控制溫度以液化氣體的方法及使用該方法的制備設(shè)備的制作方法
【專利摘要】液化氣體的方法,其包括在預處理器內(nèi)預處理氣流以除去雜質(zhì),然后使所述氣流穿過第一熱交換器的第一流動路徑,以降低所述氣流的溫度。然后使所述氣流穿過氣體膨脹渦輪機,以降低所述氣流的壓力,并進一步降低所述氣流的溫度。然后使所述氣流穿過主分離器,以將所述氣流分成液體流和冷氣流。收集所述液體流。使選定量的所述冷氣流穿過所述第一熱交換器的第二流動路徑,從而發(fā)生熱交換來冷卻流過所述第一流動路徑的氣流,以將進入所述氣體膨脹渦輪機的氣流的溫度保持在促進液體生產(chǎn)的溫度。
【專利說明】控制溫度以液化氣體的方法及使用該方法的制備設(shè)備發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及從輸氣管道液化天然氣的方法。開發(fā)所述方法以高效地生產(chǎn)液體天然氣(LNG)。
[0002]發(fā)明背景
[0003]LNG是冷卻到低溫狀態(tài)以冷凝甲烷(天然氣的主要成分)的天然氣。在標準大氣壓力下,需要約-161C的溫度的生產(chǎn)天然氣并將天然氣保持在液體狀態(tài)。液化將其體積減少600倍,從而使之與傳統(tǒng)管道相比,對于遠距離運輸更加經(jīng)濟。目前,LNG主要跨洲運輸,從而使其供給世界各地。小規(guī)模液化設(shè)備也生產(chǎn)LNG,以滿足調(diào)峰需求,并且為需要天然氣但經(jīng)濟或技術(shù)上無法建設(shè)管道的地區(qū)供應(yīng)天然氣。
[0004]選擇大或小LNG設(shè)備的區(qū)別在于:對于大型設(shè)備來說,主要標準是盡量減少投資成本,降低能源消耗則被視為次要目標。這兩個目標也可以并肩完成;因此設(shè)備效率的優(yōu)化可能降低對設(shè)備的投資。另一方面,較高效率可以增加LNG產(chǎn)量,所以效率因素對設(shè)備的經(jīng)濟性有著顯著的影響。在中小型LNG設(shè)備中,當選擇液化技術(shù)時,與效率相比,其他因素例如簡單化、模塊化、易于維護性、操作及安裝等因素的標準更高。這些不同選擇標準的直接影響是,用于中小規(guī)模應(yīng)用的液化技術(shù)與大型LNG設(shè)備中所采用的液化技術(shù)不同。
[0005]液化技術(shù)的兩個主要類別是混合制冷劑技術(shù)和基于膨脹的技術(shù)。混合制冷劑技術(shù)是“冷凝式”工藝,其中用于液化的制冷劑利用其蒸發(fā)潛熱來冷卻天然氣。在基于膨脹的技術(shù)的工藝中,制冷劑總是處于氣相態(tài),并僅利用其顯熱來冷卻天然氣。
[0006]以下的混合制冷劑技術(shù)是行業(yè)內(nèi)最有代表性的工藝:PRIC0(多制冷劑集成循環(huán)操作(poly Refrigerant Integrated Cycle Operat1ns)),由 Black and Veatch許可,其由一個循環(huán)的混合制冷劑(甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氮氣及任選存在的異戊烷的混合物)組成,許可方宣稱的優(yōu)點是操作靈活、模塊化設(shè)計,和減少制冷劑庫存。AP-M(Air Products)由APCI許可,是在兩個不同壓力水平下蒸發(fā)的單個混合制冷劑。雙壓力循環(huán)比單壓循環(huán)效率更高,使用較小的熱交換器和壓縮機。LiMuM(林德多級混合制冷劑)由Linde許可,由螺旋卷繞熱交換器和用于預冷、液化和過冷天然氣的一個3級單混合制冷再循環(huán)組成。這個工藝允許高產(chǎn)能作業(yè)。PCMR(預冷卻混合制冷劑((Pre-cooled Mixed Refrigerant))由Kryopak許可,由預冷階段(氨或丙烷循環(huán))與隨后的單混合制冷劑循環(huán)組成,其中所述混合制冷劑由氮、甲烷、乙烷、丙烷和丁烷的混合物組成,該工藝主要用于小型設(shè)備中。OSMR(優(yōu)化單混合制冷劑)由LNG Limited許可,該工藝是單混合制冷劑工藝,輔以標準的封裝氨水吸收工藝。氨工藝的利用提高了工藝效率并相比傳統(tǒng)的單混合制冷劑工藝來說增加了 LNG產(chǎn)量。在所有的上述混合制冷劑技術(shù)中,它們之間的主要區(qū)別是混合制冷劑的組成(雖然制冷劑是相同的,即氮、甲烷、乙烷等)、熱交換器的冶金、設(shè)備的定向以及操作設(shè)定點。在所有的混合制冷劑工藝中,創(chuàng)新的目的是提高效率、減少投資和操作成本。
[0007]基于膨脹的技術(shù)具有多種工藝,基于使用氮氣作為制冷劑來液化天然氣、N2膨脹循環(huán)。其中的一些工藝使用單循環(huán),其他的使用雙膨脹再循環(huán),并在其他情況中加入預冷循環(huán),以提高效率。一些許可方,例如APC1、Hamworthy、BHP Petroleum Pty、MustangEngineering與Kanfa Oregon提供N2膨脹循環(huán)工藝,它們之間的主要在于專有的工藝布置。在所有這些工藝中,通過外部制冷設(shè)備使用N2膨脹器來提供冷卻。Niche LNG工藝由CB&ILummus許可,由兩個循環(huán)組成:一個循環(huán)使用甲烷作為制冷劑,另一個循環(huán)使用氮氣。甲烷在適中和溫暖的溫度水平下制冷,而氮循環(huán)在最低溫度水平下制冷。OCX工藝由Mustang Engineering許可,基于在具有潤輪膨脹器的開放制冷劑循環(huán)內(nèi)使用進氣作為制冷劑,也存在變化方案,例如0CX-R,其對OCX工藝和結(jié)合LPG開采的與OCX-Angle工藝添加了閉環(huán)丙烷制冷劑。
[0008]如上所述,目前有許多液化LNG的方案和工藝。所有這些工藝都基于低沸點流體的膨脹,無論是通過膨脹器或JT閥,無論是封閉或開放循環(huán),它們之間的區(qū)別在于工藝效率,其使得相對于生產(chǎn)的每單位LNG,投資和運行成本降低。
[0009]所需要的是液化氣體例如LNG的可選方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]根據(jù)一個方面,提供一種液化氣體的方法,其中使氣流穿過氣體膨脹渦輪機。該方法涉及在預處理器內(nèi)預處理所述氣流以除去雜質(zhì),然后使所述氣流穿過第一熱交換器的第一流動路徑,以降低所述氣流的溫度。然后使所述氣流穿過所述氣體膨脹渦輪機,以降低所述氣流的壓力,并進一步降低所述氣流的溫度。然后使所述氣流穿過主分離器,以將所述氣流分成液體流和冷氣流。收集所述液體流。使選定量的所述冷氣流穿過所述第一熱交換器的第二流動路徑,從而發(fā)生熱交換來冷卻流過所述第一流動路徑的氣流,以將進入所述氣體膨脹渦輪機的氣流的溫度保持在促進液體生產(chǎn)的溫度。
[0011]該方法以下用于天然氣。被去除的雜質(zhì)是二氧化碳和水。收集到的液體是天然氣液體。
[0012]雖然通過使用上述方法可以獲得有利結(jié)果,但通過使用再循環(huán)流可以實現(xiàn)更高的效率。再循環(huán)流已去除雜質(zhì)。這包括以下步驟:在所述冷氣流穿過所述第一熱交換器后在壓縮機中壓縮所述冷氣流,以產(chǎn)生再循環(huán)氣流,并將所述再循環(huán)氣流引入所述預處理器下游和所述第一熱交換器上游的氣流中。
[0013]使所述再循環(huán)氣流穿過壓縮機不可避免地會提高再循環(huán)氣流的溫度。因此,優(yōu)選包括以下步驟:在將所述再循環(huán)氣流引入所述氣流之前,使所述再循環(huán)氣流穿過所述壓縮機下游的第二熱交換器的第一流動路徑,以降低所述再循環(huán)氣流的溫度。
[0014]按照該方法的教導,達到穩(wěn)定狀態(tài),其中進入所述氣流的再循環(huán)氣流的比率保持恒定。
[0015]在該方法的變化方案中,其中希望收集的液體是液體天然氣(LNG)時,進一步包括以下步驟:通過位于所述第一熱交換器下游和所述氣體膨脹渦輪機上游的混合器,將從所述主分離器抽吸的液體天然氣(LNG)的滑流混合入所述氣流中。
[0016]在該方法的另一個變化方案中,可以增加以下步驟:使所述氣流穿過位于所述混合器下游和所述氣體膨脹渦輪機上游的初步分離器,以將天然氣液體(NGL)與所述氣流分離,收集所述NGL并引導所述氣流至氣體膨脹渦輪機。
[0017]上述方法的一個優(yōu)點是,它可以在沒有外部電源輸入情況下進行操作,從而大大節(jié)省了資金和運營成本。開發(fā)上述方法是為了收集天然氣液體并液化天然氣以形成液體天然氣(LNG)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]本發(fā)明的這些和其他特征將通過下面的描述變得更加明顯,其中參考附圖,附圖僅用于說明目的,并且不用于以任何方式限制本發(fā)明的【具體實施方式】或?qū)嵤┓桨?,其?
[0019]圖1是配備氣體預處理、熱交換器、膨脹器和壓縮機以生產(chǎn)LNG的設(shè)備示意圖。
[0020]圖2是配備備用冷卻介質(zhì)的用于壓縮回收的蒸汽部分的設(shè)備的示意圖。
[0021]圖3是配備有回收天然氣液體(NGL)能力的設(shè)備的示意圖。
【具體實施方式】
[0022]現(xiàn)在參考圖1描述所述方法。
[0023]如上所述,開發(fā)該方法是為了液化天然氣以形成液體天然氣(LNG)。因此,考慮將該方法用于LNG作為實例。
[0024]參照圖1,加壓管道天然氣流I通過管線29、閥30至流量分布37為用戶提供天然氣。天然氣流2通過流量控制閥3。受控的流體通過管線4進入氣體預處理單元5。預處理去除污染物,如果使用的氣體質(zhì)量達標可以不用預處理。經(jīng)過預處理的氣體通過管線6輸出,并通過閥26與再循環(huán)氣流25混合,混合氣流7進入熱交換器8并預冷。加壓預冷氣流9進入膨脹器10,在此壓力下降導致溫度大幅下降。幾乎等熵的膨脹產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,并由此形成軸功率,其通過發(fā)電機11轉(zhuǎn)換成電能。膨脹氣體流12進入LNG接收器13,在此液體和蒸氣餾分分離。蒸氣流17通過熱交換器8連接至預冷進氣流7。現(xiàn)在溫熱氣流18通過管線19進入壓縮機20,用于再壓縮。壓縮機20的軸功率由氣體發(fā)動機22提供,氣體發(fā)動機22接收來自氣體管線21的燃料。壓縮再循環(huán)氣流23在熱交換器24中冷卻,然后通過管線25將其與輸入原料氣流6混合。為了防止氮在再循環(huán)氣流25中的積聚,使流出的氣流27通過閥28到達氣體傳輸線29。壓縮再循環(huán)氣流23的冷卻由從氣體傳輸線29 —次通過熱交換而完成。使所需氣體冷卻劑通過閥31和管線32進入熱交換器24,使一次通過的流體通過管線34和閥33返回氣體傳輸線29。LNG接收器13積存所產(chǎn)生的LNG。LNG通過流14排出接收器13,并供應(yīng)LNG產(chǎn)品泵15,在此將其通過管線16泵送至儲存。
[0025]該發(fā)明的主要特征是工藝的簡單性,不需要使用外部制冷系統(tǒng)。本發(fā)明的另一個特征是其工藝的靈活性,由于LNG的生產(chǎn)與產(chǎn)生和再循環(huán)的冷蒸汽流的比率為正比,可以滿足各種操作條件。本發(fā)明還提供了與其他工藝相比顯著的能源節(jié)約,因為它使用了回收蒸氣流作為冷卻劑介質(zhì),該工藝能夠自己供應(yīng)制冷流。本發(fā)明可以在任何LNG生產(chǎn)設(shè)備規(guī)模中使用。
[0026]參照圖2,與圖1的主要區(qū)別是冷卻再循環(huán)流23的熱交換器。在圖2中,熱交換器50是空氣冷卻熱交換器,其中使用周圍空氣冷卻流23。這種工藝設(shè)置提供了一種生產(chǎn)LNG的可選方法,盡管效率與使用圖1所示的熱交換器24的情況相比較低。加壓管道天然氣流I通過管線29、閥30至流量分布37為用戶提供天然氣。天然氣流2通過流量控制閥3,并且通過管線4進入氣體預處理單元5。預處理過的氣體由管線6排出,并通過閥26與再循環(huán)氣流25混合,混合氣流7進入熱交換器8并進行預冷。加壓預冷的氣流9進入膨脹器10,在此其壓力下降導致大幅度的溫度降低。幾乎等熵的膨脹產(chǎn)生扭矩,并因此形成軸功率,其通過發(fā)電機11轉(zhuǎn)換成電能。膨脹氣流12進入LNG接收器13,在此液體和蒸氣餾分分離。蒸氣流17通過熱交換器8連接至預冷進氣流7?,F(xiàn)在溫熱氣流18通過管線19進入壓縮機20,用于再壓縮。壓縮機20的軸功率由氣體發(fā)動機22提供,它的燃料來自于氣體管線21。壓縮再循環(huán)氣流23在熱交換器51內(nèi)冷卻,然后通過管線25將其與輸入原料氣流6混合。為了防止氮在再循環(huán)氣流25中的積聚,使流出的氣流27通過閥28到達氣體傳輸線29。壓縮再循環(huán)氣流23的冷卻由空氣冷卻熱交換器51提供。LNG接收器13積存所產(chǎn)生的LNG。LNG通過流14排出接收器13,并供應(yīng)LNG產(chǎn)品泵15,在此通過管線16泵送至存儲。
[0027]參照圖3,與圖1和圖2的主要區(qū)別是在膨脹前回收天然氣液體。這是通過以下操作實現(xiàn)的:使一部分所產(chǎn)生的液體天然氣(LNG)、氣流42再循環(huán),并與預冷卻的氣流51在43中混合,以滿足對存在于天然氣流中的重質(zhì)餾分進行冷凝所需的溫度,例如丁烷、丙烷和乙烷。這種工藝設(shè)置提供了同時生產(chǎn)LNG和NGL的可選方法。加壓管道天然氣流I通過管線29、閥30至流量分布37為用戶提供天然氣。天然氣流2通過流量控制閥3,并通過管線4進入氣體預處理單元5。預處理的氣體由管線6排出,并通過閥26與再循環(huán)氣流25混合,混合氣流7進入熱交換器8,并預冷。加壓預冷氣流43進入混合器44,還向混合器44中加入LNG流42。向混合器44中添加LNG流通過溫度控制閥41控制?;旌狭?5進入分離器46,在此分離并聚集NGL。NGL通過管線47離開分離器46,流至NGL泵49并通過管線50泵送至存儲。加壓、預冷并去液化后的氣流9進入膨脹器10,在此其壓力下降導致大幅度的溫度降低。幾乎等熵的膨脹產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,并由此形成軸功率,其通過發(fā)電機11轉(zhuǎn)換成電能。膨脹氣流12進入LNG接收器13,在此液體和蒸氣餾分分離。蒸氣流17通過熱交換器8連接至預冷進氣流7。現(xiàn)在溫熱氣流18通過管線19進入壓縮機20,用于再壓縮。壓縮機20的軸功率由氣體發(fā)動機22提供,它的燃料來自于氣體管線21。壓縮再循環(huán)氣體流23在熱交換器24內(nèi)冷卻,然后通過管線25和閥26將其與輸入原料氣流6混合。為了防止氮在再循環(huán)氣流25中的積聚,使流出的氣流27通過閥28到達氣體傳輸線29。壓縮再循環(huán)氣流23的冷卻通過氣體傳輸線29 —次通過熱交換完成。所需的氣體冷卻劑通過閥31和管線32進入熱交換器24,所述一次通過流通過管線34和閥33返回氣體傳輸線29。
[0028]LNG接收器13積聚所產(chǎn)生的LNG。LNG通過流14排出接收器13,并供應(yīng)LNG產(chǎn)品泵15,在此通過管線16泵送至存儲。一部分所生產(chǎn)的LNG由管線38輸入高壓LNG泵39。加壓的LNG液體流由溫度閥41通過溫度傳感器器47控制到預先設(shè)定的溫度。受控的LNG流42進入混合器44以冷卻并冷凝所需的天然氣液體。本發(fā)明用于大型和小型設(shè)備,其中工藝簡單性和操作簡便性是主要特征。本發(fā)明不需要冷凍循環(huán)設(shè)備,不使用專有混合制冷劑。通過簡化工藝,減少了投資、維護和運營成本。在優(yōu)選方法中,天然氣首先由產(chǎn)生的冷蒸氣預冷,然后通過氣體膨脹器膨脹。氣體膨脹器產(chǎn)生電。膨脹氣體產(chǎn)生蒸氣和液體流。蒸氣流通過首先預冷進入膨脹器氣體的原料氣,然后再壓縮、冷卻并回收來再循環(huán)。一部分生產(chǎn)的LNG提供作為再循環(huán)流所需的冷能量,以冷卻并液化預處理的天然氣流以回收所需的天然氣液體。本發(fā)明不需要操作和使用混合制冷劑循環(huán),使投資和操作成本降低。該工藝適用于任何規(guī)模的LNG設(shè)備。
[0029]變化方案:
[0030]應(yīng)當注意,壓縮機的動力可以由電動馬達提供,取代所提到的燃氣發(fā)動機。此外,壓縮蒸氣流可以排入氣體傳輸線29,而不是所提到的那樣再循環(huán)。
[0031]在本專利文件中,“包括”一詞用于非限制性意義,表示包括該詞后面的項目,但并不被排除沒有具體提到的項目。元件前的不定冠詞“一 / 一個”不排除存在一個以上的元件的可能性,除非上下文明確表明有且僅有一個元件。
[0032]權(quán)利要求的范圍不應(yīng)由所闡述的實施例中的優(yōu)選實施方案限定,而應(yīng)基于說明書整體以寬泛的意義解釋。
【權(quán)利要求】
1.液化氣體的方法,其中使氣流穿過氣體膨脹渦輪機,該方法包括: 在預處理器內(nèi)預處理所述氣流以除去雜質(zhì); 使所述氣流穿過第一熱交換器的第一流動路徑,以降低所述氣流的溫度; 使所述氣流穿過所述氣體膨脹渦輪機,以降低所述氣流的壓力,并進一步降低所述氣流的溫度; 使所述氣流穿過主分離器,以將所述氣流分成液體流和冷氣流; 收集所述液體流;并 使選定量的所述冷氣流穿過所述第一熱交換器的第二流動路徑,從而發(fā)生熱交換來冷卻流過所述第一流動路徑的氣流,以將進入所述氣體膨脹渦輪機的氣流的溫度保持在促進液體生產(chǎn)的溫度。
2.權(quán)利要求1的方法,其中所述雜質(zhì)是二氧化碳與水。
3.權(quán)利要求1的方法,其中所述液體是天然氣液體。
4.權(quán)利要求1的方法,其包括以下步驟:在所述冷氣流穿過所述第一熱交換器后在壓縮機中壓縮所述冷氣流,以產(chǎn)生再循環(huán)氣流,并將所述再循環(huán)氣流引入所述預處理器下游和所述第一熱交換器上游的氣流中。
5.權(quán)利要求4的方法,其包括以下步驟:在將所述再循環(huán)氣流引入所述氣流之前,使所述再循環(huán)氣流穿過所述壓縮機下游的第二熱交換器的第一流動路徑,以降低所述再循環(huán)氣流的溫度。
6.權(quán)利要求4的方法,其中達到穩(wěn)定狀態(tài),其中進入所述氣流的再循環(huán)氣流的比率保持恒定。
7.權(quán)利要求1的方法,其中所述液體為液體天然氣(LNG),并包括以下步驟:通過位于所述第一熱交換器下游和所述氣體膨脹渦輪機上游的混合器,將從所述主分離器抽吸的液體天然氣(LNG)的滑流混合入所述氣流中。
8.權(quán)利要求6的方法,其包括以下步驟:使所述氣流穿過位于所述混合器下游和所述氣體膨脹渦輪機上游的初步分離器,以將天然氣液體(NGL)與所述氣流分離,收集所述NGL并引導所述氣流至氣體膨脹渦輪機。
【文檔編號】F25J3/08GK104412055SQ201380015588
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月21日
【發(fā)明者】M·米利亞爾, J·洛倫索 申請人:1304338阿爾伯塔有限公司, 1304342阿爾伯塔有限公司