用于优化的液化天然气生产的方法和系统技术方案

一种用于借助于使用单相气态制冷剂的制冷组件来生产液化的且过冷却的天然气的方法和系统，该制冷组件包括：至少两个膨胀机（１－３）；压缩机组件（５－７）；用于从天然气吸收热量的换热器组件（８）；以及散热组件（１０－１２）。根据本发明专利技术的新颖特征在于：在膨胀机回路中布置膨胀机（１－３）；在所有回路中仅使用一种且相同的制冷剂；将来自各个膨胀机的膨胀的制冷剂流传递到换热器组件（８）中，每个膨胀机都处于适合对密相进行去过热、冷凝或者冷却和／或对天然气进行过冷却的质量流和温度水平；以及借助于压缩机组件，在压缩的流中向各个膨胀机提供制冷剂，该压缩机组件具有压缩机或者压缩机级，实现了针对各个膨胀机的适合的入口压力和出口压力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于优化的液化天然气生产的方法和系统
技术介绍
世界上的能量需求正在增加，并且预测为继续增长。作为能量载体的天然气近年来受到越来越多的关注，并且预计天然气将会变得更重要。为了远距离传输天然气，液化天然气LNG常常被认为是最佳的选择，尤其是在外国。难于处置的(stranded)天然气或者伴生气是作为来自石油生产的“废弃物”的气源。目前很少对这些气源进行利用。通常将它们燃烧掉。随着天然气价格的上涨和对环境的更多关注，对这些源进行利用在经济上变得更加可行并且在政治上也变得更加重要。这些源很多都是海上的，并且，在浮式生产储卸油装置FPSO单元上的液化在很多情况下是最佳选择。FPSO提供了灵活性，这是因为FPSO可以相对容易地移动到其它源。FPSO的挑战在于可用的空间。此外，还应当使装备的重量最小化，并且制冷剂优选地应当是不可燃的。LNG生产中的重要问题是能量需求。生产每千克LNG的高的能量需求，即能耗率，使其不那么有利可图并且不太环保。经济上可行的气源的数量会变小。较低的能量需求率除了降低操作成本之外，还将节省投资成本，这是因为装备将会更小。陆上LNG生产对于重量和空间没有同样的限制，但是能量高效的LNG生产却是一样重要。随着设备容量变得越来越大，能量效率也变得越来越重要。通常在级联布置中，涉及多组分制冷剂MCR的技术被认为是用于LNG生产的最高效的技术。该技术通常用在较大的设备、基本负荷设备中，并且在某种程度上用在中等规模设备中。由于其复杂性，因此MCR技术很昂贵而且控制很慢。另外，需要气体补充(make-up)组件来确保MCR制冷剂的正确组成。另外的缺点是，制冷剂是可燃的，这可能是一个问题，尤其在海上设施中。如果使用惰性气体(诸如氮气)的单组分的制冷技术会是比较能量高效的，其将在成本、紧凑性、重量、鲁棒性、控制和安全性方面表现出显著的改进。那么，在大规模设备中实现这种技术也会是令人感兴趣的。美国专利5.768.912和5.916.260提出了基于氮气单制冷剂技术的LNG生产的工艺。该制冷剂被分成至少两个分开的流，这两个分开的流在至少两个分开的膨胀机中进行冷却和膨胀。每个流被膨胀直至压缩机组的吸入压力，也就是装置中的最小制冷压力，因此，会使用比所必需的能量更多的能量。美国专利6.412.302描述了一种LNG液化组件，该组件使用两个独立的膨胀机制冷循环，其中，一个循环具有甲烷或者烃混合物，而另一个循环具有氮气。每个循环具有一个在不同温度水平工作的膨胀机。循环中的每个可以被分别控制。使用两个分开的制冷剂将需要两个制冷剂缓冲系统。使用易燃的制冷剂也意味着限制或者额外的装备。使用工业废气(processgas)作为制冷剂的MCR工艺和装置的几个专利被授权，例如美国专利7.225.636和欧洲专利1455152。这些专利的共同点在于，热吸收包括了制冷剂的相变，这固有地给出了更加复杂的系统。从而需要更多装备，并且控制变得复杂而敏感。需要有基于惰性的单组分制冷剂的高效的工艺。本专利技术描述了使用惰性气体作为制冷剂的、具有灵活控制的、能量高效并紧凑的LNG生产组件。
技术实现思路
本专利技术涉及一种用于优化的LNG生产的方法和系统。为了使能耗率最小化，需要使换热器损失最小化。这是通过在一个或多个单组分和单相制冷循环中布置至少两个膨胀机来实现的，以便可以分别控制进入膨胀机的质量流、温度和压力水平。通过这样的布置，制冷过程可以适合在不同的压力和温度下变化的气体组成，并且同时可以使效率最优化。该控制固有地是鲁棒的和灵活的。根据本专利技术的LNG生产设备可以适合不同的气源，并且同时可以保持低的能耗率。在一个方面中，本专利技术涉及一种用于借助于使用单相气态制冷剂的制冷组件来生产液化的且过冷却的天然气的方法，该制冷组件包括：两个或三个膨胀机；压缩机组件；用于从天然气吸收热量的换热器组件；以及散热组件，并且此外，该方法包括：在两个或三个膨胀机回路中布置膨胀机，每个膨胀机被独立控制；在所有回路中仅使用一种且相同的制冷剂；将来自各个膨胀机的膨胀的制冷剂流传递到换热器组件中，其中在两个膨胀机的情况下：来自第一膨胀机的制冷剂流处于适合天然气的密相的去过热、冷凝和冷却的质量流和温度水平，并且来自第二膨胀机的制冷剂处于适合天然气的过冷却的质量流和温度水平；在三个膨胀机的情况下：来自第一膨胀机的制冷剂流处于适合天然气的去过热的质量流和温度水平，来自第二膨胀机的制冷剂流处于适合天然气的密相的冷凝和冷却的质量流和温度水平，并且来自第三膨胀机的制冷剂处于适合天然气的过冷却的质量流和温度水平；以及借助于压缩机组件，在压缩的流中向各个膨胀机提供制冷剂，该压缩机组件具有压缩机或者压缩机级，其实现了针对各个膨胀机的适合的入口压力和出口压力。在另一方面中，本专利技术涉及一种用于借助于使用单相气态制冷剂的制冷组件来生产液化的且过冷却的天然气的系统，该制冷组件包括：两个或三个膨胀机；压缩机组件；用于从天然气吸收热量的换热器组件；以及散热组件，其中，膨胀机布置在两个或三个膨胀机回路中，每个膨胀机被独立控制；所有膨胀机回路包括相同的制冷剂；来自各个膨胀机的膨胀的制冷剂流被传递到换热器组件中，其中，换热器组件包括用于密相的去过热、冷凝和冷却、以及过冷却的单独路径，每个路径都处于适合天然气的密相的去过热、冷凝或者冷却、以及过冷却的质量流和温度水平；以及借助于压缩机组件，在压缩的流中向各个膨胀机提供制冷剂，该压缩机组件具有压缩机或者压缩机级，其实现了针对各个膨胀机的适合的入口压力和出口压力。从属权利要求详细说明了优选的实施例。膨胀机的出口压力被控制成尽可能高，并同时向用于过冷却的LNG生产的换热器装置馈以所需的制冷温度。接着，保持每个压缩机级的吸入压力尽可能高。这与现有技术不同，参见例如美国专利5.916.260，其中，所有流都被膨胀直至最小制冷压力。本专利技术的主要改进在于使压缩机的比功量(specificworkvolume)和比吸入量最小化，从而改善整体系统效率。管线尺寸被减小，因而阀门和传动装置(actuator)更小。所有这些因素有助于显著地降低成本和空间要求。安装工作也会变得较不复杂从而更高效。减少换热器损失在低温处理中是至关重要的。本专利技术的重要的实施例是，其通过使制冷过程适合LNG生产的如下主要三个不同的阶段，将温差减小到最小：去过热、冷凝(超临界压力下的密相的冷却)和过冷却。这与现有技术是不同的，例如美国专利6.412.302，其对于密相的去过热和冷凝/冷却不具有分别的适应。本专利技术将使用气相的单制冷剂进行操作。氮气是显然的替选。非易燃性在例如海上设施中被认为是优点。仅使用一种单组分制冷剂也降低了复杂性。附图说明附图示出了本专利技术的优选实施例。图1示出了液化天然气生产的原理阶段，其中，相应的冷却能力需要是用三条直线来表示的。图2示出了本专利技术的暖组合曲线和冷组合曲线的示例。图3描绘了本专利技术的包括三个膨胀机的实施例。图4示出了包括布置在三个分开的制冷循环中的三个膨胀机的另外的实施例。图5示出了仅包括两个膨胀机的实施例。图6描绘了与图5相似的、但膨胀机布置在分开的制冷循环中的实施例。图7示出了允许对制冷剂流进行分流和合并的实施例。图8示出了图7的一部分，其中，图3至图6所示出的膨胀机中的至少本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于借助于使用单相气态制冷剂的制冷组件来生产液化的且过冷却的天然气的方法，所述制冷组件包括：至少两个膨胀机（１－３；２－３）；压缩机组件（５－７；１３－１８；５－７；１４－１８）；换热器组件（８），用于从天然气吸收热量；以及散热组件（１０－１２；１９－２４；１０－１２；２０－２４），其特征在于：在膨胀机回路中布置所述膨胀机（１－３；２－３）；在所有回路中仅使用一种且相同的制冷剂；将来自各个所述膨胀机（１－３；２－３）的膨胀的制冷剂流传递到所述换热器组件（８）中，每个所述膨胀机都处于适合对密相进行去过热、冷凝或者冷却和／或对天然气进行过冷却的质量流和温度水平；以及借助于所述压缩机组件（５－７；１３－１８；５－７；１４－１８），在压缩的流中向各个所述膨胀机（１－３；２－３）提供所述制冷剂，所述压缩机组件具有压缩机或者压缩机级，实现了针对各个所述膨胀机的适合的入口压力和出口压力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】NO200837402008年8月29日1.一种用于借助于使用单相气态制冷剂的制冷组件来生产液化的且过冷却的天然气的方法，所述制冷组件包括：两个或三个制冷循环，每个制冷循环在其膨胀机回路中包括一个膨胀机；压缩机组件；换热器组件，用于从天然气吸收热量；散热组件；以及存量容器，所述方法特征为：在两个或三个膨胀机回路中布置所述膨胀机，每个膨胀机被独立控制；在所有膨胀机回路中仅使用一种且相同的制冷剂；将来自各个膨胀机的膨胀的制冷剂流传递到所述换热器组件中，其中，-在两个膨胀机的情况下：来自第一膨胀机的制冷剂流处于适合天然气的密相的去过热、冷凝和冷却的质量流和温度水平，并且来自第二膨胀机的制冷剂处于适合天然气的过冷却的质量流和温度水平；-在三个膨胀机的情况下：来自第一膨胀机的制冷剂流处于适合天然气的去过热的质量流和温度水平，来自第二膨胀机的制冷剂流处于适合天然气的密相的冷凝和冷却的质量流和温度水平，并且来自第三膨胀机的制冷剂处于适合天然气的过冷却的质量流和温度水平；以及借助于所述压缩机组件，在压缩的流中向各个膨胀机提供所述制冷剂，所述压缩机组件具有压缩机或者压缩机级，实现了针对各个膨胀机的适合的入口压力和出口压力，其中，制冷循环中的每个制冷循环连接到所述存量容器，以及通过使用所述存量容器和阀门来改变制冷剂存量，彼此独立地控制制冷循环的制冷容量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述膨胀机连接至所述压缩机组件，以便流动地形成具有分开的膨胀机回路的集成的制冷组件。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述膨胀机连接至所述压缩机组件，以便流动地形成集成的制冷组件，其中对与所述换热器组件有关的所述膨胀机回路中的冷流进行合并。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述膨胀机连接至所述压缩机组件，以便流动地形成集成的制冷组件，其中在所述膨胀机的上游对与所述换热器组件有关的所述膨胀机回路中的暖流进行分流。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述膨胀机连接至所述压缩机组件，以便流动地形成集成的制冷组件，其中在所述膨胀机的上游对暖流进行分流，并且对与所述换热器组件有关的冷流进行合并。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将每个膨胀机连接至所述压缩机组件，以便流动地形成分开的制冷循环。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过分开的存量控制来独立地改变每个制冷循环中的所述制冷容量。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过压缩机速度控...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿尔内·雅各布森，
申请(专利权)人：海威石油天然气系统公司，
类型：发明
国别省市：NO