(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温端部及び低温端部を有する主熱交換器においてチューブ側流れを液化する方法であって、前記主熱交換器は、シェル側を形成する壁部を有し、前記シェル側にはコイル巻回されたチューブ束が配置されており、前記方法は、
（ａ）個別のチューブの第１のサブセットの高温端部に気体状態でチューブ側流れの第１の質量流を提供するステップであって、前記個別のチューブの第１のサブセットは前記チューブ束において半径方向で均一に分布させられている、ステップと、
（ｂ）個別のチューブの第２のサブセットの高温端部に気体状態でチューブ側流れの第２の質量流を提供するステップであって、前記個別のチューブの第２のサブセットは前記チューブ束において半径方向で均一に分布させられている、ステップと、
（ｃ）前記第１の質量流及び前記第２の質量流に冷却を提供しこれによりチューブ側流れが液体になるように、シェル側において冷媒流を蒸発させるステップと、
（ｄ）前記個別のチューブの第１のサブセットの低温端部から液体として取り出された第１の質量流の出口温度を測定するステップと、
（ｅ）前記個別のチューブの第２のサブセットの低温端部から液体として取り出された第２の質量流の出口温度を測定するステップと、
（ｆ）ステップ（ｄ）において測定された第１の質量流の出口温度をステップ（ｅ）において測定された第２の質量流の出口温度と比較するステップと、を含む方法において、
前記第１の質量流及び前記第２の質量流の少なくとも一方は、前記第１の質量流の出口温度を前記第２の質量流の出口温度と等しくするように調節されることを特徴とする、高温端部及び低温端部を有する主熱交換器においてチューブ側流れを液化する方法。
【請求項２】
前記ステップ（ｄ）において測定された前記第１の質量流の前記出口温度は、前記ステップ（ｅ）において測定された前記第２の質量流の温度よりも高くなった場合には、前記第１の質量流の流量は、前記第２の質量流の流量と比較して減じることで、前記第１の質量流の出口温度を前記第２の質量流の出口温度と等しくするように調節する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ステップ（ｄ）において測定された前記第１の質量流の前記出口温度は、前記ステップ（ｅ）において測定された前記第２の質量流の温度よりも低くなった場合には、前記第２の質量流の流量は、前記第１の質量流の流量に対して減じることで、前記第１の質量流の出口温度を前記第２の質量流の出口温度と等しくするように調節する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記第１の質量流及び前記第２の質量流の少なくとも一方は、前記主熱交換器の前記低温端部における前記第１の質量流及び前記第２の質量流の少なくとも一方を調節することによって前記第１の質量流の前記出口温度を前記第２の質量流の前記出口温度と等しくするよう調節される、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記第１の質量流及び前記第２の質量流の少なくとも一方は、前記主熱交換器の前記高温端部における前記第１の質量流又は前記第２の質量流の少なくとも一方を調節することによって前記第１の質量流の前記出口温度を前記第２の質量流の前記出口温度と等しくするよう調節される、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記第１の質量流は、前記個別のチューブの第１のサブセットにおける個別のチューブの数を減じることによって調節される、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記第１の質量流は、前記個別のチューブの第１のサブセットにおける１つ以上の個別のチューブに栓をするか又は１つ以上の個別のチューブを取り外すことによって調節される、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記第１の質量流は、前記個別のチューブの前記第１のサブセットに供給される前記第１の質量流を制限することによって調節される、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記第２の質量流は、前記個別のチューブの前記第２のサブセットにおける前記個別のチューブの数を減じることによって調節される、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の質量流は、前記個別のチューブの前記第２のサブセットにおける１つ以上の個別のチューブに栓をするか又は１つ以上の個別のチューブを取り外すことによって調節される、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記第２の質量流は、前記個別のチューブの前記第２のサブセットに供給される前記第１の質量流を制限することによって調節される、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
前記チューブ束は、該チューブ束の高温端部の側に配置された高温チューブ束と、前記チューブ束の低温端部の側に配置された低温チューブ束とを含み、前記高温チューブ束及び前記低温チューブ束のそれぞれは、高温端部及び低温端部を有する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
前記チューブ側流れは、気体として前記高温チューブ束の前記高温端部に進入しかつ過冷却された液体として前記低温チューブ束の前記低温端部から流出する第１のチューブ側流れである、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記第１のチューブ側流れは、気体メタンリッチ供給物として前記高温チューブ束の前記高温端部に進入し、前記気体メタンリッチ供給物は、前記高温チューブ束の前記高温端部から前記低温チューブ束の前記高温端部まで通過するまでに少なくとも部分的に液化されている、請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記第１のチューブ側流れは、液体として前記低温チューブ束の前記高温端部に進入しかつ過冷却された液体として前記低温チューブ束の前記低温端部から流出する、請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
前記過冷却された液体は、貯蔵部へ送られる前に前記主熱交換器の前記低温チューブ束の前記低温端部から取り出される、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記第１のチューブ側流れは、大部分が液体の冷媒流と熱を交換し、該冷媒流は、前記低温チューブ束のシェル側において次第に沸騰させられる、請求項１３記載の方法。
【請求項１８】
前記主熱交換器の前記シェル側の前記高温端部から取り出される蒸発した冷媒は、第１の冷媒圧縮機及び第２の冷媒圧縮機へ供給され、前記第１の冷媒圧縮機及び前記第２の冷媒圧縮機において、前記蒸発した冷媒は圧縮され、高圧の冷媒流を形成する、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記高圧の冷媒流は熱交換器へ送られ、該熱交換器において、前記高圧の冷媒流は冷却され、部分的に凝縮された冷媒流を生じ、該部分的に凝縮された冷媒流は次いで分離器へ送られ、液体状態の冷媒部分と、気体状態の冷媒部分とに分離させられる、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記液体状態の冷媒部分は第２のチューブ側流れとなり、該第２のチューブ側流れは、液体として前記高温チューブ束の前記高温端部に供給されかつ液体状態の過冷却された冷媒流として前記高温チューブ束の前記低温端部から流出する、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記高温チューブ束の前記低温端部において取り出された前記過冷却された冷媒流は、第１の膨張装置を通るときに膨張させられ、減圧された冷媒流を形成し、該減圧された冷媒流は次いで、前記高温チューブ束の前記低温端部と前記低温チューブ束の前記高温端部との間の中間の位置において前記主熱交換器の前記シェル側に導入され、前記減圧された冷媒流は前記シェル側において蒸発させられ、これにより、前記第１のチューブ側流れ、前記第２のチューブ側流れ及び前記分離器からの前記気体状態の冷媒部分の一部分により構成される第３のチューブ側流れが前記高温チューブ束を通過するときに前記第１のチューブ側流れ、前記第２のチューブ側流れ及び第３のチューブ側流れにおける流体を冷却する、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記分離器からの前記気体状態の冷媒部分の一部が第３のチューブ側流れとなり、該第３のチューブ側流れは、気体として前記高温チューブ束の前記高温端部に導入されかつ過冷却された液体として前記低温チューブ束の前記低温端部において流出する、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記第３のチューブ側流れは、前記高温チューブ束を通過するときに気体から液体に冷却され、前記低温チューブ束を通過するときに液体から過冷却された液体に冷却される、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記低温チューブ束の前記低温端部から取り出された前記過冷却された冷媒流は、第２の膨張装置を通るときに膨張させられ、圧力の減少を生じ、減圧された冷媒流を生ぜしめる、請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
前記減圧された冷媒流は、低温端部において前記主熱交換器のシェル側に導入され、前記減圧された冷媒流は、前記シェル側において蒸発させられ、これにより、前記低温チューブ束を通過するときに前記第１のチューブ側流れ及び前記第３のチューブ側流れにおける流体を冷却しかつ高温チューブ束を通過するときに前記第１のチューブ側流れ、前記第２のチューブ側流れ及び前記第３のチューブ側流れに冷却を提供する、請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
チューブ側流れを液化する主熱交換器であって、該主熱交換器は、使用時に高温端部及び低温端部を有し、
シェル側を形成する壁部であって、前記シェル側内にコイル巻回されたチューブ束が配置されている、壁部と、
個別のチューブの第１のサブセットの高温端部に気体状態のチューブ側流れの第１の質量流を提供する手段であって、前記個別のチューブの第１のサブセットは、前記チューブ束において半径方向で均等に分布させられている、手段と、
個別のチューブの第２のサブセットの高温端部に気体状態のチューブ側流れの第２の質量流を提供する手段であって、前記個別のチューブの第２のサブセットは、前記チューブ束において半径方向で均等に分布させられている、手段と、
前記シェル側に冷媒流を提供して、該冷媒流の蒸発により前記第１の質量流及び前記第２の質量流に冷却を提供し、これにより、前記チューブ側流れを液体にする、分配器と、
前記個別のチューブの第１のサブセットの低温端部から液体として取り出された第１の質量流の出口温度を示す第１の信号を生成する第１の温度センサと、
前記個別のチューブの第２のサブセットの低温端部から液体として取り出された第２の質量流の出口温度を示す第２の信号を生成する第２の温度センサと、
前記第１の質量流の前記出口温度を前記第２の質量流の前記出口温度と等しくするように前記第１の質量流及び前記第２の質量流の一方又は両方を調節する質量流調節手段と通信する制御装置と、を備えることを特徴とする、チューブ側流れを液化する主熱交換器。
【請求項２７】
前記第１の信号が前記第２の信号より高い温度を示す場合に前記第１の質量流の流量を前記第２の質量流の流量と比較して減じるように、前記制御装置は前記質量流調節手段と通信する、請求項２６記載の主熱交換器。
【請求項２８】
前記第１の信号が前記第２の信号より低い温度を示す場合に前記第２の質量流の流量を前記第１の質量流の流量に対して減じるように、前記制御装置は前記質量流調節手段と通信する、請求項２６記載の主熱交換器。
【請求項２９】
前記質量流調節手段は、前記主熱交換器の低温端部において前記第１の質量流の前記出口温度を前記第２の質量流の前記出口温度と等しくするように前記第１の質量流及び前記第２の質量流の一方又は両方を調節するよう構成されている、請求項２６から２８までのいずれか１項記載の主熱交換器。
【請求項３０】
前記質量流調節手段は、前記主熱交換器の高温端部において前記第１の質量流の前記出口温度を前記第２の質量流の前記出口温度と等しくするように前記第１の質量流及び前記第２の質量流の一方又は両方を調節するよう構成されている、請求項２６から２８までのいずれか１項記載の主熱交換器。
【請求項３１】
前記質量流調節手段は、前記第１の質量流を調節する第１の質量流調節手段を含む、請求項２６から３０までのいずれか１項記載の主熱交換器。
【請求項３２】
前記第１の質量流調節手段は、前記第２の質量流の流量に対して前記第１の質量流の流量を減じるように前記個別のチューブの第１のサブセットにおける１つ以上の個別のチューブに挿入される栓である、請求項３１記載の主熱交換器。
【請求項３３】
前記第１の質量流調節手段は、前記個別のチューブの第１のサブセットにおける１つ以上の個別のチューブへの前記第１の質量流を制限する弁である、請求項３１記載の主熱交換器。
【請求項３４】
前記質量流調節手段は、前記第２の質量流を調節する第２の質量流調節手段を含む、請求項２６から３３までのいずれか１項記載の主熱交換器。
【請求項３５】
前記第２の質量流調節手段は、前記第１の質量流の流量に対して前記第２の質量流の流量を減じるように前記個別のチューブの第２のサブセットにおける１つ以上の個別のチューブに挿入される栓である、請求項３４記載の主熱交換器。
【請求項３６】
前記第２の質量流調節手段は、前記個別のチューブの第２のサブセットにおける１つ以上の個別のチューブへの前記第２の質量流を制限する弁である、請求項３４記載の主熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主熱交換器の熱分布を再平衡させることによって液化製品を得るためにチューブ側流れを液化する方法に関する。本発明は、特に、「液化天然ガス」又は「ＬＮＧ」として知られる液化製品を得るために気体メタンリッチ供給物を液化する方法に関するが、他を排除するものではない。
【０００２】
典型的な液化法は米国特許第６２７２８８２号明細書に記載されており、この液化法においては、気体メタンリッチ供給物が高圧で主熱交換器の第１のチューブ側の高温端部に供給される。気体メタンリッチ供給物は冷媒を蒸発させる一方で冷却され、液化され、過冷却され、これにより液化した流れを得る。液化した流れは主熱交換器の低温端部から取り出され、液化製品として貯蔵部へ送られる。蒸発した冷媒は主熱交換器のシェル側の高温端部から取り出される。蒸発した冷媒は少なくとも１つの冷媒圧縮機において圧縮され、高圧の冷媒を得る。高圧の冷媒は部分的に凝縮され、部分的に凝縮した冷媒は、液体の重い冷媒部分と、気体の軽い冷媒部分とに分離される。重い冷媒部分は主熱交換器の第２のチューブ側において過冷却され、過冷却された重い冷媒流を得る。重い冷媒流は熱交換器のシェル側の中間点に減圧されて導入され、重い冷媒流は主熱交換器のシェル側において蒸発させられる。軽い冷媒部分の少なくとも一部は主熱交換器の第３のチューブ側において冷却され、液化され、過冷却され、過冷却された軽い冷媒流を得る。この軽い冷媒流は、主熱交換器のシェル側の低温端部に減圧されて導入され、軽い冷媒流はシェル側において蒸発させられる。
【０００３】
主熱交換器のチューブ側は３つの流れを取り扱うことが要求されることが上記説明から明らかである。３つの流れとはつまり、（ｉ）高圧でガスとして第１のチューブ側の高温端部に進入し、第１のチューブ側を通過しながら凝縮し、過冷却された液化した流れとして第１のチューブ側の低温端部から流出する気体メタンリッチ供給物、（ｉｉ）液体として第２のチューブ側の高温端部に進入し、第２のチューブ側を通過しながら過冷却され、過冷却された重い冷媒流として第２のチューブ側の低温端部から流出する重い冷媒部分、及び（ｉｉｉ）蒸気として第３のチューブ側の高温端部に進入し、第３のチューブ側を通過しながら冷却され、液化され、過冷却され、過冷却された軽い冷媒流として第３のチューブ側の低温端部から流出する軽い冷媒部分の少なくとも一部、である。
【０００４】
それと同時に、主熱交換器のシェル側は、（ａ）中間位置（技術分野では"高温チューブ束の上部"と称呼される位置）においてシェル側に進入し、シェル側の高温端部から気体として取り出される前にシェル側において蒸発させられる、重い冷媒流、及び（ｂ）減圧されて低温端部（技術分野では"低温チューブ束の上部"と称呼される位置）においてシェル側に進入し、シェル側の高温端部から気体として取り出される前にシェル側において蒸発させられる、軽い冷媒流、を取り扱うことが要求される。
【０００５】
つまり、米国特許第６２７２８８２号明細書に記載された液化法の形式で作動するために、主熱交換器は、単相流及び二相流を取り扱うことができなければならず、その全ては異なる温度で凝縮し、複数のチューブ側流れ及びシェル側流れが一つの交換器に収容される。主熱交換器は、広範囲の温度及び圧力を有する流れを取り扱うこともできなければならない。この理由から、世界中で液化プラントにおいて使用される主熱交換器は、「コイル巻回型」若しくは「らせん巻回型」熱交換器である。
【０００６】
このようなコイル巻回型熱交換器において、それぞれの個別の流れのためのチューブは、「束」を形成するように中央のチューブ若しくはマンドレルの周囲に巻回された複数の層において均等に分配されている。チューブの複数の層のそれぞれは、数百の均一な寸法を有するチューブを含み、第１、第２及び第３のチューブ側流れの流量比に比例して、各層において第１、第２及び第３のチューブ側流体のそれぞれの均一な分配がなされる。主熱交換器の効率は、これらの層のそれぞれにおけるシェル側とチューブ側との間の熱伝達が、束を横切る半径方向と、束の長さに沿った軸方向とで、できるだけ平衡させられていることに依存する。
【０００７】
らせん巻回された熱交換器は、増大した仕事を行うためにはより大型になるので、シェル側流体を均一に分配することはますます困難になる。これは、部分的には、冷媒の軽い成分が最初に沸騰するために、シェル側において重い冷媒流と軽い冷媒流との組成が主熱交換器の長さに沿って連続的に変化することによるものである。その結果、シェル側と、第１、第２及び第３のチューブ側のそれぞれとの間の熱伝達は、束の中の層にわたって不均一になり得る。シェル側流体のこの温度の不均一な分配は、束におけるチューブのそれぞれの層の、束の低温端部における各チューブ側流体の部分における、及び高温端部において流出するシェル側流体の、温度の不均一性につながる。
【０００８】
システムが平衡しているとき、チューブ側とシェル側との温度差は、主熱交換器の長さの大部分に沿って、比較的一定であるが、小さいままである。システムが平衡していないとき、チューブ側とシェル側との間の小さな温度差は、極めて小さな温度差が存在するか又は全く温度差が存在しない位置において、"ピンチ"される恐れがある。このようなピンチングは主熱交換器の効率の低下を生じる。効率の結果的な低下は、主熱交換器のシェル側の高温端部から流出する流体を受け取る、関連した混合冷媒圧縮回路においても見られる。主熱交換器が正しく作動している場合は、シェル側の高温端部から流出する流体は気体である。主熱交換器が平衡していないとき、シェル側の高温端部から流出する流体は、気体と液体との二相混合物を含む。存在するあらゆる液体は、効率の著しい損失を意味し、また、下流の冷媒圧縮回路への潜在的な損傷を回避するために除去されなければならない。
【０００９】
本発明は、前記問題の少なくとも１つを克服することによって主熱交換器の効率を高めるための方法及び装置を提供する。
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、高温端部及び低温端部を有する主熱交換器においてチューブ側流れを液化する方法であって、前記主熱交換器は、シェル側を形成する壁部を有し、前記シェル側にはコイル巻回されたチューブ束が配置されており、前記方法は、
（ａ）個別のチューブの第１のサブセットの高温端部に気体状態でチューブ側流れの第１の質量流を提供するステップであって、前記個別のチューブの第１のサブセットは前記チューブ束において半径方向で均等に分布させられている、ステップと、
（ｂ）個別のチューブの第２のサブセットの高温端部に気体状態でチューブ側流れの第２の質量流を提供するステップであって、前記個別のチューブの第２のサブセットは前記チューブ束において半径方向で均等に分布させられている、ステップと、
（ｃ）前記第１の質量流及び前記第２の質量流に冷却を提供しこれによりチューブ側流れが液体になるように、シェル側において冷媒流を蒸発させるステップと、
（ｄ）前記個別のチューブの第１のサブセットの低温端部から液体として取り出された第１の質量流の出口温度を測定するステップと、
（ｅ）前記個別のチューブの第２のサブセットの低温端部から液体として取り出された第２の質量流の出口温度を測定するステップと、
（ｆ）ステップ（ｄ）において測定された第１の質量流の出口温度をステップ（ｅ）において測定された第２の質量流の出口温度と比較するステップと、を含む方法において、
前記第１の質量流及び前記第２の質量流の少なくとも一方は、前記第１の質量流の出口温度を前記第２の質量流の出口温度と等しくするように調節されることを特徴とする、方法が提供される。
【００１１】
本発明の第２の態様によれば、チューブ側流れを液化する主熱交換器であって、該主熱交換器は、使用時に高温端部及び低温端部を有し、
シェル側を形成する壁部であって、前記シェル側内にコイル巻回されたチューブ束が配置されている、壁部と、
個別のチューブの第１のサブセットの高温端部に気体状態のチューブ側流れの第１の質量流を提供する手段であって、前記個別のチューブの第１のサブセットは、前記チューブ束において半径方向で均等に分布させられている、手段と、
個別のチューブの第２のサブセットの高温端部に気体状態のチューブ側流れの第２の質量流を提供する手段であって、前記個別のチューブの第２のサブセットは、前記チューブ束において半径方向で均等に分布させられている、手段と、
前記シェル側に冷媒流を提供して、該冷媒流の蒸発により前記第１の質量流及び前記第２の質量流に冷却を提供し、これにより、前記チューブ側流れを液体にする、分配器と、
前記個別のチューブの第１のサブセットの冷却端部から液体として取り出される第１の質量流の出口温度を示す第１の信号を生成する第１の温度センサと、
前記個別のチューブの第２のサブセットの低温端部から液体として取り出される第２の質量流の出口温度を示す第２の信号を生成する第２の温度センサと、
前記第１の質量流の前記出口温度を前記第２の質量流の前記出口温度と等しくするように前記第１の質量流及び前記第２の質量流の一方又は両方を調節する質量流調節手段と通信する制御装置と、を備えることを特徴とする、チューブ側流れを液化する主熱交換器が提供される。
【００１２】
１つの形態において、前記ステップ（ｄ）において測定された前記第１の質量流の前記出口温度は、前記ステップ（ｅ）において測定された前記第２の質量流の温度よりも高く、前記第１の質量流は、前記第２の質量流と比較して減じられる。択一的に、前記ステップ（ｄ）において測定された前記第１の質量流の前記出口温度は、前記ステップ（ｅ）において測定された前記第２の質量流の温度よりも低く、前記第２の質量流は、前記第１の質量流に対して減じられる。
【００１３】
１つの形態において、前記第１の質量流及び前記第２の質量流の少なくとも一方は、前記主熱交換器の前記低温端部における前記第１の質量流及び前記第２の質量流の少なくとも一方を調節することによって前記第１の質量流の前記出口温度を前記第２の質量流の前記出口温度と等しくするよう調節される。択一的に、前記第１の質量流及び前記第２の質量流の少なくとも一方は、前記主熱交換器の前記高温端部における前記第１の質量流又は前記第２の質量流の少なくとも一方を調節することによって前記第１の質量流の前記出口温度を前記第２の質量流の前記出口温度と等しくするよう調節される。
【００１４】
前記第１の質量流は、前記個別のチューブの第１のサブセットにおける個別のチューブの数を減じることによって、前記個別のチューブの第１のサブセットにおける１つ以上の個別のチューブに栓をするか又は１つ以上の個別のチューブを取り外すことによって、又は前記個別のチューブの前記第１のサブセットに供給される前記第１の質量流を制限することによって調節される。同様に、前記第２の質量流は、前記個別のチューブの前記第２のサブセットにおける前記個別のチューブの数を減じることによって、前記個別のチューブの前記第２のサブセットにおける１つ以上の個別のチューブに栓をするか又は１つ以上の個別のチューブを取り外すことによって、又は前記個別のチューブの前記第２のサブセットに供給される前記第１の質量流を制限することによって調節される。
【００１５】
１つの形態において、前記チューブ束は、該チューブ束の高温端部の側に配置された高温チューブ束と、前記チューブ束の低温端部の側に配置された低温チューブ束とを含み、前記高温チューブ束及び前記低温チューブ束のそれぞれは、高温端部及び低温端部を有する。本明細書を通じて、「チューブ束」という表現は、そうでないことが明示されない限り、主熱交換器が１つのチューブ束を有する場合、及びチューブ束が別個の高温チューブ束と別個の低温チューブ束とから構成されている場合を網羅するために用いられる。
【００１６】
１つの形態において、前記チューブ側流れは、液体として前記高温チューブ束の前記高温端部に進入しかつ過冷却された液体として前記低温チューブ束の前記低温端部から流出する第１のチューブ側流れである。１つの形態において、前記第１のチューブ側流れは、気体メタンリッチ供給物として前記高温チューブ束の前記高温端部に進入し、前記気体メタンリッチ供給物は、前記高温チューブ束の前記高温端部から前記低温チューブ束の前記高温端部まで通過するまでに液化されている。１つの形態において、前記第１のチューブ側流れは、液体として前記低温チューブ束の前記高温端部に進入しかつ過冷却された液体として前記低温チューブ束の前記低温端部から流出する。前記過冷却された液体は、貯蔵部へ送られる前に主熱交換器の前記低温チューブ束の前記低温端部から取り出される。
【００１７】
１つの形態において、前記第１のチューブ側流れは、大部分が液体の軽い冷媒流と熱を交換し、該冷媒流は、前記低温チューブ束のシェル側において次第に沸騰させられる。前記主熱交換器の前記シェル側の前記高温端部から取り出される蒸発した冷媒は、第１の冷媒圧縮機及び第２の冷媒圧縮機へ供給され、前記第１の冷媒圧縮機及び前記第２の冷媒圧縮機において、前記蒸発した冷媒は圧縮され、高圧の冷媒流を形成する。前記高圧の冷媒流は熱交換器へ送られ、該熱交換器において、前記高圧の冷媒流は冷却され、部分的に凝縮された冷媒流を生じ、該部分的に凝縮された冷媒流は次いで分離器へ送られ、液体状態の重い冷媒部分と、気体状態の軽い冷媒部分とに分離させられる。前記重い冷媒部分は第２のチューブ側流れとなり、該第２のチューブ側流れは、液体として前記高温チューブ束の前記高温端部に供給されかつ液体状態の過冷却された重い冷媒流として前記高温チューブ束の前記冷却端部において流出する。前記高温チューブ束の前記低温端部において取り出される前記過冷却された重い冷媒流は、第１の膨張装置を通るときに膨張させられ、減圧された重い冷媒流を形成し、該減圧された重い冷媒流は次いで、前記高温チューブ束の前記低温端部と前記低温チューブ束の前記高温端部との間の中間の位置において前記主熱交換器の前記シェル側に導入され、前記減圧された重い冷媒流は前記シェル側において蒸発させられ、これにより、前記第１のチューブ側流れ、前記第２のチューブ側流れ及び第３のチューブ側流れが前記高温チューブ束を通過するときに前記第１のチューブ側流れ、前記第２のチューブ側流れ及び第３のチューブ側流れにおける流体を冷却する。
【００１８】
前記分離器からの前記軽い冷媒部分の一部が第３のチューブ側流れとなり、該第３のチューブ側流れは、気体として前記高温チューブ束の前記高温端部に導入されかつ過冷却された液体として前記低温チューブ束の前記低温端部において流出する。前記第３のチューブ側流れは、前記高温チューブ束を通過するときに気体から液体へ冷却され、前記低温チューブ束を通過するときに液体から過冷却された液体へ冷却される。前記低温チューブ束の前記低温端部から取り出された前記過冷却された軽い冷媒流は、第２の膨張装置を通るときに膨張させられ、圧力の減少を生じ、減圧された軽い冷媒流を生ぜしめる。前記減圧された軽い冷媒流は、低温端部において前記主熱交換器のシェル側に導入され、前記減圧された軽い冷媒流は、前記シェル側において蒸発させられ、これにより、前記低温チューブ束を通過するときに前記第１のチューブ側流れ及び前記第３のチューブ側流れにおける流体を冷却しかつ高温チューブ束を通過するときに前記第１のチューブ側流れ、前記第２のチューブ側流れ及び前記第３のチューブ側流れにおける流体に冷却を提供する。
【００１９】
１つの形態において、前記第１の信号が前記第２の信号よりも高い場合に前記第１の質量流を前記第２の質量流と比較して減じるように、前記主熱交換器の前記制御装置は前記質量流調節手段と通信する。１つの形態において、前記第１の信号が前記第２の信号より低い場合に前記第２の質量流を前記第１の質量流に対して減じるように、前記制御装置は前記質量流調節手段と通信する。１つの形態において、前記質量流調節手段は、前記主熱交換器の低温端部において前記第１の質量流の前記出口温度を前記第２の質量流の前記出口温度と等しくするように前記第１の質量流及び前記第２の質量流の一方又は両方を調節するよう構成されている。１つの形態において、前記質量流調節手段は、前記主熱交換器の高温端部において前記第１の質量流の前記出口温度を前記第２の質量流の前記出口温度と等しくするように前記第１の質量流及び前記第２の質量流の一方又は両方を調節するよう構成されている。１つの形態において、前記質量流調節手段は、前記第１の質量流を調節する第１の質量流調節手段を含む。
【００２０】
１つの形態において、前記第１の質量流調節手段は、前記第２の質量流の流量に対して前記第１の質量流の流量を減じるように前記個別のチューブの第１のサブセットにおける１つ以上の個別のチューブに挿入される栓である。１つの形態において、前記第１の質量流調節手段は、前記個別のチューブの第１のサブセットにおける１つ以上の個別のチューブへの前記第１の質量流を制限する弁である。
【００２１】
１つの形態において、前記質量流調節手段は、前記第２の質量流を調節する第２の質量流調節手段を含む。１つの形態において、前記第２の質量流調節手段は、前記第１の質量流の流量に対して前記第２の質量流の流量を減じるように前記個別のチューブの第２のサブセットにおける１つ以上の個別のチューブに挿入される栓である。１つの形態において、前記第２の質量流調節手段は、前記個別のチューブの第２のサブセットにおける１つ以上の個別のチューブへの前記第２の質量流を制限する弁である。
【００２２】
本発明の第３の態様によれば、実質的に、添付の図面に関して明細書に説明されかつ前記添付の図面に例示されたような主熱交換器においてチューブ側流れを液化する方法。
【００２３】
本発明の第４の態様によれば、実質的に、添付の図面に関して明細書に説明されかつ前記添付の図面に例示されたようなチューブ側流れを液化する主熱交換器方法。
【００２４】
発明の性質のより詳細な理解を容易にするために、ここで本発明の実施の形態を添付の図面を参照しながら単に例として詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の１つの実施の形態によるらせん巻回された主熱交換器の個別のチューブのサブセットへの流れ分配を概略的に示している。
【図２】天然ガスを液化するプラントの１つの実施の形態のフローチャートを概略的に示している。
【００２６】
発明の実施の形態の説明
例として、特に、液化天然ガスを製造するための主熱交換器において天然ガスの形態の気体メタンリッチ供給ガスを液化するためのプラントに関して、本発明の方法及び装置の特定の実施の形態をここで説明する。本発明は、エチレンの製造のような別の用途に使用される主熱交換器、又は少なくとも２つのチューブ側流れの熱的処理のための別のプラントに使用される主熱交換器にも等しく適用可能である。ここで用いられる用語は、特定の実施の形態を説明する目的のためだけに用いられ、本発明の範囲を限定しようとするものではない。そうでないことが定義されない限り、ここで使用される全ての技術用語及び科学用語は、本発明が属する技術の分野における当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。図面において、同じ符号は同じ部材を表すと理解すべきである。
【００２７】
典型的な従来技術のらせん巻回された主熱交換器を用いて、複数の異なるチューブ側流れを搬送する個別のチューブは、チューブ束の複数の層においてできるだけ均一に分布させられており、あらゆる任意のタイプのチューブ側流れに割り当てられたチューブの数は、実質的に、その流量比に比例して割り当てられている。上述のように、主熱交換器の効率は、これらの複数の層のそれぞれにおけるシェル側とチューブ側との間の熱伝達が、束を横切る半径方向及び束の長さに沿った軸方向でできるだけ平衡させられていることに依存する。さらに加えて、チューブ束は複数の層において巻回されており、この場合、各チューブ側流れは、チューブ束のあらゆる任意の半径方向横断面における各層にできるだけ均一にあらゆる任意のタイプのチューブ側流れの質量流を分配するよう配置された１つ以上のノズルを介して、チューブ束に挿入される。同様の形式で、主熱交換器における低温チューブ束の低温端部においてシェル側に進入する軽い冷媒の質量流は、第１の分配器（図示せず）を用いてシェル側にわたって分配され、高温チューブ束の低温端部においてシェル側に進入する重い冷媒の質量流は、第２の分配器（図示せず）を用いてシェル側にわたって分配される。この従来の配列は、主熱交換器にわたる熱平衡を常時できるだけ均一に維持するのを助けるために提唱されている。
【００２８】
本発明は、部分的に、主熱交換器のシェル側における温度、組成又は質量流量のあらゆる不均衡を修正するのは困難であるという理解に基づく。それぞれのシェル側流れに存在するあらゆる気相部分は良好に混合することができる。シェル側に存在する液相部分は良好に混合しない。これは、チューブ束にわたる温度の不均衡を生じる恐れがあり、これは、シェル側において調節を行うことによって修正することができない。その代わりに、出願人は、個別のチューブの任意のサブセットへのチューブ側流れのうちの少なくとも１つの質量流を調節することによって効率の改善を達することができることを理解した。
【００２９】
図１及び図２を参照すると、主熱交換器（１２）における第１のチューブ側流れを液化するための方法又はプラント（１０）が記載されており、主熱交換器（１２）は、シェル側（１６）を形成する壁部（１４）を有し、前記シェル側内に、高温端部（２０）及び低温端部（２２）を有する、コイル巻回されたチューブ束（１８）が配置されており、チューブ束（１８）は、少なくとも、個別のチューブ（２４）の第１のサブセットと、個別のチューブ（２６）の第２のサブセットとを含む。個別のチューブの第１及び第２のサブセットは、チューブ束の半径にわたって均等に分布させられている。気体状態のチューブ側流れの第１の質量流（２８）は、個々のチューブ（２４）の第１のサブセットの高温端部（２０）に供給され、気体状態の同じチューブ側流れの第２の質量流（３０）は、個別のチューブ（２６）の第２のサブセットの高温端部（２０）に供給される。１つの若しくは混合された冷媒流（３１）は、主熱交換器の低温端部（２２）において導入され、シェル側（１６）において蒸発させられ、チューブ側流れの第１及び第２の質量流（２８及び３０のそれぞれ）に冷却を提供する。個別のチューブ（２４）の第１のサブセットの低温端部（２２）から液体として取り出されるチューブ側流れの第１の質量流（２８）の出口温度は、第１の信号（４１）を生成する第１の温度センサ（３２）を用いて測定される。個別のチューブ（２６）の第２のサブセットの低温端部から液体として取り出されるチューブ側流れの第２の質量流（３０）の出口温度は、第２の信号（４３）を生成する第２の温度センサ（３４）を用いて測定される。第１の信号（４１）は制御装置（４０）によって第２の信号（４３）と比較され、制御装置は、質量流調節手段（４５）と通信し、第１の質量流の出口温度を第２の質量流の出口温度と等しくするために、第１の質量流（２８）及び第２の質量流（３０）の一方又は両方を調節する。最大の制御のために、質量流調節手段（４５）は、第１の質量流（２８）を調節するための第１の質量流調節手段（４７）と、第２の質量流（３０）を調節するための第２の質量流調節手段（４９）とを含む。
【００３０】
理想的には、最大効率のために、第１の質量流（２８）の出口温度は最終的に第２の質量流（３０）の出口温度と等しくなるが、「等しくする」という用語は、本明細書全体及び添付の請求項を通じて、第１の質量流の出口温度が第２の質量流の出口温度により近づくという結果を達成するために第１及び第２の質量流の少なくとも一方の増分的な調節を意味するために使用される。
【００３１】
本発明の方法及び装置が、液化天然ガスを得るために気体メタンリッチ供給物の液化のために使用される場合、調節されるチューブ側流れの質量流は、第１のチューブ側流れ（６２）、第２のチューブ側流れ（６４）、又は第３のチューブ側流れ（６６）のうちの１つ又は２つ以上であることができる。主熱交換器における熱分布の再平衡を行うために質量流の調節が行われる少なくとも１つのチューブ側流れの選択は、複数の関連するファクタ、主に個別のチューブの各サブセットのための低温端部において測定された温度差の大きさに依存する。主熱交換器が２つ以上の異なるタイプのチューブ側流れ（例えば第１のチューブ側流れとしての天然ガス流と、第２のチューブ側流れとしての冷媒）とを熱処理するために使用される場合、第１のチューブ側流れの出口温度は、第２のチューブ側流れの出口温度とは僅かに異なることがある。本発明の主要な特徴は、それぞれの異なるタイプのチューブ側流れの出口温度がチューブ束を通る前記チューブ側流れのそれぞれの質量流と同じになるように、それぞれの異なるタイプのチューブ側流れの質量流が、個別のチューブのサブセットごとに調節されるということである。
【００３２】
ここで図２を参照し、図２は、主熱交換器（１２）において天然ガスの形式の気体メタンリッチ供給ガスを液化するためのプラント（１０）を概略的に示している。この実施の形態において、主熱交換器（１２）の壁部（１４）はシェル側（１６）を形成しており、このシェル側内には２つのチューブ束、すなわち、高温端部（５２）及び低温端部（５４）を有する高温チューブ束（５０）と、高温端部（５８）及び低温端部（６０）を有する低温チューブ束（５６）とが配置されている。高温チューブ束（５０）は主熱交換器（１２）の高温端部（２０）の側に配置されており、低温チューブ束（５６）は主熱交換器（１２）の低温端部（２２）の側に配置されている。図２に示された実施の形態において、より詳しく後述するように、チューブ束は、第１のチューブ側流れ（６２）、第２のチューブ側流れ（６４）及び第３のチューブ側流れ（６６）を受け取るよう配置されている。しかしながら、本発明は、あらゆる任意のチューブ側流れの第１の質量流が個別のチューブの第１のサブセットを流過するよう方向付けられかつ前記チューブ側流れの第２の質量流が個別のチューブの第２のサブセットを流過するよう方向付けられるならば、１つ又は２つのみのチューブ側流れと共に作動する主熱交換器にも同様に適用され、個別のチューブの第１及び第２のサブセットのそれぞれは、コイル巻回されたチューブ束にわたって半径方向で均等に分布させられている。
【００３３】
図２に示された実施の形態において、第１のチューブ側流れ（６２）は、気体メタンリッチ供給物として、増大した圧力で高温チューブ束（５０）に進入し、この気体メタンリッチ供給物は、高温チューブ束（５０）の低温端部（５４）から低温チューブ束（５６）の高温端部（５８）へ通過するまでに液化されかつ部分的に過冷却されている。第１のチューブ側流れ（６２）は、部分的に過冷却された液体として低温チューブ束（５６）の高温端部（５８）に進入し、別の過冷却された液体として低温チューブ束（５６）の低温端部（６０）から流出する。低温チューブ束（５６）を通過するときに、第１のチューブ側流れ（６２）は、大部分が液体の軽い冷媒流（６８）と熱を交換し、この冷媒流は、低温チューブ束（５６）のシェル側（１６）において次第に沸騰させられる。結果として生じる過冷却されて液化した第１のチューブ側流れ（７０）は、貯蔵部（７２）へ送られる前に主熱交換器（１２）の低温端部（２２）から取り出される。
【００３４】
主熱交換器（１２）の高温端部（２０）においてシェル側（１６）から取り出された蒸発した混合された冷媒流（７４）は、第１及び第２の冷媒圧縮機（７６及び７８）へ供給され、この冷媒圧縮機において、蒸発した冷媒流（７４）は高圧冷媒流（８０）を形成するように圧縮される。次いで、高圧冷媒流（８０）は、１つ又は２つ以上の熱交換器（８２）へ送られ、この熱交換器において、部分的に凝縮した混合された冷媒流（８４）を形成し、この冷媒流（８４）は、次いで分離器（８６）へ送られ、液体状態の重い冷媒部分（８８）と、気体状態の軽い冷媒部分（９０）とに分離される。重い冷媒部分（８８）は第２のチューブ側流れ（６４）となり、液体として高温チューブ束（５０）の高温端部（５２）において進入し、過冷却された重い冷媒流（９２）として高温チューブ束（５０）の低温端部（５４）において流出する。このように、主熱交換器の高温チューブ束を通過するとき、重い冷媒の第２のチューブ側流れは、常時液体のままである。
【００３５】
高温チューブ束（５０）の低温端部（５４）において取り出された過冷却された重い冷媒流（９２）は、ジュール・トムソン弁（Ｊ−Ｔ弁）の形式の第１の膨張装置（９４）を通るときに膨張させられ、減圧された重い冷媒流（９６）を形成し、この冷媒流は、次いで、高温チューブ束（５０）の低温端部（５４）と低温チューブ束（５６）の高温端部（５８）との間の中間の位置において主熱交換器（１２）のシェル側（１６）に導入される。したがって、減圧された重い冷媒流（９６）は、シェル側（１６）において蒸発させられる冷媒流（３１）のうちの１つであり、これにより、高温チューブ束（５０）を通過するときに第１、第２及び第３のチューブ側流れ（６２，６４及び６６のそれぞれ）における流体を冷却する。
【００３６】
分離器（８６）からの軽い冷媒部分（９０）の一部は、第３のチューブ側流れ（６６）となり、気体として高温チューブ束（５０）の高温端部（５２）に導入され、過冷却された液体の軽い冷媒流（１００）として低温チューブ束（５６）の低温端部（６０）において流出する。特に、第３のチューブ側流れ（６６）は、高温チューブ束（５０）を通過するときに気体から液体に冷却され、部分的に過冷却され、低温チューブ束（５６）を通過するときに過冷却された液体にさらに冷却される。主熱交換器（１２）の低温端部（２２）から取り出された過冷却された軽い冷媒流（１００）は、第２の膨張装置（１０２）、例えば液圧式タービンを介して膨張させられ、圧力の減少を生ぜしめ、減圧された軽い冷媒流（１０４）を形成する。したがって、減圧された軽い冷媒流（１０４）は、主熱交換器（１２）のシェル側（１６）に導入される別の冷媒流（３１）である。この場合、減圧された軽い冷媒流（１０４）はシェル側（１６）において蒸発し始め、低温チューブ束（５６）に冷却を提供し、これにより、低温チューブ束（５６）を通過するときに第１及び第３のチューブ側流れ（６２及び６６のそれぞれ）における流体を冷却し、かつ高温チューブ束（５０）を通過するときに第１、第２及び第３のチューブ側流れ（６２，６４及び６６のそれぞれ）における流体に冷却を提供する。
【００３７】
例えば、第１のチューブ側流れ（６２）の第１の質量流（２８）の出口温度は、低温チューブ束（５６）の低温端部（６０）における個別のチューブ（２４）の第１のサブセットのために測定され、制御装置（４０）を用いて、低温チューブ束（５６）の低温端部（６０）における個別のチューブ（２６）の第２のサブセットのための第１のチューブ側流れ（６２）の第２の質量流（３０）の出口温度と比較される。第１の質量流（２８）の出口温度が第２の質量流（３０）の出口温度よりも高いと、第１の質量流の出口温度を第２の質量流の出口温度と等しくするために、第１の質量流（２８）は第２の質量流（３０）に対して、低下方向で調節される。この低下調節は、個々のチューブ（２４）の第１のサブセットへの第１のチューブ側流れの第１の質量流を低減又は制限するために第１の質量流調節手段（４５）を用いることによって達成される。その結果、個別のチューブ（２６）の第２のサブセットへの第１のチューブ側流れの第２の質量流（３０）は、有効に増大する。なぜならば、チューブ束を通る第１のチューブ側流れの合計質量流量は変化しないからである（主熱交換器の高温端部への総質量流は主熱交換器の上流又は下流において制御されるからである）。
【００３８】
同様に、別の例として、第２のチューブ側流れ（６４）の第１の質量流（２８）の出口温度は、高温チューブ束（５０）の低温端部（５４）における個別のチューブ（２４）の第１のサブセットのために測定され、高温チューブ束（５０）の低温端部（５４）における個別のチューブ（２６）の第２のサブセットのための第２のチューブ側流れ（６４）の第２の質量流（３０）の出口温度と比較される。第１の質量流（２８）の出口温度が第２の質量流（３０）の出口温度よりも低いと、第１の質量流の出口温度を第２の質量流の出口温度と等しくするために、第１の質量流（２８）は第２の質量流（３０）に対して上昇方向に調節される。このように、高温チューブ束を通る第２のチューブ側流れの質量流は、第１の質量流（２８）の出口温度が第２の質量流（３０）の出口温度に近づくまで、再平衡させられる。高温チューブ束（５０）を通る第２のチューブ側流れの合計質量流量は変化しないので、第１の質量流（２８）は、第２の質量流（３０）を減少又は制限するように、第２の質量流調節手段（４７）を用いることによって、増大方向に調節される。
【００３９】
本発明は、液化プロセス主熱交換器における第１、第２及び第３のチューブ側流れのうちの１つ、２つ又は３つ全てを再平衡することに適用することができる。第１及び第２の質量流調節手段（４５及び４７のそれぞれ）のうちの一方又は両方を使用する、個別のチューブのサブセットへの質量流の調節は、チューブ束の高温端部又は低温端部において行うことができる。第１及び第２の調節手段は弁の形態を成すことができる。
【００４０】
本発明の１つの実施の形態において、個別のチューブの任意のサブセットへのチューブ側流れの質量流の制限は、前記サブセットにおける１つ以上の個別のチューブに栓をすることによって、前記サブセットにおける個別のチューブの数を有効に減じることによって達成される。例えば、第１の質量流調節手段（４５）は、第２の質量流（３０）の流量に対する第１の質量流（２８）の流量を減じるために、個別のチューブ（２４）の第１のサブセット内の１つ以上の個別のチューブに挿入される栓の形態の流れ制限手段の形態を成してよい。同様の形式で、第２の質量流調節手段は、第１の質量流（２８）の流量に対する第２の質量流（３０）の流量を減じるために、個別のチューブ（２６）の第２のサブセット内の個別のチューブのうちの１つ以上に挿入される栓の形態を成してよい。個別のチューブに栓をする行為は、束から個別のチューブを取り外すのと同じである。
【００４１】
個別のチューブの任意のサブセットへのチューブ側流れの質量流の制限は、前記サブセットにおける１つ以上の個別のチューブを物理的に取り外すことによって前記サブセットにおける個別のチューブの数を減じることによって達成されてよい。
【００４２】
別の実施の形態において、第１及び第２の質量流調節手段の一方又は両方（４５及び４７のそれぞれ）は、個別のチューブのサブセットを通るチューブ側流れの質量流をチューブごとに部分的に制限するために使用される。例えば、第１の質量流調節手段（４５）は、個別のチューブ（２４）の第１のサブセット内の１つ以上の個別のチューブへの第１の質量流（２８）を制限する弁の形態を成していてよい。同様の形式で、第２の質量流調節手段（４７）は、個別のチューブ（２６）の第２のサブセット内の個別のチューブの１つ以上への第２の質量流（３０）を制限する弁の形態を成していてよい。個別のチューブの任意のサブセットへのチューブ側流れの質量流の制限は、前記サブセットにおける１つ以上の個別のチューブを取り外すことによって前記サブセットにおける個別のチューブの数を有効に減じることによって達成されてよい。
【００４３】
個別のチューブの複数の異なるサブセットのために測定された出口温度の差を補償するために制限された流れ又は栓をされた流れを提供すべき、あらゆる任意のサブセット内の、個別のチューブの数を決定することは、当業者にとって日常の作業の範囲であると考えられる。選択方法は、技術分野において公知のモデリング技術を用いて補助することができる。
【００４４】
本明細書で引用されたあらゆる各特許文献は、引用したことによりここに記載されたものとする。ここで複数の従来技術文献が引用されているが、この引用は、オーストラリア又はあらゆる他の国において、これらのあらゆる文献が技術分野における共通の一般的な知識の一部を形成することの認定を成すものではないことが、明らかに理解されるであろう。発明の概要において、詳細な説明及び以下の請求項は、明白な言語又は必要な示唆により文脈がそうでないことを要求する場合を除き、「含む」という記載又は「含んでいる」のような変化形は、包括的な意味で用いられ、すなわち、言及した特徴の存在を明示するが、発明の様々な実施の形態における別の特徴の存在又は追加を排除しない。
【００４５】
発明の実施の形態が詳細に説明されたが、基本的な発明の概念から逸脱することなく多くの変更を加えることができることは当業者に明らかになるであろう。全てのこのような変更は発明の範囲に含まれると考えられ、発明の性質は、前記説明及び添付の請求項から決定されるべきである。
【図１】
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【図２】
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