专利名称：用于使烃流冷却的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于使烃流冷却(可选地使烃流液化)的方法和 装置，所述烃流特别是天然气但不排除其它。在其它方面，本发明涉 及一种用于使混合冷冻剂流冷却的方法和装置。
背景技术：
已知有若干种使天然气流液化从而获得液化天然气(LNG)的方 法。出于很多原因需要使天然气流液化。例如，天然气以液态形式可 比以气态形式更易于储存和进行长距离输送，因为液态天然气占据较 小容积并且不需要在高压下储存。
US 4,404,008描述了一种用于使富含曱烷的气流冷却和液化的方 法，其中，所述富含甲烷的气流首先与单成分冷冻剂(比如丙烷)进 行热交换；接着与多成分冷冻剂(比如低碳烃，lower hydrocarbon ) 进行热交换。该单成分冷冻剂还用于在多成分冷冻剂的压缩步骤之后 使该多成分冷冻剂冷却。US 4,404,008所示的方案目前净皮认为是一种 用于使天然气液化的常用方法，其中，通过使单成分冷冻剂和多成分 冷冻剂都经过相同的第一热交换器，从而由所述单成分冷冻剂对所述 多成分冷冻剂进行预冷却。
US 4,404,008的目的在于将冷冻负荷从多成分冷冻循环转移至单 成分冷冻循环。这通过利用多成分冷冻剂循环的中间段冷却来实现。
然而，使用现有方法来控制多成分预冷却冷冻循环可能并不令人 满意。
发明内容
一方面，本发明提供一种使比如天然气流的烃流冷却的方法，所 述方法至少包括以下步骤
(a )提供包括第 一混合冷冻剂的混合冷冻剂流；(b )使所述混合冷冻剂流通过一个或多个热交换器以提供经冷却
的混合冷冻剂流；
(c) 监测所述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的温度(Tl) 和流量(Fl);
(d) 提供包括第二混合冷冻剂的冷却流；
(e) 监测步骤(d)所提供的冷却流中的至少部分的流量(F2);
(f) 使冷却流中的至少一部分膨胀以提供一股或多股经膨胀的冷 却流；
(g )使所述一股或多股经膨胀的冷却流中的至少一股经过步骤(b) 中的热交换器中的一个或多个以使所述混合冷冻剂流冷却，从而提供 所述经冷却的混合冷冻剂流；
(h) 使用所述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的流量(Fl) 和温度(Tl)来控制所述冷却流的流量(F2);
(i) 使用所述经冷却的混合冷冻剂流来使所述烃流冷却。 另一方面，本发明提供一种使比如天然气流的烃流冷却的装置，
所述装置至少包括
用于监测包括第二混合冷冻剂的冷却流中的至少部分的流量(F2 ) 的流量监测器；
一个或多个膨胀器，用于使所述冷却流中的至少一部分膨胀，从 而提供一股或多股经膨胀的冷却流；
一个或多个热交换器，设置用于接收并且通过所述一股或多股经 膨胀的冷却流中的至少 一股来冷却包括第 一混合冷冻剂的混合冷冻剂 流，从而提供经冷却的混合冷冻剂流；
用于监测所述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的温度(Tl) 和流量(Fl)的温度监测器和流量监测器；
控制器，用于使用所述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的流 量(Fl)和温度(Tl)的测量值来控制所述冷却流的流量(F2);
至少一个主热交换器，设置在所述一个或多个所述热交换器的下 游，用于接收所述经冷却的混合冷冻剂流和所述烃流，并且用于通过所述经冷却的混合冷冻剂流来^f吏烃流冷却。
又一方面，本发明提供一种使混合冷冻剂流冷却的方法，所述方
法至少包括以下步骤
(a) 提供包括第一混合冷冻剂的混合冷冻剂流；
(b) 使所述混合冷冻剂流经过一个或多个热交换器以提供经冷却 的混合冷冻剂流；
(c) 监测所述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的温度(Tl) 和流量(Fl);
(d) 提供包括第二混合冷冻剂的冷却流；
(e )监测步骤(d )所提供的所述冷却流中的至少部分的流量(F2 ); (f)使所述冷却流的至少一部分膨胀以提供一股或多股经膨胀的 冷却流；
(g )使所述一股或多股经膨胀的冷却流中的至少一股经过步骤(b) 中的热交换器中的一个或多个以使所述混合冷冻剂流冷却，从而提供 所述经冷却的混合冷冻剂流；和
(h)使用所述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的流量(Fl) 和温度(Tl)来控制所述冷却流的流量(F2),其中比如天然气流的 烃流也经过步骤(b)中的热交换器中的至少一个，在所述热交换器中 的至少一个处，所述烃流被冷却以产生经冷却的烃流。
再另一方面，本发明提供一种使混合冷冻剂流冷却的装置，所述 装置至少包括
用于监测包括第二混合冷冻剂的冷却流中的至少部分的流量(F2 ) 的流量监测器；
一个或多个膨胀器，用于使所述冷却流中的至少一部分膨胀，从 而提供一股或多股经膨胀的冷却流；
一个或多个热交换器，设置用于接收并且通过所述一股或多股经 膨胀的冷却流中的至少一股来冷却包括第 一混合冷冻剂的混合冷冻剂 流和比如天然气流的烃流，从而提供经冷却的混合冷冻剂流；
用于监测所述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的温度(Tl)和流量(Fl)的温度监测器和流量监测器；
控制器，用于通过使用所述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分 的流量(Fl)和温度(Tl)的测量值来控制所述冷却流的流量(F2 )。
现在将参照非限制性的附图仅仅通过举例的方式来描述本发明的 实施例，附图中
图1是一种使混合冷冻剂流冷却的方法的第一总体方案； 图2是一种使用图1所示方案来使烃流冷却的方法； 图3是一种使烃流液化的方案；以及
却流的流量相对于时间的曲线图。
具体实施例方式
出于说明的目的，管路以及该管路所运送的流被赋予一个附图标 记。相同的附图标记表示相同部件。
在此所公开的方法和装置中，经冷却的混合冷冻剂流通过下述步 骤利用冷却流而产生，包括
-使混合冷冻剂流经过一 个或多个热交换器以提供经冷却的混合 冷冻剂流；
-监测所述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的温度(Tl)和流 量(Fl);
-监测所述冷却流中的至少部分的流量(F2); -使冷却流中的至少一部分膨胀以提供一股或多股经膨胀的冷却
流；
-使所述一股或多股经膨胀的冷却流中的至少一股经过热交换器 中的一个或多个以使混合冷冻剂流冷却，从而提供经冷却的混合冷冻 剂流。
冷却流的流量(F2)通过〗吏用经冷却的混合冷冻剂流中的至少部 分的流量(Fl)和温度(Tl)而得以控制。
因此，冷却流的流量通过使用经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的流量和温度两者来控制，这是因为监测经冷却的混合冷冻剂流中 的至少部分的温度和流量两者可为冷却流的至少部分的流量操作提供 更精确和更实时的反馈，冷却流的流量可因而更为迅速地得以调整。
而且，对冷却流的流量进行更实时的反馈、调整和控制提高了用 于混合冷冻剂流和/或冷却流的压缩机的效率，更特别地是提高了压缩 机驱动器的效率。这降低了使混合冷冻剂流冷却的方法的能耗，特别 是降低了用于使烃流冷却(可选地使烃流液化)的方法的能耗。
另一优点是可更为快速地调整经冷却的混合冷冻剂流的量，即质
量和/或体积，以更好地匹配混合冷冻剂流的后续冷却负荷(cooling duty)，特别是提供增加的混合冷冻剂流的量，从而提供增加的经冷 却和/或液化的烃流(比如LNG)的量。
在本公开内容的上下文中，对流的流量进行的监测和控制应理解 为特别地包括监测和控制流率。可使用任何适当的流量和温度传感器 进行流量和温度的监测和测量。已知技术中有许多此类传感器。
混合冷冻剂流优选具有包括选自氮、曱烷、乙烷、乙烯、丙烷、 丙烯、丁烷和戊烷的组中的一个或多个的成分。其在本说明书和权利 要求书中称作第 一混合冷冻剂。
如上文所定义的，冷却流也是一种混合冷冻剂流。该冷却流包括 第二混合冷冻剂，可选地，该第二混合冷冻剂具有不同于混合冷冻剂 流中的第 一 混合冷冻剂的成分。
使冷却流中的至少 一部分膨胀可涉及使该冷却流中的 一部分经过 膨胀器，所述膨胀器可适当地以阀的形式设置，可选地可由其它阀或 膨胀器(比如轮机)来补充或取代。
冷却流或冷却流中的至少部分还可经过用于使混合冷冻剂流冷却 的热交换器中的一个或多个，从而在使其膨胀之前提供更冷的冷却流。 替代或另外地，冷却流还可经过混合冷冻剂流不经过其中的一个或多 个其它热交换器(以被冷却)。
本发明步骤(b)中的热交换器可选自包括一个或多个板/鳍式热 交换器、 一个或多个线轴缠绕式热交换器或二者组合的组中的一个或多个热交换器。
在膨胀之前使冷却流经过热交换器中的一个或多个的情况下，可
在下述位置中的任一处监测冷却流的流量在一个或任意数量的热交 换器之前；或在一个或任意数量的热交换器之后，但在适当地通过膨 胀器(例如以一个或多个阀的形式)以使冷却流中的至少一部分膨胀 之前。
在本发明的另一个实施例中，混合冷冻剂流经过1至6个热交换 器中的任意数量的热交换器，优选不超过3个热交换器，更优选不超 过2个热交换器。
优选地，特别是在使用多个热交换器的情况下，经膨胀的冷却流 经过每一个用于使混合冷冻剂流冷却的热交换器。在该方案中，冷却 流可在每一个热交换器之前和/或之后进行分流、分开和/或分支，其中 的一部分直接进入步骤(b)所包括的一个或多个后续热交换器中，而 其中的部分通过一个或多个膨胀器(比如阀)被膨胀以便为热交换器 中的一个或多个提供一股或多股经膨胀的冷却流。
可选地，经冷却的混合冷冻剂流的温度和流量都在其经过的每一 个热交换器之后被监测。
优选地，冷却流的平均分子量大于混合冷冻剂流的平均分子量。
用于产生经冷却的混合冷冻剂流的热交换器可被看作是"预冷却" 热交换器。
经冷却的混合冷冻剂流适当地用于使烃流冷却，优选地，使烃流 液化。为此，接着可使其进入一个或多个另外的热交换器，特别是一 个或多个用于使比如天然气的烃流液化的低温主热交换器。
使用经冷却的混合冷冻剂流来使烃流冷却的步骤因而可包括使经 冷却的混合冷冻剂流经过至少一个主热交换器，并且使烃流通过该至 少 一 个主热交换器，从而由该经冷却的混合冷冻剂流或经冷却的混合 冷冻剂流中的至少部分来使该烃流冷却。
一般而言，这可在用于使烃流冷却的方法和装置中实现，其包括 第一冷却阶段，所述第一冷却阶段包括预冷却热交换器的一个或多个，混合冷冻剂流、可选的还有烃流、和冷却流经过所述预冷却热交换器
的一个或多个；以及
第二冷却阶段，所述第二冷却阶段包括至少一个主热交换器，经 冷却的混合冷冻剂流和烃流(如果烃流已经经过预冷却热交换器，则 该烃流可以是较冷的烃流)可经过所述至少一个主热交换器以提供经 冷却的烃流。
烃流可以是任何要被冷却的适当气体流，但通常是从天然气或石 油储层所获得的天然气流。替代地，天然气流也可从其它来源获得， 还包括比如由费托氏(Fischer-Tropsch )方法而得到的合成气来源。
通常，天然气流主要包括曱烷。优选地，要被冷却的烃流包括至 少60mol% (摩尔百分比)的甲烷，更优选包括至少80mol。/。的甲烷。
天然气根据来源可含有不同含量的比甲烷更重的烃，比如乙烷、 丙烷、丁烷和戊烷，以及某些芳香烃。天然气流还可含有非烃，比如 H20、 N2、 C02、 H2S和其它硫化物等等。
如果需要的话，包含天然气的烃流可在使用之前进行预处理。该 预处理可包括移除不需要的成分(比如C02和H2S)的步骤，或者其 它步骤，比如预冷却、预加压或类似步骤。由于这些步骤为本领域技 术人员所熟知，因而在此不进行进一步阐述。
比甲烷更重的烃通常还基于下述的若干种原因而需要从天然气中 移除，比如这些烃具有不同冷冻或液化温度因而可能导致这些烃阻塞 甲烷液化厂的部件。被移除的Cw烃类可用作液化石油气(LPG)的 来源。
术语"烃流，，还包括在经过任何处理前的组分(该处理包括清洗、 脱水和/或擦洗)，以及包括已被部分地、基本上或完全地被处理以用 于减少和/或移除一种或多种化合物或物质的任意组分，该化合物或物 质包括但不限于硫、硫化合物、二氧化碳、水和C2+烃类。
可选地，使想要被冷却的烃流经过混合冷冻剂流和冷却流所经过 的热交换器中的至少一个。这种方案包括使烃流经过所有的所述热交 换器，或使烃流经过一个或多个所述热交换器，通常使烃流经过在冷却(可选的液化)过程的一个阶段中的一系列热交换器中的至少最后 的热交换器。
经冷却的混合冷冻剂流随后可在经过任何另一个热交换器(比如 主热交换器)之前被分离成较轻流和较重流。在这种情况下，较重流 的流量可另外地被监测，或者替代地，较重流的流量被监测以代替监 测前述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的流量。
经冷却的混合冷冻剂流的温度和流量的测量值和冷却流的流量的 测量值可被适当地传送至控制器中，该控制器例如通过控制膨胀器(比 如阀)来控制步骤(f)中的膨胀。
使烃流冷却的方法可扩展到使比如天然气的烃流液化，以提供液 化的烃流，比如液化天然气。
图1显示了 一种用于使混合冷冻剂流10冷却的总体方案，所述混 合冷冻剂流10经由入口 11、通过一个或多个热交换器(在图1中表 示为单个热交换器12)，以通过出口 15提供经冷却的混合冷冻剂流 20。
混合冷冻剂流10包括第一混合冷冻剂，该第一混合冷冻剂可包括 选自氮、曱烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷及戊烷的组中的一个 或多个。优选地，混合冷冻剂流10包括小于10mol。/o的N2、30-60mol% 的d、 30-60mol。/。的C2、小于20mol。/。的<:3和小于10%的C4;总共 为100%。
图1显示了经冷却的混合冷冻剂流20的温度Tl和流量Fl正被 监测。可由呈任何已知单元、设备或其它本领域已知的装置形式的任 何温度或流量监测器进行流的温度和流量的监测和测量。
图1还显示了冷却流30。冷却流30包括第二混合冷冻剂，该第 二混合冷冻剂为两种或多种成分(比如氮和一种或多种烃)的混合物。 适当地，其平均分子量高于混合冷冻剂流10中的第 一混合冷冻剂的平 均分子量。该冷却流优选包括0-20mol。/。的d、 20-80mol。/o的C2、 20-80mol。/o的C3、小于20mol。/o的C4、小于10moiy。的C5;总共为 100%。冷却流30在进入膨胀器(此处显示为阀14的形式)之前，经由 入口 16进入并且经过热交换器12，经由出口17流出，以提供较冷的 冷却流40。替代地，冷却流30在到达阀14之前无需经过热交换器12， 或者另外替代地，冷却流30可在阀14之前经过一个或多个代替图1 中所显示的热交换器12的或者除了图1中所显示的热交换器12之外 的其它热交换器(未显示)。
阀14使较冷的冷却流40 (或冷却流30 )膨胀，以提供经膨胀的 冷却流40a,该经膨胀的冷却流40a经由入口 18流回热交换器12中。 该经膨胀的冷却流40a与热交换器12中的其它流相比明显更冷，从而 向此类其它流提供冷却，且经通过出口 19从热交换器12中流出以提 供出口流50。
可在冷却流30进入热交换器12之前，在图1所示的F22位置处， 或者在冷却流30经过热交换器12之后，在图l所示的较冷的冷却流 40的F2位置处，监测和可选地测量冷却流30的流量F2。经过热交 换器12之后的较冷的冷却流40与进入热交换器12的冷却流30的流 量之间的关系在本领域是已知的，使得使用流量F22进行监测能够提 供与本发明的方法中使用流量F2进行监测相同的信息。因此，在本说 明书和权利要求书中，在提到流量F2时，应理解为涵盖了F2本身和 /或流量F22。
同样地，在使用流量F1时，旨在涵盖对热交换器12上游(例如， 管路IO中)的流量的至少部分进行的监测和/或测量。
经冷却的混合冷冻剂流20的温度Tl和流量Fl的测量值，以及 较冷的冷却流40的流量F2 (和/或冷却流30的流量F22 )的测量值经 由线路21传送至控制器C1，该控制器Cl经由线路21a控制阀14的 操作。对阀14的控制与较冷的冷却流40的流量(和/或流量F22)以 及进入热交换器12的经膨胀的冷却流40a的流量有关(且因此与由在 热交换器12中的经膨胀的冷却流40a所能提供的冷却程度有关，以及 因而与对混合冷冻剂流20的冷却程度和混合冷冻剂流20的冷却程度 有关)。因此，也可能通过操作阀14和所获知的冷却流30的较冷的冷却 流的流量F2 (和/或流量F22 )来控制混合冷冻剂流20的温度Tl，以 便随后优化经冷却的混合冷冻剂流20的温度Tl。这种方案的益处和 优点在下文进行描述。
图2显示了 一种用于使烃流60冷却(优选液化)的方法的冷却设 施1，该烃流60优选为天然气。烃流60优选已经,皮处理以分离出至 少某些重烃并且分离出杂质，所述杂质比如为二氧化碳、氮、氦、水、 硫及硫化物，包括但不限于酸性气体。
烃流60经过第一冷却阶段6，该第一冷却阶段6包括一个或多个 与图1所示的热交换器12相同或类似的第一热交换器。优选地，图2 中的所述一个或多个第一热交换器为预冷却热交换器12，适用于将烃 流60冷却至0。C以下的温度，更优选冷却至-10。C到-70。C的温度。
冷却流30和混合冷冻剂流10也经过预冷却热交换器12。预冷却 热交换器12的操作与针对图1中的方案所述的操作类似，使得由预冷 却热交换器12输出较冷的冷却流40，所述较冷的冷却流40经过阀14 以被膨胀，并且提供经膨胀的冷却流40a，该经膨胀的冷却流40a比 热交换器12中所有其它流更冷，在作为第一阶段排出流50排出之前 向热交换器12中所有其它流提供冷却。以这种方式，所提供混合冷冻 剂流20成为经冷却的混合冷冻剂流20,而烃流60则,皮冷却以提供较 冷的烃流70。
监测经冷却的混合冷冻剂流20的温度Tl和流量Fl，并将测量值 传送回至控制器Cl。较冷的冷却流40的流量F2的测量值也被传送回 至控制器Cl。
然后使经冷却的混合冷冻剂流20和经冷却的烃流70传送至第二 冷却阶段7，该第二冷却阶段7包括一个或多个第二热交换器22，其 优选为低温的主热交换器，适用于进一步将较冷烃流70的温度降低至 -IO(TC以下，更优选地使经冷却的烃流70液化，以提供经冷却的(优 选地为液化的)烃流80。在烃流60为天然气的情况下，主热交换器 优选地提供温度为-140°C以下的液化天然气。冷却的冷冻剂流20也经过主热交换器22以提供进一步经冷却的 混合冷冻剂流90,该进一步经冷却的混合冷冻剂流90经过主阀27以 提供经膨胀的混合冷冻剂流90a，所述经膨胀的混合冷冻剂流90a比 主热交换器22中的所有其它流更冷，向所述所有其它流提供冷却，然 后流出，作为第二阶段流出流100。
第二阶段流出流100以本领域已知的方式由一个或多个主冷冻剂 压缩才几28压缩，从而提供压缩的冷冻剂流100a,然后，该压缩的冷 冻剂流100a可由一个或多个环境冷却器32 (比如本领域已知的水和/ 或空气冷却器)进行冷却，以提供准备用于再循环至预冷却热交换器 12中的混合冷冻剂流10。主冷冻剂压缩才几28由驱动器28a驱动，所 述驱动器28a可以是本领域已知的一个或多个燃气轮机、蒸汽轮机和/ 或电驱动器。
类似地，来自预冷却热交换器12的第一阶段流出流50被一个或 多个预冷却压缩器24压缩，从而提供压缩的流50a，该压缩的流50a 通过一个或多个环境冷却器26(比如水和/或空气冷却器)以提供准备 用于再循环至且再导入预冷却热交换器12中的冷却流30。预冷却压 缩机由本领域已知的一个或多个驱动器24a驱动，比如燃气轮机、蒸 汽轮机和电驱动器等。
压缩机驱动器24a、 28a通常是主要的能耗装置，并且通常需要耗 费图2中的液化设施l的总能量输入中的相当大比例。压缩机驱动器 (比如燃气轮机)的最大效率是要使它们保持恒定速度，更优选使它们 处于"全，，速。因此，这些驱动器的速度变化通常是不希望的而且会降 低这些驱动器的效率，就如这些驱动器所驱动的压缩机的负载发生显 著改变会降低这些驱动器的效率。因此，在本领域中，优选的是使压 缩机发生器的驱动器保持"全负载"来作为最佳效率配置方案。
然而，可能基于冷却设施l中的许多可能发生变化的参数或条件 来改变冷冻剂压缩机24、 28的负载。例如，烃流60的流量、体积、 温度等的变化，液化设施1周围的环境条件的变化，特别是可能影响 环境冷却器(比如图2所示的环境冷却器26、 32)的效率的高环境温度。在预冷却热交换器12或主热交换器22中一股或多股流的热交换 存在任何低效率的情况下，或者在冷却设施1中将一股或多股流或单 元用于一项或多项其它负荷(比如对空气分离单元的冷却负荷(未显 示))的情况下，也可能影响冷冻剂压缩机24、 28及其驱动器24a、 28a的负载。
因此，希望优化预冷却热交换器12和主热交换器22的冷却负荷， 以优化压缩机驱动器24a、 28a的操作，因此使它们保持最高效率。
该方法能够通过利用监测(优选测量)预冷却热交换器12所提供 的经冷却的混合冷冻剂流20的温度Tl和流量Fl两者来控制阀14， 以更好地平衡由经膨胀的冷却流40a所提供的预冷却热交换器12的冷 却负荷，这些参数的测量值可用于实时地控制阀14的操作，而且因此 还可控制进入预冷却热交换器12的较冷的冷却流40的流量F2 (和/ 或在预冷却热交换器之前的较冷的冷却流30的相关流量F22 )。
所示的方法在下述情况下特别有益冷却流是包括选自氮、曱烷、 乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷和戊烷的组中的一个或多个的混合冷 冻剂。
所示的方法在下述情况下也特别有益预冷却热交换器12包括选 自包括一个或多个板/鳍式热交换器、 一个或多个线轴缠绕式热交换 器、或者两者组合的组中的一或多个热交换器。与釜式热交换器不同 的是，这种热交换器无法通过其内的液位而容易地得以控制。
所显示的方法在下述情况下也特别有益在需要使主冷冻剂压缩 机28的驱动器28a保持在"最大"或"全负载"速度且具有最小的变化的 情况下。也就是说，在驱动器的最大输出功率等于冷冻剂压缩机的功 率消耗的情况下。输送至主热交换器22中的经冷却的混合冷冻剂流 20的温度Tl可纟艮据岡14的操作和较冷的冷却流40的流量F2而发生 改变，以提供用于混合冷冻剂流20的理想温度T1。
应注意的是，经冷却的混合冷冻剂流20的温度Tl与流量Fl并 非必然地相关联或相关。因此，可能在不同的温度下具有相同的流量 测量，在相同的温度下具有不同的流量测量。因此，本发明通过测量
17经冷却的混合冷冻剂流20的温度Tl和流量Fl两者而使其是有利的， 为阀14的操作提供更好的控制机制和回馈，并且因此，提供预冷却热 交换器12与主热交换器22的冷却负荷之间的平衡。
图3显示了一种液化设施2，其中烃流60进入第一预冷却热交换 器12a，然后作为第一冷却阶段8的部分进入第二预冷却热交换器12b， 接着，作为第二冷却阶段9的部分的经冷却的烃流70进入主热交换器 22中，以提供进一步经冷却的(优选为液化的)烃流80，更优选为液 化天然气。通常，液化的烃流80处于升高的压力下，因此其可在所谓 的终端闪蒸系统110中进行降压，该终端闪蒸系统IIO通常包括膨胀 轮机111和阀112，以及接下来的气/液分离器(未显示)。
在第一种替代方案中，烃流60仅经过第二预冷却热交换器12b 以提供经冷却的烃流70。
混合冷冻剂流10和冷却流30也经过第一预冷却热交换器12a。 来自第一预冷却热交换器12a的混合冷冻剂流10被提供以作为经冷却 的混合冷冻剂流10a的一部分，其然后进入第二预冷却热交换器12b， 以提供经冷却的混合冷冻剂流20。
冷却流30进入第一预冷却热交换器12a中，然后由本领域已知的 流分流器或分支器23来将其分支，从而提供一部分冷却流40b,所述 一部分冷却流40b经由第一阀14膨胀以提供第一经膨胀的冷却流40c， 然后所述第一经膨胀的冷却流40c再次进入第一预冷却热交换器12a 并且向其它进入该第一预冷却热交换器的流提供冷却。来自第一预冷 却热交换器12a的第一出口流50a经过抽吸滚筒51a，然后进入由驱 动器24a驱动的预冷却冷冻剂压缩机24中，之后，进行环境冷却32， 收集在储存器25中，进行进一步冷却32a，然后作为冷却流30进行 再次循环。
同时，来自第一预冷却热交换器12a的冷却流的其它部分进入第 二预冷却热交换器12b中，其中，所述第二预冷却热交换器12b的经 冷却的出口流40d经过第二阀14b以提供第二经膨胀的冷却流40e， 该第二经膨胀的冷却流40e流回第二预冷却热交换器12b中，以向进入第二预冷却热交换器12b中的其它流提供冷却。来自第二预冷却热 交换器12b的出口流50b经过抽吸滚筒51b，然后在不同的压力入口 处也进入预冷却冷冻剂压缩机24中，如先前所述，进行压缩和冷却。
图3还显示了部分经冷却的混合冷冻剂流10a的温度Tla可被监 测，经冷却的混合冷冻剂流20的温度Tib也可被监测。类似地，部 分经冷却的冷却流40b的流量在第一阀14a之前可被监测为F2a,来 自第二预冷却热交换器12b的冷却的出口流40d的流量在第二阀14b 之前可被监测为F2b。
经冷却的混合冷冻剂流20进入气/液分离器42中，以提供通常富 含曱烷的较轻流20a和通常富含重烃的较重流20b。较轻流20a以本 领域已知的方式经过主热交换器22以提供顶部流90d，所述顶部流90d 在阀93处膨胀，并且作为第一膨胀流90e流回主热交换器22中。较 重流20b以类似的方式进入主热交换器22，并在比该较轻的顶部流90d 低的高度处流出，作为流90b。流卯b可由一个或多个比如轮机91和 阀92的膨胀器(例如，膨胀单元或设备)膨胀，之后，作为第二膨胀 流90c流回主热交换器22中。
来自主热交换器22的混合冷冻剂作为主出口流IOO被提供，该主 出口流100经过一个或多个压缩机等，比如图3所示的两个主冷冻剂 压缩机28、 29，每一个压缩机分别由驱动器28a、 29a驱动，在每一 个压缩机之后，由环境冷却器32a、 32b以本领域已知的方式进行环境 冷却。
在图3所示的方案中，可监测较重流20b的流量F3以代替对在 预冷却热交换器12a、 12b之后完全混合的冷冻剂流20的流量Fl的 监测。以这种方式，Tla和/或Tlb位置处的混合冷冻剂温度可用于控 制较重流20b与部分经冷却的冷却流40b的流量F2a和/或经冷却的冷 却流40d的流量F2b之间的比率。
因此，阀14a、 14b的操作可与较重流的流量F3有关以及与在由 第一预冷却热交换器12a和/或第二预冷却热交换器12b进行其冷却之 后的混合冷冻剂流的温度Tla与Tlb中的一个或多个有关。温度Tib可与流量F3 —起使用来影响流量F2b及与其相关联的 阀14b。类似地，温度Tla可与流量F3 —起使用来影响流量F2a及 与其相关联的阀14a。
优选地，流量F2a及F2b两者都被控制以优化第一预冷却热交换 器12a和第二预冷却热交换器12b中每一个的冷却负荷，并因而优化 预冷却冷冻剂压缩机2 4所需的压缩功率，特别是优化预冷却冷冻剂压 缩机24的驱动器24a所需的能量输入。
图4显示了与具有相同流量的对比性方案相比，图2的方案中所 示的冷却流的流量随时间的变化。
对于这两种方案而言，图4显示了混合冷冻剂流10或经冷却的混 合冷冻剂流20的流量(线C)变化，两个流量具有相关的数值。在图 2中，混合冷冻剂流10或经冷却的混合冷冻剂流20的流量可通过将 与一个或多个第二热交换器22相关联的主阀27开启或进一步开启而 得以增加。主阀27可根据提高液化烃流80产量的需要、或者响应于 烃流60的流量改变、或者本领域技术人员在操作冷却(优选液化)方 法或设施时所已知的一种或多种其它原因而被开启或进一步开启。
响应于提高混合冷冻剂流10的流量，预冷却热交换器12所需的 冷却负荷将提高，从而以其增大的流速向混合冷冻剂流IO提供相同程 度的冷却。
在图4中，主阀27开启程度的变化显示为在流量线C的起始处 竖直增加，随后，长时间持续保持较高的流率(横跨整个图)。
为了在预冷却热交换器12中提供较高的冷却负荷，常用的方法是 开启或进一步开启预冷却阀14,以增大进入预冷却热交换器的经膨胀 的冷却流40a的流量和/或量。
图4中的线A显示了在对比性方案中的经膨胀的冷却流40a的流 量随时间的改变，其是基于阀14响应于仅测量经冷却的混合冷冻剂流 20的温度而发生的改变。因此，可看出，有大量的过度反应，使得冷 却流30的流量超过所需流量，而这种过量需要在使冷却流30随着时 间过去而稳定之前逐渐地进行。
20图4中的线B显示了基于本发明的经膨胀冷却流40a的流量改变， 也即，其是在响应于对经冷却的混合冷冻剂流20的温度和流量两者的 测量以及响应于对冷却流或较冷的冷却流40的流量的测量来操作预 冷却阀14的情况下的流量改变。线B清楚地显示了经膨胀的冷却流 的流量随时间緩慢且稳定地增加。
图4中线A与B之间的差异需要为线A提供显著增加的电力消耗。 因此，更好地成一直线且更为稳定的线B在预冷却热交换器12中提 供冷却负荷方面明显更有效，使得预冷却热交换器12在经冷却的混合 冷冻剂流20的流量发生任何变化期间明显更有效。本发明还更快速地 对经冷却的混合冷冻剂流20的流量改变作出响应，并且通过更贴近 地、比对比性方案所显示的更早得多地实现所需的冷却负荷的改变而 更为精确。
该方法包括一种冷却混合冷冻剂流并且控制用于该方法和装置的 阀的方法。
对本领域技术人员来说显然的是，本发明还提供一种控制膨胀器 (比如阀)的方法，用于使用于热交换器中的冷却流中的至少部分膨胀， 该方法至少包括以下步骤
(a) 提供混合冷冻剂流；
(b) 使所述混合冷冻剂流经过热交换器以提供经冷却的混合冷冻 剂流；
(c) 监测所述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的温度(Tl) 和流量(Fl);
(d) 提供冷却混合冷冻剂流，并且监测该冷却混合冷冻剂流中的 至少部分的流量(F2);
(e) 使冷却流中的至少一部分经由阀膨胀器膨胀，以提供经膨胀 的冷却流；
(f) 使该经膨胀的冷却流经过步骤(b)中的热交换器中的一个或 多个以4吏所述混合冷冻剂流冷却；以及
(g) 使用较冷的混合冷冻剂流中的至少部分的流量Fl与温度Tl来控制该阀膨胀器，从而控制冷却流中至少部分的流量F 2 。
而且，对本领域技术人员来说显然的是，本发明还提供了一种用 于如前所述的方法和/或装置的膨胀器控制器，其至少包括
一个或多个输入端和输出端，用于接收经冷却的混合冷冻剂流的 温度(Tl)和流量(Fl)的测量值以及冷却流的流量(F2)的测量值， 并且用于控制膨胀器。
本发明的方法和装置可通过一个或多个热交换器来提高冷冻剂负 载，并且提高冷却(优选液化)程序和装置的效率。
本发明的方法和装置可在其用于使烃流(比如天然气)液化之前， 通过一个或多个热交换器来提高混合冷冻剂流的冷却。
本发明的方法和装置可降低在 一种使混合冷冻剂流冷却的方法中 的电力消耗，特别是可降低用于一种使烃流冷却(可选地包括使烃流 液化)的方法和装置的电力消耗。
本发明的方法和装置可缩短转换或调整在使烃流冷却(可选地使 烃流液化)的方法中的预冷却冷冻循环与主冷冻循环之间的冷冻负载 所需的时间。
本领域技术人员应理解本发明可通过许多不同方式实现而不偏离 所附权利要求书的范围。
权利要求
1.一种使比如天然气流的烃流冷却的方法，所述方法至少包括以下步骤(a)提供包括第一混合冷冻剂的混合冷冻剂流；(b)使所述混合冷冻剂流经过一个或多个热交换器以提供经冷却的混合冷冻剂流；(c)监测所述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的温度(T1)和流量(F1)；(d)提供包括第二混合冷冻剂的冷却流；(e)监测步骤(d)中所提供的所述冷却流中的至少部分的流量(F2)；(f)使所述冷却流中的至少一部分膨胀以提供一股或多股经膨胀的冷却流；(g)使所述一股或多股经膨胀的冷却流中的至少一股经过步骤(b)中的热交换器中的一个或多个以使所述混合冷冻剂流冷却，从而提供所述经冷却的混合冷冻剂流；(h)使用所述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的流量(F1)和温度(T1)来控制所述冷却流的流量(F2)；(i)使用所述经冷却的混合冷冻剂流来使所述烃流冷却。
2. 根据权利要求l所述的方法，其中步骤(i)包括(11) 使所述经冷却的混合冷冻剂流经过至少一个主热交换器；以及(12) 使所述烃流经过所述至少一个主热交换器，以由所述经冷却 的混合冷冻剂流或所述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分来4吏所述 烃流冷却。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中所述冷却流中的至少一 部分还经过步骤(b)中的热交换器中的一个或多个，以于在步骤(f) 中进行所述膨胀之前提供一股或多股较冷的冷却流。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中监测所述冷却流中的至少部 分的流量(F2)以作为较冷的冷却流中的至少部分的流量。
5. 根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中在进行步 骤(i)之前，使所述混合冷冻剂流经过1至6的任一数量的热交换器， 使来自步骤(f)的一股或多股经膨胀的冷却流中的一股不同的经膨胀 的冷却流经过每一个热交换器，从而使所述混合冷冻剂流冷却。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中在每一个热交换器下游监测 所述经冷却的混合冷冻剂流的温度(Tla、 Tlb)和流量(Fla、 Flb )。
7. 根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中所述烃流 也在步骤(i)之前经过所述热交换器中的至少一个。
8. 根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中所述冷却 流的平均分子量大于所述混合冷冻剂流的平均分子量。
9. 根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，在步骤 (i)之前，将所述经冷却的混合冷冻剂流分离成较轻流和较重流。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中在步骤(i)中使用所述经 冷却的混合冷冻剂流来使所述烃流冷却的步骤包括使所述经流与所述 较轻流和较重流进4于热交换。
11. 根据权利要求9或IO所述的方法，其中监测经冷却的混合冷 冻剂流中的至少部分的流量(Fl)的步骤包括监测所述较重流的流量 (F3)。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述较重流形成所述经冷 却的混合流中的至少部分。
13. 根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中将所述 经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的温度(Tl)和流量(Fl)的测 量值以及所述冷却流的流量(F2)的测量值传送至一控制器，所述控 制器控制步骤(f)中的膨胀。
14. 根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中在使所 述烃流经过至少一个主热交换器期间，在主热交换器中使烃流液化， 以提供液化烃流，比如液化天然气。
15. —种使比如天然气流的烃流冷却的装置，所述装置至少包括 用于监测包括第二混合冷冻剂的冷却流中的至少部分的流量(F2 )的流量监测器；一个或多个膨胀器，用于使冷却流中的至少一部分膨胀，从而提 供一股或多股经膨胀的冷却流；一个或多个热交换器，设置用于接收并且通过所述一股或多股经 膨胀的冷却流中的至少 一股来冷却包括第 一混合冷冻剂的混合冷冻剂 流，从而提供经冷却的混合冷冻剂流；用于监测所述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的温度(Tl) 和流量(Fl)的温度监测器和流量监测器；控制器，用于使用所述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的流 量(Fl)和温度(Tl)的测量值来控制所述冷却流的流量(F2);至少一个主热交换器，设置在所述一个或多个热交换器的下游， 用于接收所述经冷却的混合冷冻剂流和所述烃流，并且通过所述经冷 却的混合冷冻剂流来使所述烃流冷却。
16. —种使混合冷冻剂流冷却的方法，所述方法至少包括以下步骤(a )提供包括第 一混合冷冻剂的混合冷冻剂流； (b )使所述混合冷冻剂流经过一个或多个热交换器以提供经冷却 的混合冷冻剂流；(c) 监测所述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的温度(Tl) 和流量(Fl);(d) 提供包括第二混合冷冻剂的冷却流；(e) 监测步骤(d)中所提供的所述冷却流中的至少部分的流量 (F2);(f) 使所述冷却流中的至少 一部分膨胀以提供一股或多股经膨胀 的冷却流；(g )使所述一股或多股经膨胀的冷却流中的至少一股经过步骤(b ) 中的热交换器中的一个或多个以使所述混合冷冻剂流冷却，从而提供所述经冷却的混合冷冻剂流；以及(h)使用所述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的流量(Fl) 和温度(Tl)来控制所述冷却流的流量(F2)，其中烃流，比如天然 气流，也经过步骤(b)中的热交换器中的至少一个，在所述热交换器 中的至少一个处，所述烃流被冷却以产生经冷却的经流。
17. —种使混合冷冻剂流冷却的装置，所述装置至少包括 用于监测包括第二混合冷冻剂的冷却流中的至少部分的流量(F2 ) 的流量监测器；一个或多个膨胀器，用于使所述冷却流中的至少一部分膨胀，从 而提供一股或多股经膨胀的冷却流；一个或多个热交换器，设置用于接收并且通过所述一股或多股经 膨胀的冷却流中的至少 一股来冷却包括第 一混合冷冻剂的混合冷冻剂 流和比如天然气流的烃流，从而提供经冷却的混合冷冻剂流；用于监测所述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的温度(Tl) 和流量(Fl)的温度监测器和流量监测器；控制器，用于使用所述经冷却的混合冷冻剂流中的至少部分的流 量(Fl)和温度(Tl)的测量值来控制所述冷却流的流量(F2)。
全文摘要
一种包括第一混合冷冻剂的混合冷冻剂流(10)经过一个或多个热交换器(12)以提供经冷却的混合冷冻剂流(20)。包括第二混合冷冻剂的冷却流(30)中的至少一部分被膨胀(14)以提供一股或多股经膨胀的冷却流(40a)，使该一股或多股经膨胀的冷却流中的至少一股经过热交换器(12)中的一个或多个以使该混合冷冻剂流(10)冷却，从而提供用于使烃流(70)冷却(22)的经冷却的混合冷冻剂流(20)。监测该经冷却的混合冷冻剂流(20)中的至少部分的温度(T1)和流量(F1)，并且使用流量F1与温度T1来控制冷却流(30)的流量(F2)。
文档编号F25B49/02GK101688752SQ200880024127
公开日2010年3月31日 申请日期2008年7月10日 优先权日2007年7月12日
发明者F·J·范戴克, F·尚丹, M·D·亚赫 申请人:国际壳牌研究有限公司