УЛУЧШЕННЫЙ СПОСОБ И СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ПОТОКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ХЛАДАГЕНТА В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ
IMPROVED METHOD AND SYSTEM FOR COOLING HYDROCARBON FLOW USING GAS-PHASE COOLANT

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[001]
Данное изобретение относится к способу и системе для сжижения сырьевого потока природного газа с получением готового сжиженного природного газа (СПГ).
[002]
Сжижение природного газа является промышленным процессом, имеющим большое значение. Во всем мире мощности по производству СПГ составляют более чем 300 миллионов тон в год (MTPA), а также существует множество циклов охлаждения для сжижения природного газа, которые были успешно разработаны, известны и широко применяются в данной области техники.
[003]
В некоторых циклах с целью обеспечения холодопроизводительности для сжижения природного газа применяется испаряющийся хладагент. В таких циклах первоначально газообразный, теплый хладагент (который может, например, представлять собой чистый однокомпонентный хладагент или смешанный хладагент) сжимают, охлаждают и сжижают с получением жидкого хладагента. Указанный жидкий хладагент затем расширяют таким образом, чтобы получить холодный испаряющийся хладагент, который применяют для сжижения природного газа посредством непрямого теплообмена между хладагентом и природным газом. Полученный нагретый испаренный хладагент затем можно сжать, чтобы снова начать цикл. Примеры циклов такого типа, которые известны и применяются в данной области техники, включают цикл с одним смешанным хладагентом (SMR), каскадный цикл, цикл с двойным смешанным хладагентом (DMR) и цикл предварительно охлажденного пропаном смешанного хладагента (C3MR).
[004]
В других циклах применяется цикл расширения газовой фазы, чтобы обеспечить холодопроизводительность для сжижения природного газа. В таких циклах газообразный хладагент не переходит в другую фазу на протяжении цикла. Теплый газообразный хладагент сжимают и охлаждают с получением сжатого хладагента. Сжатый хладагент затем расширяют для дополнительного охлаждения хладагента, что дает расширенный холодный хладагент, который затем применяют для сжижения природного газа посредством непрямого теплообмена между хладагентом и природным газом. Полученный нагретый расширенный хладагент затем можно сжать, чтобы снова начать цикл. Типичными циклами такого типа, которые известны и применяются в данной области техники, являются обратные циклы Брайтона, такие как цикл азотного детандера и цикл метанового детандера.
[005]
Selecting a suitable process
Review the process technology options available for the liquefaction of natural gas
Дополнительное обсуждение хорошо изученного цикла азотного детандера, каскадного, SMR и C3MR способов и их применения для сжижения природного газа можно найти, например, в «», J. C. Bronfenbrenner, M. Pillarella, and J. Solomon, , summer 09, СПГINDUSTRY.COM.
[006]
Современная тенденция в отрасли СПГ заключается в разработке удаленных морских газовых месторождений, для чего потребуется система сжижения природного газа, построенная на плавучей платформе; такие модели дополнительно известны в данной области техники как плавучие установки СПГ (FLNG). Однако, при проектировании и эксплуатации такой установки СПГ на плавучей платформе возникает множество проблем, которые необходимо решить. Движение на плавучей платформе является одной из основных проблем. Обычные способы сжижения, в которых применяют смешанный хладагент (MR), включают двухфазный поток и разделение жидкой и паровой фаз в определенных точках цикла охлаждения, что при эксплуатации на плавучей платформе может привести к снижению производительности из-за неправильного распределения пара-жидкости. Кроме того, в любом из циклов охлаждения, в которых применяется сжиженный хладагент, колебание поверхности жидкости может вызвать дополнительные механические нагрузки. Хранение запаса горючих компонентов является еще одной проблемой для многих установок СПГ, в которых применяются циклы охлаждения, из-за соображений безопасности.
[007]
Еще одной тенденцией в отрасли является разработка установок для сжижения меньшего масштаба, таких, как в случае установок с ограничением максимума нагрузки или построенных из модулей установок для сжижения, в которых применяется несколько линий сжижения природного газа меньшей мощности вместо одной линии большой мощности. Желательно разработать циклы сжижения с высокой эффективностью способа при более низких мощностях.
[008]
В результате, существует возрастающая потребность в разработке способа сжижения природного газа, который включал бы в себя минимальный двухфазный поток, требовал минимального запаса горючего хладагента и обладал высокой эффективностью способа.
[009]
Способ азотного детандера с рециркуляцией, как уже отмечалось выше, является хорошо известным способом, в котором газообразный азот применяется в качестве хладагента. В этом способе исключается применение смешанного хладагента, и, следовательно, он представляет собой привлекательную альтернативу для плавучих установок СПГ и наземных установок СПГ, которая требует минимального запаса углеводородов. Тем не менее, способ азотного детандера с рециркуляцией обладает относительно низкой эффективностью и включает в себя теплообменники, компрессоры, детандеры и трубы большего размера. Кроме того, этот способ зависит от доступности относительна больших количеств чистого азота.
[0010]
В US 8656733 и US 8464551 описаны способы и системы для сжижения, в которых цикл газового детандера с замкнутым контуром, с применением, например, газообразного азота в качестве хладагента, используется для сжижения и переохлаждения сырьевого потока, такого как, например, сырьевой поток природного газа. В описанном контуре и цикле охлаждения применяется несколько турбодетандеров для получения нескольких потоков расширенного холодного газообразного хладагента, причем давление и температура потока хладагента, который переохлаждает природный газ, опускаются до более низких значений, чем в потоке хладагента, который применяется для сжижения природного газа.
[0011]
В US 2016/054053 и US 7581411 описаны способы и системы для сжижения потока природного газа, в которых хладагент, такой как азот, расширяют с получением нескольких потоков хладагента при сопоставимых значениях давления. Потоки хладагента, применяемые для предварительного охлаждения и сжижения природного газа, представляют собой газообразные потоки, которые расширяются в турбодетандерах, в то время как поток хладагента, применяемый для переохлаждения природного газа, по меньшей мере частично сжижают перед расширением в клапане Джоуля-Томсона (J-T). Давление во всех потоках хладагента понижается до одинаковых или приблизительно одинаковых значений, и потоки смешиваются по мере прохождения через и нагреваются в различных секциях теплообменника, с образованием единого теплого потока, который вводят в общий компрессор для повторного сжатия.
[0012]
В US 9163873 описан способ и система для сжижения потока природного газа, в которых применяется несколько турбодетандеров для расширения газообразного хладагента, такого как азот, с получением нескольких потоков холодного расширенного газообразного хладагента при разные значениях давления и температуры. Как и в US 8656733 и US 8464551, поток с наименьшим давлением и температурой применяется для переохлаждения природного газа.
[0013]
В US 2016/0313057 А1 описаны способы и системы для сжижения сырьевого потока природного газа, особенно подходящие для плавучих установок СПГ. В описанных способах и системах, хладагент в виде газообразного метана или природного газа расширяется во множестве турбодетандеров с образованием потоков холодного газообразного расширенного хладагента, которые используют для предварительного охлаждения и сжижения сырьевого потока природного газа. Давление во всех потоках хладагента снижается до одинаковых или приблизительно одинаковых значений, и потоки смешиваются по мере их прохождения через и нагреваются в различных секциях теплообменника, таким образом, чтобы образовался единый теплый поток, который вводят в общий компрессор для повторного сжатия. Сжиженный сырьевой поток природного газа проходит различные стадии мгновенного испарения для дальнейшего охлаждения природного газа с целью получения готового СПГ.
[0014]
Тем не менее, в данной области техники сохраняется потребность в способах и системах для сжижения природного газа, в которых применялись бы циклы охлаждения с высокой эффективностью способа, подходящие для использования в плавучих установках СПГ, установках с ограничением максимума нагрузки, а также других сценариях, в которых двухфазный поток хладагента и разделение двухфазного хладагента не является предпочтительным, поддержание большого запаса горючего хладагента может быть проблематичным, большие количества чистого азота или других необходимых компонентов хладагента могут быть недоступны или их трудно получить, и/или доступная наземная площадь для установки накладывает ограничения на размер теплообменников, компрессоров, детандеров и труб, которые можно использовать в контуре охлаждения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0015]
В данном документе раскрыты способы и системы для сжижения сырьевого потока природного газа с получением готового СПГ. В способах и системах применяют контур охлаждения, в котором циркулирует хладагент, содержащий метан или смесь метана и азота. Контур охлаждения включает в себя один или большее количество турбодетандеров, которые применяются для расширения одного или большего количества газообразных потоков хладагента с получением одного или большего количества холодных потоков газообразного (или по меньшей мере преимущественно газообразного) хладагента, которые используются с целью обеспечения холодопроизводительности для сжижения и/или предварительного охлаждения природного газа, и клапан J-T, который используется для расширения жидкого или двухфазного потока хладагента с образованием холодного потока испаряющегося хладагента, который обеспечивает холодопроизводительность для переохлаждения природного газа, причем указанный холодный поток испаряющегося хладагента находится при более низком давлении, чем один или большее количество из указанных холодных потоков газообразного (или по меньшей мере преимущественно газообразного) хладагента. В таких способах и системах предлагается производство готового СПГ с применением цикла охлаждения с высокой эффективностью способа, в котором используется хладагент (метан), доступный на месте, и, при этом, большая часть хладагента остается в газообразной форме на протяжении всего цикла охлаждения.
[0016]
Некоторые предпочтительные аспекты систем и способов в соответствии с данным изобретением изложены ниже.
[0017]
Аспект 1: Способ сжижения сырьевого потока природного газа с получением готового СПГ, причем указанный способ включает в себя:
пропускание сырьевого потока природного газа через и охлаждение сырьевого потока природного газа на теплой стороне части из множества секций или всех из множества секций теплообменника, таким образом, чтобы сжижать и переохлаждать сырьевой поток природного газа, причем множество секций теплообменника включает в себя первую секцию теплообменника, в которой поток природного газа сжижают, и вторую секцию теплообменника, в которой переохлаждается поток сжиженного природного газа из первой секции теплообменника, и, при этом, поток сжиженного и переохлажденного природного газа отводят из второй секции теплообменника с получением готового СПГ; и
циркуляцию хладагента, содержащего метан или смесь метана и азота, в контуре охлаждения, включающем в себя множество секций теплообменника, компрессорную линию, содержащую множество компрессоров и/или ступеней сжатия и один или большее количество промежуточных охладителей и/или выходных охладителей, первый турбодетандер и первый клапан J-T, причем циркулирующий хладагент обеспечивает холодопроизводительность в каждой из множество секций теплообменника и, таким образом, режим охлаждения для сжижения и переохлаждения сырьевого потока природного газа, и, при этом, циркуляция хладагента в контуре охлаждения включает в себя следующие стадии:
(i) разделение сжатого и охлажденного газообразного потока хладагента с получением первого потока охлажденного газообразного хладагента и второго потока охлажденного газообразного хладагента;
(ii) расширение первого потока охлажденного газообразного хладагента до первого давления в первом турбодетандере с получением первого потока расширенного холодного хладагента при первой температуре и указанном первом давлении, причем первый поток расширенного холодного хладагента, выходящий из первого турбодетандера, представляет собой газообразный или преимущественно газообразный поток, не содержащий или по существу не содержащий жидкости;
(iii) пропускание второго потока охлажденного газообразного хладагента через и охлаждение второго потока охлажденного газообразного хладагента на теплой стороне по меньшей мере одной из множества секций теплообменника, причем по меньшей мере часть второго потока охлажденного газообразного хладагента охлаждают и по меньшей мере частично сжижают с образованием жидкого или двухфазного потока хладагента;
(iv) расширение жидкого или двухфазного потока хладагента до второго давления путем дросселирования указанного потока в первом клапане J-T с образованием второго потока расширенного холодного хладагента при второй температуре и указанном втором давлении, причем второй поток расширенного холодного хладагента представляет собой двухфазный поток на выходе из клапана J-T, и, при этом, второе давление ниже первого давления, а вторая температура ниже первой температуры;
(v) пропускание первого потока расширенного холодного хладагента через и нагревание первого потока расширенного холодного хладагента на холодной стороне по меньшей мере одной из множества секций теплообменника, включающего в себя по меньшей мере первую секцию теплообменника и/или секцию теплообменника, в которой поток природного газа предварительно охлаждают, и/или секцию теплообменника, в которой весь или часть второго потока охлажденного газообразного хладагента охлаждают, и пропускание второго потока расширенного холодного хладагента через и нагревание второго потока расширенного холодного хладагента на холодной стороне по меньшей мере одной из множества секций теплообменника, включающего в себя по меньшей мере вторую секцию теплообменника, причем первый и второй потоки расширенного холодного хладагента содержатся раздельно и не смешиваются на холодной стороне любой из множества секций теплообменника, и, при этом, первый поток расширенного холодного хладагента нагревается с образованием всего или части первого потока нагретого газообразного хладагента, а второй поток расширенного холодного хладагента нагревается и испаряется с образованием всего или части второго потока нагретого газообразного хладагента; и
(vi) ввод первого потока нагретого газообразного хладагента и второго потока нагретого газообразного хладагента в компрессорную линию, таким образом, что второй поток нагретого газообразного хладагента вводится в компрессорную линию в другом месте с более низким давлением, чем первый поток нагретого газообразного хладагента, и сжатие, охлаждение и объединение первого потока нагретого газообразного хладагента и второго потока нагретого газообразного хладагента с образованием сжатого и охлажденного газообразного потока хладагента, который затем разделяют на стадии (i).
[0018]
Аспект 2: Способ по Аспекту 1, отличающийся тем, что хладагент содержит 25-65 молярных % азота и 30-80 молярных % метана.
[0019]
Аспект 3: Способ по Аспекту 1 или 2, отличающийся тем, что первый поток расширенного холодного хладагента содержит фракцию паров более чем 0,95 на выходе из первого турбодетандера, а второй поток расширенного холодного хладагента содержит фракцию паров от 0,02 до 0,1 на выходе из клапана J-T.
[0020]
Аспект 4: Способ по любому из Аспектов 1-3, отличающийся тем, что соотношение хладагента, которое обеспечивает испарительное охлаждение, составляет от 0,02 до 0,2, причем соотношение хладагента, которое обеспечивает испарительное охлаждение, определяется как общий молярный расход всех жидких или двухфазных потоков хладагента в контуре охлаждения, расширяющихся в клапанах J-T с образованием потоков расширенного холодного двухфазного хладагента, которые нагреваются и испаряются в одной или большем количестве из множества секций теплообменника, деленный на общий молярный расход всего хладагента, циркулирующего в контуре охлаждения.
[0021]
Аспект 5: Способ по любому из Аспектов 1-4, отличающийся тем, что соотношение первого давления ко второму давлению составляет от 1,5:1 до 2,5:1.
[0022]
Аспект 6: Способ по любому из Аспектов 1-5, отличающийся тем, что поток сжиженного и переохлажденного природного газа отводят из второй секции теплообменника при температуре от -130 до -155 °С.
[0023]
Аспект 7: Способ по любому из Аспектов 1-6, отличающийся тем, что контур охлаждения представляет собой замкнутый контур охлаждения.
[0024]
Аспект 8: Способ по любому из Аспектов 1-7, отличающийся тем, что первая секция теплообменника представляет собой секцию витого теплообменника, содержащую трубный пучок, который имеет внутритрубное пространство и межтрубное пространство.
[0025]
Аспект 9: Способ по любому из Аспектов 1-8, отличающийся тем, что вторая секция теплообменника представляет собой секцию витого теплообменника, содержащую трубный пучок, который имеет внутритрубное пространство и межтрубное пространство.
[0026]
Аспект 10: Способ по любому из Аспектов 1-9, отличающийся тем, что множество секций теплообменника дополнительно содержит третью секцию теплообменника, в которой поток природного газа предварительно охлаждают перед его сжижением в первой секции теплообменника.
[0027]
Аспект 11: Способ по Аспекту 10, отличающийся тем, что:
контур охлаждения дополнительно включает в себя второй турбодетандер;
стадия (iii) циркуляции хладагента в контуре охлаждения включает в себя пропускание второго потока охлажденного газообразного хладагента через и охлаждение второго потока охлажденного газообразного хладагента на теплой стороне по меньшей мере одной из множества секций теплообменника, разделение образующегося в результате дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента с получением третьего потока охлажденного газообразного хладагента и четвертого потока охлажденного газообразного хладагента, и пропускание четвертого потока охлажденного газообразного хладагента через, дополнительное охлаждение и по меньшей мере частичное сжижение четвертого потока охлажденного газообразного хладагента на теплой стороне по меньшей мере еще одной (другой) из множества секций теплообменника с получением жидкого или двухфазного потока хладагента;
циркуляция хладагента в контуре охлаждения дополнительно включает в себя стадию расширения третьего потока охлажденного газообразного хладагента до третьего давления во втором турбодетандере, с получением третьего потока расширенного холодного хладагента при третьей температуре и указанном третьем давлении, причем третий поток расширенного холодного хладагента представляет собой газообразный или преимущественно газообразный поток, не содержащий или по существу не содержащий жидкости на выходе из второго турбодетандера, и, при этом, третья температура ниже первой температуры, но выше второй температуры; и
стадия (v) циркуляции хладагента в контуре охлаждения включает в себя пропускание первого потока расширенного холодного хладагента через и нагревание первого потока расширенного холодного хладагента на холодной стороне по меньшей мере одной из множества секций теплообменника, включающего в себя по меньшей мере третью секцию теплообменника и/или секцию теплообменника, в которой весь или часть второго потока охлажденного газообразного хладагента охлаждается, пропускание третьего потоке расширенного холодного хладагента через и нагревание третьего потока расширенного холодного хладагента на холодной стороне по меньшей мере одной из множества секций теплообменника, включающего в себя по меньшей мере первую секцию теплообменника и/или секцию теплообменника, в которой весь или часть четвертого потока охлажденного газообразного хладагента дополнительно охлаждается, и пропускание второго потока расширенного холодного хладагента через и нагревание второго потока расширенного холодного хладагента на холодной стороне по меньшей мере одной из множества секций теплообменника, включающего в себя по меньшей мере вторую секцию теплообменника, причем первый и второй потоки расширенного холодного хладагента содержатся раздельно и не смешиваются на холодной стороне любой из множества секций теплообменника, и, при этом, первый поток расширенного холодного хладагента нагревается с образованием всего или части первого потока нагретого газообразного хладагента, а второй поток расширенного холодного хладагента нагревается и испаряется с образованием всего или части второго потока нагретого газообразного хладагента.
[0028]
Аспект 12: Способ по Аспекту 11, отличающийся тем, что третье давление по существу такое же, как и второе давление, причем второй поток расширенного холодного хладагента и третий поток расширенного холодного хладагента смешивают и нагревают на холодной стороне по меньшей мере одной из множества секций теплообменника, и, при этом, второй и третий потоки расширенного холодного хладагента смешивают и нагревают с образованием второго потока нагретого газообразного хладагента.
[0029]
Аспект 13: Способ по Аспекту 12, отличающийся тем, что третий поток расширенного холодного хладагента пропускают через и нагревают на холодной стороне по меньшей мере первой секции теплообменника, и, при этом, второй поток расширенного холодного хладагента пропускают через и нагревают на холодной стороне по меньшей мере второй секции теплообменника, а затем пропускают через и дополнительно нагревают на холодной стороне по меньшей мере первой секции теплообменника, где он смешивается с третьим потоком расширенного холодного хладагента.
[0030]
Аспект 14: Способ по Аспекту 13, отличающийся тем, что первая секция теплообменника представляет собой секцию витого теплообменника, содержащую трубный пучок, который имеет внутритрубное пространство и межтрубное пространство, а вторая секция теплообменника представляет собой секцию витого теплообменника, содержащую трубный пучок, который имеет внутритрубное пространство и межтрубное пространство.
[0031]
Аспект 15: Способ по п. 14, отличающийся тем, что указанные трубные пучки первой и второй секций теплообменника помещены в один и тот же кожух.
[0032]
Аспект 16: Способ по любому из Аспектов 13-15, отличающийся тем, что третья секция теплообменника имеет холодную сторону, которая имеет множество отдельных проходов через секцию теплообменника, причем первый поток расширенного холодного хладагента пропускают через и нагревают по меньшей мере в одном из указанных проходов, с получением первого потока нагретого газообразного хладагента, а смешанный поток, состоящий из второго и третьего потоков расширенного холодного хладагента из первой секции теплообменника, пропускают через и дополнительно нагревают по меньшей мере в одном или большем количестве других из указанных проходов, с получением второго потока нагретого газообразного хладагента.
[0033]
Аспект 17: Способ по любому из Аспектов 13-15, отличающийся тем, что третья секция теплообменника представляет собой секцию витого теплообменника, содержащую трубный пучок, который имеет внутритрубное пространство и межтрубное пространство, причем множество секций теплообменника дополнительно включает в себя четвертую секцию теплообменника, в которой поток природного газа предварительно охлаждается и/или в которой весь или часть второго потока охлажденного газообразного хладагента охлаждается, а первый поток расширенного холодного хладагента пропускают через и нагревают на холодной стороне одной из третьей и четвертой секций теплообменника с получением первого потока нагретого газообразного хладагента, и смешанный поток, состоящий из второго и третьего потоков расширенного холодного хладагента из первой секции теплообменника, пропускают через и дополнительно нагревают на холодной стороне другой из третьей и четвертой секций теплообменника с получением второго потока нагретого газообразного хладагента.
[0034]
Аспект 18: Способ по Аспекту 11, отличающийся тем, что третье давление является по существу таким же, как первое давление, причем третий поток расширенного холодного хладагента и первый поток расширенного холодного хладагента смешивают и нагревают на холодной стороне по меньшей мере одной из множества секций теплообменника, и, при этом, третий и первый потоки расширенного холодного хладагента смешивают и нагревают с получением первого потока нагретого газообразного хладагента.
[0035]
Аспект 19: Способ по Аспекту 18, отличающийся тем, что первый поток расширенного холодного хладагента пропускают через и нагревают на холодной стороне по меньшей мере третьей секции теплообменника, и, при этом, третий поток расширенного холодного хладагента пропускают через и нагревают на холодной стороне по меньшей мере первой секции теплообменника, а затем пропускают через и дополнительно нагревают на холодной стороне по меньшей мере третьей секции теплообменника, где он смешивается с первым потоком расширенного холодного хладагента.
[0036]
Аспект 20: Способ по Аспекту 19, отличающийся тем, что первая секция теплообменника представляет собой секцию витого теплообменника, содержащую трубный пучок, который имеет внутритрубное пространство и межтрубное пространство, а третья секция теплообменника представляет собой секцию витого теплообменника, содержащую трубный пучок, который имеет внутритрубное пространство и межтрубное пространство.
[0037]
Аспект 21: Способ по Аспекту 20, отличающийся тем, что указанные трубные пучки первой и третьей секций теплообменника помещены в один и тот же кожух.
[0038]
Аспект 22: Способ по любому из Аспектов 18-21, отличающийся тем, что множество секций теплообменника дополнительно включает в себя четвертую секцию теплообменника, в которой поток природного газа предварительно охлаждается и/или в которой охлаждают весь или часть второго потока охлажденного газообразного хладагента, и пятую секцию теплообменника, в которой поток природного газа сжижают и/или в которой весь или часть четвертого потока или пятого потока охлажденного газообразного хладагента дополнительно охлаждают, причем указанный пятый поток охлажденного газообразного хладагента, если он присутствует, образуется из другой части дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента, и, при этом, второй поток расширенного холодного хладагента, после пропускания через и нагревания на холодной стороне второй секции теплообменника, пропускают через и дополнительно нагревают на холодной стороне по меньшей мере пятой секции теплообменника, а затем четвертой секции теплообменника.
[0039]
Аспект 23: Способ по любому из Аспектов 11-22, отличающийся тем, что третий поток расширенного холодного хладагента на выходе из второго турбодетандера содержит фракцию паров более чем 0,95.
[0040]
Аспект 24: Система для сжижения сырьевого потока природного газа с получением готового СПГ, причем указанная система содержит контур охлаждения для циркуляции хладагента, и, при этом, контур охлаждения включает в себя:
множество секций теплообменника, причем каждая из секций теплообменника имеет теплую сторону и холодную сторону, причем множество секций теплообменника включает в себя первую секцию теплообменника и вторую секцию теплообменника, и, при этом, теплая сторона первой секции теплообменника имеет по меньшей мере один проход через нее для приема, охлаждения и сжижения потока природного газа, а теплая сторона второй секции теплообменника имеет по меньшей мере один проход через нее для приема и переохлаждения потока сжиженного природного газа из первой секции теплообменника с получением готового СПГ, причем холодная сторона каждой из множества секций теплообменника имеет по меньшей мере один проход через нее для приема и нагревания расширенного потока циркулирующего хладагента, который обеспечивает холодопроизводительность в секции теплообменника;
компрессорную линию, включающую в себя множество компрессоров и/или ступеней сжатия и один или большее количество промежуточных охладителей и/или выходных охладителей, для сжатия и охлаждения циркулирующего хладагента, причем контур охлаждения выполнен с возможностью приема компрессорной линией первого потока нагретого газообразного хладагента и второго потока нагретого газообразного хладагента из множества секций теплообменника, и, при этом, второй поток нагретого газообразного хладагента принимается и вводится в другое место компрессорной линии, с более низким давлением, чем первый поток нагретого газообразного хладагента, причем компрессорная линия выполнена с возможностью сжатия, охлаждения и объединения первого потока нагретого газообразного хладагента и второго потока нагретого газообразного хладагента, с образованием сжатого и охлажденного газообразного потока хладагента;
первый турбодетандер, выполненный с возможностью приема и расширения первого потока охлажденного газообразного хладагента до первого давления, с образованием первого потока расширенного холодного хладагента при первой температуре и указанном первом давлении; и
первый клапан J-T, выполненный с возможностью приема и расширения жидкого или двухфазного потока хладагента до второго давления путем дросселирования указанного потока с получением второго потока расширенного холодного хладагента при второй температуре и указанном втором давлении, причем второе давление ниже первого давления, а вторая температура ниже первой температуры;
и, при этом, контур охлаждения дополнительно выполнен с возможностью:
разделения сжатого и охлажденного газообразного потока хладагента из компрессорной линии с получением первого потока охлажденного газообразного хладагента и второго потока охлажденного газообразного хладагента;
пропускания второго потока охлажденного газообразного хладагента через и охлаждения второго потока охлажденного газообразного хладагента на теплой стороне по меньшей мере одной из множества секций теплообменника, причем по меньшей мере часть второго потока охлажденного газообразного хладагента охлаждают и по меньшей мере частично сжижают с образованием жидкого или двухфазного потока хладагента; и
пропускания первого потока расширенного холодного хладагента через и нагревания первого потока расширенного холодного хладагента на холодной стороне по меньшей мере одной из множества секций теплообменника, включающего в себя по меньшей мере первую секцию теплообменника и/или секцию теплообменника, в которой поток природного газа предварительно охлаждают, и/или секцию теплообменника, в которой весь или часть второго потока охлажденного газообразного хладагента охлаждают, и пропускания второго потока расширенного холодного хладагента через и нагревания второго потока расширенного холодного хладагента на холодной стороне по меньшей мере одной из множества секций теплообменника, включающего в себя по меньшей мере вторую секцию теплообменника, причем первый и второй потоки расширенного холодного хладагента содержатся раздельно и не смешиваются на холодной стороне любой из множества секций теплообменника, и, при этом, первый поток расширенного холодного хладагента нагревают с образованием всего или части первого потока нагретого газообразного хладагента и второго потока холодного хладагента, который нагревается и испаряется, с образованием всего или части второго потока нагретого газообразного хладагента.
[0041]
Аспект 25: Система по Аспекту 24, отличающаяся тем, что:
множество секций теплообменника дополнительно включает в себя третью секцию теплообменника, причем теплая сторона третьей секции теплообменника имеет по меньшей мере один проход через нее для приема и предварительного охлаждения потока природного газа до того, как указанный поток будет принят и дополнительно охлажден и сжижен в первой секции теплообменника;
контур охлаждения дополнительно включает в себя второй турбодетандер, выполненный с возможностью приема и расширением третьего потока охлажденного газообразного хладагента до третьего давления, с получением третьего потока расширенного холодного хладагента при третьей температуре и указанном третьем давлении, и, при этом, третья температура ниже первой температуры, но выше второй температуры; и
контур охлаждения дополнительно выполнен с возможностью:
пропускания второго потока охлажденного газообразного хладагента через и охлаждения второго потока охлажденного газообразного хладагента на теплой стороне по меньшей мере одной из множества секций теплообменника, разделения полученного дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента с образованием третьего потока охлажденного газообразного хладагента и четвертого потока охлажденного газообразного хладагента, и пропускания четвертого потока охлажденного газообразного хладагента через, дополнительного охлаждения и по меньшей мере частичного сжижения четвертого потока охлажденного газообразного хладагента на теплой стороне по меньшей мере еще одной (другой) из множества секций теплообменника с получением жидкого или двухфазного потока хладагента; и
пропускания первого потока расширенного холодного хладагента через и нагревания первого потока расширенного холодного хладагента на холодной стороне по меньшей мере одной из множества секций теплообменника, включающего в себя по меньшей мере третью секцию теплообменника и/или секцию теплообменника, в которой весь или часть второго потока охлажденного газообразного хладагента охлаждают, пропускания третьего потока расширенного холодного хладагента через и нагревания третьего потока расширенного холодного хладагента на холодной стороне по меньшей мере одной из множества секций теплообменника, включающего в себя по меньшей мере первую секцию теплообменника и/или секцию теплообменника, в которой весь или часть четвертого потока охлажденного газообразного хладагента дополнительно охлаждают, и пропускания второго потока расширенного холодного хладагента через и нагревания второго потока расширенного холодного хладагента на холодной стороне по меньшей мере одной из множества секций теплообменника, включающего в себя по меньшей мере вторую секцию теплообменника, причем первый и второй потоки расширенного холодного хладагента содержатся раздельно и не смешиваются на холодной стороне любой из множества секций теплообменника, и, при этом, первый поток расширенного холодного хладагента нагревают с образованием всего или части первого потока нагретого газообразного хладагента, а второй поток расширенного холодного хладагента нагревают и испаряют с образованием всего или части второго потока нагретого газообразного хладагента.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0042]
Фиг. 1 представляет собой схему технологического процесса, иллюстрирующую способ и систему для сжижения природного газа в соответствии с предшествующим уровнем техники.
[0043]
Фиг. 2 представляет собой схему технологического процесса, иллюстрирующую способ и систему для сжижения природного газа в соответствии с предшествующим уровнем техники.
[0044]
Фиг. 3 представляет собой схему технологического процесса, иллюстрирующую способ и систему для сжижения природного газа в соответствии с первым вариантом реализации изобретения.
[0045]
Фиг. 4 представляет собой схему технологического процесса, иллюстрирующую способ и систему для сжижения природного газа в соответствии со вторым вариантом реализации изобретения.
[0046]
Фиг. 5 представляет собой схему технологического процесса, иллюстрирующую способ и систему для сжижения природного газа в соответствии с третьим вариантом реализации изобретения.
[0047]
Фиг. 6 представляет собой схему технологического процесса, иллюстрирующую способ и систему для сжижения природного газа в соответствии с четвертым вариантом реализации изобретения.
[0048]
Фиг. 7 представляет собой схему технологического процесса, иллюстрирующую способ и систему для сжижения природного газа в соответствии с пятым вариантом реализации изобретения.
[0049]
Фиг. 8 представляет собой схему технологического процесса, иллюстрирующую способ и систему для сжижения природного газа в соответствии с шестым вариантом реализации изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0050]
В данном документе описаны способы и системы для сжижения природного газа, которые являются особенно подходящими и привлекательными для плавучих установок СПГ (FLNG), установок с ограничением максимума нагрузки, построенных из модулей установок для сжижения, небольших установок и/или любых других установок, в которых: высокий уровень эффективности способа является желательным; двухфазный поток хладагента и разделение двухфазного хладагента не являются предпочтительными; поддержание большого запаса горючего хладагента проблематично; большие количества чистого азота или других необходимых компонентов хладагента недоступны или их трудно получить; и/или доступная наземная площадь для завода накладывает ограничения на размер теплообменников, компрессоров, детандеров и труб, которые можно использовать в системе охлаждения.
[0051]
Как используется в данном документе и если в тексте прямо не указано противоположное, формы единственного числа существительных означают один или большее количество применительно к любому признаку в вариантах реализации данного изобретения, описанных в описании и формуле изобретения. Использование форм единственного числа не ограничивает значение одним признаком, если в тексте прямо не указано такое ограничение. Определенный артикль, предшествующий существительным или выражениям с существительными в единственном или множественном числе, обозначает конкретный указанный признак или конкретные указанные признаки и может обозначать единственное или множественное число в зависимости от контекста, в котором он используется.
[0052]
Если в данном документе используются буквы для идентификации перечисленных стадий способа (например, (a), (b) и (c)), то указанные буквы используются только с целью упрощения ссылки на стадии способа и не предназначены для указания конкретного порядка, в котором выполняются заявленные стадии, если только и только в той степени, в которой такой порядок конкретно указан.
[0053]
Если в данном документе для идентификации перечисленных признаков способа или системы используются термины «первый», «второй», «третий» и т. д., то они используются только с целью упрощения ссылки и для различения между признаками, о которых идет речь, и не являются показателем любого конкретного порядка признаков, если только и только в той степени, в которой такой порядок прямо указан.
[0054]
Как используется в данном документе, термины «природный газ» и «поток природного газа» дополнительно включают в себя газы и потоки, содержащие синтетические аналоги и/или заменители природных газов. Основным компонентом природного газа является метан (который обычно составляет по меньшей мере 85 молярных %, чаще по меньшей мере 90 молярных % и в среднем около 95 молярных % от сырьевого потока). Кроме того, природный газ может содержать меньшие количества других, более тяжелых углеводородов, таких как этан, пропан, бутаны, пентаны и т. д. Другие типичные компоненты неочищенного природного газа включают в себя один или большее количество компонентов, таких как азот, гелий, водород, диоксид углерода и/или другие кислые газы и ртуть. Однако сырьевой поток природного газа, обработанный в соответствии с данным изобретением, будет предварительно обработан, если и как это необходимо, чтобы снизить уровни любых компонентов с (относительно) высокой температурой замерзания, таких как влага, кислые газы, ртуть и/или более тяжелые углеводороды, до таких уровней, которые необходимы, чтобы избежать замерзания или других проблем в работе секции или секций теплообменника, предназначенных для сжижения и переохлаждения природного газа.
[0055]
Как используется в данном документе, термин «цикл охлаждения» относится к серии стадий, которые проходит циркулирующий хладагент, чтобы обеспечить охлаждение другой текучей среды, а термин «контур охлаждения» относится к серии соединенных между собой устройств, в которых хладагент циркулирует, и в которых проходят вышеупомянутые стадии цикла охлаждения. В способах и системах, описанных в данном документе, контур охлаждения включает в себя множество секций теплообменника, в которых циркулирующий хладагент нагревается, чтобы обеспечить холодопроизводительность, компрессорную линию, содержащую множество компрессоров и/или ступеней сжатия, и один или большее количество промежуточных охладителей и/или выходных охладителей, в которых циркулирующий хладагент сжимается и охлаждается, а также по меньшей мере один турбодетандер и по меньшей мере один клапан J-T, в котором циркулирующий хладагент расширяется, чтобы обеспечить холодный хладагент для подачи во множество секций теплообменника.
[0056]
Как используется в данном описании, термин «секция теплообменника» относится к модулю или части модуля, в которой происходит непрямой теплообмен между одним или большим количеством потоков текучей среды, протекающих через холодную сторону теплообменника, и одним или большим количеством потоков текучей среды, протекающих через теплую сторону теплообменника, причем поток(-и) текучей среды, протекающий(-ие) через холодную сторону, таким образом нагревается(-ются), а поток(-и) текучей среды, протекающий(-е) через теплую сторону, таким образом охлаждается(-ются).
[0057]
Как используется в данном описании, термин «непрямой теплообмен» относится к теплообмену между двумя текучими средами, при котором две текучие среды содержатся отдельно друг от друга при помощи той или иной формы физического барьера.
[0058]
Как используется в данном описании, термин «теплая сторона», используемый для обозначения части секции теплообменника, относится к той стороне теплообменника, через которую проходит поток или потоки текучей среды, которые должны быть охлаждены путем непрямого теплообмена с текучей средой, протекающей через холодную сторону. Теплая сторона может иметь один проход через секцию теплообменника для приема одного потока текучей среды или более одного прохода через секцию теплообменника для приема нескольких потоков одинаковых или разных текучих сред, которые содержатся отдельно друг от друга по мере прохождения через секцию теплообменника.
[0059]
Как используется в данном описании, термин «холодная сторона», используемый для обозначения части секции теплообменника, относится к той стороне теплообменника, через которую проходит поток или потоки текучей среды, которые должны быть нагреты путем непрямого теплообмена с текучей средой, протекающей через теплую сторону. Холодная сторона может иметь один проход через секцию теплообменника для приема одного потока текучей среды или более одного прохода через секцию теплообменника для приема нескольких потоков текучей среды, которые содержатся отдельно друг от друга по мере прохождения через секцию теплообменника.
[0060]
Как используется в данном описании, термин «витой теплообменник» относится к теплообменнику известного в данной области техники типа, включающему в себя один или большее количество трубных пучков, помещенных в кожух, причем каждый трубный пучок может иметь свой собственный кожух, или два или большее количество трубных пучков могут быть помещены в один и тот же кожух. Каждый трубный пучок может представлять собой «секцию витого теплообменника», причем внутритрубное пространство пучка представляет теплую сторону указанной секции, имеющую один или более одного прохода через секцию, а межтрубное пространство пучка представляет холодную сторону указанной секции, имеющую один проход через секцию. Витые теплообменники представляют собой компактную конструкцию теплообменника, известную своей надежностью в эксплуатации, безопасностью и эффективностью теплопередачи, и, таким образом, обладают преимуществом обеспечения высокоэффективных уровней теплообмена относительно занимаемой ими наземной площади. Однако, поскольку межтрубное пространство формирует только один проход через секцию теплообменника, невозможно использовать более одного потока хладагента на холодной стороне (межтрубное пространство) каждой секции витого теплообменника без того, чтобы указанные потоки хладагента смешивались на холодной стороне указанной секции теплообменника.
[0061]
Как используется в данном описании, термин «турбодетандер» относится к центробежной, радиальной турбине или турбине с осевым потоком, в и через которую газ расширяется, выполняя работу (расширение с выполнением работы), таким образом, давление и температура газа снижаются. Такие устройства в уровне техники дополнительно называются расширительными турбинами. Работа, производимая турбодетандером, может использоваться для любой желаемой цели. Например, она может использоваться для приведения в действие компрессора (такого как один или большее количество компрессоров или ступеней сжатия компрессорной линии хладагента) и/или для приведения в действие генератора.
[0062]
Как используется в данном описании, термин «клапан J-T» или «клапан Джоуля-Томсона» относится к клапану, в котором и через который текучая среда дросселируется, с понижением таким образом давления и температуры текучей среды за счет расширения Джоуля-Томсона.
[0063]
Как используется в данном описании, термины «цикл с замкнутым контуром», «замкнутый контур» и т. п. относятся к циклу или контуру охлаждения, в котором во время нормальной работы хладагент не удаляется из контура и не добавляется в контур (кроме компенсации небольших непреднамеренных потерь, например, в результате утечки, и т. п.). Таким образом, в замкнутом контуре охлаждения, если текучие среды, охлаждаемые на теплой стороне любой из секций теплообменника, включают в себя как поток хладагента, так и поток природного газа, который должен быть предварительно охлажден, сжижен и/или переохлажден, то указанный поток хладагента и поток природного газа будут проходить через отдельные проходы на теплой стороне указанной(-ых) секции(-ий) теплообменника, таким образом, что указанные потоки содержатся раздельно и не смешиваются.
[0064]
Как используется в данном описании, термин «цикл с открытым контуром», «открытый контур» и т. п. относятся к циклу или контуру охлаждения, в котором сырьевой поток, который должен быть сжижен, т. е., природный газ, дополнительно обеспечивает циркулирующий хладагент, причем в ходе обычной работы хладагент добавляется в контур и удаляется из контура на постоянной основе. Таким образом, например, в цикле с открытым контуром поток природного газа может быть введен в открытый контур в виде комбинации подачи природного газа и добавочного компенсирующего хладагента, причем поток природного газа в дальнейшем объединяют с потоком нагретого газообразного хладагента, поступающего из секций теплообменника, чтобы получить объединенный поток, который затем может быть сжат и охлажден в компрессорной линии с получением сжатого и охлажденного газообразного потока хладагента, часть которого впоследствии отделяют с образованием сырьевого потока природного газа, предназначенного для сжижения.
[0065]
Только в качестве примера, некоторые схемы размещения из предшествующего уровня техники и типичные варианты реализации изобретения будут описаны ниже со ссылкой на Фиг. 1-8. На этих фигурах, если признак является общим для более чем одной фигуры, то, в целях ясности и краткости, указанному признаку будет присвоена одна и та же ссылочная позиция на каждой фигуре.
[0066]
Обращаясь к Фиг. 1, проиллюстрированы способ и система для сжижения природного газа в соответствии с предшествующим уровнем техники. Сырьевой поток неочищенного природного газа 100 необязательно предварительно обрабатывается в системе предварительной обработки 101 для удаления примесей, таких как ртуть, вода, кислые газы и тяжелые углеводороды, с получением предварительно обработанного сырьевого потока природного газа 102, который необязательно может быть предварительно охлажден в системе предварительного охлаждения 103 с образованием сырьевого потока природного газа 104. Затем сырьевой поток природного газа 104 сжижают и переохлаждают в основном криогенном теплообменнике (MCHE) 198 с получением первого потока сжиженного природного газа (СПГ) 106. MCHE 198 может быть витым теплообменником, как проиллюстрировано на Фиг. 1, или это может быть другой тип теплообменника, такой как ребристый пластинчатый или кожухотрубный теплообменник. Кроме того, он может состоять из одной или большего количества секций. Указанные секции могут быть одного и того же или разных типов и могут включать в себя отдельные кожухи или единый кожух. MCHE 198, как проиллюстрировано на Фиг. 1, состоит из третьей секции теплообменника 198A, расположенной на теплом конце MCHE 198 (также называемой в данном документе теплой секцией), в которой сырьевой поток природного газа предварительно охлаждается, первой секции теплообменника 198B, расположенной в середине MCHE 198 (также называемой в данном документе средней секцией), в которой предварительно охлажденный поток природного газа 105 из третьей секции 198A дополнительно охлаждают и сжижают, и второй секции теплообменника 198C на холодном конце MCHE 198 (также называемой в данном документе холодной секцией), в которой переохлаждается поток сжиженного природного газа из первой секции 198B. Если MCHE 198 представляет собой витой теплообменник, то секции, как показано, могут представлять собой трубные пучки теплообменника.
[0067]
Давление потока переохлажденного СПГ 106, выходящего из холодной секции 198C, далее сбрасывают в первом клапане сброса давления СПГ 108, с получением потока готового СПГ пониженного давления 110, который направляют в резервуар для хранения СПГ 115. Отпарной газ (BOG), образующийся в резервуаре для хранения СПГ, удаляется из резервуара как поток BOG 112, который можно использовать в качестве топлива на установке, сжигать в факеле и/или рециркулировать в сырье.
[0068]
Охлаждение MCHE 198 обеспечивается хладагентом, который циркулирует в контуре охлаждения, включающем в себя секции 198A-C MCHE 198, компрессорную линию, проиллюстрированную на Фиг. 1 как компрессор 136 и выходной охладитель 156, первый турбодетандер 164, второй турбодетандер 172 и первый клапан J-T 178. Поток теплого газообразного хладагента 130 отводят из MCHE 198, и жидкость, присутствующую в нем во время переходных нештатных операций, можно удалять в каплеотбойном сепараторе 132. Поток теплого газообразного хладагента верхнего погона 134 далее сжимают в компрессоре 136 с получением потока сжатого хладагента 155 и охлаждают путем теплообмена с окружающим воздухом или охлаждающей водой в выходном охладителе хладагента 156 для получения сжатого и охлажденного газообразного потока хладагента 158. Далее поток охлажденного сжатого газообразного хладагента 158 разделяют на два потока, а именно первый поток охлажденного газообразного хладагента 162 и второй поток охлажденного газообразного хладагента 160. Второй поток 160 пропускают через и охлаждают на теплой стороне теплой секции 198А MCHE 198, через отдельный проход на указанной теплой стороне, относительно прохода, через который пропускают сырьевой поток природного газа 104, с получением дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента 168, в то время как первый поток 162 расширяется в первом турбодетандере 164 (в данном документе дополнительно называется теплым детандером) с образованием первого потока расширенного холодного хладагента 166, который пропускают через холодную сторону теплой секции 198А MCHE 198, где он нагревается, чтобы обеспечить холодопроизводительность и режим охлаждения для предварительного охлаждения сырьевого потока природного газа 104 и охлаждения второго потока охлажденного газообразного хладагента 160.
[0069]
Дополнительно охлажденный второй поток охлажденного газообразного хладагента 168 разделяют на два дополнительных потока, а именно третий поток охлажденного газообразного хладагента 170 и четвертый поток охлажденного газообразного хладагента 169. Четвертый поток 169 пропускают через и охлаждают на теплой стороне средней секции 198B, а затем холодной секции 198C MCHE 198, через отдельные проходы на указанной теплой стороне указанных средней и холодной секций 198B и 198C относительно проходов, через которые пропускают сырьевой поток природного газа 104/105, причем четвертый поток по меньшей мере частично сжижают в указанных средней и/или холодной секциях 198B и 198C с получением жидкого или двухфазного потока хладагента 176. Третий поток охлажденного газообразного хладагента 170 расширяется во втором турбодетандере 172 (в данном документе дополнительно называется холодным детандером) с получением третьего потока расширенного холодного хладагента 174, который пропускают через холодную сторону средней секции 198B MCHE 198, где он нагревается, чтобы обеспечить холодопроизводительность и режим охлаждения для сжижения предварительно охлажденного сырьевого потока природного газа 105 и охлаждения четвертого потока охлажденного газообразного хладагента 169, а затем пропускают через и дополнительно нагревают на холодной стороне теплой секции 198А MCHE 198, где он смешивается с первым потоком расширенного холодного хладагента 166. Первый и второй потоки расширенного холодного хладагента 166 и 174 являются по меньшей мере преимущественно газообразными, с фракцией паров более чем 0,95 на выходе из первого и второго турбодетандеров 164 и 172, соответственно.
[0070]
Давление жидкого или двухфазного потока хладагента 176, выходящего с теплой стороны холодной секции 198C MCHE 198, сбрасывают путем дросселирования в первом клапане J-T 178 с получением второго потока расширенного холодного хладагента 180, который является двухфазным по своей природе на выходе из клапана J-T 178. Второй поток расширенного холодного хладагента 180 пропускают через холодную сторону холодной секции 198C MCHE 198, где он нагревается, чтобы обеспечить холодопроизводительность и режим охлаждения для переохлаждения сжиженного сырьевого потока природного газа и охлаждения четвертого потока охлажденного газообразного хладагента, а затем его пропускают через и дополнительно нагревают на холодной стороне средней секции 198B и теплой секции 198A MCHE 198, где он смешивается с третьим потоком расширенного холодного хладагента 174 и первым потоком расширенного холодного хладагента 166.
[0071]
На Фиг. 2 проиллюстрирована предпочтительная конфигурация компрессорной линии в соответствии с Фиг. 1, в которой компрессор 136, в качестве альтернативы, представляет собой систему сжатия 136, содержащую ряд компрессоров или ступеней сжатия с промежуточными охладителями. Поток теплого газообразного хладагента верхнего погона 134 сжимают в первом компрессоре 137 с получением первого потока сжатого хладагента 138, охлаждают путем теплообмена с окружающим воздухом или охлаждающей водой в первом промежуточном охладителе 139 с получением первого потока охлажденного сжатого хладагента 140, который дополнительно сжимают во втором компрессоре 141 с образованием второго потока сжатого хладагента 142. Второй поток сжатого хладагента 142 охлаждают путем теплообмена с окружающим воздухом или охлаждающей водой во втором промежуточном охладителе 143, с получением второго потока охлажденного сжатого хладагента 144, который разделяют на две части, первую часть 145 и вторую часть 146. Первую часть второго потока охлажденного сжатого хладагента 145 сжимают в третьем компрессоре 147 с образованием третьего сжатого потока 148, в то время как вторую часть второго потока охлажденного сжатого хладагента 146 сжимают в четвертом компрессоре 149 с образованием четвертого сжатого потока 150. Третий сжатый поток 148 и четвертый сжатый поток 150 смешивают с получением потока сжатого хладагента 155, который затем охлаждают в выходном охладителе хладагента 156 с образованием потока охлажденного сжатого газообразного хладагента 158.
[0072]
Третий компрессор 147 может приводиться в действие, по меньшей мере частично, за счет мощности, вырабатываемой теплым детандером 164, тогда как четвертый компрессор 149 может приводиться в действие, по меньшей мере частично, за счет мощности, вырабатываемой холодным детандером 172, или наоборот. В равной степени теплые и/или холодные детандеры могут приводить в действие любой из других компрессоров в компрессорной линии. Хотя они показаны на Фиг. 2 как отдельные компрессоры, два или большее количество компрессоров в компрессорной системе могут, в качестве альтернативы, представлять собой ступени сжатия одного компрессорного модуля. В равной степени, если один или большее количество компрессоров приводятся в действие одним или большим количеством детандеров, то соответствующие компрессоры и детандеры могут быть помещены в один и тот же кожух, который называют узлом компрессор-детандер или «компандером».
[0073]
Недостаток схем размещения из предшествующего уровня техники, проиллюстрированных на Фиг. 1-2, заключается в том, что хладагент обеспечивает холодопроизводительность в теплой, средней и холодной секциях приблизительно при одинаковом давлении. Это происходит из-за того, что холодные потоки смешиваются в верхней части средней и теплой секций, и это дает сходные значения давления на выходе из теплого и холодного детандеров и клапана J-T. Любые незначительные различия в указанных значениях давления на выходе в конфигурациях из предшествующего уровня техники обусловлены падением давления на холодной стороне теплообменника в холодной, средней и теплой секциях, которое обычно составляет менее чем около 45 фунт/кв. дюйм, абс. (3 бара абсолютного давления), предпочтительно менее чем 25 фунт/кв. дюйм, абс. (1,7 бара абсолютного давления), и более предпочтительно менее чем 10 фунт/кв. дюйм, абс. (0,7 бара абсолютного давления) для каждой секции. Указанное падение давления варьирует в зависимости от типа теплообменника. Следовательно, схемы размещения из предшествующего уровня техники не дают возможности регулировать давление холодных потоков на основе желаемой температуры охлаждения.
[0074]
На Фиг. 3 проиллюстрирован первый типичный вариант реализации изобретения. MCHE 198 в этом варианте реализации изобретения может быть любого типа, но, аналогично вышеуказанному, предпочтительно представляет собой витой теплообменник. В этом случае он содержит две секции теплообменника (т. е., два трубных пучка в случае, если MCHE представляет собой витой теплообменник), а именно первую секцию теплообменника 198B (эквивалентную средней секции MCHE 198 на Фиг. 1 и 2), в которой предварительно охлажденный сырьевой поток природного газа 105 сжижается, и вторую секцию теплообменника 198C (эквивалентную холодной секции MCHE 198 на Фиг. 1), в которой сжиженный сырьевой поток природного газа из первой секции теплообменника 198B переохлаждается. Вместо теплой секции 198A MCHE 198 на Фиг. 1 и 2, в данном варианте реализации изобретения третья секция 197 теплообменника, в которой сырьевой поток природного газа 104 предварительно охлаждается, расположена в отдельном модуле и представляет собой секцию ребристого пластинчатого теплообменника (как показано) или секцию теплообменника любого другого подходящего типа, известного в данной области техники, который имеет холодную сторону, имеющую множество отдельных проходов через секцию теплообменника, что позволяет более чем одному потоку хладагента проходить по отдельности через холодную сторону указанной секции, без смешивания. Хотя первая и вторая секции теплообменника 198B и 198C показаны как помещенные в один и тот же кожух, в альтернативной схеме размещения каждая из этих секций может быть помещена в свой собственный кожух. Входные и выходные отверстия третьей секции теплообменника 197 могут быть расположены на теплом конце, холодном конце и/или в любом промежуточном месте секции.
[0075]
Неочищенный сырьевой поток природного газа 100 необязательно предварительно обрабатывают в системе предварительной обработки 101 для удаления примесей, таких как ртуть, вода, кислые газы и тяжелые углеводороды, с получением предварительно обработанного сырьевого потока природного газа 102, который необязательно может быть предварительно охлажден в системе предварительного охлаждения 103 с получением сырьевого потока природного газа 104. Система предварительного охлаждения 103 может включать в себя цикл с замкнутым или открытым контуром, и в ней можно применять любой хладагент предварительного охлаждения, такой как сырьевой газ, пропан, гидрофторуглероды, смешанный хладагент и т. д. В некоторых случаях система предварительного охлаждения 103 может отсутствовать.
[0076]
Сырьевой поток природного газа 104 предварительно охлаждают (или дополнительно предварительно охлаждают) на теплой стороне третьей секции теплообменника 197 с получением потока предварительно охлажденного природного газа 105, который затем сжижают на теплой стороне первой секции теплообменника 198B и переохлаждают на теплой стороне второй секции теплообменника 198C c получением переохлажденного потока СПГ 106, который выходит из второй секции теплообменника 198C и MCHE 198 при температуре от около -130 градусов Цельсия до около -155 градусов Цельсия и, более предпочтительно, при температуре от около -140 градусов Цельсия до около -155 градусов Цельсия. Давление потока СПГ 106, выходящего из MCHE 198, сбрасывают в первом устройстве для сброса давления СПГ 108 с получением потока готового СПГ пониженного давления 110, который направляют в резервуар для хранения СПГ 115. Первое устройство для сброса давления СПГ 108 может быть клапаном J-T (как проиллюстрировано на Фиг. 3) или гидравлической турбиной (турбодетандер) или любым другим подходящим устройством. BOG, образующийся в резервуаре для хранения СПГ, удаляют из резервуара как поток BOG 112, который можно использовать в качестве топлива на установке, сжигать в факеле и/или рециркулировать в сырье.
[0077]
Холодопроизводительность в третьей, первой и второй секциях теплообменника 197, 198B и 198C обеспечивается хладагентом, циркулирующим в замкнутом контуре охлаждения, включающем в себя: указанные секции теплообменника 197, 198B, 198C; компрессорную линию, включающую в себя систему сжатия 136 (которая содержит компрессоры/ступени сжатия 137, 141, 147, 149 и промежуточные охладители 139, 143) и выходной охладитель 156; первый турбодетандер 164; второй турбодетандер 172; и первый клапан J-T 178.
[0078]
Первый поток нагретого газообразного хладагента 131 и второй поток нагретого газообразного хладагента 173 отводят с теплого конца третьей секции теплообменника 197 из отдельных проходов на холодной стороне указанной секции теплообменника, причем второй поток нагретого газообразного хладагента 173 находится под более низким давлением, чем первый поток нагретого газообразного хладагента 131. Первый поток нагретого газообразного хладагента 131 может быть направлен в каплеотбойный сепаратор (не показано) для удаления жидкости, которая может присутствовать в потоке во время промежуточных нештатных операций, и, при этом, первый поток нагретого газообразного хладагента 131 выходит из каплеотбойного сепаратора как верхний погон (не показано). Второй поток нагретого газообразного хладагента 173 аналогичным образом может быть направлен в другой каплеотбойный сепаратор 132 для удаления жидкости, присутствующей в нем во время промежуточных нештатных операций, причем второй поток нагретого газообразного хладагента выходит их каплеотбойного сепаратора как верхнийпоток 134. Первый поток нагретого газообразного хладагента 131 и второй поток нагретого газообразного хладагента 134 затем вводятся в различные места системы сжатия 136, причем второй поток нагретого газообразного хладагента вводится в систему сжатия в месте с более низким давлением, чем первый поток нагретого газообразного хладагента.
[0079]
В системе сжатия хладагента 136, второй поток нагретого газообразного хладагента 134 сжимают в первом компрессоре/на первой ступени сжатия 137 с получением первого сжатого потока хладагента 138, который охлаждается путем теплообмена с окружающим воздухом или охлаждающей водой в первом промежуточном охладителе 139 с образованием первого потока охлажденного сжатого хладагента 140. Первый поток нагретого газообразного хладагента 131 смешивают с первым потоком охлажденного сжатого хладагента 140, чтобы получить поток смешанного хладагента среднего давления 151, который дополнительно сжимают во втором компрессоре 141 для получения второго потока сжатого хладагента 142. Второй поток сжатого хладагента 142 охлаждают путем теплообмена с окружающим воздухом или охлаждающей водой во втором промежуточном охладителе 143, чтобы получить второй поток охлажденного сжатого хладагента 144, который разделяют на две части, первую часть 145 и вторую часть 146. Первую часть второго потока охлажденного сжатого хладагента 145 сжимают в третьем компрессоре 147 с получением третьего сжатого потока 148, в то время как вторую часть второго потока охлажденного сжатого хладагента 146 сжимают в четвертом компрессоре 149 с образованием четвертого сжатого потока 150. Третий сжатый поток 148 и четвертый сжатый поток 150 смешивают с получением потока сжатого хладагента 155.
[0080]
Поток сжатого хладагента 155 охлаждают путем теплообмена с окружающим воздухом или охлаждающей водой в выходном охладителе хладагента 156 с получением сжатого и охлажденного газообразного потока хладагента 158. Затем поток охлажденного сжатого газообразного хладагента 158 разделяется на два потока, а именно первый поток охлажденного газообразного хладагента 162 и второй поток охлажденного газообразного хладагента 160. Второй поток охлажденного газообразного хладагента 160 пропускают через и охлаждают на теплой стороне третьей секции теплообменника 197, через отдельный проход на указанной теплой стороне относительно прохода, через который пропускают сырьевой поток природного газа 104, с получением дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента 168. Первый поток охлажденного газообразного хладагента 162 расширяется до первого давления в первом турбодетандере 164 (также называется в данном документе теплым детандером), с образованием первого потока расширенного холодного хладагента 166 при первой температуре и указанном первом давлении, который является по меньшей мере преимущественно газообразным и содержит фракцию паров более чем 0,95 на выходе из первого турбодетандера. Первый поток расширенного холодного хладагента 166 пропускают через холодную сторону третьей секции теплообменника 197, где он нагревается, чтобы обеспечить холодопроизводительность и режим охлаждения для предварительного охлаждения сырьевого потока природного газа 104 и охлаждения второго потока охлажденного газообразного хладагента 160, и, при этом, первый поток расширенного холодного хладагента 166 нагревается с образованием первого потока нагретого газообразного хладагента 131.
[0081]
Дополнительно охлажденный второй поток охлажденного газообразного хладагента 168 разделяют на два дополнительных потока, а именно третий поток охлажденного газообразного хладагента 170 и четвертый поток охлажденного газообразного хладагента 169. Третий поток охлажденного газообразного хладагента 170 расширяется до третьего давления во втором турбодетандере 172 (в данном документе дополнительно называется холодным детандером) с образованием третьего потока расширенного холодного хладагента 174 при третьей температуре и указанном третьем давлении, который является по меньшей мере преимущественно газообразным и содержит фракцию паров более чем 0,95 на выходе из второго турбодетандера. Каждое из третьей температуры и третьего давления ниже, чем, соответственно, первая температура и первое давление. Четвертый поток 169 пропускают через и охлаждают на теплой стороне первой секции теплообменника 198B, а затем на теплой стороне второй секции теплообменника 198C, через отдельные проходы на указанной теплой стороне указанных первой и второй секций теплообменника 198B, 198C относительно проходов, через которые пропускают сырьевой поток природного газа 104/105, причем четвертый поток по меньшей мере частично сжижается в указанных первой и/или второй секциях теплообменника 198B, 198C с образованием жидкого или двухфазного потока хладагента 176. Давление жидкого или двухфазного потока хладагента 176, выходящего с теплой стороны третьей секции теплообменника 198C, сбрасывают до второго давления путем дросселирования в первом клапане J-T 178, чтобы получить второй поток расширенного холодного хладагента 180 при второй температуре и указанном втором давлении, который является двухфазным по своей природе на выходе из первого клапана J-T 178. В предпочтительном варианте реализации изобретения второй поток расширенного холодного хладагента 180 содержит фракцию паров от около 0,02 до около 0,1 на выходе из первого клапана J-T 178. Вторая температура ниже третьей температуры (и, следовательно, также ниже первой температуры). Второе давление в этом варианте реализации изобретения по существу такое же, как третье давление.
[0082]
Третий поток расширенного холодного хладагента 174 пропускают через холодную сторону первой секции теплообменника 198B, где он нагревается, чтобы обеспечить холодопроизводительность и режим охлаждения для сжижения предварительно охлажденного сырьевого потока природного газа 105 и охлаждения четвертого потока охлажденного газообразного хладагента 169. Второй поток расширенного холодного хладагента 180 пропускают через холодную сторону второй секции теплообменника 198C, где он нагревается (по меньшей мере частично испаряясь и/или нагревая поток), чтобы обеспечить холодопроизводительность и режим охлаждения для переохлаждения сжиженного сырьевого потока природного газа и охлаждения четвертого потока охлажденного газообразного хладагента, а затем пропускают через и дополнительно нагревают на холодной стороне первой секции теплообменника 198B, где он смешивается с третьим потоком расширенного холодного хладагента 174 и обеспечивает дополнительную холодопроизводительность и режим охлаждения для сжижения предварительно охлажденного сырьевого потока природного газа 105 и охлаждения четвертого потока охлажденного газообразного хладагента 169. Полученный смешанный поток 171 (состоящий из смешанных и нагретых второго и третьего потоков расширенного холодного хладагента), выходящий с теплого конца холодной стороны первой секции теплообменника 198B, затем пропускают через холодную сторону третьей секции теплообменника 197, где он дополнительно нагревается, чтобы обеспечить дополнительную холодопроизводительность и режим охлаждения для предварительного охлаждения сырьевого потока природного газа 104 и охлаждения второго потока охлажденного газообразного хладагента 160, причем смешанный поток 171 дополнительно нагревают с образованием второго потока нагретого газообразного хладагента 173, и, при этом, смешанный поток 171 пропускают через отдельный проход на холодной стороне третьей секции теплообменника 197, относительно прохода на холодной стороне, через который пропускают первый поток расширенного холодного хладагента 166.
[0083]
Холодопроизводительность в третьей секции теплообменника 197, таким образом, обеспечивается по меньшей мере двумя отдельными потоками хладагента, которые не смешиваются и находятся при разном давлении, а именно смешанным потоком 171 (состоящим из смешанных и нагретых второго и третьего потоков расширенного холодного хладагента, выходящих с теплого конца холодной стороны первой секции теплообменника 198B), и первым потоком расширенного холодного хладагента 166. Они обеспечивают холодопроизводительность для предварительного охлаждения сырьевого потока природного газа 104 и охлаждения второго потока охлажденного газообразного хладагента 160, с получением потока предварительно охлажденного природного газа 105 и дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента 168, соответственно, при температуре от около -25 градусов Цельсия до -70 градусов Цельсия, и предпочтительно от около -35 градусов Цельсия до -55 градусов Цельсия.
[0084]
Второй поток охлажденного газообразного хладагента 160 составляет от около 40 молярных % до 85 молярных % от потока охлажденного сжатого газообразного хладагента 158, и предпочтительно от около 55 молярных % до 75 молярных % от потока охлажденного сжатого газообразного хладагента 158. Четвертый поток охлажденного газообразного хладагента 169 составляет от около 3 молярных % до 20 молярных % от дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента 168, и предпочтительно от около 5 молярных % до 15 молярных % от дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента 168 Соотношение молярного расхода жидкого или двухфазного потока хладагента 176 к молярному расходу потока охлажденного сжатого газообразного хладагента 158 обычно составляет от 0,02 до 0,2, и предпочтительно от 0,02 до 0,1. Это соотношение представляет собой «соотношение хладагента, которое обеспечивает испарительное охлаждение» для варианта реализации изобретения, проиллюстрированного на Фиг. 3, поскольку оно представляет общий молярный расход всех жидких или двухфазных потоков хладагента (жидкий или двухфазный поток хладагента 176) в контуре охлаждения, расширяющихся в клапанах J-T (первый клапан J-T 178) с образованием потоков расширенного холодного двухфазного хладагента (второй поток расширенного холодного хладагента 180), которые нагреваются и испаряются в одной или большем количестве секций теплообменника в контуре охлаждения (198C, 198B, 197), деленный на общий расход всего хладагента, циркулирующего в контуре охлаждения (это соответствует расходу потока охлажденного сжатого газообразного хладагента 158).
[0085]
Как отмечено выше, второе давление (давление второго потока расширенного холодного хладагента 180 на выходе из клапана J-T 178) и третье давление (давление третьего потока расширенного холодного хладагента 174 на выходе из второго турбодетандера 172) по существу одинаковы, и каждое из них ниже первого давления (давление первого потока расширенного холодного хладагента 166 на выходе первого турбодетандера 164). Такие различия в давлении, которые существуют между вторым и третьим давлением, являются результатом падения давления во второй секции 198C теплообменника. Например, по мере того, как второй поток расширенного холодного хладагента пропускают через холодную сторону второй секции теплообменника, его давление обычно понижается очень незначительно, обычно менее чем на 1 бар (например, на 1-10 фунт/кв. дюйм (0,07-0,7 бара)), и, следовательно, для обеспечения одинакового давления во втором и третьем потоках расширенного холодного хладагента при их поступлении на холодную сторону первой секции теплообменника и смешивании может понадобиться второе давление, которое очень незначительно (обычно менее чем на 1 бар) выше третьего давления. В предпочтительном варианте реализации изобретения соотношение первого давления ко второму давлению составляет от 1,5:1 до 2,5:1. В предпочтительном варианте реализации изобретения давление первого потока расширенного холодного хладагента 166 составляет от около 10 бар абсолютного давления до 35 бар абсолютного давления, в то время как давление третьего потока расширенного холодного хладагента 174 и давление второго потока расширенного холодного хладагента 180 составляют от около 4 бара абсолютного давления до 20 бар абсолютного давления. Соответственно, давление второго потока нагретого газообразного хладагента 173 составляет от около 4 бара абсолютного давления до 20 бар абсолютного давления, в то время как давление первого потока нагретого газообразного хладагента 131 составляет от около 10 бар абсолютного давления до 35 бар абсолютного давления.
[0086]
Третий компрессор 147 может приводиться в действие, по меньшей мере частично, за счет мощности, генерируемой теплым детандером 164, а четвертый компрессор 149 может приводиться в действие, по меньшей мере частично, за счет мощности, генерируемой холодной детандером 172, или наоборот. В качестве альтернативы, любой из других компрессоров в системе сжатия может приводиться в действие, по меньшей мере частично, при помощи теплого детандера и/или холодного детандера. Модули компрессора и детандера могут быть расположены в одном корпусе, называемом узлом компрессора-детандера или «компандером». Дополнительную необходимую мощность можно обеспечить с использованием внешнего привода, такого как электродвигатель или газовая турбина. Использование компандера уменьшает наземную площадь на участке вращающегося оборудования и повышает общую эффективность.
[0087]
Система сжатия хладагента 136, проиллюстрированная на Фиг. 3, представляет собой типичную схему размещения, причем возможны несколько вариаций системы сжатия и компрессорной линии. Например, хотя компрессоры показаны на Фиг. 3 как отдельные, вместо этого два или большее количество компрессоров в системе сжатия могут представлять собой ступени сжатия одного компрессорного модуля. В равной мере, каждый представленный компрессор может содержать несколько ступеней сжатия в одном или большем количестве корпусов. Могут присутствовать несколько промежуточных охладителей и выходных охладителей. Каждая ступень сжатия может включать в себя одно или большее количество рабочих колес и связанных с ними диффузоров. Могли бы быть включены дополнительные компрессоры/ступени сжатия, последовательно или параллельно с любыми из представленных компрессоров, и/или один или большее количество изображенных компрессоров могут быть опущены. Первый компрессор 137, второй компрессор 141 и любые другие компрессоры могут приводиться в действие приводом любого типа, таким как электродвигатель, промышленная газовая турбина, газотурбинная установка на базе авиационного газотурбинного двигателя, паровая турбина и т. д. Компрессоры могут быть любого типа, такого как центробежный, осевой, объемного типа и т. д.
[0088]
В предпочтительном варианте реализации изобретения, первый поток нагретого газообразного хладагента 131 может быть введен в качестве бокового потока в многоступенчатый компрессор, таким образом, что первый компрессор 137 и второй компрессор 141 представляют собой несколько ступеней одного компрессора.
[0089]
В другом варианте реализации изобретения (не показана), первый поток нагретого газообразного хладагента 131 и второй поток нагретого газообразного хладагента 173 могут сжиматься параллельно в отдельных компрессорах, а сжатые потоки могут быть объединены с образованием второго потока сжатого хладагента 142.
[0090]
Хладагент, циркулирующий в контуре охлаждения, представляет собой хладагент, который содержит метан или смесь метана и азота. Кроме того, он может содержать другие компоненты хладагента, такие как (но не ограничиваясь этим) диоксид углерода, этан, этилен, аргон, в той степени, в которой они не оказывают отрицательного влияния на первый и третий потоки расширенного холодного хладагента, являющиеся по меньшей мере преимущественно газообразными на выходе из первого и второго турбодетандеров, соответственно, и не влияют на второй поток расширенного холодного хладагента, являющийся двухфазным на выходе первого клапана J-T. В предпочтительных вариантах реализации изобретения хладагент содержит смесь метана и азота. Предпочтительное содержание азота в потоке охлажденного сжатого хладагента 158 составляет от около 20 молярных % до 70 молярных %, предпочтительно от около 25 молярных % до 65 молярных % и, более предпочтительно от около 30 молярных % до 60 молярных % азота. Предпочтительное содержание метана в потоке охлажденного сжатого хладагента 158 составляет от около 30 молярных % до 80 молярных %, предпочтительно от около 35 молярных % до 75 молярных % и, более предпочтительно от около 40 молярных % до 70 молярных % метана.
[0091]
В одной вариации варианта реализации изобретения, проиллюстрированного на Фиг. 3, из системы исключен второй турбодетандер 172, и, таким образом, используется только первый турбодетандер 164, который обеспечивает холодопроизводительность как для предварительного охлаждения, так и для сжижения, и первый клапан J-T 172, который обеспечивает холодопроизводительность для переохлаждения. В таком сценарии секция теплообменника 198B опущена. Холодопроизводительность для второй секции теплообменника обеспечивается клапаном J-T 178 (как на Фиг. 3). Секция теплообменника 197 теперь действует как первая секция теплообменника и обеспечивает холодопроизводительность как для предварительного охлаждения, так и для сжижения, режим охлаждения для которых обеспечивается двумя холодными потоками при разных значениях давления, а именно: вторым потоком расширенного холодного хладагента (после того, как он предварительно нагревается во второй секции теплообменника 198C) и первым потоком расширенного холодного хладагента 166. В этом варианте реализации изобретения второй турбодетандер 172 (холодный турбодетандер) отсутствует.
[0092]
Основное преимущество варианта реализации изобретения, проиллюстрированного на Фиг. 3, по сравнению с предшествующим уровнем техники состоит в том, что давление первого потока расширенного холодного хладагента 166 существенно отличается от давления второго и третьего потоков расширенного холодного хладагента 180, 174. Это позволяет обеспечить холодопроизводительность в первой и второй секциях теплообменника 198B, 198C (секции сжижения и переохлаждения) при давлении, отличном от давления в третьей секции теплообменника 197 (секция предварительного охлаждения). Более низкое давление хладагента является предпочтительным для секций сжижения, и особенно переохлаждения, а более высокое давление хладагента является предпочтительным для секции предварительного охлаждения. Благодаря возможности обеспечить в теплом турбодетандере давление, значительно отличающееся от давления в холодном турбодетандере и клапане J-T, способ обладает более высокой общей эффективностью. В результате теплый турбодетандер 164 используется главным образом с целью обеспечения холодопроизводительности для предварительного охлаждения, в то время как холодный турбодетандер 172 используется главным образом для обеспечения холодопроизводительности для сжижения, а клапан J-T 178 обеспечивает холодопроизводительность для переохлаждения. Кроме того, при использовании секций витого теплообменника в качестве секций сжижения и переохлаждения 198B, 198C могут быть сохранены преимущества (т. е., компактность и высокая эффективность) использования этого типа теплообменника для указанных секций; в то время как при использовании в качестве секции предварительного охлаждения 197 секции теплообменника, которая принадлежит к типу с холодной стороной, имеющей множество отдельных проходов через секцию теплообменника, дополнительная холодопроизводительность может быть рекуперирована в секции предварительного охлаждения 197 из смешанного потока 171, состоящего из второго и третьего потоков расширенного холодного хладагента, без смешивания указанного потока 171 с первым потоком расширенного холодного хладагента 166, который находится под другим давлением и также проходит через холодную сторону секции предварительного охлаждения 197. Полученный второй поток нагретого газообразного хладагента 173 и первый поток нагретого газообразного хладагента 131, выходящие с холодной стороны секции предварительного охлаждения 197, могут в дальнейшем быть направлены в систему сжатия хладагента 136 при двух различных значениях давления, причем второй поток нагретого газообразного хладагента 173 более низкого давления направляют в место с более низким давлением в системе сжатия, например, такое как входное отверстие системы сжатия хладагента 136 с самым низким давлением, а первый поток нагретого газообразного хладагента 131 более высокого давления направляют в место с более высоким давлением в системе сжатия, например, в виде бокового потока в систему сжатия хладагента 136, как обсуждалось выше. Ключевое преимущество такой схемы размещения состоит в том, что она дает компактную систему с более высокой эффективностью способа, чем способы из предшествующего уровня техники.
[0093]
На Фиг. 4 проиллюстрирован второй вариант реализации изобретения и вариация Фиг. 3. В этом варианте реализации изобретения MCHE 198 снова предпочтительно представляет собой витой теплообменник, который в этом случае содержит третью секцию теплообменника (теплая секция/трубный пучок) 198A, первую секцию теплообменника (средняя секция/трубный пучок) 198B и вторую секцию теплообменника (холодная секция/трубный пучок) 198C. Однако, в этом случае MCHE 198 дополнительно содержит головку 118, которая отделяет холодную сторону (межтрубное пространство) теплой секции 198A от холодной стороны (межтрубное пространство) средней секции 198B витого теплообменника, предотвращая перетекание хладагента, находящегося на холодной стороне холодной и средней секций 198C, 198B, на холодную сторону теплой секции 198A. В головке 118, таким образом, присутствует давление межтрубного пространства, что позволяет холодной стороне теплой секции 198A находиться под давлением межтрубного пространства, отличным от холодной стороны средней и холодной секций 198B, 198C. Смешанный поток 171, состоящий второго и третьего потоков расширенного холодного хладагента 171, отведенный с теплого конца холодной стороны средней секции 198B, направляют непосредственно в каплеотбойный сепаратор 132 для удаления жидкости, и, таким образом, в этой схеме размещения смешанный поток 171 образует второй поток нагретого газообразного хладагента, который сжимают в системе сжатия хладагента 136, причем дополнительная холодопроизводительность не рекуперируется из смешанного потока 171, выходящего с теплого конца холодной стороны средней секции 198B, до сжатия. Температура смешанного потока 171 составляет от около -40 градусов Цельсия до -70 градусов Цельсия.
[0094]
В вариации варианта реализации изобретения, проиллюстрированного на Фиг. 4, можно использовать два отдельных витых теплообменных модуля, причем третья секция теплообменника 198А (теплая секция) помещена в свой собственный кожух, а первая секция теплообменника 198B (средняя секция) и вторая секция теплообменника 198C (холодная секция) совместно помещены в другой кожух. При такой схеме размещения не требуется головка 118 для отделения холодной стороны (межтрубное пространство) теплой секции 198А от холодной стороны (межтрубное пространство) средней секции 198В и теплой секции 198С.
[0095]
Варианту реализации изобретения, проиллюстрированному на Фиг. 4, присуща несколько более низкая эффективность способа по сравнению с Фиг. 3, поскольку на Фиг. 4 второй поток нагретого газообразного хладагента, который сжимается в системе сжатия 136, представляет собой смешанный поток 171, который «сжимается на холоде» или сжимается при более низкой температуре, тогда как на Фиг. 3 смешанный поток 171 вначале дополнительно нагревается в третьей секции теплообменника 197 с образованием второго потока нагретого газообразного хладагента, тем самым рекуперируя дополнительную холодопроизводительность из указанного потока перед сжатием. Однако схема размещения, проиллюстрированная на Фиг. 4, обладает тем преимуществом, что эффективность способа все еще выше, чем в предшествующем уровне техники, в сочетании с меньшим количеством оборудования и занимаемой площадью, чем на Фиг. 3. Поскольку имеется только один поток хладагента (первый поток расширенного хладагента 166), который проходит через холодную сторону третьей секции теплообменника 198A, в качестве этой секции можно использовать секцию витого теплообменника, которая, аналогично вышеуказанному, обеспечивает преимущества с точки зрения эффективности теплопередачи в способе и занимаемой установкой наземной площади.
[0096]
На Фиг. 5 проиллюстрирован третий вариант реализации изобретения и еще одна вариация Фиг. 4. MCHE 198, аналогично вышеуказанному, предпочтительно представляет собой витой теплообменник, который в этом случае содержит третью секцию теплообменника 198А (теплая секция/трубный пучок), первую секцию теплообменника 198B (средняя секция/трубный пучок) и вторую секцию теплообменника 198C (холодная секция/трубный пучок), а MCHE 198, аналогично вышеуказанному, содержит головку 118, которая отделяет холодную сторону (межтрубное пространство) теплой секции 198A от холодной стороны (межтрубное пространство) средней секции 198B, предотвращая перетекание хладагента, находящегося на холодной стороне холодной и средней секций 198C, 198B, на холодную сторону теплой секции 198A. Однако, в этом случае смешанный поток 171, состоящий из нагретого второго и третьего потоков расширенного холодного хладагента, отведенный с теплого конца холодной стороны средней секции 198B, не подвергается сжатию в холодном состоянии. Вместо этого, в варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 5, контур охлаждения дополнительно содержит четвертую секцию теплообменника 196, и холодопроизводительность рекуперируется из смешанного потока 171, состоящего из нагретого второго и третьего потоков расширенного холодного хладагента, в указанной четвертой секции теплообменника 196, причем смешанный поток 171 пропускают через и нагревают на холодной стороне четвертой секции теплообменника 196 с получением второго потока нагретого газообразного хладагента 173. Четвертая секция теплообменника 196 может быть секцией теплообменника c любым подходящим типом теплообменника, например, таким как витая секция, ребристая пластинчатая секция (как показано на Фиг. 5) или кожухотрубная секция.
[0097]
В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 5, второй поток охлажденного газообразного хладагента 160 также разделяют на две части, а именно первую часть 161 и вторую часть 107. Первую часть пропускают через и охлаждают на теплой стороне третьей секции теплообменника 198A с получением первой части дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента 168, причем холодопроизводительность в третьей секции теплообменника 198A обеспечивается первым потоком расширенного холодного хладагента 166, который нагревается на холодной стороне третьей секции теплообменника 198А с образованием первого потока нагретого газообразного хладагента 131, как было описано выше.
[0098]
Вторую часть 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента пропускают через и охлаждают на теплой стороне четвертой секции теплообменника 196, с получением второй части дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента 111, которую затем объединяют с первой частью 168, с получением дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента, который далее разделяют с образованием третьего потока охлажденного газообразного хладагента 170 и четвертого потока охлажденного газообразного хладагента 169, как было описано выше. В предпочтительном варианте реализации изобретения вторая часть 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента составляет от около 50 молярных % до 95 молярных % от второго потока охлажденного газообразного хладагента 160.
[0099]
Как было отмечено выше, в варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 5, головка 118 используется для отделения холодной стороны (межтрубное пространство) теплой секции 198A от холодной стороны (межтрубное пространство) средней секции 198B MCHE 198, таким образом, чтобы предотвратить перетекание хладагента, находящегося на холодной стороне холодной и средней секций 198C, 198B на холодную сторону теплой секции 198A, и тем самым создать разницу давлений в межтрубном пространстве указанных секций. Однако в альтернативном варианте реализации изобретения можно использовать два витых теплообменных модуля с отдельными кожухами, причем теплая секция 198А помещена в один кожух, а средняя секция 198В и холодная секция 198С помещены в другой кожух, таким образом, исключая необходимость в головке 118.
[00100]
В альтернативном варианте реализации изобретения, вместо того, чтобы использовать для охлаждения часть 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента, для охлаждения потока природного газа может быть использована четвертая секция теплообменника 196. Например, сырьевой поток природного газа 104 может быть разделен на два потока, причем первый поток пропускают через и охлаждают на теплой стороне третьей секции теплообменника 198A, как было описано выше, а второй поток пропускают через и охлаждают на теплой стороне четвертой секции теплообменника 196, причем потоки охлажденного природного газа, выходящие из третьей и четвертой секций теплообменника, объединяют и смешивают с образованием предварительно охлажденного потока природного газа 105, который затем дополнительно охлаждают и сжижают в первой секции теплообменника 198B, как было описано выше. В еще одной вариации четвертая секция теплообменника могла бы иметь теплую сторону, которая имеет более одного отдельного прохода через секцию, и могла бы использоваться для охлаждения как части 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента, так и потока природного газа.
[00101]
Вариант реализации изобретения, проиллюстрированный на Фиг. 5, обладает преимуществами варианта реализации изобретения, проиллюстрированного на Фиг. 3, что включает в себя более высокую эффективность способа, чем в предшествующем уровне техники. Кроме того, поскольку только один поток хладагента (первый поток расширенного холодного хладагента 166) пропускают через холодную сторону третьей секции теплообменника 198A, в качестве этой секции можно использовать секцию витого теплообменника. Однако, эта схема размещения требует использования дополнительного элемента оборудования в форме четвертой секции теплообменника 196.
[00102]
На Фиг. 6 проиллюстрирован четвертый вариант реализации изобретения и вариация Фиг. 5. В этом варианте реализации изобретения MCHE 198, аналогично вышеуказанному, предпочтительно представляет собой витой теплообменник, который содержит третью секцию теплообменника 198A (теплая секция/трубный пучок), первую секцию теплообменника 198B (средняя секция/трубный пучок) и вторую секцию теплообменника 198C (холодная секция/трубный пучок). Однако MCHE 198 больше не содержит головки 118, которая отделяет холодную сторону (межтрубное пространство) теплой секции 198A от холодной стороны (межтрубное пространство) средней секции 198B, и холодопроизводительность в теплой секции 198A больше не обеспечивается первым потоком расширенного холодного хладагента 166. Вместо этого, здесь протекает смешанный поток из теплого конца холодной стороны (межтрубное пространство) первой секции теплообменника 198B (средняя секция), состоящий из нагретого второго и третьего потоков расширенного холодного хладагента, который пропускают через и дополнительно нагревают на холодной стороне (межтрубное пространство) третьей секции теплообменника 198A, чтобы обеспечить холодопроизводительность в третьей секции теплообменника 198A, причем смешанный поток, состоящий из второго и третьего потоков расширенного холодного хладагента, дополнительно нагревают в указанной третьей секции теплообменника 198А, c получением второго потока нагретого газообразного хладагента 173.
[00103]
Подобным образом, в варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 6, холодопроизводительность в четвертой секции теплообменника 196 больше не обеспечивается смешанным потоком, состоящим из нагретого второго и третьего потоков расширенного холодного хладагента. Вместо этого, первый поток расширенного холодного хладагента 166 пропускают через и нагревают на холодной стороне четвертой секции теплообменника 196, чтобы обеспечить холодопроизводительность в четвертой секции теплообменника 196, причем первый поток расширенного холодного хладагента 166 нагревается в указанной секции с образованием первого потока нагретого газообразного хладагента 131.
[00104]
Как описано выше в связи с Фиг. 5, в варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 6, первую часть 161 второго потока охлажденного газообразного хладагента пропускают через и охлаждают на теплой стороне третьей секции теплообменника 198А c получением первой части дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента 168, а вторую часть 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента пропускают через и охлаждают на теплой стороне четвертой секции теплообменника 196 с получением второй части дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента 111, которую затем объединяют с первой частью 168, чтобы получить дополнительно охлажденный второй поток охлажденного газообразного хладагента, который далее разделяют с образованием третьего потока охлажденного газообразного хладагента 170 и четвертого потока охлажденного газообразного хладагента 169. В предпочтительном варианте реализации изобретения, вторая часть 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента составляет от около 20 молярных % до 60 молярных % от второго потока охлажденного газообразного хладагента 160.
[00105]
В качестве альтернативы и как дополнительно описано выше в связи с Фиг. 5, в варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 6, четвертую секцию теплообменника 196 можно использовать для охлаждения потока природного газа, вместо использования для охлаждения части 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента. В еще одной вариации (аналогично вышеуказанному, как дополнительно описано выше в связи с Фиг. 5) четвертая секция теплообменника 196 может иметь теплую сторону, которая имеет более одного отдельного прохода через секцию и может использоваться для охлаждения как части 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента, так и потока природного газа.
[00106]
Вариант реализации изобретения, проиллюстрированный на Фиг. 6, обладает преимуществами варианта реализации изобретения, проиллюстрированного на Фиг. 3, что включает в себя более высокую эффективность способа, чем в предшествующем уровне техники. Кроме того, поскольку только один поток хладагента (смешанный поток, состоящий из второго и третьего потоков расширенного холодного хладагента) пропускают через холодную сторону третьей секции теплообменника 198A, в качестве этой секции можно использовать витой теплообменник. Однако, необходимо подчеркнуть, что такая схема размещения требует использования дополнительного элементаоборудования в форме четвертой секции теплообменника 196. По сравнению с вариантом реализации изобретения, проиллюстрированным на Фиг. 5, вариант реализации изобретения на Фиг. 6 является более простым, чем вариант реализации изобретения на Фиг. 5, поскольку не требуется головка 118 и не требуется рекуперировать поток хладагента из межтрубного пространства MCHE 198 на теплом конце средней секции 198B, что приводит к упрощению конструкции теплообменника.
[00107]
На Фиг. 7 проиллюстрирован пятый вариант реализации изобретения и еще одна вариация Фиг. 3. MCHE 198 в этом варианте реализации изобретения может быть любого типа, аналогично вышеуказанному предпочтительно он представляет собой витой теплообменник. В этом случае он содержит две секции теплообменника (т. е., два трубных пучка в случае, если MCHE представляет собой витой теплообменник), а именно первую секцию теплообменника 198B (эквивалентную средней секции MCHE 198 на Фиг. 1 и 2), в которой предварительно охлажденный сырьевой поток природного газа 105 сжижают, и третью секцию теплообменника 198А (эквивалентную теплой секции MCHE на Фиг. 1 и 2), в которой сырьевой поток природного газа 104 предварительно охлаждают, чтобы получить предварительно охлажденный сырьевой поток природного газа 105, который сжижают в первой секции теплообменника. Вместо холодной секции 198C MCHE 198 на Фиг. 1 и 2, в этом варианте реализации изобретения вторая секция теплообменника 198C (в которой сырьевой поток сжиженного природного газа из первой секции теплообменника 198B переохлаждается) расположена в отдельном модуле и представляет собой секцию ребристого пластинчатого теплообменника (как показано), секцию кожухотрубного теплообменника, секцию витого теплообменника или секцию теплообменника любого другого подходящего типа, известного в данной области техники. В качестве альтернативы, MCHE 198 может представлять собой витой теплообменник с тремя секциями теплообменника, причем вторая секция теплообменника 198C представляет собой холодную секцию 198C в MCHE 198, но, при этом, MCHE 198 дополнительно содержит головку, отделяющую холодную сторону (межтрубное пространство) первой секции теплообменника 198B (средняя секция) от холодной стороны (межтрубное пространство) второй секции теплообменника 198C (холодная секция), таким образом, что хладагент не может перетекать с холодной стороны второй секции теплообменника 198C на холодную сторону первой и третьей секций теплообменника 198B, 198A. Хотя третья и первая секции теплообменника 198A и 198B показаны как помещенные в один и тот же кожух, в альтернативном варианте реализации изобретения каждая из этих секций может быть помещена в свой собственный кожух.
[00108]
В этом варианте реализации изобретения замкнутый контур охлаждения дополнительно содержит четвертую секцию теплообменника 182А и пятую секцию теплообменника 182В, которые показаны на Фиг. 7 как теплая 182А и холодная 182В секции, соответственно, ребристого пластинчатого теплообменного модуля 182. Однако в альтернативных вариантах реализации изобретения четвертая и пятая секции теплообменника 182А и 182В могут представлять собой отдельные модули и/или могли бы быть теплообменными секциями/модулями другого типа, такими как кожухотрубные теплообменные секции, витые теплообменные секции или теплообменные секции любого другого подходящего типа, известного в данной области техники. В альтернативном варианте реализации изобретения вторая секция теплообменника 198C дополнительно может быть частью того же теплообменного модуля, что и четвертая и пятая секции теплообменника 182A и 182B, причем четвертая 182A, пятая 182B и вторая 198C секции теплообменника являются, соответственно, теплой, средней и холодной секциями модуля.
[00109]
Как и в варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 3, поток охлажденного сжатого газообразного хладагента 158 разделяют на два потока, а именно первый поток охлажденного газообразного хладагента 162 и второй поток охлажденного газообразного хладагента 160. Первый поток охлажденного газообразного хладагента 162 расширяется до первого давления в первом турбодетандере 164 (в данном документе дополнительно называется теплым турбодетандером), чтобы получить первый поток расширенного холодного хладагента 166 при первой температуре и указанном первом давлении, который является по меньшей мере преимущественно газообразным, с фракцией паров более чем 0,95 на выходе из первого турбодетандера. Первый поток расширенного холодного хладагента 166 пропускают через холодную сторону третьей секции теплообменника 198A, где он нагревается, чтобы обеспечить холодопроизводительность и режим охлаждения для предварительного охлаждения сырьевого потока природного газа 104 и охлаждения части 161 второго потока охлажденного газообразного хладагента 160.
[00110]
Второй поток охлажденного газообразного хладагента 160 разделяют на две части, а именно первую часть 161 и вторую часть 107. Первую часть 161 пропускают через и охлаждают на теплой стороне третьей секции теплообменника 198A, через отдельный проход на указанной теплой стороне относительно прохода, через который пропускают сырьевой поток природного газа 104, с получением первой части 168 дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента. Вторую часть 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента пропускают через и охлаждают на теплой стороне четвертой секции теплообменника 182A, с получением второй части 111 дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента.
[00111]
Первую часть 168 дополнительного охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента разделяют с образованием третьего потока охлажденного газообразного хладагента 170 и четвертого потока охлажденного газообразного хладагента 169.
[00112]
Четвертый поток охлажденного газообразного хладагента 169 пропускают через, дополнительно охлаждают и, по меньшей мере частично, сжижают на теплой стороне первой секции теплообменника 198B, через отдельный проход на указанной теплой стороне относительно прохода, через который пропускают предварительно охлажденный сырьевой поток природного газа 105, с образованием дополнительно охлажденного четвертого потока хладагента 114.
[00113]
Третий поток охлажденного газообразного хладагента 170 расширяется до третьего давления во втором турбодетандере 172 (в данном документе дополнительно называется холодным детандером), чтобы получить третий поток расширенного холодного хладагента 174 при третьей температуре и указанном третьем давлении, который является по меньшей мере преимущественно газообразным, с фракцией паров более чем 0,95 на выходе из второго турбодетандера. Третья температура ниже первой температуры, а третье давление по существу такое же, как первое давление. Третий поток расширенного холодного хладагента 174 пропускают через холодную сторону первой секции 198B теплообменника, где он нагревается, чтобы обеспечить холодопроизводительность и режим охлаждения для сжижения предварительно охлажденного сырьевого потока природного газа 105 и охлаждения четвертого потока охлажденного газообразного хладагента 169, а затем пропускают через и дополнительно нагревают на холодной стороне третьей секции теплообменника 198A, где он смешивается с первым потоком расширенного холодного хладагента 166 и обеспечивает дополнительную холодопроизводительность и режим охлаждения для предварительного охлаждения сырьевого потока природного газа 104 и охлаждения первой части 161 второго потока охлажденного газообразного хладагента, причем первый и третий потоки расширенного холодного хладагента таким образом смешиваются и нагреваются с образованием первого потока нагретого газообразного хладагента 131, который затем сжимают в системе сжатия 136.
[00114]
Вторая часть 111 дополнительного охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента образует пятый поток охлажденного газообразного хладагента 187. Предпочтительно, как проиллюстрировано на Фиг. 7, вторая часть 111 разделяется с образованием пятого потока охлажденного газообразного хладагента 187 и балансировочного потока 186 охлажденного газообразного хладагента.
[00115]
Балансировочный поток 186 смешивают с первой частью 168 дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента до того, как указанную первую часть разделяют с образованием третьего и четвертого потоков охлажденного газообразного хладагента 170, 169, и/или смешивают с третьим и/или четвертым потоками охлажденного газообразного хладагента 170, 169, перед тем, как указанные потоки расширяются во втором турбодетандере 172 или дополнительно охлаждаются в первой секции теплообменника 198B, соответственно.
[00116]
Пятый поток охлажденного газообразного хладагента 187 пропускают через, дополнительно охлаждают и необязательно по меньшей мере частично сжижают на теплой стороне пятой секции теплообменника 182B, с получением дополнительного охлажденного пятого потока хладагента 188, который затем смешивают с дополнительно охлажденным четвертым потоком хладагента 114, выходящим с холодного конца теплой стороны первой секции теплообменника 198B, с получением смешанного потока 189, состоящего из дополнительно охлажденного четвертого и пятого потоков хладагента.
[00117]
Смешанный поток 189, состоящий из дополнительно охлажденного четвертого и пятого потоков хладагента, далее пропускают через, дополнительно охлаждают и по меньшей мере частично сжижают (если он еще не полностью сжижен) на теплой стороне второй секции теплообменника 198C, через отдельный проход на указанной теплой стороне относительно прохода, через который пропускают сырьевой поток природного газа, с получением жидкого или двухфазного потока хладагента 176, который отводят с холодного конца теплой стороны второй секции теплообменника 198C. Давление жидкого или двухфазного потока хладагента 176, выходящего с теплой стороны третьей секции теплообменника 198C, понижают до второго давления посредством дросселирования в первом клапане J-T 178, с получением второго потока расширенного холодного потока 180 при второй температуре и указанном втором давлении, который является двухфазным по своей природе на выходе из первого клапана J-T 178. В предпочтительном варианте реализации изобретения, второй поток расширенного холодного хладагента 180 содержит фракцию паров в диапазоне от около 0,02 до около 0,1 на выходе из первого клапана J-T 178. Вторая температура ниже третьей температуры (и, следовательно, она также ниже первой температуры), а второе давление ниже третьего давления и ниже первого давления.
[00118]
Второй поток расширенного холодного хладагента 180 пропускают через холодную сторону второй секции теплообменника 198C, где он нагревается (по меньшей мере, частично испаряясь и/или нагревая поток), чтобы обеспечить холодопроизводительность и режим охлаждения для переохлаждения сырьевого потока сжиженного природного газа и охлаждения смешанного потока 189, состоящего из дополнительно охлажденного четвертого и пятого потоков хладагента. Полученный нагретый второй поток расширенного холодного хладагента 181 далее пропускают через и дополнительно нагревают на холодной стороне пятой секции теплообменника 182B, чтобы обеспечить холодопроизводительность и режим охлаждения для охлаждения пятого потока охлажденного газообразного хладагента 183, и полученный дополнительно нагретый второй поток расширенного холодного хладагента 183 затем пропускают через и дополнительно нагревают на холодной стороне четвертой секции теплообменника 182А, чтобы обеспечить холодопроизводительность и режим охлаждения для охлаждения второй части 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента, причем второй поток расширенного холодного хладагента таким образом нагревается с образованием второго потока нагретого газообразного хладагента 173, который затем сжимают в системе сжатия 136.
[00119]
Как отмечалось выше, первое давление (давление первого потока расширенного холодного хладагента 166 на выходе из первого турбодетандера 164) и третье давление (давление третьего потока расширенного холодного хладагента 174 на выходе из второго турбодетандера 172) по существу одинаковы, а второе давление (давление второго потока расширенного холодного хладагента 180 на выходе из клапана J-T 178) ниже первого давления и ниже третьего давления. Такие различия, которые существуют между первым и третьим давлением, являются результатом сброса давления в первой секции теплообменника 198B. Например, по мере того, как третий поток расширенного холодного хладагента пропускают через холодную сторону первой секции теплообменника, его давление, как правило, очень незначительно понижается, обычно менее чем на 1 бар (например, на 1-10 фунт/кв. дюйм (0,07-0,7 бара)) и, следовательно, чтобы позволить третьему и первому потокам расширенного холодного хладагента находиться при одинаковом давлении, когда они поступают на холодную сторону третьей секции теплообменника и смешиваются, может потребоваться третье давление, которое очень незначительно (обычно менее, чем на 1 бар) выше первого давления. В предпочтительном варианте реализации изобретения соотношение первого давления ко второму давлению составляет от 1,5:1 до 2,5:1. В предпочтительном варианте реализации изобретения давление первого потока расширенного холодного хладагента 166 и давление третьего потока расширенного холодного хладагента 174 находятся в диапазоне от около 10 бар абсолютного давления до 35 бар абсолютного давления, в то время как давление второго потока расширенного холодного хладагента 180 составляет от около 4 бара абсолютного давления до 20 бар абсолютного давления. Соответственно, давление второго потока нагретого газообразного хладагента 173 составляет от около 4 бара абсолютного давления до 20 бар абсолютного давления, в то время как давление первого потока нагретого газообразного хладагента 131 составляет от около 10 бар абсолютного давления до 35 бар абсолютного давления.
[00120]
В вариации варианта реализации изобретения, проиллюстрированного на Фиг. 7, из системы исключен второй турбодетандер 172 и, таким образом, используется только первый турбодетандер 164, который обеспечивает холодопроизводительность как для предварительного охлаждения, так и для сжижения, и первый клапан J-T 178, который обеспечивает холодопроизводительность для переохлаждения. В таком сценарии секция теплообменника 198B опущена, а секция теплообменника 198A теперь действует как первая секция теплообменника и обеспечивает холодопроизводительность как для предварительного охлаждения, так и для сжижения.
[00121]
Цель балансирования потока 186 на Фиг. 7 состоит в том, чтобы отрегулировать соотношение хладагента к тепловой нагрузке в теплообменном модуле 182, включающем в себя четвертую и пятую секции теплообменника, и MCHE 198, включающем в себя третью и первую секции теплообменника. Исходя из расхода хладагента на холодной стороне четвертой и пятой секций теплообменника, может возникнуть необходимость в регулировании расхода потока(-ов), охлаждающегося(-ихся) на теплой стороне четвертой и пятой секций теплообменника. Это может быть достигнуто путем отведения некоторой части потока через теплую сторону теплообменного модуля 182 и направления его на теплую сторону MCHE 198. Сбалансированный поток 186 обеспечивает более плотные кривые охлаждения (кривые зависимости температуры от тепловой нагрузки) в теплообменном модуле 182 и MCHE 198.
[00122]
В альтернативном варианте реализации изобретения, вместо того, чтобы использоваться для охлаждения части 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента, четвертая секция 182А и пятая секция 182В теплообменника могут использоваться для охлаждения потока природного газа. Например, сырьевой поток природного газа 104 может быть разделен на два потока, причем первый поток пропускают через и предварительно охлаждают на теплой стороне третьей секции теплообменника 198A, а также дополнительно охлаждают и сжижают на теплой стороне первой секции теплообменника 198B, как было описано выше, и, при этом, второй поток, пропускают через и предварительно охлаждают на теплой стороне четвертой секции теплообменника 182A, а также дополнительно охлаждают и сжижают на теплой стороне пятой секции теплообменника 182B, причем потоки сжиженного природного газа, выходящие из пятой и первой секций теплообменника, снова объединяют и смешивают с образованием потока сжиженного природного газа, который затем переохлаждают во второй секции теплообменника 198C, как было описано выше. Подобным образом, обходной (байпасный) поток мог бы использоваться для переноса некоторого количества предварительно охлажденного природного газа из потока предварительно охлажденного природного газа, выходящего из четвертой секции теплообменника, в поток предварительно охлажденного природного газа, поступающий в первую секцию теплообменника. В еще одной вариации каждая из четвертой и пятой секций теплообменника могла бы иметь теплую сторону, которая имеет более одного отдельного прохода через секцию, и могла бы использоваться для охлаждения как части 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента, так и потока природного газа.
[00123]
Все другие аспекты конструкции и эксплуатации варианта реализации изобретения, проиллюстрированного на Фиг. 7, включая любые предпочтительные аспекты и/или их варианты, являются такими же, как описано выше для варианта реализации изобретения, проиллюстрированного на Фиг. 3.
[00124]
Вариант реализации изобретения, проиллюстрированный на Фиг. 7, обладает преимуществами варианта реализации изобретения с Фиг. 3. Кроме того, он может приводить к MCHE 198 меньшего размера и более высокой эффективности способа.
[00125]
Фиг. 8 иллюстрирует шестой вариант реализации изобретения и вариацию Фиг. 7, в которой отсутствуют четвертая или пятая секции теплообменника и в которой MCHE 198 включает в себя три секции, а именно третью секцию теплообменника 198A (теплую секцию), первую секцию теплообменника 198B (средняя секция) и вторую секцию теплообменника 198C (холодная секция), причем по меньшей мере третья и первая секции теплообменника представляют собой секции теплообменника такого типа, который имеет холодную сторону, имеющую множество отдельных проходов через секцию теплообменника, что позволяет более чем одному потоку хладагента проходить по отдельности через холодную сторону указанных секций без перемешивания. Как проиллюстрировано на Фиг. 8, три секции могут составлять теплую, среднюю и холодную секции одного и того же блока ребристого пластинчатого теплообменника. В качестве альтернативы, однако, одна или каждая из секций может быть размещена в своем собственном модуле, и в качестве каждой секции можно использовать любой подходящий тип теплообменной секции, известный в данной области техники (при условии, что третья и первая секции теплообменника представляют собой секции теплообменника такого типа, который имеет холодную сторону, имеющую множество отдельных проходов через секцию).
[00126]
В этом варианте реализации изобретения второй поток охлажденного газообразного хладагента 160 не разделяется на первую и вторую части. Скорее, весь второй поток охлажденного газообразного хладагента 160 пропускают через и охлаждают на теплой стороне третьей секции теплообменника 198A, через отдельный проход на указанной теплой стороне относительно прохода, через который пропускают сырьевой поток природного газа 104, с получением дополнительного охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента 168, который затем разделяют для получения четвертого потока охлажденного газообразного хладагента 169 и третьего потока охлажденного газообразного хладагента 170. Далее, четвертый поток охлажденного газообразного хладагента 169 пропускают через и дополнительно охлаждают на теплой стороне первой секции теплообменника 198B и на теплой стороне второй секции теплообменника 198C, через отдельные проходы на указанной теплой стороне указанных первой и второй секций теплообменника 198B и 198C относительно проходов, через которые пропускают предварительно охлажденный сырьевой поток природного газа 105, причем четвертый поток по меньшей мере частично сжижается в указанных первой и/или второй секциях теплообменника 198B и 198C, таким образом, чтобы образовался жидкий или двухфазный поток хладагента 176.
[00127]
Второй поток расширенного холодного хладагента 180 пропускают через и нагревают, в свою очередь, на холодной стороне второй секции теплообменника 198C, первой секции теплообменника 198B и третьей секции теплообменника 198A, тем самым обеспечивая холодопроизводительность и режим охлаждения для переохлаждения потока сжиженного природного газа, сжижения предварительно охлажденного сырьевого потока природного газа 105, охлаждения четвертого потока охлажденного газообразного хладагента 169, предварительного охлаждения потока природного газа 104 и охлаждения второго потока охлажденного газообразного хладагента 160; причем второй поток расширенного холодного хладагента 180, таким образом, нагревается и испаряется с образованием второго потока нагретого газообразного хладагента 173, который затем сжимают в системе сжатия хладагента 136. Третий поток расширенного холодного хладагента 174 пропускают через и нагревают на холодной стороне первой секции теплообменника 198B, через отдельный проход на холодной стороне указанной секции относительно прохода, через который пропускают второй поток расширенного холодного хладагента, тем самым обеспечивая дополнительную холодопроизводительность и режим охлаждения для сжижения предварительно охлажденного сырьевого потока природного газа 105 и охлаждения четвертого потока охлажденного газообразного хладагента 169. Получающийся в результате нагретый поток 184 третьего потока расширенного холодного хладагента, выходящий с теплого конца холодной стороны первой секции теплообменника 198B, далее смешивают с первым потоком расширенного холодного хладагента 166 с получением смешанного потока расширенного холодного хладагента 185. Смешанный поток расширенного холодного хладагента 185 затем пропускают через и нагревают на холодной стороне третьей секции теплообменника 198А, используя отдельный проход на холодной стороне указанной секции относительно прохода, через который пропускают второй поток расширенного холодного хладагента, обеспечивая тем самым дополнительную холодопроизводительность и режим охлаждения для предварительного охлаждения потока природного газа 104 и охлаждения второго потока охлажденного газообразного хладагента 160; таким образом, смешанный поток расширенного холодного хладагента 185 нагревается с образованием первого потока нагретого газообразного хладагента 131, который затем сжимают в системе сжатия хладагента 136.
[00128]
В альтернативном варианте реализации изобретения и вариации Фиг. 8, третий поток охлажденного газообразного хладагента 170 расширяется во втором турбодетандере 172 до третьего давления, которое отличается от первого давления и второго давления, причем третье давление ниже первого давления, но выше второго давления, а нагретый поток 184 третьего потока расширенного холодного хладагента, выходящий с теплого конца холодной стороны первой секции теплообменника 198B, не смешивается с первым потоком расширенного холодного хладагента 166 на холодной стороне третьей секции теплообменника 198A. В этой схеме размещения третья секция теплообменника 198А имеет холодную сторону, которая имеет по меньшей мере три отдельных прохода через секцию, причем второй, первый и третий потоки расширенного холодного хладагента проходят по отдельности через третью секцию теплообменника 198А, таким образом, что образуются три отдельных потока нагретого газообразного хладагента при трех отдельных значениях давления, которые затем вводятся в систему сжатия хладагента 136 компрессорной линии в трех местах c разным давлением.
[00129]
Этот вариант реализации изобретения обладает преимуществами, связанными с вариантом реализации изобретения в соответствии с Фиг. 7, включает в себя меньшее количество теплообменников и является жизнеспособной возможностью для установок с ограничением максимума нагрузки. Однако, при этом преимущества использования секций витого теплообменника теряются, что, в частности, приводит к увеличению площади, занимаемой установкой.
[00130]
В вышеописанных вариантах реализации изобретения, представленных в данном документе, потребность во внешних хладагентах может быть минимизирована, поскольку вся холодопроизводительность для сжижения и переохлаждения природного газа обеспечивается хладагентом, который содержит метан или смесь метана и азота. Метан (и, как правило, немного азота) будет доступен на месте из сырьевого природного газа, тогда как азот, который может быть добавлен к хладагенту с целью дополнительного повышения эффективности, можно генерировать на месте из воздуха.
[00131]
С целью дальнейшего повышения эффективности, в описанных выше циклах охлаждения дополнительно используют несколько холодных потоков хладагента при различных значениях давления, причем один или большее количество потоков холодного газообразного или преимущественно газообразного хладагента, производимых одним или большим количеством турбодетандеров, используются с целью обеспечения холодопроизводительности для сжижения и, необязательно, предварительного охлаждения природного газа, и, при этом, двухфазный поток холодного хладагента, создаваемый клапаном J-T, обеспечивает холодопроизводительность для переохлаждения природного газа.
[00132]
Во всех вариантах реализации изобретения, представленных в данном документе, входной и выходной потоки из секций теплообменника могут быть боковыми потоками, отводимыми частично в процессе охлаждения или нагревания. Например, на Фиг. 3 смешанный поток 171 и/или первый поток расширенного холодного хладагента 166 могут быть боковыми потоками в третьей секции теплообменника 197. Кроме того, во всех вариантах реализации изобретения, представленных в данном документе, может быть задействовано любое количество ступеней расширения газовой фазы.
[00133]
Любые и все компоненты систем сжижения, описанных в данном документе, могут быть изготовлены обычными методами или при помощи аддитивного производства.
ПРИМЕР 1
[00100]
В этом примере был смоделирован способ сжижения сырьевого потока природного газа, описанный и проиллюстрированный на Фиг. 3. Результаты приведены в Табл. 1, причем использованы ссылочные позиции в соответствии с Фиг. 3.
[00101]
Таблица 1:
<b>Ссыл. №</b>
<b>Темп., F</b>
<b>Темп., C</b>
<b>Давление, фунт/кв. дюйм, абс.</b>
<b>Давление, бар абсолютного давления</b>
<b>Расход, фунт-моль/</b><b>час</b>
<b>Расход, кг-моль/</b><b>час</b>
<b>Фракция паров</b>
<b>104</b>
108
42
814
56
16000
7257
1
<b>105</b>
-44
-42
809
56
16000
7257
1
<b>106</b>
-245
-154
709
49
16000
7257
0
<b>131</b>
96
36
387
27
31372
14230
1
<b>142</b>
218
103
721
50
92303
41868
1
<b>155</b>
210
99
1257
87
92303
41868
1
<b>158</b>
102
39
1250
86
92303
41868
1
<b>160</b>
102
39
1250
86
60931
27638
1
<b>166</b>
-34
-36
394
27
31372
14230
1
<b>168</b>
-44
-42
1245
86
60931
27638
1
<b>169</b>
-44
-42
1245
86
4697
2131
1
<b>171</b>
-65
-54
175
12
60931
27638
1
<b>173</b>
96
36
170
12
60931
27638
1
<b>174</b>
-207
-133
182
13
56233
25507
1
<b>176</b>
-245
-154
1145
79
4697
2131
0
<b>180</b>
-248
-156
184
13
4697
2131
0,05
[00102]
В этом примере, циркулирующий хладагент (представленный потоком охлажденного сжатого газообразного хладагента 158) содержит 54 молярных % азота и 46 молярных % метана. Соотношение хладагента, которое обеспечивает испарительное охлаждение, составляет 0,05. Давление первого потока расширенного холодного хладагента 166 выше, чем давление третьего потока расширенного холодного хладагента 174. Для сравнения, в схеме размещения из предшествующего уровня техники, проиллюстрированной на Фиг. 2, первый поток расширенного холодного хладагента 166, третий поток расширенного холодного хладагента 174 и второй поток расширенного холодного хладагента 180 находятся при сходном давлении около 15,5 бара абсолютного давления (225,5 фунт/кв. дюйм, абс.). Такое изменение давления в варианте реализации изобретения в соответствии с Фиг. 3 повышает эффективность способа в варианте реализации изобретения в соответствии с Фиг. 3 на около 5% по сравнению с эффективностью, соответствующей Фиг. 2 (предшествующий уровень техники).
[00103]
Дополнительно, этот пример применим к вариантам реализации изобретения в соответствии с Фиг. 5 и Фиг. 6, что дает преимущества, аналогичные проиллюстрированным в примере 1. Ссылаясь на вариант реализации изобретения в соответствии с Фиг. 5, вторая часть 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента составляет около 90% от второго потока охлажденного газообразного хладагента 160. Ссылаясь на вариант реализации изобретения в соответствии с Фиг. 6, вторая часть 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента составляет около 40% от второго потока охлажденного газообразного хладагента 160.
ПРИМЕР 2
[00104]
В этом примере был смоделирован способ сжижения сырьевого потока природного газа, описанный и проиллюстрированный на Фиг. 8. Результаты представлены в Табл. 2, причем использованы ссылочные позиции в соответствии с Фиг. 8.
[00105]
Таблица 2:
<b>Ссыл. №</b>
<b>Темп., F</b>
<b>Темп., C</b>
<b>Давление, фунт/кв. дюйм, абс.</b>
<b>Давление, бар абсолютного давления</b>
<b>Расход, фунт-моль/</b><b>час</b>
<b>Расход, кг-моль/</b><b>час</b>
<b>Фракция паров</b>
<b>104</b>
108
42
814
56
16000
7257
1
<b>105</b>
-59
-50
764
53
16000
7257
1
<b>106</b>
-245
-154
664
46
16000
7257
0
<b>131</b>
96
35
275
19
92742
42067
1
<b>142</b>
248
120
631
44
99503
45134
1
<b>155</b>
231
111
1257
87
99503
45134
1
<b>158</b>
102
39
1250
86
99503
45134
1
<b>160</b>
102
39
1250
86
66773
30288
1
<b>166</b>
-63
-53
282
19
32730
14846
1
<b>168</b>
-59
-50
1200
83
66773
30288
1
<b>169</b>
-59
-50
1200
83
6761
3067
1
<b>173</b>
96
35
125
9
6761
3067
1
<b>174</b>
-184
-120
287
20
60012
27221
1
<b>176</b>
-245
-154
1100
76
6761
3067
0
<b>180</b>
-248
-156
137
9
6761
3067
0,05
[00106]
В этом примере, циркулирующий хладагент (представленный охлажденным сжатым газообразным потоком 158) содержит 36 молярных % азота и 64 молярных % метана. Соотношение хладагента, которое обеспечивает испарительное охлаждение, составляет 0,07. Давление третьего потока расширенного холодного хладагента 174 выше, чем давление второго потока расширенного холодного хладагента 180. Такая разница давлений в варианте реализации изобретения в соответствии с Фиг. 8 повышает эффективность способа согласно варианту реализации изобретения в соответствии с Фиг. 8 на около 5% по сравнению с эффективностью, соответствующей Фиг. 2 (предшествующий уровень техники).
[00107]
Необходимо понимать, что изобретение не ограничивается деталями, описанными выше со ссылкой на предпочтительные варианты реализации изобретения, но что многочисленные модификации и вариации могут быть осуществлены без выхода за пределы сущности или объема данного изобретения, как определено в нижеследующей формуле изобретения.