專利名稱：液化方法和系統(tǒng)的制作方法
液化方法和系統(tǒng)
背景技術：
液化方法和系統(tǒng)是已知的，其中通過以逆布雷頓循環(huán)(Brayton cycle)使氣態(tài)制冷劑膨脹而產生制冷。這些方法和系統(tǒng)通常采用兩個膨脹器，其中使氣態(tài)制冷劑在設備壓降公差內膨脹到基本上相同壓力。一些系統(tǒng)還包括多于兩個膨脹器，其中冷膨脹器排放壓力高于其余膨脹器的排放壓力。這些方法和系統(tǒng)具有潛在地簡單的壓縮系統(tǒng)(因為并無流引入到壓縮級之間)和簡單的熱交換器(因為存在更少的通路和集管)。另外一些方法和系統(tǒng)是開環(huán)系統(tǒng)，其利用液化流體作為制冷劑。但用于液化的先前方法和系統(tǒng)由于若干原因是有問題的。舉例而言，使用簡單壓縮系統(tǒng)和簡單熱交換器不能得到改進的效率。此外，使用開環(huán)系統(tǒng)的成本節(jié)省并不勝過使用閉環(huán)系統(tǒng)的靈活性。需要一種液化方法和系統(tǒng)，其中預冷、液化和過冷的步驟更安全、高效且可靠。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實施例通過提供安全、高效和可靠的系統(tǒng)和過程用于液化，特別地用于天然氣液化而滿足本領域中的這種需要。根據一個示范性實施例，公開了一種使用閉環(huán)制冷系統(tǒng)的液化方法，該方法包括以下步驟(a)在至少一個壓縮機中壓縮氣態(tài)制冷劑流；(b)在第一熱交換器中冷卻該壓縮氣態(tài)制冷劑流；(c)在第一膨脹器中使自第一熱交換器的冷卻的壓縮氣態(tài)制冷劑流的至少第一部分膨脹以提供第一膨脹氣態(tài)制冷劑流；以及，(d)在第二熱交換器中通過與自第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流的至少第一部分進行間接熱交換而冷卻且基本上液化進料氣流以形成基本上液化的進料流，其中離開第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流基本上為蒸汽。根據另一示范性實施例，公開了一種使用閉環(huán)制冷系統(tǒng)的液化方法，該方法包括以下步驟(a)在低壓壓縮機中壓縮氣態(tài)制冷劑流；(b)在高壓壓縮機中進一步壓縮該壓縮氣態(tài)制冷劑流；(c)在第一熱交換器中冷卻該壓縮氣態(tài)制冷劑流；(d)在第一膨脹器中使自第一熱交換器的冷卻的壓縮氣態(tài)制冷劑流的至少第一部分膨脹以提供第一膨脹氣態(tài)制冷劑流，其中自第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流提供對第二熱交換器和第一熱交換器的冷卻；(e)通過在第二熱交換器和第一熱交換器中與自第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流進行間接熱交換器來冷卻并基本上液化進料氣流；以及，(f)通過在過冷器交換器中與離開第二膨脹器的第二膨脹氣態(tài)制冷劑流進行間接熱交換而過冷該冷卻且基本上液化的進料氣流，其中離開第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流和離開第二膨脹器的第二膨脹氣態(tài)制冷劑流基本上為蒸汽，且第二膨脹氣態(tài)制冷劑流的壓力低于第一膨脹氣態(tài)制冷劑流的壓力。根據又一示范性實施例，公開了一種用于液化的閉環(huán)系統(tǒng)，其包括制冷回路，該制冷回路包括第一熱交換器；第二熱交換器，其流體地聯(lián)接到第一熱交換器；第一膨脹器，其流體地聯(lián)接到第一熱交換器且適于自第一熱交換器接受制冷劑流；第二膨脹器，其流體地聯(lián)接到第二熱交換器且適于自第二熱交換器接受制冷劑流；以及，第三熱交換器，其流體地聯(lián)接到第一膨脹器且適于接受自第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流和進料氣流，其中自第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流和自第二膨脹器的第二膨脹氣態(tài)制冷劑流基本上為蒸汽流。如本文所用的術語“基本上”在液相或氣相的情形下表示相關流分別具有至少80 摩爾％，優(yōu)選地至少90摩爾％，特別地至少95摩爾％的液體含量或蒸汽含量，且可完全為液體或蒸汽。舉例而言，陳述“離開第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流基本上為蒸汽”表示該流為至少80摩爾％蒸汽且可為100摩爾％蒸汽。根據另一示范性實施例，公開了一種使用具有至少兩個膨脹器的閉環(huán)蒸汽膨脹循環(huán)來液化氣態(tài)進料的方法，其中，第二膨脹器的排放壓力低于第一膨脹器的排放壓力，以及第一膨脹器提供液化氣態(tài)進料所需制冷的至少一部分。


前文的簡要總結以及下文示范性實施例的詳細描述，當結合附圖閱讀時更好理解。出于說明本發(fā)明的實施例的目的，在附圖中示出本發(fā)明的示范性構造，但本發(fā)明并不限于所公開的具體方法和儀器。在附圖中
圖1示出涉及本發(fā)明多方面的示范性氣體液化系統(tǒng)和方法的流程圖； 圖2示出涉及本發(fā)明多方面的示范性氣體液化系統(tǒng)和方法的流程圖； 圖3示出涉及本發(fā)明多方面的示范性氣體液化系統(tǒng)和方法的流程圖； 圖4示出涉及本發(fā)明多方面的示范性氣體液化系統(tǒng)和方法的流程圖； 圖5示出涉及本發(fā)明多方面的示范性氣體液化系統(tǒng)和方法的流程圖； 圖6示出涉及本發(fā)明多方面的示范性預冷制冷系統(tǒng)和方法的流程圖； 圖7a是根據本發(fā)明的一實施例的冷卻曲線的曲線圖； 圖7b是根據本發(fā)明的一實施例的冷卻曲線的曲線圖； 圖7c是根據本發(fā)明的一實施例的冷卻曲線的曲線圖； 圖8示出涉及本發(fā)明多方面的示范性氣體液化系統(tǒng)和方法的流程圖； 圖9示出涉及本發(fā)明多方面的示范性氣體液化系統(tǒng)和方法的流程圖； 圖10示出涉及本發(fā)明多方面的示范性氣體液化系統(tǒng)和方法的流程圖；以及圖11示出涉及本發(fā)明多方面的示范性氣體液化系統(tǒng)和方法的流程圖。
具體實施例方式在一個示范性實施例中，液化過程可使用兩個膨脹器且離開兩個膨脹器的氣態(tài)制冷劑流在每個膨脹器的排放中可基本上為蒸汽。由此術語“膨脹器”可用于描述在做外部功的同時使氣體膨脹的諸如離心渦輪機或往復式膨脹器這樣的裝置。該過程可基本上等熵且通常被稱作膨脹功或可逆絕熱膨脹且不同于通過閥的等焓(焦耳-湯普森)節(jié)流。冷膨脹器的排放壓力可低于溫熱(最溫熱)的膨脹器的排放壓力以實現(xiàn)更冷溫度。自冷膨脹器的排放的氣態(tài)制冷劑可用于過冷該液化產物。自溫熱(最溫熱)膨脹器的排放的制冷劑可用于液化。使用兩種不同壓力可更好地匹配例如天然氣液化(即，預冷、液化和過冷)的冷卻曲線。自溫熱(最溫熱)膨脹器的排放的氣態(tài)制冷劑流可引入于氣態(tài)制
6冷劑壓縮機的級之間。進料氣流和/或氣態(tài)制冷劑可在閉環(huán)壓縮循環(huán)中由另一制冷劑(諸如丙烷)預冷。進料氣流和/或氣態(tài)制冷劑也可例如由自第三膨脹器的氣態(tài)制冷劑預冷。在另一示范性實施例中，自溫熱(最溫熱)膨脹器的排放的氣態(tài)制冷劑流可在單獨壓縮機中被壓縮到最終排放壓力，該單獨壓縮機的吸入壓力高于用于壓縮源自冷膨脹器的排放的氣體的壓縮機的吸入壓力。進料氣流和/或制冷劑可例如通過汽化液態(tài)制冷劑預冷，液態(tài)制冷劑諸如C02、甲烷、丙烷、丁烷、異丁烷、丙烯、乙烷、乙烯、R22、HFC制冷劑(包括但不限于R410A、R134A、 R507, R23)或其組合。環(huán)保的氟化烴和其混合物可優(yōu)選地用于離岸或浮動應用。舉例而言，CO2可用作制冷劑。CO2預冷最小化物理占據面積，特別是對于離岸浮式采油貯油和卸油 (FPSO)應用而言。液態(tài)制冷劑可在一系列熱交換器中在不同壓力汽化，在多級壓縮機中壓縮，冷凝且被節(jié)流至待重新汽化的適當壓力。利用適當密封系統(tǒng)，壓縮機吸入壓力可保持在真空以允許冷卻到更低溫度?；蛘撸撨M料氣流和/或氣態(tài)制冷劑可通過在第三膨脹器中使相同氣態(tài)制冷劑膨脹而預冷。在另一示范性實施例中，進料氣流可通過在第一組熱交換器中與氣態(tài)制冷劑間接熱交換而冷卻，第一組熱交換器包括其中不冷卻氣體的至少一個熱交換器。氣態(tài)制冷劑可在第二組熱交換器中冷卻，第二組熱交換器包括至少一個交換器。第一組熱交換器可包括例如纏繞盤管熱交換器。第二組熱交換器可包括例如板翅式釬焊鋁(芯)型熱交換器。在又一示范性實施例中，進料氣流可在熱交換器中冷卻，氣態(tài)制冷劑的一部分可在中間點(優(yōu)選地在預冷部段與液化部段之間)自熱交換器抽取。氣態(tài)制冷劑可通過在屬于第二組熱交換器的熱交換器中使液態(tài)制冷劑汽化而預冷。這種制冷劑可為例如氟化烴或 CO2。在另一示范性實施例中，進料氣流可通過在一系列釜或殼管式熱交換器中使液態(tài)制冷劑汽化而預冷。氣態(tài)制冷劑的一部分也可在屬于第二組熱交換器的多流熱交換器中冷卻。氣態(tài)制冷劑的另一部分可通過在一系列釜或殼管式熱交換器中使液態(tài)制冷劑汽化而冷卻至大約相同溫度，一系列釜或殼管式熱交換器可單獨于用于預冷進料氣流的熱交換器或與之合并。現(xiàn)參看具體附圖，可采用各種實施例。在一個示范性實施例中且如圖1所示，進料氣流100可例如在熱交換器110中由溫熱的氮氣態(tài)制冷劑流154冷卻和液化。例如，進料氣流100可為天然氣。雖然本文所公開的液化系統(tǒng)和方法可用于液化除了天然氣之外的氣體且因此進料氣流100可為除了天然氣之外的氣體，但出于說明目的，其余示范性實施例將參考進料氣流100為天然氣流。部分溫熱流154的一部分(流156)可從熱交換器110抽取以平衡需要更少制冷的熱交換器110的預冷(溫熱)部段。氣態(tài)制冷劑流158可離開熱交換器110的溫熱端以例如再循環(huán)。例如離開熱交換器110的冷端的基本上液化的天然氣(LNG)流102可在過冷器交換器112中由溫熱氣態(tài)制冷劑流172過冷，且在離開過冷器交換器112的冷端之后例如作為液化天然氣產物104回收。氣態(tài)制冷劑流174可離開過冷器交換器112的溫熱端。氣態(tài)低壓制冷劑流140可在低壓制冷劑壓縮機130中壓縮。所得到的流142可與流158和166合并且可作為流144進入高壓制冷劑壓縮機132。低壓制冷劑壓縮機130和高壓制冷劑壓縮機132可包括由環(huán)境熱沉冷卻的后冷卻器和中間冷卻器。熱沉可例如為自水塔的冷卻水、海水、淡水或空氣。為了簡單起見，中間冷卻器和后冷卻器未示出。自高壓制冷劑壓縮機132的排放的高壓制冷劑流146可在熱交換器114中冷卻。 所得到的流148可被分成流150和168。流150可在膨脹器136中膨脹以產生流152。膨脹器136可例如為蒸汽膨脹器。 蒸汽膨脹器可為任何膨脹器，其中排放基本上為蒸汽(即，其中排放流為至少80%蒸汽)。 流152可在熱交換器110(上述流154)與熱交換器116(作為流160)之間分配。流160可在熱交換器116中溫熱。所得到的流162可與自熱交換器110的流156合并。所得到的流 164還可在熱交換器114中被進一步溫熱以產生流166。流168可在熱交換器116中冷卻。所得到的流170可在膨脹器138中膨脹以產生上述流172，流172然后可在過冷器交換器112中被溫熱。膨脹器138可例如為蒸汽膨脹器。所得到的流174可在熱交換器116中被進一步溫熱以產生流176。流176可在熱交換器114中被進一步溫熱以產生流140。熱交換器114可由制冷系統(tǒng)120冷卻，制冷系統(tǒng)120包括至少一級汽化液態(tài)制冷劑，例如諸如CO2、甲烷、丙烷、丁烷、異丁烷、丙烯、乙烷、乙烯、R22、HFC制冷劑(包括但不限于R410A、R134A、R507、R23)或其組合。使用CO2作為預冷液態(tài)制冷劑被認為最小化物理占據面積，特別是對于浮式采油貯油和卸油(FPSO)應用而言。也可采用使用氣態(tài)制冷劑的其它制冷循環(huán)。熱交換器114、116可例如合并成一個交換器。熱交換器114、116也可例如為板翅式釬焊鋁(芯)型熱交換器。熱交換器110、112可例如合并或安裝在彼此的頂部。熱交換器110、112可例如為板翅式釬焊鋁(芯)型熱交換器。熱交換器110、112也可例如為纏繞盤管型熱交換器，其確保更好的安全性、耐用性和可靠性。例如可使用穩(wěn)固型熱交換來冷卻天然氣，因為天然氣的冷卻涉及可造成熱交換器上更顯著熱應力的相變?？墒褂美p繞盤管熱交換器，因為它們在相變期間通常不太易受熱應力，包含泄漏好于芯型熱交換器，且通常不易受水銀腐蝕。纏繞盤管熱交換器也可例如提供在殼側上更低的制冷劑壓降。制冷劑壓縮機132、134可例如由電動馬達驅動或者直接由一個或多個燃氣輪機驅動器驅動?？衫鐝木哂邪l(fā)電機的燃氣輪機和/或蒸汽輪機得到電力。制冷劑壓縮機132、134的壓縮負荷的部分可從膨脹器136、138得到。這通常意味著循序壓縮的至少一級，或者在單級壓縮的情況下，整個壓縮機或并聯(lián)的壓縮機直接地或間接地由膨脹器驅動。例如，直接驅動通常意味著共同軸，而間接驅動涉及使用例如齒輪箱。在圖2至圖5和圖8至圖11中，為了簡單起見，對應于圖1中示出的實施例或其它相應實施例中的元件或流體流的元件或流體流用相同附圖標記來表示。在另一示范性實施例中且如圖2所示，自高壓制冷劑壓縮機132的排放的流146 被分成兩個流M6J47。流246在熱交換器214中冷卻以產生流M8，流248被分成流168 和250。流247繞過熱交換器214且在制冷系統(tǒng)220中冷卻，制冷系統(tǒng)220包括至少一級汽化液態(tài)制冷劑。汽化可發(fā)生于釜中，例如諸如殼管式熱交換器，其中沸騰的制冷劑在殼側上，如圖6所示。所得到的流249與流250合并以形成進入膨脹器136的流150。在又一示范性實施例中且如圖3所示，天然氣進料流100例如可在制冷系統(tǒng)320 中預冷，制冷系統(tǒng)320包括至少一級汽化液態(tài)制冷劑。所得到的流301可在熱交換器310 中液化以產生基本上液態(tài)的流102。自310的氣態(tài)制冷劑，流356，可與流162合并，類似于圖1和圖2中流156。制冷系統(tǒng)320和220例如可合并成一個制冷系統(tǒng)，其中例如液態(tài)制冷劑在系列熱交換器的殼側上沸騰且天然氣和蒸汽制冷劑流在管回路中冷卻。制冷劑壓縮機和冷凝器優(yōu)選地是兩個系統(tǒng)共用的，如圖6所示。在又一示范性實施例中且如圖4所示，流146可被分成兩個流446、447。流446可在熱交換器214中冷卻以產生流448。流447可繞過熱交換器214且可在膨脹器434中膨脹。所得到的流449可與流156和162合并以形成流464，流464可以與圖1和圖2中的流 164相同的方式進入熱交換器214。在另一示范性實施例中且如圖5所示，可以循序方式實現(xiàn)膨脹。流548可與流M9 合并以產生流150，流150可在膨脹器136中膨脹。流160的一部分可在熱交換器116中被部分地溫熱(流570)且可在膨脹器138中膨脹。因此，膨脹器138的入口壓力可接近膨脹器136的排放壓力。流166可引入于氣態(tài)制冷劑壓縮機的級之間或可與流158合并以產生流M4，流 544在單獨的壓縮機532中壓縮以產生流M6。在此情況下，流140可在壓縮機530中壓縮以產生與流546相同壓力的流M2。配置的選擇可取決于壓縮機裝配和相關聯(lián)的成本。合并的流542和546可被分成流547和M7。流547可在熱交換器214中冷卻以產生流M8， 且如圖2所示，流247可繞過熱交換器214且可在制冷系統(tǒng)220中冷卻。過冷產物104可在閥590中被節(jié)流到較低壓力。所得到的流506可部分為蒸汽。 閥590可例如替換為液壓渦輪機。流506可在相分離器592中分成液態(tài)產物508和閃蒸汽 580。流580可在壓縮機594中冷壓縮以產生流582，流582可在接近流160和174溫度的溫度。在替代方案中，流580也可在過冷器交換器112中或在單獨熱交換器中由流102的一部分溫熱。流582可在熱交換器116中被溫熱以產生流584，流584可在熱交換器214中被進一步溫熱以產生流586。流586可通常被壓縮到更高壓力且例如用作燃料用于一個或多個發(fā)電機、蒸汽輪機、燃氣輪機或電機用于發(fā)電。圖5所示的三種修改(循序膨脹、平行氣態(tài)燃料壓縮機和自閃蒸氣體回收制冷) 也可應用于在其它示范性實施例中所示的配置。圖6示出在圖1至圖3和圖5中所描繪的預冷制冷系統(tǒng)的示范性實施例。流630 可為氣態(tài)制冷劑和/或天然氣進料，其可在熱交換系統(tǒng)620 (對應于先前圖中的系統(tǒng)120、 220和320)中冷卻以得到流632。氣態(tài)制冷劑可在制冷劑壓縮機600中壓縮。所得到的流602可在冷凝器604中完全冷凝。液態(tài)的流606可在閥607中節(jié)流且在熱交換系統(tǒng)620的高壓蒸發(fā)器中部分地汽化以產生兩相流608，兩相流608然后可在相分離器609中分離。蒸汽部分610可作為高壓流引入于600的級之間。液體部分611可在閥612中節(jié)流且在熱交換系統(tǒng)620的中壓蒸發(fā)器中部分地汽化以產生兩相流613，兩相流613然后可在相分離器614中分離。蒸汽部分615可作為中壓流引入于600的級之間。液體部分616可在閥617中節(jié)流，在熱交換系統(tǒng)620 的低壓蒸發(fā)器中完全汽化以作為低壓流617引入于600的級之間。因此，制冷可以在對應于三個蒸發(fā)器壓力的三個溫度水平下供應。也可能具有多于三個或少于三個蒸發(fā)器和溫度 /壓力水平。流602可例如為超臨界的，在高于臨界壓力的壓力。它然后可在冷凝器604中冷卻而不發(fā)生相變以產生稠密流體606。超臨界流606可在節(jié)流后變成部分液體。圖7a至圖7c示出圖1所示的示范性實施例的冷卻曲線的曲線圖。圖7a示出合并的熱交換器114、116。圖7b代表熱交換器110?？梢钥闯鎏崛×?56顯著地改進了交換器效率。圖7c示出過冷器交換器112。在又一示范性實施例中且如圖8所示，可使用類似于圖1的系統(tǒng)，但氣態(tài)制冷劑可在僅一個壓力水平提供制冷。舉例而言，膨脹器138的排放壓力可與膨脹器136基本上相同。流152可例如被分成流860和854。流邪4可在對應于液化部段與過冷部段之間過渡的中間位置引入到合并的液化器/過冷器交換器810的殼側。在那里，它與溫熱流172混合。流856可在例如對應于預冷部段與液化部段之間過渡的熱交換器810內的中間位置提取。因此熱交換器810可與用于中間液化部段的大部分制冷劑良好地平衡。流860可在熱交換器116中溫熱以產生流862。流862可與流856合并以產生流 864。流864可在熱交換器114中溫熱以形成流840，與自熱交換器810的溫熱端的流858 合并，且引入到制冷劑壓縮機830的吸入。壓縮機830可例如具有多個級。同樣，為了簡單起見，未示出中間冷卻器和后冷卻器。在另一示范性實施例中且如圖9所示，可使用類似于圖1的系統(tǒng)，但液化器熱交換器110和熱交換器116和114可合并為熱交換器916和914。熱交換器914和916也可合并。過冷器交換器112可與熱交換器916合并。所有三個交換器914、916和112可例如合并成單個熱交換器。進料氣流100可在熱交換器914中冷卻以形成流901。流901可在熱交換器916中進一步冷卻以形成基本上液化的氣流102。在又一示范性實施例中且如圖10所示，可使用類似于圖8的系統(tǒng)，但可如圖4包括第三膨脹器434。額外膨脹器434可替換制冷系統(tǒng)120以提供制冷來預冷該氣態(tài)制冷劑， 在此情況下為流447。在又一示范性實施例中且如圖11所示，可使用類似于圖8的系統(tǒng)，但冷膨脹器138 與液化器熱交換器810的頂部段一起取消。預冷的氣態(tài)制冷劑流1148在單個膨脹器1136 中膨脹。所得到的膨脹流IlM用于在例如液化器熱交換器810中使該天然氣進料100液化。此示范性實施例特別適用于產生在溫熱溫度范圍的液態(tài)天然氣。這些溫度范圍可包括例如-215 0F (-137°C )至-80 0F (-62°C )。對本領域技術人員來說，顯然的是在圖1中的預冷系統(tǒng)120可被如圖10所示的額外膨脹器替換，或者可如圖2中在交換器114外部。如果使用兩個膨脹器，一個用于預冷， 一個用于液化，那么它們可在兩個不同壓力排放，自溫熱(預冷)膨脹器的更高壓流引入于低壓制冷劑壓縮機與高壓制冷劑壓縮機之間，如在圖1中那樣。下面為本申請的一些方面和實施例。#1. 一種使用閉環(huán)制冷系統(tǒng)的液化方法，該方法包括以下步驟(a)在至少一個壓縮機中壓縮氣態(tài)制冷劑流；
(b)在第一熱交換器中冷卻該壓縮氣態(tài)制冷劑流；
(C)在第一膨脹器中使自第一熱交換器的冷卻的壓縮氣態(tài)制冷劑流的至少第一部分膨脹以提供第一膨脹氣態(tài)制冷劑流；以及
(d)冷卻且基本上液化進料氣流以在第二熱交換器中通過與自第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流的至少第一部分進行間接熱交換而形成基本上液化的進料氣流，其中離開第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流基本上為蒸汽。#2.根據#1的方法，還包括通過在過冷器交換器中與離開第二膨脹器的第二膨脹氣態(tài)制冷劑流進行間接熱交換而過冷該冷卻且基本上液化的進料氣流，其中離開第二膨脹器的第二膨脹氣態(tài)制冷劑流基本上為蒸汽。#3.根據#2的方法，其中#1的步驟(a)的壓縮氣態(tài)制冷劑流通過以下步驟發(fā)生 (a) (1)在低壓壓縮機中壓縮該氣態(tài)制冷劑流；以及
(a) (2)在高壓壓縮機中進一步壓縮該氣態(tài)制冷劑流。#4.根據#3的方法，其中離開第二膨脹器的第二膨脹氣態(tài)制冷劑流的壓力小于離開第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流的壓力。#5.根據#1的方法，其中在#1的步驟(d)中自第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流的第一部分通過在第二熱交換器中進行間接熱交換而冷卻該進料氣流，且自第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流的第二部分在第三熱交換器中冷卻自該第一熱交換器的該冷卻的壓縮氣態(tài)制冷劑流的第二部分。#6.根據#1的方法，還包括通過與包括至少一級汽化液態(tài)制冷劑的補充制冷系統(tǒng)進行間接熱交換來提供對第一熱交換器的補充冷卻。#7.根據#6的方法，其中汽化液態(tài)制冷劑包括CO2、甲烷、丙烷、丁烷、異丁烷、丙烯、乙烷、乙烯、R22、HFC制冷劑(其包括R410A、R134A、R507、R2;3)或其組合。#8.根據#1的方法，其中用于液化的進料氣流是天然氣流。#9.根據#8的方法，其中天然氣液化發(fā)生于浮式采油貯油和卸油(FPSO)船只上。#10.根據#1的方法，其中氣態(tài)制冷劑流是氮氣流。#11.根據#3的方法，還包括在第三熱交換器和第一熱交換器中溫熱離開第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流的第二部分以形成溫熱的氣態(tài)制冷劑流，且在#3的步驟 (a)⑴與步驟(a) (2)之間合并該溫熱的氣態(tài)制冷劑流與離開低壓壓縮機的壓縮氣態(tài)制冷劑流。#12.根據#5的方法，其中離開第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流的第三部分在第二膨脹器中膨脹之前在第三熱交換器中加熱。#13.根據#2的方法，還包括從第二熱交換器的中間位置提取在第二熱交換器中下降的氣態(tài)制冷劑流的一部分，在第一熱交換器中加熱該氣態(tài)制冷劑流的提取部分，以及，在#3的步驟(a) (1)與步驟(a) (2)之間合并該溫熱的氣態(tài)制冷劑流與離開低壓壓縮機的壓縮氣態(tài)制冷劑流。#14.根據#1的方法，其中第一熱交換器和第三熱交換器是單個熱交換器。#15.根據#1的方法，其中第二熱交換器和過冷器交換器是單個熱交換器。#16.根據#1的方法，其中第一熱交換器和第三熱交換器是板翅釬焊鋁(芯)型熱交換器。#17.根據#1的方法，其中第二熱交換器和過冷器交換器是纏繞盤管式熱交換
ο#18.根據#3的方法，還包括
使離開該高壓壓縮機的壓縮氣態(tài)制冷劑流分流；在補充制冷系統(tǒng)中冷卻離開該高壓壓縮機的壓縮氣態(tài)制冷劑流的第一部分，該補充制冷系統(tǒng)包括至少一級汽化液態(tài)制冷劑，以及，在#1的步驟(c)中合并該壓縮氣態(tài)制冷劑流的冷卻的第一部分與自第一熱交換器的冷卻的壓縮氣態(tài)制冷劑流的第一部分以在第一膨脹器中膨脹，以及其中在#1的步驟(b)中離開該高壓壓縮機的壓縮氣態(tài)制冷劑流的第二部分在第一熱交換器中被冷卻。#19.根據#18的方法，還包括在#1的步驟(d)之前，在包括至少一級汽化液態(tài)制冷劑的補充制冷系統(tǒng)中預冷該進料氣流。#20.根據#19的方法，其中用于預冷該進料氣流的補充制冷系統(tǒng)和用于冷卻離開該高壓壓縮機的壓縮氣態(tài)制冷劑流的第一部分的補充制冷系統(tǒng)是單個補充制冷系統(tǒng)。#21.根據#3的方法，還包括使離開該高壓壓縮機的該壓縮氣態(tài)制冷劑流分流； 在第三膨脹器中使離開至少一個壓縮機的壓縮氣態(tài)制冷劑流的第一部分膨脹，在第一熱交換器中溫熱該壓縮氣態(tài)制冷劑流的膨脹的第一部分，且然后在#3的步驟(a) (1)與步驟(a) (2)之間合并壓縮氣態(tài)制冷劑流的溫熱、膨脹的第一部分與離開低壓壓縮機的壓縮氣態(tài)制冷劑流，以及在#1的步驟(b)中在第一熱交換器中冷卻離開該高壓壓縮機的壓縮氣態(tài)制冷劑流的第二部分。#22.根據#4的方法，還包括使離開該高壓壓縮機的壓縮氣態(tài)制冷劑流分流；在第三膨脹器中使離開該高壓壓縮機的壓縮氣態(tài)制冷劑流的第一部分膨脹；在第一熱交換器中溫熱該壓縮氣態(tài)制冷劑流的膨脹的第一部分，以及然后在#3的步驟(a) (1)與步驟(a) (2)之間合并壓縮氣態(tài)制冷劑流的溫熱、膨脹的第一部分與離開該低壓壓縮機的壓縮氣態(tài)制冷劑流，以及在#1的步驟(b)中在第一熱交換器中冷卻離開該高壓壓縮機的壓縮氣態(tài)制冷劑流的第二部分。#23.根據#2的方法，還包括節(jié)流該過冷液化進料氣體流，在相分離器中分離該節(jié)流的過冷液化進料氣流為液體產物和閃蒸汽，其中該閃蒸汽可被進一步壓縮、溫熱和用作能量產生的燃料。#24.根據#1的方法，還包括在高壓儲存罐中儲存該冷卻且基本上液化的進料氣流。#25. 一種使用閉環(huán)制冷系統(tǒng)的液化方法，該方法包括以下步驟
(a)在低壓壓縮機中壓縮氣態(tài)制冷劑流；
(b)在高壓壓縮機中進一步壓縮該壓縮氣態(tài)制冷劑流； (C)在第一熱交換器中冷卻該壓縮氣態(tài)制冷劑流；
(d)在第一膨脹器中使自第一熱交換器的冷卻的壓縮氣態(tài)制冷劑流的至少第一部分膨脹以提供第一膨脹氣態(tài)制冷劑流；其中自第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流提供對第二熱交換器和第一熱交換器的冷卻；
(e)通過在第二熱交換器和第一熱交換器中與自第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流進行間接熱交換器來冷卻并基本上液化進料氣流；以及(f)通過在過冷器交換器中與離開第二膨脹器的第二膨脹氣態(tài)制冷劑流進行間接熱交換而過冷該冷卻且基本上液化的進料氣流；
其中離開第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流和離開第二膨脹器的第二膨脹氣態(tài)制冷劑流基本上為蒸汽，且其中第二膨脹氣態(tài)制冷劑流的壓力低于第一膨脹氣態(tài)制冷劑流的壓力。#26. 一種用于液化的閉環(huán)系統(tǒng)，包括
制冷回路，該制冷回路包括
第一熱交換器；
第二熱交換器，其流體地聯(lián)接到第一熱交換器；
第一膨脹器，其流體地聯(lián)接到第一熱交換器且適于自第一熱交換器接受制冷劑流； 第二膨脹器，其流體地聯(lián)接到第二熱交換器且適于自第二熱交換器接受制冷劑流；以
及
第三熱交換器，其流體地聯(lián)接到第一膨脹器且適于接受自第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流和進料氣流，
其中自第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流和自第二膨脹器的第二膨脹氣態(tài)制冷劑流基本上為蒸汽流。#27.根據#26的系統(tǒng)，其還包括過冷器交換器，其流體地聯(lián)接到第三熱交換器和第二熱交換器且適于自第三熱交換器接受進料氣流。#28.根據#26的系統(tǒng)，還包括
(a)低壓制冷劑壓縮機，其流體地聯(lián)接到第一熱交換器；以及
(b)高壓制冷劑壓縮機，其流體地聯(lián)接到第一熱交換器和低壓制冷劑壓縮機，適于自第一熱交換器和低壓制冷劑壓縮機接受制冷劑流。#29.根據#28的系統(tǒng)，其中自第二膨脹器的第二膨脹氣態(tài)制冷劑流的壓力低于自第一膨脹器的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流的壓力。#30.根據#28的系統(tǒng)，還包括補充制冷系統(tǒng)，其適于向第一熱交換器提供冷卻， 其中補充制冷系統(tǒng)包括至少一級汽化液態(tài)制冷劑。#31.根據#30的系統(tǒng)，其中汽化液態(tài)制冷劑包括CO2、甲烷、丙烷、丁烷、異丁烷、丙烯、乙烷、乙烯、R22、HFC制冷劑(其包括R410A、R134A、R507、R23)或其組合。#32.根據#26的系統(tǒng)，其中進料氣流是天然氣流。#33.根據#32的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)用于浮式采油貯油和卸油(FPSO)船只上。#34.根據#26的系統(tǒng)，其中該制冷劑流是氮氣流。#35.根據#26的系統(tǒng)，其中第一熱交換器和第二熱交換器是單個熱交換器。#36.根據#27的系統(tǒng)，其中第三熱交換器和過冷器交換器是單個熱交換器。#37.根據#26的系統(tǒng)，其中第一熱交換器和第二熱交換器是板翅釬焊鋁(芯)型熱交換器。#38.根據#27的系統(tǒng)，其中第三熱交換器和過冷器交換器112是纏繞盤管式熱交換器。#39.根據#28的系統(tǒng)，還包括補充制冷系統(tǒng)，其流體地聯(lián)接到高壓制冷劑壓縮機且適于自高壓制冷劑壓縮機接受壓縮氣態(tài)制冷劑流。
#40.根據#26的系統(tǒng)，還包括補充制冷系統(tǒng)，其流體地聯(lián)接到第三熱交換器且適于接受該進料氣流。#41.根據#28的系統(tǒng)，還包括第三膨脹器，其流體地聯(lián)接到高壓制冷劑壓縮機且適于自高壓制冷劑壓縮機接受壓縮氣態(tài)制冷劑流的一部分。#42.根據#27的系統(tǒng)，還包括
閥，其流體地聯(lián)接到過冷器交換器，適于自過冷器交換器接受進料氣流； 相分離器，其流體地聯(lián)接到所述閥且適于將進料氣流分離成液體產物和閃蒸汽。#43.根據#26的系統(tǒng)，還包括
第一低壓制冷劑壓縮機，其流體地聯(lián)接到第一熱交換器；以及， 第二低壓制冷劑壓縮機，其流體地聯(lián)接到第三熱交換器。#44. 一種使用具有至少兩個膨脹器的閉環(huán)蒸汽膨脹循環(huán)來液化氣態(tài)進料的方法，其中，第二膨脹器的排放壓力低于第一膨脹器的排放壓力，且其中第一膨脹器提供液化氣態(tài)進料所需制冷的至少一部分。#45.根據#44的方法，其中氣態(tài)進料包括天然氣。#46.根據#44的方法，其中自第二膨脹器所得的膨脹流被溫熱到接近環(huán)境溫度， 被壓縮，且與自第一膨脹器的溫熱的所得膨脹流合并。#47.根據#46的方法，其中自第一膨脹器和第二膨脹器的合并流被進一步壓縮且然后冷卻用于進一步膨脹。#48.根據#44的方法，其中使自第一膨脹器的所得膨脹流分流使得所得膨脹流的第一部分用于通過間接熱交換而冷卻該氣態(tài)進料且所得膨脹流的第二部分用于提供熱交換器中的冷卻。實例
參看圖3，將在113 0F (450C )和180psia(l. 24MPa)下的含大約92%甲烷、1. 6%氮氣、 3. 4%乙烷、洲丙烷和1%更重組分的3，160 lbmol/h(l, 433kgmol/h)天然氣(流100)由制冷系統(tǒng)320預冷至大約-31. 6 0F (-35. 3°C )，制冷系統(tǒng)320包括利用R134A制冷劑(C2H2F4) 汽化的3個釜。制冷劑在3級壓縮機中壓縮，如圖6所示。制冷劑壓縮機吸入壓力大約為 0. 5巴(50kPa)絕對值。保持吸入壓力在真空，允許過冷至更低溫度。使用不易燃的制冷劑，保證安全操作。所得到的流301在液化器熱交換器310中冷卻至-136 °F (-93°C )，在此點，流102 全都是液體。其然后在過冷器交換器112中過冷到-261 T (-163°C )，提供所得到的流104。自高壓制冷劑壓縮機132的排放的氣態(tài)氮氣146在104 °F (40°C )和1，200 psia(8. 27MPa)。流 146 然后被分成進入制冷系統(tǒng) 220 的 21，495 lbmol/h(9, 750kgmol/h) g 和進入合并熱交換器 214,216 的 196，230 lbmol/h (89，008kgmol/h)。自合并流 M9 和 250 得到的流 150 在-49 0F (-45 V )和 164，634 lbmol/ h(74, 677kgmol/h)的流率進入膨脹器136。其在-141 T (-96 °C )膨脹至大約 475psia(3. 28MPa)且分成在 141，326 lbmol/h (64, 104kgmol/h)進入液化器熱交換器 310 的流154和進入合并熱交換器214、116的流160。流356在-54. 4 T (-48°C )離開液化器熱交換器310。其然后與流162合并，在合并熱交換器 214、116 中溫熱至 97. 5 °F (36. 4°C )，且以 164, 634 lbmol/h (74，677kgmol/h)的流率引入于低壓制冷劑壓縮機130與高壓制冷劑壓縮機132之間(流166)。流170 在-136 0F (-93°C )且以 53，091 lbmol/h(24, 082kgmol/h)的流率進入膨脹器138。流170在-165 0F (-109°C )膨脹至大約192pSia(l· 32MPa)(流172)且然后進入過冷器交換器112。流174在大約-140 T (-96°C )離開過冷器交換器112。流174然后在合并熱交換器214、116中溫熱至97.5下(36. 4°C )且進入低壓制冷劑壓縮機130的吸入(流140)。雖然結合各個附圖的優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明的多方面，應了解在不偏離本發(fā)明的情況下可使用其它類似實施例或者可對所描述的實施例做出修改和添加以執(zhí)行本發(fā)明的相同功能。因此，所要求保護的本發(fā)明不應限于任何單個實施例，而是應根據所附權利要求書的幅度和范圍來解釋。附圖標記提供于權利要求中只是輔助理解且并不限制權利要求的范圍。
1權利要求
1.一種使用閉環(huán)制冷系統(tǒng)的液化方法，所述方法包括以下步驟(a)在至少一個壓縮機(132)中壓縮氣態(tài)制冷劑流(144)；(b)在第一熱交換器(114)中冷卻所述壓縮氣態(tài)制冷劑流(144)的至少一部分；(c)在第一膨脹器(136)中使來自第一熱交換器(114)的冷卻的壓縮氣態(tài)制冷劑流的至少第一部分(150)膨脹以提供第一膨脹氣態(tài)制冷劑流(152)；以及(d)冷卻且基本上液化進料氣流(100)以在第二熱交換器(110)中通過與來自第一膨脹器(136)的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流的至少第一部分(154)進行間接熱交換而形成基本上液化的進料氣流(102)，其中離開所述第一膨脹器(136)的所述第一膨脹氣態(tài)制冷劑流(15 基本上為蒸汽。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于還包括在過冷器交換器(112)中與離開第二膨脹器(138)的第二膨脹氣態(tài)制冷劑流(17 進行間接熱交換而過冷所述冷卻且基本上液化的進料氣流(102)。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，離開所述第二膨脹器(138)的所述第二膨脹氣態(tài)制冷劑流(17 基本上為蒸汽。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，離開所述過冷器交換器(112)的第二膨脹氣態(tài)制冷劑流(174)在低壓壓縮機(130)中壓縮；至少與離開所述第二熱交換器的所述第一膨脹氣態(tài)制冷劑流合并；以及，混合流(144)在高壓壓縮機(132)中被進一步壓縮。
5.根據權利要求2至4中任一項所述的方法，其特征在于，所述第二膨脹氣態(tài)制冷劑流是從所述第一熱交換器(114)的冷卻的壓縮氣態(tài)制冷劑流的第二部分(168)得到。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述冷卻的氣態(tài)制冷劑流(148)的第二部分(168)在第三熱交換器(116)中通過與來自所述第一膨脹器(136)的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流(15 的至少第二部分(160)進行間接熱交換而進一步冷卻且被進給到所述第二膨脹器(138)來提供所述第二膨脹氣態(tài)制冷劑流(172)。
7.根據權利要求2至4中任一項所述的方法，其特征在于，所述第二膨脹氣態(tài)制冷劑流是從所述第一膨脹氣態(tài)制冷劑流的一部分(570)得到。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述部分(570)在所述膨脹(138)之前通過與離開所述過冷器交換器(112)的基本上液化的進料氣流分離的壓縮蒸汽進行熱交換(116)而被溫熱。
9.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于還包括從所述第二熱交換器 (110)的中間位置提取在所述第二熱交換器(110)中下降的氣態(tài)制冷劑流的一部分(154) 且在所述第一熱交換器(116)中加熱所述提取的部分(巧4)。
10.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，進行液化的進料氣流是天然氣流。
11.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述氣態(tài)制冷劑流是氮氣流。
12.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于還包括在第三熱交換器 (116)和所述第一熱交換器(114)中溫熱離開所述第一膨脹器(136)的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流(15 的第二部分(160)以形成溫熱的氣態(tài)制冷劑流，以及合并所述溫熱的氣態(tài)制冷劑流(168)與離開所述第二熱交換器(110)的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流(158)。
13.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于還包括將離開所述至少一個壓縮機(13 的所述壓縮氣態(tài)制冷劑流(146)分成第一部分(M7)和第二部分046)；在包括至少一級汽化液態(tài)制冷劑的補充制冷系統(tǒng)(220)中冷卻所述第一部分047)；在權利要求1的步驟(b)中在所述第一熱交換器(114)中冷卻所述第二部分；以及，在權利要求1 的步驟(c)中合并所述冷卻的第一部分(M9)與所述冷卻的第二部分(M8)的至少一部分 (250)以在所述第一膨脹器(136)中膨脹。
14.根據權利要求1至12中任一項所述的方法，其特征在于還包括將離開所述至少一個壓縮機(13 的所述壓縮的氣態(tài)制冷劑流(146)分成第一部分(447)和第二部分046)； 在第三膨脹器(434)中使所述第一部分(447)膨脹，在所述第一熱交換器014)中溫熱所得膨脹的第一部分049)，且然后合并所得溫熱的膨脹的第一部分(部分166)與離開所述第二熱交換器(110)的氣態(tài)制冷劑流(158)，以及，在權利要求1的步驟(b)中在所述第一熱交換器(114)中冷卻所述第二部分046)。
15.根據權利要求3所述的方法，其特征在于包括以下步驟(a)在低壓壓縮機(130)中壓縮氣態(tài)制冷劑流(140)；(b)在高壓壓縮機(132)中進一步壓縮所述壓縮氣態(tài)制冷劑流(142)；(c)在第一熱交換器(914)中冷卻所述壓縮氣態(tài)制冷劑流(146)；(d)在第一膨脹器(136)中使來自所述第一熱交換器(914)的冷卻的壓縮氣態(tài)制冷劑流(148)的至少第一部分(150)膨脹以提供第一膨脹氣態(tài)制冷劑流(152)，其中來自所述第一膨脹器(136)的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流(15 提供對第二熱交換器(916)和第一熱交換器(914)的冷卻；(e)通過在第二熱交換器(916)和第一熱交換器(914)中與來自所述第一膨脹器 (136)的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流(15 進行間接熱交換來冷卻并基本上液化進料氣流 (100)；以及(f)通過在過冷器交換器(112)中與離開第二膨脹器(138)的第二膨脹氣態(tài)制冷劑流 (172)進行間接熱交換而過冷所述冷卻且基本上液化的進料氣流(102)；其中離開所述第一膨脹器(136)的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流(152)和離開所述第二膨脹器(138)的第二膨脹氣態(tài)制冷劑流(17 基本上為蒸汽，且其中所述第二膨脹氣態(tài)制冷劑流(172)的壓力低于所述第一膨脹氣態(tài)制冷劑流(15 的壓力。
16.一種利用權利要求2所述的方法進行液化的閉環(huán)系統(tǒng)，包括制冷回路，所述制冷回路包括第一熱交換器(114)；第二熱交換器(116)，其流體地聯(lián)接到所述第一熱交換器(114)；第一膨脹器(136)，其流體地聯(lián)接到所述第一熱交換器(114)且適于接受來自所述第一熱交換器(114)的制冷劑流(150)；第二膨脹器(138)，其流體地聯(lián)接到所述第二熱交換器(116)且適于接受來自所述第二熱交換器(116)的制冷劑流(170)；第三熱交換器(110)，其流體地聯(lián)接到所述第一膨脹器(136)且適于接受來自所述第一膨脹器(136)的第一膨脹氣態(tài)制冷劑流(154)和進料氣流(110)；以及過冷器交換器(112)，其流體地聯(lián)接到所述第三熱交換器(110)和所述第二膨脹器(138)且適于接受來自所述第三熱交換器(110)的進料氣流(102)。
17.根據權利要求16所述的系統(tǒng)，其適用于利用權利要求3至14中任一項所述的方法進行液化的閉環(huán)系統(tǒng)。
18.一種使用具有至少兩個膨脹器的閉環(huán)蒸汽膨脹循環(huán)來使氣態(tài)進料液化的方法，其中，第二膨脹器的排放壓力低于第一膨脹器的排放壓力，且第一膨脹器提供液化氣態(tài)進料所需制冷的至少一部分。
全文摘要
使用閉環(huán)制冷系統(tǒng)液化進料氣體，其中使冷卻的壓縮氣態(tài)制冷劑流(150)膨脹(136)以提供第一膨脹氣態(tài)制冷劑流(154)，第一膨脹氣態(tài)制冷劑流(154)基本上為蒸汽且用于通過間接熱交換(110)來冷卻且基本上液化進料氣流(100)?；旧弦夯倪M料氣流(102)優(yōu)選地通過與第二膨脹氣態(tài)制冷劑流(172)間接熱交換(112)而過冷，第二膨脹氣態(tài)制冷劑流(172)優(yōu)選地也基本上為蒸汽且可由冷卻的壓縮氣態(tài)制冷劑流(170)或者由第一膨脹氣態(tài)制冷劑流(152)的一部分提供。用于壓縮氣態(tài)制冷劑流(146)的冷卻負荷由第一膨脹氣態(tài)制冷劑流(152)的一部分(160)、通過與進料氣體進行所述熱交換(110)而部分地溫熱的氣態(tài)制冷劑(156)和/或通過所述過冷(112)而溫熱的第二膨脹氣態(tài)制冷劑流(174)提供。
文檔編號F25J1/02GK102334001SQ200980145955
公開日2012年1月25日 申請日期2009年11月16日 優(yōu)先權日2008年11月18日
發(fā)明者A. 布羅斯托 A., J. 羅伯茨 M. 申請人:氣體產品與化學公司