用於天然氣液化的系統和方法

2023-05-17 07:10:46 1

用於天然氣液化的系統和方法
【專利摘要】本發明提供了一種具有改進位冷的液化天然氣生產系統和方法。該製冷由製冷裝置實現，所述製冷裝置包括配置為串聯排列從而實現製冷劑多級壓縮的多個製冷壓縮機(11、13、15、17)、與所述多個製冷壓縮機的每一個偶聯從而冷卻被壓縮的製冷劑的多個後冷卻機(12、14、16、18)、與最後一個後冷卻機(18)偶聯並配置為串聯結構從而實現所述被壓縮的製冷劑多級膨脹的多個透平膨脹機(19、20)，以及與所述多個製冷壓縮機的第一個(11)和多個透平膨脹機的最後一個(20)偶聯的多個製冷熱交換裝置(33、34)，這樣所有組件形成一個閉合的製冷循環。
【專利說明】用於天然氣液化的系統和方法

【技術領域】
[0001] 本發明大致涉及天然氣液化技術，特別涉及一種採用配置為串聯排列的多個透平 膨脹機以用於天然氣液化的系統和方法。

【背景技術】
[0002] 為了以更有效的方式運輸天然氣，重要的是將其液化為用於運輸的液化天然氣 (LNG)，這能將天然氣的體積收縮600倍，從而能被運送給世界其他部分的消費者。許多LNG 液化工廠利用帶有混合製冷劑的製冷循環，其製冷一般是通過使用具有包括丙烷、丙烯、乙 烷、乙烯、甲烷和氮或其混合物的一種或多種組合物的製冷劑在閉環或開環形態下的熱交 換來實現。由於能夠在利用製冷劑蒸發潛熱的所述液化過程的不同階段緊密地靠近天然氣 以及多組分製冷劑的冷卻曲線，因此混合製冷劑循環是有效的。
[0003] 對於近海的天然氣液化，推薦氮膨脹機循環，因為與基於混合製冷劑的LNG工藝 相比，其更安全並且涉及製冷劑滲漏的環境風險更少。此外，氮循環並不需要存儲烴製冷 劑。
[0004] 已熟知逆向布雷頓循環被用於天然氣液化。然而，LNG過程的表現受許多因素的 限制，如主低溫熱交換器的最大溫度接近限度，以及單一膨脹機能達到的受限的膨脹比。一 般地，所述膨脹機能夠達到的膨脹比越大，LNG液化過程的效率越高，並且製冷循環所需的 製冷劑流量越低。
[0005] 現有技術已經公開了基於在閉環氮製冷循環中利用雙/三透平膨脹機的氮膨脹 循環的天然氣液化過程。所述氮氣流在利用二/三個並行的膨脹機膨脹之前就分流成二/ 三股氣流，從而達到用於天然氣液化的不同的冷卻溫度。調整所述分流的氮氣流的流速以 使冷卻曲線緊密配合，從而改善過程效率。如圖12所示，提供了一種具有現有技術中並行 結構的雙膨脹機的天然氣液化系統。進氣101、氣體處理模塊102、主低溫熱交換器103、天 然氣熱交換裝置131、天然氣減壓裝置104、閃蒸罐105、LNG106、閃發氣體熱交換裝置132、 閃發氣體壓縮機107、閃發氣體後冷卻機108、燃料氣體109、第一製冷壓縮機111、第一製冷 後冷卻機112、第二製冷壓縮機113、第二製冷後冷卻機114、第一製冷二次壓縮機115、第二 製冷二次壓縮機117、第四製冷後冷卻機118、第一製冷熱交換裝置133和第二製冷熱交換 裝置134與圖1中所示的相應組件相似（在下文詳細描述）。第一透平膨脹機119和第二 透平膨脹機120配置為並行排列，從而將來自所述第一製冷熱交換裝置133的氮氣流分為 兩股，一股進料至所述第一透平膨脹機119,另一股進入所述第二透平膨脹機120,來自兩 個膨脹機的下遊物質流直接回流到所述第二製冷熱交換裝置134。然而，在這些過程中的制 冷物質的流量高。
[0006]因此，在本領域中需要開發一種具有更高效率和更小製冷流量的天然氣液化系統 和方法。


【發明內容】

[0007] 本發明的一個目的是提供一種具有改進的製冷效率的液化天然氣生產系統。
[0008] 本發明的一個方面提供了一種液化天然氣（LNG)生產系統。在一個實施方式中， 所述液化天然氣生產系統包括主低溫熱交換器、天然氣液化子系統，以及製冷子系統，該制 冷子系統包括配置為串聯排列從而實現製冷劑多級壓縮的多個製冷壓縮機、與所述多個制 冷壓縮機的每一個偶聯從而冷卻被壓縮的製冷劑的多個後冷卻機、與最後一個後冷卻機偶 聯並配置為串聯結構從而實現所述被壓縮的製冷劑的多級膨脹的多個透平膨脹機，以及與 所述多個製冷壓縮機的第一個和所述多個透平膨脹機的最後一個偶聯的多個製冷熱交換 裝置，這樣所有組件形成一個閉合的製冷循環；其中，所述主低溫熱交換器促進穿過所述天 然氣液化子系統的壓縮天然氣和穿過所述製冷子系統的製冷劑之間的熱交換，從而通過制 冷子系統中的製冷劑液化在天然氣液化子系統中的壓縮天然氣。
[0009] 在所述液化天然氣生產系統的另一個實施方式中，所述主低溫熱交換器是多流式 熱交換器。
[0010] 在所述液化天然氣生產系統的另一個實施方式中，所述天然氣液化子系統包括氣 體處理模塊，其用於處理壓縮天然氣以使其適合被液化；天然氣熱交換裝置，其與所述氣體 處理模塊以流動態/氣態（fluidly/gaseously)偶聯並在所述主低溫熱交換器內排列，以 用於使穿過的壓縮天然氣與對流的製冷劑流交換熱量；以及天然氣減壓裝置，其與所述天 然氣熱交換裝置以流動態/氣態偶聯，以用於控制所述來自天然氣熱交換裝置的壓縮的液 化天然氣的壓力的減小，從而進一步降低壓縮的液化天然氣、出產的液化天然氣（yielding LNG)和閃發氣體（flashgas)的溫度。
[0011] 在所述液化天然氣生產系統的另一個實施方式中，所述天然氣減壓裝置為焦 耳-湯姆森（J-T)閥、兩相膨脹機或液體膨脹機。
[0012] 在所述液化天然氣生產系統的另一個實施方式中，所述製冷子系統包括第一製冷 壓縮機、與所述第一製冷壓縮機偶聯的第一製冷後冷卻機、與所述第一製冷後冷卻機偶聯 的第二製冷壓縮機、與所述第二製冷壓縮機偶聯的第二製冷後冷卻機、與所述第二製冷後 冷卻機偶聯的第一製冷二次壓縮機、與所述第一製冷二次壓縮機偶聯的第三製冷後冷卻 機、與所述第三製冷後冷卻機偶聯的第二製冷二次壓縮機、與所述第二製冷二次壓縮機偶 聯的第四製冷後冷卻機、在主低溫熱交換器內排列並與所述第四製冷後冷卻機偶聯從而立 即冷卻壓縮的製冷劑的第一製冷熱交換裝置、與第一製冷熱交換裝置偶聯以首先膨脹所述 壓縮的製冷劑的第一透平膨脹機、與所述第一透平膨脹機偶聯以再次膨脹所述首先膨脹的 製冷劑的第二透平膨脹機，以及在主低溫熱交換器內排列並與所述第二透平膨脹機和第一 製冷壓縮機偶聯的第二製冷熱交換裝置。在所述液化天然氣生產系統的進一步的實施方式 中，所述製冷子系統進一步包括在所述主低溫熱交換器內排列的第三製冷熱交換裝置，其 中所述第三製冷熱交換裝置的上遊入口與所述第一透平膨脹機的一個下遊出口偶聯，而所 述第三製冷熱交換裝置的下遊出口與所述第二製冷壓縮機的一個上遊入口偶聯；並且在操 作中，通過所述第一透平膨脹機膨脹後的製冷劑被分流為具有30/70至60/40比例的兩股， 一股（整股的30-60%)被引入到所述第三製冷熱交換裝置以作為主低溫熱交換器中的冷 流，而另一股（整股的40-70% )通過所述第二透平膨脹機被進一步膨脹，然後引入到所述 第二製冷熱交換裝置以作為用於液化天然氣次級冷卻（sub-cooling)的最冷流。在所述液 化天然氣生產系統的另一個進一步的實施方式中，所述製冷子系統進一步包括在主低溫熱 交換器內排列並在所述第一和第二透平膨脹機之間的中間冷卻機。在所述液化天然氣生產 系統的另一個實施方式中，所述製冷子系統進一步包括排列在來自所述第一透平膨脹機的 一股和所述第二透平膨脹機之間的中間冷卻機。在所述液化天然氣生產系統的一個進一步 的實施方式中，所述製冷子系統進一步包括第三膨脹裝置和第二中間冷卻機，二者均排列 在所述第二透平膨脹機和第二致冷熱交換裝置之間。所述第一透平膨脹機可選擇提供兩股 分開的製冷劑流，一股送回到排列在所述主低溫熱交換器內的第四製冷熱交換裝置，另一 股通過所述第一中間冷卻機送到第二膨脹裝置。所述第二透平膨脹機可選擇提供兩股分開 的製冷劑流，一股送回到排列在所述主低溫熱交換器內的第五製冷熱交換裝置，另一股通 過所述第二中間冷卻機送到第三膨脹裝置。
[0013] 本發明的另一方面是提供一種利用閉環中的單相氣態製冷劑來生產液化天然氣 的方法。在一個實施方式中，該方法包括提供在其中發生熱交換的主低溫熱交換器，提供流 過該主低溫熱交換器以獲得液化的加壓天然氣流，以及通過製冷裝置向所述主低溫熱交換 器提供冷能量；其中，所述製冷裝置包括配置為串聯排列從而實現製冷劑多級壓縮的多個 製冷壓縮機、與所述多個製冷壓縮機的每一個偶聯從而冷卻被壓縮的製冷劑的多個後冷卻 機、與最後一個後冷卻機偶聯並配置為串聯結構從而實現所述被壓縮的製冷劑的多級膨脹 的多個透平膨脹機，以及與所述多個製冷壓縮機的第一個和多個透平膨脹機的最後一個偶 聯的多個製冷熱交換裝置，這樣所有組件形成一個閉合的製冷循環。
[0014] 本發明的目的和有益效果將通過結合以下附圖的優選實施方式的詳細描述變得 顯而易見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 現在將參照附圖描述根據本發明的優選實施方式，其中相同的附圖標記表示相同 的元件。
[0016] 圖1為顯示根據本發明的一個實施方式的液化天然氣生產系統的示意圖；
[0017] 圖2為顯示根據本發明的另一個實施方式的液化天然氣生產系統的示意圖；
[0018] 圖3顯示了圖2中所示的液化天然氣生產系統的熱流量-溫度曲線；
[0019] 圖4為顯示根據本發明的另一個實施方式的液化天然氣生產系統的示意圖；
[0020] 圖5顯示了圖4中所示的液化天然氣生產系統的熱流量-溫度曲線；
[0021] 圖6為顯示根據本發明的另一個實施方式的液化天然氣生產系統的示意圖；
[0022] 圖7顯示了圖6中所示的液化天然氣生產系統的熱流量-溫度曲線；
[0023] 圖8為顯示根據本發明的另一個實施方式的液化天然氣生產系統的示意圖；
[0024] 圖9為顯示根據本發明的另一個實施方式的液化天然氣生產系統的示意圖；
[0025] 圖10為顯示根據本發明的另一個實施方式的液化天然氣生產系統的示意圖；
[0026] 圖11為顯示根據本發明的另一個實施方式的液化天然氣生產系統的示意圖；
[0027] 圖12為顯示現有技術中的示例性液化天然氣生產系統的示意圖。

【具體實施方式】
[0028] 通過參照以下本發明的特定實施方式的詳細描述可以更容易地理解本發明。
[0029] 在本申請中，在引用公開物之處，這些公開物公開的內容在此通過引用方式完全 併入本申請中，從而更全面地描述本申請相關領域的情況。
[0030] 本發明提供了一種以簡單有效的方式利用基於膨脹機的製冷循環以使天然氣液 化的系統和方法。該系統和方法使用串聯排列的透平膨脹機，與已知的現有技術工藝相比， 具有簡單靈活、低製冷流量需求、對每個膨脹機的低膨脹率需求，以及有競爭力的效率和功 耗的優點。
[0031] 現在參照圖1，其提供了一種依據本發明的一個實施方式的液化天然氣生產系統。 所述液化天然氣生產系統100包括主低溫熱交換器3、天然氣液化子系統，以及製冷子系 統，其中，所述主低溫熱交換器3促進穿過所述天然氣液化子系統的天然氣和穿過所述制 冷子系統的製冷劑之間的熱交換，從而通過製冷子系統中的製冷劑液化天然氣液化子系統 中的天然氣。
[0032] 所述主低溫熱交換器3是多流式熱交換器，其整合冷熱流的熱傳輸，並且優化整 合的冷卻曲線。
[0033] 如圖1中所示，所述天然氣液化子系統包括氣體處理模塊2,其確保進氣1適合於 天然氣液化過程；天然氣熱交換裝置31，其在所述主低溫熱交換器3內排列，用於使穿過的 天然氣與對流的製冷劑或其他氣流（例如，下面討論的閃發氣體流）交換熱量；天然氣減壓 裝置4(例如，焦耳-湯姆森（J-T)閥、兩相膨脹機或液體膨脹機），其用於控制來自所述天 然氣熱交換裝置31的冷卻天然氣的壓力的降低，以進一步降低天然氣、產出的兩相（氣體 和液體）流的溫度；以及閃蒸罐5,其用於將所述兩相流分流成液化天然氣6和閃發氣體。 所有組件通過常規的管路/管道流動態偶聯：2/31管道偶聯所述氣體處理模塊2的下遊出 口和所述天然氣熱交換裝置31的上遊入口；31/4管道偶聯所述天然氣熱交換裝置31的下 遊出口和所述J-T閥4的上遊入口，以及4/5管道偶聯所述J-T閥4的下遊出口和所述閃 蒸罐5的上遊入口。所述液化天然氣6利用常規裝置儲存。對於閃發氣體，所述天然氣液 化子系統進一步包括閃發氣體熱交換裝置32,其排列在所述主低溫熱交換器3內，用於利 用流過所述天然氣熱交換裝置31的天然氣而再生冷能量；閃發氣體壓縮機7,其用於壓縮 冷能量再生的閃發氣體；以及閃發氣體後冷卻機8,其用於冷卻壓縮的閃發氣體以產出燃 料氣體9。以常規的管路/管道流動態/氣態偶聯所述組件：5/32管道偶聯所述閃蒸罐5 的下遊出口和所述閃發氣體熱交換裝置32的上遊入口；32/7管道偶聯所述閃發氣體熱交 換裝置32的下遊出口和所述閃發氣體壓縮機7的上遊入口；以及7/8管道偶聯所述閃發氣 體壓縮機7的下遊出口和所述閃發氣體後冷卻機8。
[0034] 來自外源的進氣1通常帶有一定壓力（一般為20_60barg)，並且在所述氣體處理 模塊2中處理以移除C02、脫水並除汞。在液化天然氣的低溫溫度下，C02和水的存在會引起 主低溫熱交換器的凍結。氣體處理後，需要C02的流出濃度<50ppm，H20的流出濃度〈lppm。 H2S和Hg會引起錯銅焊板片熱交換器（aluminumbrazedplatefinheatexchanger)，即 主低溫熱交換器3的腐蝕，因此在液化過程之前，還需要在所述氣體處理模塊2中移除Hg 至〈10ng/Sm3,H2S移除至 <2ppm。
[0035] 在所述天然氣液化系統的操作中，經氣體處理之後的高壓天然氣穿過排列在所述 主低溫熱交換器3內的天然氣熱交換裝置31，在此處被液化。由主低溫熱交換器3排出的 高壓液體經過J-T閥4從而使壓力降低至?1. 2巴。所述高壓流的壓力的降低使得溫度下 降至約-161°C並且形成雙相流，在所述閃蒸罐5中被進一步分離為氣體和液體。液體是液 化天然氣產品，並被轉移至液化天然氣儲存罐。閃發氣體通過所述主低溫熱交換器3中的 冷能量而再生。所述冷的閃發氣體作為製冷劑的一部分在被進一步壓縮和用作燃料氣體之 前在所述主低溫熱交換器3中再生冷能量。
[0036] 理論上說，所述製冷子系統包括多個進行多級壓縮的製冷壓縮機、多個後冷卻機、 多個進行多級膨脹的透平膨脹機，以及多個製冷熱交換裝置，其中所有組件以串聯結構偶 聯，從而形成閉合的製冷循環。所述"多個"在本發明中指兩個或更多個。如圖1中所示， 第一製冷壓縮機11、第一製冷後冷卻機12、第二製冷壓縮機13、第二製冷後冷卻機14、第一 製冷二次壓縮機15、第三製冷後冷卻機16、第二製冷二次壓縮機17、第四製冷後冷卻機18、 在所述主低溫熱交換器3內排列的第一製冷熱交換裝置33、第一透平膨脹機19、第二透平 膨脹機20,以及在所述主低溫熱交換器3內排列的第二製冷熱交換裝置34。所有這些組件 通過常規的管路/管道連續偶聯以形成閉合的製冷環；34/11管道偶聯所述第二製冷熱交 換裝置34的下遊出口和所述第一製冷壓縮機11的上遊入口；11/12管道偶聯所述第一制 冷壓縮機11的下遊出口和所述第一製冷後冷卻機12的上遊入口；12/13管道偶聯所述第 一製冷後冷卻機12的下遊出口和所述第二製冷壓縮機13的上遊入口；13/14管道偶聯所 述第二製冷壓縮機13的下遊出口和所述第二製冷後冷卻機14的上遊入口；14/15管道偶 聯所述第二製冷後冷卻機14的下遊出口和所述第一製冷二次壓縮機15的上遊入口；15/16 管道偶聯所述第一製冷二次壓縮機15的下遊出口和所述第三製冷後冷卻機16的上遊入 口；16/17管道偶聯所述第三製冷後冷卻機16的下遊出口和所述第二製冷二次壓縮機17 的上遊入口；17/18管道偶聯所述第二製冷二次壓縮機17的的下遊出口和所述第四製冷後 冷卻機18的上遊入口；18/33管道偶聯所述第四製冷後冷卻機18的下遊出口和所述第一 製冷熱交換裝置33的上遊入口；33/19管道偶聯所述第一製冷熱交換裝置33的下遊出口 和所述第一透平膨脹機19的上遊入口；19/20管道偶聯所述第一透平膨脹機19的下遊出 口和所述第二透平膨脹機20的上遊入口；以及20/34管道偶聯所述第二透平膨脹機20的 下遊出口和所述第二製冷熱交換裝置34的上遊入口。優選的製冷劑為氮氣（N2)。所述第 一和第二製冷壓縮機11，13可利用電機、內燃機或燃氣渦輪機驅動，而所述第一和第二二 次壓縮機15,17分別利用所述第二和第一透平膨脹機20,19驅動。所述後冷卻機是典型的 空氣冷卻機或水冷卻機，並且依據環境條件將所述壓縮的製冷劑冷卻至，例如，?40°C的溫 度。
[0037] 在所述製冷子系統的運行中，從所述第二製冷熱交換裝置34的下遊出口排出的 製冷劑具有低壓（典型地為6巴）；所述低壓製冷劑首先通過第一和第二製冷壓縮機11， 13被壓縮至?50巴，然後進一步通過所述第一和第二二次壓縮機15,17被壓縮至90-100 巴。每個所述製冷壓縮機和二次壓縮機的下遊分別被四個後冷卻機12,14,16,18中的一個 冷卻以達到依據環境條件的溫度。來自所述第四後冷卻機18下遊出口的高壓製冷劑流進 入在所述主低溫熱交換器3內排列的第一製冷熱交換裝置33,從而被冷卻至中間的溫度， 典型地為?-27°C，然後進入第一透平膨脹機19以膨脹至?24巴的壓力，然後進入第二透 平膨脹機20以減小壓力至?7巴並且達到?-153°C的溫度。來自所述第二透平膨脹機20 下遊出口的低溫溫度的製冷劑流進入在所述主低溫熱交換器3內排列的第二製冷熱交換 裝置34,並提供主要冷能量以液化天然氣。在所述主低溫熱交換器3中冷凍再生後，所述制 冷劑流再次流入所述第一製冷壓縮機11，並在閉合的製冷環中再次循環。
[0038] 現在參照圖2,其提供了一種根據本發明的另一個實施方式的液化天然氣生產系 統。為了突出此實施方式的特點，不必須的情況下，將省略與圖1中所示的相似特徵的描 述。所述製冷子系統進一步包括在所述主低溫熱交換器3內排列的第三製冷熱交換裝置 35。所述第三製冷熱交換裝置35的上遊入口通過19/35管道與所述第一透平膨脹機19的 一個下遊出口偶聯，同時所述第三製冷熱交換裝置35的下遊出口通過35/13管道與所述第 二製冷壓縮機13的上遊入口偶聯。在操作中，在通過第一透平膨脹機19膨脹後的製冷劑 被分流為具有30/70至60/40比例的兩股，一股（整股的30-60% )被引入到所述第三製冷 熱交換裝置35中以作為主低溫熱交換器3中的冷流，而另一股（整股的40-70% )通過所 述第二透平膨脹機20被進一步膨脹，然後引入到所述第二製冷熱交換裝置34以作為用於 加壓的液化天然氣的次級冷卻的最冷流。由於在中間溫度的冷凝比在低溫下天然氣的次級 冷卻需要更多冷能量，在所述第一透平膨脹機19後的分流可根據天然氣液化所需的熱量 來更好地分配冷能量。由於冷熱流之間的溫度差沿著如圖3中所示的熱流量平坦地接近， 因此圖2中的這個過程對天然氣進料壓力的改變是靈活的。在所述第一透平膨脹機後的下 遊分流的情況下，在圖1中描述的過程中的有效的/特定的能量需求改進了 15-20%。
[0039] 現在參照圖4,其提供了一種根據本發明的另一個實施方式的液化天然氣生產系 統。為了突出此實施方式的特點，不必須的情況下，將省略與圖1中所示的相似特徵的描 述。所述製冷子系統進一步包括在所述第一和第二透平膨脹機19,20之間排列的中間冷卻 機36。所述中間冷卻機36的上遊入口通過19/36管道與所述第一透平膨脹機19的下遊出 口偶聯，且所述中間冷卻機36的下遊出口與所述第二透平膨脹機20的上遊入口偶聯。來 自所述第一透平膨脹機19下遊出口的高壓製冷劑流在進入中間冷卻機36之前被膨脹至? 24巴的壓力以進一步冷卻至?-136°C，然後進入第二透平膨脹機20以減壓至?15巴並達 到?-153°C的溫度。該第二透平膨脹機20的下遊在低溫溫度下穿過所述主低溫熱交換器 3並提供主要冷能量以液化天然氣。在所述主低溫熱交換器3的冷能量再生後，所述製冷 劑流再次流入第一製冷壓縮機11，並在所述閉合的製冷環內再次循環。圖5顯示了圖4中 所示的以上描述的系統的冷卻曲線。在所述第一和第二膨脹機之間具有中間冷卻機的情況 下，在圖1中描述的系統和過程中的有效的/特定的能量需求改進了 8-10%。
[0040] 現在參照圖6,其提供了一種根據本發明的另一個實施方式的液化天然氣生產系 統。為了突出此實施方式的特點，不必須的情況下，將省略與圖1、2和4中所示的相似特徵 的描述。在所述製冷子系統中，來自所述第一透平膨脹機19的製冷劑被分流為兩股。然後 所述中間冷卻機36通過37/20管道排列在來自所述第一透平膨脹機19的一股和所述第二 透平膨脹機20之間。在操作中，所述高壓製冷劑流在進入所述第一透平膨脹機19之前被冷 卻至中間溫度，例如，?_32°C，並在被分流為兩股之前膨脹至?30巴的壓力。一股再次進 入在所述主低溫熱交換器3內排列的中間冷卻機37以進一步冷卻至?-111°C，然後進入所 述第二透平膨脹機20以減小壓力至?10巴並達到?-153°C的溫度。此膨脹機20的下遊 穿過主低溫熱交換器3並提供低溫的主要冷能量從而液化天然氣。另一股從膨脹機19下遊 分開的流直接穿過主低溫熱交換器3從而提供高溫的冷能量以液化天然氣。在所述主低溫 熱交換器3中的冷能量再生後，兩股製冷劑流分別流入所述第一和第二製冷壓縮機11，13， 並在閉合的製冷環內再次循環。在所述第一透平膨脹機之後的製冷劑分流更有助於在暖和 冷溫度之間分配製冷劑的熱流量，從而更好地匹配在去過熱、冷凝和次級冷卻階段中的天 然氣由暖至冷溫度的熱量需求。與圖4中的過程相比，圖6中的過程具有進一步的5-7%的 效率改善和2-5%的製冷劑流量的降低。圖6中以上過程的冷卻曲線如圖7中所示。
[0041] 現在參照圖8,其提供了一種根據本發明的另一個實施方式的液化天然氣生產系 統。為了突出此實施方式的特點，不必須的情況下，將省略與圖1、2、4和6中所示的相似特 徵的描述。在所述製冷子系統中，來自所述第二透平膨脹機20的製冷劑被分流為兩股。所 述製冷子系統進一步包括在所述第二製冷壓縮機13和所述第一製冷二次壓縮機15之間排 列的第三製冷壓縮機22和第五製冷後冷卻機23、用於接收來自所述第二透平膨脹機20的 一股的第五製冷熱交換裝置38、用於接收來自所述第二透平膨脹機20的另一股的第六制 冷熱交換裝置39,以及在所述第六和第二製冷熱交換裝置39, 34之間排列的用於低壓階段 膨脹的第二J-T閥。
[0042] 現在參照圖9,其提供了一種根據本發明的另一個實施方式的液化天然氣生產系 統。為了突出此實施方式的特點，不必須的情況下，將省略與圖1、2、4、6和8中所示的相似 特徵的描述。與圖8相比，所述製冷子系統進一步包括帶有後冷卻機25的第三二次壓縮機 26,以及代替所述第二J-T閥的第三透平膨脹機24。
[0043] 圖8、9、10和11顯示了使用三級膨脹工藝，從而提供三股冷流以用於向天然氣的 液化供給冷能量的實施方式。所述製冷子系統包括在來自所述第一透平膨脹機的一股與所 述第二透平膨脹機之間排列的中間冷卻機，以及在來自所述第二透平膨脹機的一股與所述 第三膨脹機之間排列的第二中間冷卻機。如圖8、9和11中所示，所述第二膨脹機20的下遊 在進一步被第三膨脹裝置21或24膨脹之前可選擇分流成兩股，一股作為冷流為天然氣供 冷，而另一股則進一步被冷卻至更低的溫度。如圖8和9中所示，所述第一膨脹機19的下 遊在進一步被第二膨脹機20膨脹之前也可選擇分流成兩股，一股作為冷流為天然氣供冷， 而另一股則被進一步冷卻至更低的溫度。所述三級膨脹的全部壓力膨脹比在12-15左右， 高於圖4和6中描述的過程中的兩級膨脹。在增加的膨脹比的情況下，與圖6中的過程相 比，過程效率能夠進一步改進4-8 %，並且製冷劑流量減少30-40 %。
[0044] 以上新的過程具有以下優點：
[0045] 與單膨脹機相比，串聯的兩個氮氣膨脹機允許溫度更緊密地接近，相應地對單位 功率消耗來說在效率上具有大的改善。
[0046]與單膨脹過程相比，串聯結構的兩個膨脹機使每個膨脹機的膨脹比最小化。例如 在嘗試達到具有9%閃發氣體生成的液化天然氣生產率中，串聯排列的雙N2膨脹循環中對 每個膨脹過程的膨脹比為〈4,而在單膨脹過程中需要9. 4的膨脹比。另外，可以使最終用戶 簡單輕鬆地在市場上獲得膨脹機，特別是小容量和功耗的膨脹機。
[0047] 串聯配置的雙膨脹機具有適應方案的靈活性，在液化天然氣生產中不生成閃發氣 體的同時，在主低溫熱交換器中仍維持溫度接近不超過30°C，S卩，廣泛使用的ALPEMA標準 的要求。
[0048] 如果需要，為了生產含有不同閃發氣體的量的液化天然氣，通過調整低壓（第二） 膨脹機流量和用於液化天然氣子冷卻的膨脹比，從而靈活控制所需的冷N2溫度。
[0049] 例如，在圖2中，19/35的流量降低能增加第二膨脹機20的入口流量，從而能增加 膨脹比以達到更低的出口溫度，其進一步液化天然氣至更低的溫度並且降低在J-T膨脹之 後的閃發氣體的量。
[0050] 應用本發明，例如，如圖2中所示，依據外部條件和進氣條件，對典型地天然氣源 而言，串聯排列的分流雙隊膨脹機循環能夠實現約0. 35-0. 50kWh/kg的計算的能量效率。
[0051] 表1.?30°C的環境溫度以及40barg的進氣壓力下液化天然氣過程的性能數據
[0052]

【權利要求】
1. 一種液化天然氣（LNG)生產系統，包括： 主低溫熱交換器； 天然氣液化子系統；以及 製冷子系統，包括配置為串聯排列從而實現製冷劑多級壓縮的多個製冷壓縮機、與所 述多個製冷壓縮機的每一個偶聯從而冷卻被壓縮的製冷劑的多個後冷卻機、與最後一個後 冷卻機偶聯並配置為串聯結構從而實現所述被壓縮的製冷劑多級膨脹的多個透平膨脹機， 以及與所述多個製冷壓縮機的第一個和多個透平膨脹機的最後一個偶聯的多個製冷熱交 換裝置，由此，所有組件形成閉合的製冷循環； 其中，所述主低溫熱交換器促進穿過所述天然氣液化子系統的壓縮天然氣和穿過所述 製冷子系統的製冷劑之間的熱交換，從而通過製冷子系統中的製冷劑液化天然氣液化子系 統中的壓縮天然氣。
2. 根據權利要求1所述的液化天然氣生產系統，其中，所述主低溫熱交換器是多流式 熱交換器。
3. 根據權利要求1所述的液化天然氣生產系統，其中，所述天然氣液化子系統包括： 氣體處理模塊，用於處理壓縮天然氣以使其適合被液化； 天然氣熱交換裝置，與所述氣體處理模塊流動態/氣態偶聯並在所述主低溫熱交換器 內排列，用於使穿過的壓縮天然氣與對流的製冷劑流交換熱量；以及 天然氣減壓裝置，與所述天然氣熱交換裝置流動態/氣態偶聯，用於控制所述來自天 然氣熱交換裝置的冷卻的壓縮天然氣的壓力的降低，從而進一步降低壓縮的液化天然氣、 產出的液化天然氣和閃發氣體的溫度。
4. 根據權利要求3所述的液化天然氣生產系統，其中，所述天然氣減壓裝置為焦耳-湯 姆森（J-T)閥、兩相膨脹機或液體膨脹機。
5. 根據權利要求1所述的液化天然氣生產系統，其中，所述製冷子系統包括： 第一製冷壓縮機； 與所述第一製冷壓縮機偶聯的第一製冷後冷卻機； 與所述第一製冷後冷卻機偶聯的第二製冷壓縮機； 與所述第二製冷壓縮機偶聯的第二製冷後冷卻機； 與所述第二製冷後冷卻機偶聯的第一製冷二次壓縮機； 與所述第一製冷二次壓縮機偶聯的第三製冷後冷卻機； 與所述第三製冷後冷卻機偶聯的第二製冷二次壓縮機； 與所述第二製冷二次壓縮機偶聯的第四製冷後冷卻機； 在主低溫熱交換器內排列並與所述第四製冷後冷卻機偶聯從而立即冷卻壓縮製冷劑 的第一製冷熱交換裝置； 與第一製冷熱交換裝置偶聯以首先膨脹所述壓縮製冷劑的第一透平膨脹機； 與所述第一透平膨脹機偶聯以再次膨脹所述首先膨脹的製冷劑的第二透平膨脹機；以 及 在主低溫熱交換器內排列並與所述第二透平膨脹機和第一製冷壓縮機偶聯的第二制 冷熱交換裝置。
6. 根據權利要求5所述的液化天然氣生產系統，其中，所述製冷子系統進一步包括在 所述主低溫熱交換器內排列的第三製冷熱交換裝置，其中所述第三製冷熱交換裝置的上遊 入口與所述第一透平膨脹機的一個下遊出口偶聯，而所述第三製冷熱交換裝置的下遊出口 與所述第二製冷壓縮機的一個上遊入口偶聯；並且在操作中，通過所述第一透平膨脹機膨 脹後的製冷劑被分流為具有30/70至60/40比例的兩股，一股（整股的30-60% )被引入 到所述第三製冷熱交換裝置以作為主低溫熱交換器中的冷流，且另一股（整股的40-70% ) 通過所述第二透平膨脹機被進一步膨脹，然後引入到所述第二製冷熱交換裝置以作為用於 液化天然氣次級冷卻的最冷流。
7. 根據權利要求5所述的液化天然氣生產系統，其中，所述製冷子系統進一步包括在 主低溫熱交換器內排列並在所述第一和第二透平膨脹機之間的中間冷卻機。
8. 根據權利要求6所述的液化天然氣生產系統，其中，所述製冷子系統進一步包括在 主低溫熱交換器內排列並在來自所述第一透平膨脹機的一股和所述第二透平膨脹機之間 的中間冷卻機。
9. 根據權利要求7所述的液化天然氣生產系統，其中，所述製冷子系統進一步包括第 三膨脹裝置和第二中間冷卻機，二者均排列在所述第二透平膨脹機和第二致冷熱交換裝置 之間，並且所述第二透平膨脹機通過所述第二中間冷卻機向所述第三膨脹裝置提供一股。
10. 根據權利要求7所述的液化天然氣生產系統，其中，所述製冷子系統進一步包括第 三膨脹裝置和第二中間冷卻機，二者均排列在所述第二透平膨脹機和第二致冷熱交換裝置 之間；並且所述第二透平膨脹機提供兩股分流的製冷劑流，一股送回排列在所述主低溫熱 交換器內的第五製冷熱交換裝置，另一股通過所述第二中間冷卻機送至第三膨脹裝置。
11. 根據權利要求8所述的液化天然氣生產系統，其中，所述製冷子系統進一步包括第 三膨脹裝置和第二中間冷卻機，二者均排列在所述第二透平膨脹機和第二致冷熱交換裝置 之間；並且所述第二透平膨脹機提供兩股分流的製冷劑流，一股送回排列在所述主低溫熱 交換器內的第五製冷熱交換裝置，另一股通過所述第二中間冷卻機送至第三膨脹裝置。
12. -種利用閉環中的單相氣態製冷劑來生產液化天然氣的方法，包括： 提供在其中發生熱交換的主低溫熱交換器； 提供流過該主低溫熱交換器以獲得液化的加壓天然氣流；以及 通過製冷裝置向所述主低溫熱交換器提供冷能量；其中，所述製冷裝置包括配置為串 聯排列從而實現製冷劑多級壓縮的多個製冷壓縮機、與所述多個製冷壓縮機的每一個偶聯 從而冷卻被壓縮的製冷劑的多個後冷卻機、與最後一個後冷卻機偶聯並配置為串聯結構從 而實現所述被壓縮的製冷劑多級膨脹的多個透平膨脹機，以及與所述多個製冷壓縮機的第 一個和多個透平膨脹機的最後一個偶聯的多個製冷熱交換裝置，這樣所有組件形成一個閉 合的製冷循環。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中，所述製冷裝置包括： 第一製冷壓縮機； 與所述第一製冷壓縮機偶聯的第一製冷後冷卻機； 與所述第一製冷後冷卻機偶聯的第二製冷壓縮機； 與所述第二製冷壓縮機偶聯的第二製冷後冷卻機； 與所述第二製冷後冷卻機偶聯的第一製冷二次壓縮機； 與所述第一製冷二次壓縮機偶聯的第三製冷後冷卻機； 與所述第三製冷後冷卻機偶聯的第二製冷二次壓縮機； 與所述第二製冷二次壓縮機偶聯的第四製冷後冷卻機； 在主低溫熱交換器內排列並與所述第四製冷後冷卻機偶聯從而立即冷卻壓縮製冷劑 的第一製冷熱交換裝置； 與第一製冷熱交換裝置偶聯以首先膨脹所述壓縮製冷劑的第一透平膨脹機； 與所述第一透平膨脹機偶聯以再次膨脹所述首先膨脹的製冷劑的第二透平膨脹機；以 及 在主低溫熱交換器內排列並與所述第二透平膨脹機和第一製冷壓縮機偶聯的第二制 冷熱交換裝置。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中，所述製冷裝置進一步包括在所述主低溫熱交 換器內排列的第三製冷熱交換裝置，其中所述第三製冷熱交換裝置的上遊入口與所述第一 透平膨脹機的一個下遊出口偶聯，而所述第三製冷熱交換裝置的下遊出口與所述第二製冷 壓縮機的一個上遊入口偶聯；並且在操作中，通過所述第一透平膨脹機膨脹後的製冷劑被 分流為具有30/70至60/40比例的兩股，一股（整股的30-60% )被引入到所述第三製冷熱 交換裝置以作為主低溫熱交換器中的冷流，而另一股（整股的40-70%)通過所述第二透平 膨脹機被進一步膨脹，然後引入到所述第二製冷熱交換裝置以作為用於液化天然氣次級冷 卻的最冷流。
15. 根據權利要求13所述的方法，其中，所述製冷裝置進一步包括在主低溫熱交換器 內排列並在所述第一和第二透平膨脹機之間的中間冷卻機。
16. 根據權利要求14所述的方法，其中，所述製冷裝置進一步包括在主低溫熱交換器 內排列並在來自所述第一透平膨脹機的一股和所述第二透平膨脹機之間的中間冷卻機。
17. 根據權利要求15所述的方法，其中，所述製冷裝置進一步包括第三膨脹裝置和第 二中間冷卻機，二者均排列在所述第二透平膨脹機和第二致冷熱交換裝置之間，並且所述 第二透平膨脹機通過所述第二中間冷卻機向所述第三膨脹裝置提供一股。
18. 根據權利要求15所述的方法，其中，所述製冷子系統進一步包括第三膨脹裝置和 第二中間冷卻機，二者均排列在所述第二透平膨脹機和第二致冷熱交換裝置之間；並且所 述第二透平膨脹機提供兩股分流的製冷劑流，一股送回排列在所述主低溫熱交換器內的第 五製冷熱交換裝置，另一股通過所述第二中間冷卻機送至第三膨脹裝置。
19. 根據權利要求16所述的方法，其中，所述製冷子系統進一步包括第三膨脹裝置和 第二中間冷卻機，二者均排列在所述第二透平膨脹機和第二致冷熱交換裝置之間；並且所 述第二透平膨脹機提供兩股分流的製冷劑流，一股送回排列在所述主低溫熱交換器內的第 五製冷熱交換裝置，另一股通過所述第二中間冷卻機送至第三膨脹裝置。
【文檔編號】F25J1/02GK104520660SQ201280075097
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2012年9月7日 優先權日:2012年9月7日
【發明者】盛曉霞, 張文昕, 符國誠 申請人:吉寶岸外和海事技術中心私人有限公司