预冷却制冷系统的天然气进料物流和至少一种制冷剂物 流，其中该至少一种制冷剂物流用于液化天然气进料物流，其中第二预冷却制冷系统只接 收与第一预冷却制冷系统所接收的物流成分不同的物流。


结合附图，更好地理解前述简要介绍以及后文对示范性实施方案的详细描述。为 了说明本发明的实施方案，在图中示出了本发明的示范性实施方案；然而，本发明并不限于 所公开的具体方法和手段。图中图1是示出了一种包括本发明方案的示范性系统和方法的流程图；图2A是示出了一种包括本发明方案的示范性系统和方法的流程图；图2B是示出了一种包括本发明方案的示范性系统和方法的流程图；图3是示出了一种包括本发明方案的示范性系统和方法的流程图；图4是示出了一种包括本发明方案的示范性系统和方法的流程图；图5是示出了一种包括本发明方案的示范性系统和方法的流程图；图6是示出了一种包括本发明方案的示范性系统和方法的流程图；图7A是示出了一种包括本发明方案的示范性系统和方法的流程图；图7B是示出了一种包括本发明方案的示范性系统和方法的流程图；图8A是示出了一种包括本发明方案的示范性系统和方法的流程图；以及图8B是示出了一种包括本发明方案的示范性系统和方法的流程图。具体实施方 式图1示出了本发明用于预冷却的制冷剂系统和方法的示范性实施方案。在该示范 性系统100中，丙烷用于预冷却天然气进料物流102和液化制冷剂物流104。天然气进料 物流102可进行例如预处理。液化制冷剂物流104可以是例如纯的或混合的制冷剂。应 该注意到，虽然下文所述的示范性实施方案可以涉及混合制冷剂物流形式的液化制冷剂物 流，但下文所述的液化制冷剂物流也可以是例如纯的制冷剂物流。根据局部区域中制冷剂 的可得性和系统需要(例如，调整混合制冷剂的成分以匹配最佳冷却性能的冷却曲线)，液 化制冷剂物流104可包括下列中的一种或多种例如氮气、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、异 丁烷、正丁烷和异戊烷。由天然气进料物流102的冷却形成的蒸气的压缩可以在一个压缩机118中进行， 而由液化制冷剂物流104的冷却形成的丙烷蒸气的压缩可以在单独的压缩机126中进行。天然气进料物流102和混合制冷剂物流104的预冷却可以通过在闭环预冷却制冷 系统中的四个不同压力级下蒸发预冷却制冷剂如丙烷而完成。因设备所限和出于效率的目 的，可以对天然气进料物流102进行预冷却。应该注意到，虽然可以使用丙烷作为在四个 不同压力级下蒸发所用的预冷却制冷剂(如示范性图1-7A中所示)，但也可以使用例如二 氧化碳、甲烷、丙烷、丁烷、异丁烷、丙烯、乙烷、乙烯、R22、HFC制冷剂，包括但不限于R410A、 R134A、R507、R23 或其组合。天然气进料物流102的冷却发生 在单元106中。单元106可以包括一系列热交 换器、阀和分离器，如图2A所示。天然气进料物流102通过在一系列丙烷蒸发器202、204、206,208中与预冷却制冷剂间接热交换而冷却，生成冷却的连续物流203、205、207和150， 所述蒸发器可以在连续降低的压力下运行(例如202最高，208最低)。丙烷在四个压力下 蒸发生成四股丙烷蒸气物流110、112、114、116，其然后在压缩机118中压缩。生成的压缩的 物流120然后在丙烷冷凝器122中冷凝，生成的液体物流124再次引入到一系列丙烷蒸发 器202、204、206、208。用于这些类型的方法和系统中的丙烷冷凝器可以包括例如丙烷过热 降温器、冷凝器、集液器(accumulator)和丙烷过冷器。应该注意到，虽然如图1、2A、2B、3、 4、5、6和7A所示的这种示范性实施方案使用四级预冷却系统，但预冷却系统可包括例如单 级、双级、三级或多于四级的系统，其中一系列丙烷蒸发器可以在连续降低的压力下运行。混合制冷剂物流104的冷却发生在单元108中。单元108也可以包 括一系列热交 换器、阀和分离器，如图2B所示。混合制冷剂物流104也可以通过在一系列丙烷蒸发器222、 224、226、228中与预冷却制冷剂间接热交换而冷却，生成冷却的连续物流223、225、227和 138，所述蒸发器可以在连续降低的压力下运行(例如222最高，228最低)。丙烷在四个压 力下蒸发生成四股丙烷蒸气物流130、132、134、136，其然后在压缩机126中压缩。生成的压 缩的物流127然后在丙烷冷凝器128中冷凝，生成的液体物流129再次引入到一系列丙烷 蒸发器 222、224、226、228。冷却的混合制冷剂物流138在相分离器140中分离成液相混合制冷剂物流142和 气相混合制冷剂物流144。液相混合制冷剂物流142在深冷热交换器(MCHE) 146中过冷却 生成物流147。然后物流147可以经等焓(isenthalpic)阀148降压生成物流149。然后 物流149可以在MCHE 146的壳侧蒸发以冷却管侧物流142、144、150。气相混合制冷剂物流(steam) 144在MCHE 146中冷凝和过冷却以生成物流151。 物流151然后可以经等焓(isenthalpic)阀152降压以生成物流153。物流153然后可以 在MCHE 146的壳侧蒸发以冷却管侧物流142、144、150。冷却的天然气进料物流150可以进入MCHE 146，在其中进一步冷却生成产物物流 166，其例如可以是液化天然气(LNG)。从MCHE 146排出的低压混合制冷剂物流145在低压混合制冷剂压缩机154中压 缩以生成物流155。应该注意到，所有示范性实施方案中的制冷剂压缩机可以包括一个或多 个中间冷却器和压缩机壳体。例如，混合制冷剂压缩机154可以包括一个或多个中间冷却 器和至少一个压缩机壳体。中间冷却器和后冷却器利用环境热阱(空气或水)以向环境排 出压缩热。物流155在中间冷却器156中冷却以生成物流157。物流157在中压混合制冷剂 压缩机158中进一步压缩以生成物流159。物流159在中间冷却器160中冷却以生成物流 161。物流161在高压混合制冷剂压缩机162中进一步压缩以生成物流163。物流163在后 冷却器164中冷却以作为初始混合制冷剂物流104循环返回。如图1所示的示范性实施方案示出了如何通过两个大小相等直接连接的燃气轮 机180、182提供向制冷压缩机118、126、154、158、162所供给的动力。例如，混合制冷剂压 缩机154、158由燃气轮机驱动器180驱动，而混合制冷剂压缩机162和丙烷压缩机118、126 由燃气轮机驱动器182驱动。在这种示范性实施方案中，可以选择介于混合制冷剂压缩机 158和162之间的设计压力级，以使两个燃气轮机驱动器180、182所需功基本上相等。所有 示范性实施方案中的燃气轮机驱动器可以是例如单轴燃气轮机或多轴燃气轮机。
这种示范性实施方案独立于用于向制冷压缩机118、126、154、158和162提供动力 的方法。制冷压缩机118、126、154、158和162和其他示范性实施方案的制冷压缩机可以由 一个或多个燃气轮机、电动机、蒸汽轮机或不同驱动器的组合驱动。如图1所示，燃气轮机 180、182可以包括起动器/辅助器电动机184、186，分别协助燃气轮机180、182起动，和优 选地，提供额外的动力来协助燃气轮机180、182，或当存在来自燃气轮机的多余动力时产生 电力以向电网输出。另外，对于如图1所示的示范性实施方案，和所公开的所有其他示范性 实施方案，压缩机本体(compressor body)和连接于每个驱动器的起动器/辅助器电动机 的顺序(order)都不是固定的，并且可根据任何系统需求、维护需求和/或设备设计需求来 操作/变化。例如，图1中的起动器/辅助器电动机186可位于远离驱动器182和不与其相 邻的地方(即在驱动器行(driver string)的另一端(opposite end))。压缩机本体118、 126、162的位置也可以交换。图3示出了另一个示范性实施方案300，其中丙烷压缩机318、326分别由不同的驱动器380、382提供动力。在这个示范性实施方案中，来自等效燃气轮机驱动器380、382的 动力需求可以通过调整低压混合制冷剂压缩机354的排出压力来平衡。如图3的示范性实施方案300中所示的，天然气进料物流302的冷却发生在单元 306中。与图1的单元106类似，单元306可以包括一系列热交换器、阀和分离器，如图2A 所示。天然气进料物流302通过间接热交换而冷却，最终生成冷却的物流350。丙烷在四 个压力下蒸发生成四股丙烷蒸气物流310、312、314、316，其然后可以在压缩机318中压缩。 生成的压缩的物流320然后可以在丙烷冷凝器322中冷凝，生成的液体物流324再次引入 如图2A所示的一系列丙烷蒸发器中。混合制冷剂物流304的冷却发生在单元308中。单元308也可包括一系列热交换 器、阀和分离器，如图2B所示。混合制冷剂物流304也可通过间接热交换而冷却，最终生成 冷却的物流338。丙烷在四个压力下蒸发生成四股丙烷蒸气物流330、332、334、336，其然后 可以在压缩机326中压缩。生成的压缩的物流327然后可以在丙烷冷凝器328中冷凝，生 成的液体物流329再次引入如图2B所示的一系列丙烷蒸发器中。再次，冷却的混合制冷剂物流338在相分离器340中分离成液相混合制冷剂物流 342和气相混合制冷剂物流344。液相混合制冷剂物流342在深冷热交换器(MCHE) 346中 过冷却生成物流347。然后物流347可以经等焓(isenthalpic)阀348降压生成物流349。 然后物流349可以在MCHE 346的壳侧蒸发以冷却管侧物流342、344、350。气相混合制冷剂物流(steam) 344在MCHE 346中冷凝和过冷却以生成物流351。 然后物流351可以经等焓(isenthalpic)阀352降压以生成物流353。然后物流353可以 在MCHE 346的壳侧蒸发以冷却管侧物流342、344、350。冷却的天然气进料物流350可以进入MCHE 346，在其中进一步冷却生成产物物流 366，例如可以是液化天然气(LNG)。从MCHE 346排出的低压混合制冷剂物流345在低压制冷剂压缩机354中压缩以 生成物流355。物流355在中间冷却器356中冷却以生成物流357。物流357在高压制冷 剂压缩机362中进一步压缩以生成物流363。物流363在后冷却器364中冷却以作为初始 混合制冷剂物流304循环返回。由两个大小相等直接连接的燃气轮机380、382向制冷压缩机318、326、354、362提供动力。如图3所示，燃气轮机380、382可以包括起动器/辅助器电动机384、386，分别协 助燃气轮机380、382起动，优选地，提供额外的动力来协助燃气轮机380、382，或当存在来 自燃气轮机的多余动力时向电网输出。图4示出了另一个示范性实施方案400，其中图3的压缩机362、354的位置可以交 换，使得一个驱动器向丙烷压缩机418和高压制冷剂压缩机462提供动力，而另一个驱动器 向丙烷压缩机426和低压制冷剂压缩机454提供动力。如图4中的示范性实施方案400中所示的，天然气进料物流402的冷却发生在单 元406中。与图1的单元106类似，单元406可以包括一系列热交换器、阀和分离器，如图 2A所示。天然气进料物流402通过间接热交换而冷却，最终生成冷却的物流450。丙烷在 四个压力下蒸发生成四股丙烷蒸气物流410、412、414、416，其然后可以在压缩机418中压 缩。生成的压缩的物流420然后可以在丙烷冷凝器422中冷凝，生成的液体物流424再次 引入如图2A所示的一系列丙烷蒸发器中。混合制冷剂物流404的冷却发生在单元408中。单元408也可以包括一系列热交 换器、阀和分离器，如图2B所示。混合制冷剂物流404也可以通过间接热交换而冷却，最终 生成冷却的物流438。丙烷在四个压力下蒸发生成四股丙烷蒸气物流430、432、434、436，其 然后可以在压缩机426中压缩。生成的压缩的物流427然后可以在丙烷冷凝器428中冷凝， 生成的液体物流429再次引入如图2B所示的一系列丙烷蒸发器中。再次，冷却的混合制冷剂物流438在相分离器440中分离成液相混合制冷剂物流 442和气相混合制冷剂物流444。液相混合制冷剂物流442在深冷热交换器(MCHE)446中 过冷却生成物流447。然后物流447可以经等焓(isenthalpic)阀448降压生成物流449。 然后物流449可以在MCHE 446的壳侧蒸发以冷却管侧物流442、444、450。气相混合制冷剂物流(steam) 444在MCHE 446中冷凝和过冷却以生成物流451。 然后物流451可以经等焓(isenthalpic)阀452降压以生成物流453。然后物流453可以 在MCHE 446的壳侧蒸发以冷却管侧物流442、444、450。冷却的天然气进料物流450可进入MCHE446，在其中进一步冷却生成产物物流 466，例如可以是液化天然气(LNG)。从MCHE 446排出的低压混合制冷剂物流445在低压制冷剂压缩机454中压缩以 生成物流455。物流455在中间冷却器456中冷却以生成物流457。物流457在高压制冷 剂压缩机462中进一步压缩以生成物流463。物流463在后冷却器464中冷却以作为初始 混合制冷剂物流404循环返回。由两个大小相等直接连接的燃气轮机480、482向制冷压缩机418、426、454、462提 供动力。如图4所示，燃气轮机480、482可以包括起动器/辅助器电动机484、486，分别协 助燃气轮机480、482起动，优选地，提供额外的动力来协助燃气轮机480、482，或当存在来 自燃气轮机的多余动力时向电网输出。图5示出了又一个示范性实施方案500，其用于三循环制冷系统。在这个示范性 实施方案500中，除了天然气进料物流502，单元506还预冷却第三制冷剂物流503。与图 1中的单元106类似，单元506可以包括一系列热交换器、阀和分离器，如图2A所示。天然 气进料物流502通过间接热交换而冷却，最终生成冷却的物流550。丙烷在四个压力下蒸发 生成四股丙烷蒸气物流510、512、514、516，其然后可以在压缩机518中压缩。生成的压缩的物流520然后可以在丙烷冷凝器522中冷凝，生成的液体物流524再次引入如图2A所示的
一系列丙烷蒸发器中。混合制冷剂物流504的冷却发生在单元508中。单元508也可以包括一系列热交 换器、阀和分离器，如图2B所示。混合制冷剂物流504也可以通过间接热交换而冷却，最终 生成冷却的物流538。丙烷在四个压力下蒸发生成四股丙烷蒸气物流530、532、534、536，其 然后可以在压缩机526中压缩。生成的压缩的物流527然后可以在丙烷冷凝器528中冷凝， 生成的液体物流529再次引入如图2B所示的一系列丙烷蒸发器中。冷却的混合制冷剂物流538在深冷热交换器(MCHE) 546中过冷却生成物流547。 然后物流547可以经等焓(isenthalpic)阀548降压生成物流549。然后物流549可以在 MCHE 546的壳侧蒸发以冷却管侧物流505、538和550。冷却的混合制冷剂物流505也可以在MCHE 546中过冷却和液化生成物流569，然 后在交换器568中过冷却生成物流551。交换器568例如可以是盘管(wound-coil)型交换 器。然后生成的物流551可以经等焓(isenthalpic)阀552降压以生成物流553。然后物 流553可以在交换器568中蒸发以提供用于使进料气体物流(作为物流567进入，作为物 流566排出)和第三制冷剂物流569过冷却的制冷。在蒸发和升温后，第三制冷剂物流553 作为物流593排出交换器568，然后通过压缩机594压缩以生成物流595。然后物流595在 混合制冷剂中间冷却器596中冷却以生成物流597。物流597在压缩机598中压缩以生成 物流599。然后物流599在混合制冷剂后冷却器501中冷却以作为初始物流503循环返回。冷却的天然气进料物流550可以进入MCHE 546，在其中进一步冷却生成物流567。 然后物流567可以在交换器568中过冷却以生成产物物流566，例如可以是液化天然气 (LNG)。从MCHE 546排出的低压混合制冷剂物流545在低压制冷剂压缩机554中压缩以 生成物流555。物流555在中间冷却器556中冷却以生成物流557。物流557在高压制冷 剂压缩机558中进一步压缩以生成物流559。物流559在后冷却器564中冷却以作为初始 混合制冷剂物流504循环返回。由三个大小相等直接连接的燃气轮机580、582、592向制冷压缩机518、526、554、 558、594、598提供动力。如图1、3和4所示，燃气轮机可以包括起动器/辅助器电动机(在 该实施方案中未示出)以协助燃气轮机起动，优选地，提供额外的动力来协助燃气轮机，或 当存在来自燃气轮机的多余动力时向电网输出。图6示出了又一个示范性实施方案600，其用于另一个三循环制冷系统。在这个示 范性实施方案600中，单元606只预冷却天然气进料物流602。与图1中的单元106类似， 单元606可以包括一系列热交换器、阀和分离器，如图2A所示。天然气进料物流602通过 间接热交换而冷却，最终生成冷却的物流650。丙烷在四个压力下蒸发生成四股丙烷蒸气物 流610、612、614、616，其然后可以在压缩机618中压缩。生成的压缩的物流620然后可以 在丙烷冷凝器622中冷凝，生成的液体物流624再次引入如图2A所示的一系列丙烷蒸发器 中。在这个示范性实施方案中，混合制冷剂物流603、604都在单元608中冷却。单元 608也可以包括一系列热交换器、阀和分离器，如图2B所示。混合制冷剂物流603、604也可 以通过间接热交换而冷却，最终生成冷却的物流605、638。丙烷在四个压力下蒸发生成四股
9丙烷蒸气物流630、632、634、636，其然后可以在压缩机626中压缩。生成的压缩的物流627 然后可以在丙烷冷凝器628中冷凝，生成的液体物流629再次引入如图2B所示的一系列丙 烷蒸发器中。冷却的混合制冷剂物流638在深冷热交换器(MCHE) 646中过冷却生成物流647。 然后物流647可以经等焓(isenthalpic)阀648降压生成物流649。然后物流649可以在 MCHE 646的壳侧蒸发以冷却管侧物流605、638和650。冷却的混合制冷剂物流605也可以在MCHE 646中过冷却和液化生成物流669，然 后在交换器668中过冷却生成物流651。交换器668例如可以是盘管型交换器。然后生成 的物流651可以经等焓(isenthalpic)阀652降压以生成物流653。然后物流653可以在 交换器668中蒸发以提供用于使进料气体物流(作为物流667进入，作为物流666排出) 和第三制冷剂物流669过冷却的制冷。在蒸发和升温后，第三制冷剂物流653作为物流693 排出交换器668，然后通过压缩机694压缩以生成物流695。然后物流695在混合制冷剂中 间冷却器696中冷却以生成物流697。物流697在压缩机698中压缩以生成物流699。然 后物流699在混合制冷剂后冷却器601中冷却以作为初始物流603循环返回。冷却的天然气进料物流650可以进入MCHE 646，在其中进一步冷却生成物流667。 然后物流667可以在交换器668中过冷却以生成产物物流666，例如可以是液化天然气 (LNG)。 从MCHE 646排出的低压混合制冷剂物流645在低压制冷剂压缩机654中压缩以 生成物流655。物流655在中间冷却器656中冷却以生成物流657。物流657在高压制冷 剂压缩机658中进一步压缩以生成物流659。物流659在后冷却器664中冷却以作为初始 混合制冷剂物流604循环返回。由三个大小相等直接连接的燃气轮机680、682、692向制冷压缩机618、626、654、 658、694、698提供动力。如图1、3和4所示，燃气轮机可以包括起动器/辅助器电动机(在 该实施方案中未示出)以协助燃气轮机起动，优选地，提供额外的动力来协助燃气轮机，或 当存在来自燃气轮机的多余动力时向电网输出。图7A示出了另一个示范性实施方案700A，其用于又一个三循环制冷系统。在这个 示范性实施方案700A中，单元706预冷却天然气进料物流702和混合制冷剂物流704。与 图1的单元106类似，单元706可以包括一系列热交换器、阀和分离器，如图2A所示。天然 气进料物流702和混合制冷剂物流704通过间接热交换而冷却，最终生成冷却的物流750、 738。丙烷在四个压力下蒸发生成四股丙烷蒸气物流710、712、714、716，其然后可以在压缩 机718中压缩。生成的压缩的物流720然后可以在丙烷冷凝器722中冷凝，生成的液体物 流724再次引入如图2A所示的一系列丙烷蒸发器中。在这个示范性实施方案中，只有混合制冷剂物流703在单元708中冷却。单元708 也可以包括一系列热交换器、阀和分离器，如图2B所示。混合制冷剂物流703通过间接热交 换而冷却，最终生成冷却的物流705。丙烷在四个压力下蒸发生成四股丙烷蒸气物流730、 732、734、736，其然后可以在压缩机726中压缩。生成的压缩的物流727然后可以在丙烷冷 凝器728中冷凝，生成的液体物流729再次引入如图2B所示的一系列丙烷蒸发器中。冷却的混合制冷剂物流738在深冷热交换器(MCHE) 746中过冷却生成物流747。 然后物流747可以经等焓(isenthalpic)阀748降压生成物流749。然后物流749可以在MCHE 746的壳侧蒸发以冷却管侧物流705、738和750。冷却的混合制冷剂物流705也可以在MCHE 746中过冷却和液化生成物流769，然 后在交换器768中过冷却生成物流751。交换器768例如可以是盘管型交换器。然后生成 的物流751可以经等焓(isenthalpic)阀752降压以生成物流753。然后物流753可以在 交换器768中蒸发以提供用于使进料气体物流(作为物流767进入，作为物流766排出) 和第三制冷剂物流769过冷却的制冷。在蒸发和升温后，第三制冷剂物流753作为物流793 排出交换器768，然后通过压缩机794压缩以生成物流795。然后物流795在混合制冷剂中 间冷却器796中冷却以生成物流797。物流797在压缩机798中压缩以生成物流799。然 后物流799在混合制冷剂后冷却器701中冷却以作为初始物流703循环返回。冷却的天然气进料物流750可以进入MCHE 746，在其中进一步冷却生成物流767。 然后物流767可以在交换器768中过冷却以生成产物物流766，例如可以是液化天然气 (LNG)。从MCHE 746排出的低压混合制冷剂物流745在低压制冷剂压缩机754中压缩以 生成物流755。物流755在中间冷却器756中冷却以生成物流757。物流757在高压制冷 剂压缩机758中进一步压缩以生成物流759。物流759在后冷却器764中冷却以作为初始 混合制冷剂物流704循环返回。由三个大小相等直接连接的燃气轮机780、782、792向制冷压缩机718、726、754、 758、794、798提供动力。如图1、3和4所示，燃气轮机可以包括起动器/辅助器电动机(在 该实施方案中未示出)以协助燃气轮机起动，优选地，提供额外的动力来协助燃气轮机，或 当存在来自燃气轮机的多余动力时向电网输出。图7B示出了又一个类似于700A的示范性实施方案700B，然而在这个示范性实施 方案700B中，单元706通过使在两级混合制冷剂预冷却系统中与混合制冷剂物流间接热交 换来预冷却天然气进料物流702和混合制冷剂物流704。虽然图7B公开了使用两级混合制 冷剂预冷却系统，但也可以使用例如单级混合制冷剂预冷却系统或多于两级的混合制冷剂 预冷却系统来进行预冷却。另外，混合制冷剂预冷却系统可与在任一示范性实施方案中公 开的丙烷预冷却系统互换。图8A和8B示出了如图7B所示的示范性单元706和708。单元706可以包括两 个热交换器810、812，其中物流702、704，和物流724的至少一部分通过在热交换器810中 与物流713间接热交换而冷却。物流724进入热交换器810，冷却生成物流830。物流830 分成两股物流831、832，其中物流831在热交换器812中进一步冷却，而物流832经等焓 (isenthalpic)阀814降压(letdown in pressure)以生成物流833。然后物流833进入 热交换器810以冷却物流702、704、724，并作为物流713排出热交换器810。在物流831在热交换器812中冷却以生成物流834并且经等焓(isenthalpic)阀 816降压后，生成的物流835引入热交换器812以进一步冷却生成的物流738、750、834。单元708可以包括两个热交换器818、820，其中物流703、729通过在热交换器818 中与物流733间接热交换而冷却。物流729进入热交换器818，冷却生成物流840。物流 840分成两股物流841、842，其中物流841在热交换器820中进一步冷却，而物流842经等 焓(isenthalpic)阀822降压以生成物流843。然后物流843进入热交换器818以冷却物 流703、729，并作为物流733排出热交换器818。
物流841在热交换器820中冷却以生成物流844并且经等焓(isenthalpic)阀 824降压后，生成的物流845引入热交换器820中以进一步冷却生成的物流705、844。热交换器810、812、818、820例如可以是盘管热交换器、板翅式钎焊铝(芯)型 (plate-and-fin brazed aluminum (core) type)热交换器或壳管式热交换器。热交换器 810,812例如可结合成单个热交换器。热交换器818、820例如也可结合成单个热交换器。 最终，热交换器810、812、818、820例如可结合成单个热交换器。热交换器810、812、818、820 例如可接收两股或更多股负载物流。例如在单元106、108中的预冷却可以向进料物流102和液化制冷剂物流104提供 足够的冷却，以使在MCHE 146中进一步冷却之前物流150和138的温度可以达到+60 °卩到 低至-100T。在图3-7B中可实现相同的冷却范围。在一个实施方案中，例如，丙烷可用作 预冷却制冷剂以达到+20下到-40 °F的温度范围。等焓(isenthalpic)阀148、152 (以及图 3-7B 中相应的等焓(isenthalpic)阀) 可任选地由例如功提取液涡轮(work extracting liquid turbines)代替以提高效率。另 外，丙烷冷凝器122、128 (以及图3-7A中相应的丙烷冷凝器)例如可以是用于冷凝、过热降 温和/或优选地过冷却预冷却制冷剂的环境热阱冷却器。实施例下面的实施例基于图1、2A和2B如用于丙烷预冷却混合制冷剂过程的计算机模 拟。如图1所示，天然气进料物流102经预处理后进入单元106，所述预处理包括除去水分 (H20)、二氧化碳(C02)、二氧化硫(S02)、汞和其他重组分，包括但不限于苯、乙苯和甲苯，如 果它们以将导致在MCHE 146中冻结的浓度存在于天然气进料物流102中的话。预处理过 的天然气进料物流102为35°C和40bar的绝对压力并且具有12，260kg-mol/hr的流速。天 然气进料物流102通过在一系列丙烷蒸发器202、204、206、208中的间接热交换而冷却(如 图2A所示)，所述丙烷蒸发器在连续降低的压力7. 16bar、4. 25bar、2. 54bar和1. 47bar下 运行，其中丙烷蒸发器202处于最高的压力下，而丙烷蒸发器208处于最低的压力下。丙烷 在四个压力下蒸发生成四股丙烷蒸气物流110、112、114、116，其然后在压缩机118中压缩。 然后生成的物流120 (处于16. 2bar和10，930kg mol/hr)在使用环境热阱(空气或水)的 丙烷冷凝器122中冷凝，生成液体物流124。天然气进料物流102由丙烷预冷却至-22. 5°C。然后生成的冷却的物流150在 MCHE 146中通过混合制冷剂的蒸发而冷却和液化，在-163. 3°C生成液化天然气(LNG)物流 166。混合制冷剂物流104的摩尔组成如下表I 混合制冷剂物流104为35°C、62bar的绝对压力并且具有50，250kg_mol/hr的流速。混合制冷剂物流104通过在一系列丙烷蒸发器222、224、226、228中的间接热交换而冷 却(如图2B所示)，所述丙烷蒸发器在连续降低的绝对压力7. 16bar、4. 25bar、2. 54bar和 1. 47bar下运行，其中丙烷蒸发器222处于最高的压力下，而丙烷蒸发器228处于最低的压 力下。丙烷在四个压力下蒸发生成四股丙烷蒸气物流130、132、134、138，其然后在压缩机 126中压缩。然后生成的物流127(16. 2bar绝对压力和31，600kg mol/hr)在使用环境热阱 (空气或水)的丙烷冷凝器128中冷凝，生成液体物流129。然后预冷却的混合制冷剂物流138在相分离器140中分离成液相物流142 和气相物流144。然后液相物流142过冷却至-125 °C，经阀148等焓闪蒸(flashed isenthalpically)，然后在交换器146的壳侧蒸发以冷却管侧物流142、144、150。气相物 流144被液化、过冷却至温度-163°C，经阀152等焓闪蒸，然后在交换器146的壳侧蒸发 和升温以冷却管侧物流142、144、150。在蒸发和升温后，合并的混合制冷剂物流145在 温度-32. 7°C和绝对压力4. 14bar下离开MCHE146。然后合并的混合制冷剂物流145在 压缩机154、158、162的三级压缩中压缩回到62bar的绝对压力，完成循环。与美国专利 No. 6, 962, 060 比较使用美国专利No. 6，962，060的预冷却配置，基于与丙烷预冷却混合制冷剂方法 的模拟相同的基础，进行图1所示的示例性实施方案的计算机模拟。模拟的结果在下文的表II中列出。对于两个模拟，假定丙烷低压吸入压力相同， 且需要两个压缩机壳体。对于两个模拟，进行初步的压缩机尺寸计算。在图1所示的示范 性实施方案的情况中，压缩机壳体118和126直径更小，且具有更低的体积流率，这意味着 更低的成本。另外，取决于设备的卖家和规模，大直径叶轮和壳体的建造可能不够灵活，因 此，利用现有技术的方法可能在规模扩大的潜力上受到更多限制。如表II所示，图1的示范性实施方案，与美国专利No.6，962，061公开的系统相比， 在使用相同数量的压缩机外壳和提供相同预冷却效力的前提下，允许更优化且灵活的压 缩机设计。这是通过将需要预冷却制冷的热负载分流到两个独立的系统中而实现的。表 虽然结合各附图的优选实施方案描述了本发明的方案，但应认识到，可以使用其 他类似实施方案，或者对已描述的实施方案作修改和补充，在不偏离本发明的基础上实现与本发明相同的功能。因此，请求保护的本发明不应当限于任何单独的实施方案，而是应当 按照附加的权利要求的宽度和范围进行解释。
权利要求
一种天然气液化系统，该系统包括第一预冷却制冷系统，其至少接收天然气进料物流；第二预冷却制冷系统，其至少接收第一制冷剂物流；以及与第一预冷却制冷系统和第二预冷却制冷系统流体连接的深冷热交换器，其接收来自第一预冷却制冷系统的天然气进料物流和来自第二预冷却制冷系统的第一制冷剂物流，以液化天然气进料物流，其中第二预冷却制冷系统只接收与第一预冷却制冷系统所接收的物流成分不同的物流。
2.权利要求1的系统，其中第一制冷剂物流是混合制冷剂物流。
3.权利要求1的系统，其中第一制冷剂物流包括氮气、甲烷、乙烷和丙烷。
4.权利要求1的系统，进一步地包括与深冷热交换器流体连接的过冷却器交换器，其 中过冷却器交换器接收来自深冷热交换器的第二制冷剂物流，以通过间接热交换使天然气 进料物流过冷。
5.权利要求1的系统，其中第一预冷却制冷系统和第二预冷却制冷系统各自包括 至少一个丙烷蒸发器；以及与至少一个丙烷蒸发器流体连接的丙烷压缩机，适于接收至少一股丙烷蒸气物流。
6.权利要求1的系统，其中第一预冷却制冷系统和第二预冷却制冷系统是CO2制冷系统。
7.权利要求1的系统，其中第一预冷却制冷系统包括至少一个接收至少两股负载物流 的热交换器。
8.权利要求5的系统，进一步包括第一驱动器和第二驱动器，其中第一驱动器驱动第 一预冷却制冷系统的丙烷压缩机、第二预冷却制冷系统的丙烷压缩机；和第一高压制冷剂 压缩机，以及其中第二驱动器驱动第一中压制冷剂压缩机和第一低压制冷剂压缩机。
9.权利要求5的系统，进一步包括第一驱动器和第二驱动器，其中第一驱动器驱动第 一预冷却制冷系统的丙烷压缩机和第一低压制冷剂压缩机，以及其中第二驱动器驱动第二 预冷却制冷系统的丙烷压缩机和第一高压制冷剂压缩机。
10.权利要求5的系统，进一步包括第一驱动器和第二驱动器，其中第一驱动器驱动第 一预冷却制冷系统的丙烷压缩机和第二预冷却制冷系统的丙烷压缩机，以及第二驱动器驱 动第一低压制冷剂压缩机和第一高压制冷剂压缩机。
11.权利要求10的系统，进一步包括第三驱动器，其中第三驱动器驱动第二低压制冷 剂压缩机和第二高压制冷剂压缩机。
12.权利要求8的系统，其中第一驱动器和第二驱动器是燃气轮机。
13.权利要求1的系统，其中深冷热交换器是盘管热交换器。
14.一种液化天然气的方法，该方法包括以下步骤 提供天然气进料物流；提供第一制冷剂物流；在第一预冷却制冷系统中至少预冷却天然气进料物流； 在第二预冷却制冷系统中至少预冷却第一制冷剂物流；以及在深冷热交换器中蒸发已预冷却的第一制冷剂物流以通过间接热交换来冷却已预冷却的天然气进料物流，其中第二预冷却制冷系统只预冷却与第一预冷却制冷系统所预冷却的物流成分不同 的物流。
15.权利要求14的方法，其中天然气进料物流和第一制冷剂物流预冷却到+60T 至-100 0F。
16.权利要求14的方法，进一步包括提供第二制冷剂物流，其中第二制冷剂物流在第 一预冷却制冷系统或第二预冷却制冷系统中预冷却，并蒸发以使天然气进料物流过冷。
17.权利要求14的方法，其中第一制冷剂物流是混合制冷剂物流。
18.一种用于大容量液化设备的天然气液化系统，该系统包括 第一预冷却制冷系统，其接收选自由以下组成的组中的一种物流 天然气进料物流，和至少一种制冷剂物流；第二预冷却制冷系统，其接收不被第一预冷却制冷系统所接收的来自由以下组成的组 的任何其余物流天然气进料物流，和 至少一种制冷剂物流；以及与第一预冷却制冷系统和第二预冷却制冷系统流体连接的深冷热交换器，其适于接收 来自第一预冷却制冷系统和第二预冷却制冷系统的天然气进料物流和至少一种制冷剂物 流，其中至少一种制冷剂物流用于液化天然气进料物流，其中第二预冷却制冷系统只接收与第一预冷却制冷系统所接收的物流成分不同的物流。
19.权利要求18的系统，其中至少一种制冷剂物流是混合制冷剂物流。
20.权利要求18的系统，其中至少一种制冷剂物流包括第一制冷剂物流和第二制冷剂 物流。
全文摘要
可供选择的预冷却配置。天然气液化系统，该系统包括至少接收天然气进料物流的第一预冷却制冷系统，至少接收第一制冷剂物流的第二预冷却制冷系统，以及与第一预冷却制冷系统和第二预冷却制冷系统流体连接的深冷热交换器，其接收来自第一预冷却制冷系统的天然气进料物流和来自第二预冷却制冷系统的第一制冷剂物流，以液化天然气进料物流，其中第二预冷却制冷系统只接收与第一预冷却制冷系统所接收的物流成分不同的物流。
文档编号C10L3/10GK101845340SQ200911000238
公开日2010年9月29日 申请日期2009年12月11日 优先权日2008年12月12日
发明者C·M·奥特, M·J·罗伯茨 申请人:气体产品与化学公司