УСТАНОВКА ДЛЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ОПТИМИЗИРОВАННУЮ СИСТЕМУ СО СМЕСЬЮ ХОЛОДИЛЬНЫХ АГЕНТОВ
INSTALLATION FOR LIQUEFIED NATURAL GAS USING OPTIMIZED SYSTEM WITH MIXTURE OF REFRIGERATING AGENTS

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
1. Область техники
[0001] Один или более вариантов выполнения настоящего изобретения в общем относятся к системам и способам для охлаждения потока сырьевого газа при помощи одного замкнутого контура со смесью холодильных агентов.
2. Описание предшествующего уровня техники
[0002] В последние годы природный газ стал широко применяться в качестве источника топлива. Помимо его свойств полного сгорания и удобства развитие технологий разведки и производства позволили получить доступ к ранее недосягаемым запасам газа. Поскольку множество из этих ранее недосягаемых источников природного газа удалены и не соединены с коммерческими рынками или инфраструктурой посредством трубопровода, криогенное сжижение природного газа для транспортировки и хранения имеет все возрастающее значение. Кроме того, сжижение обеспечивает длительное хранение природного газа, что может помочь нейтрализовать периодические колебания предложения и спроса.
[0003] Несколько способов сжижения природного газа используются в настоящее время. Хотя конкретная конфигурация и/или функционирование каждой установки может различаться, например, в зависимости от типа используемой холодильной системы, скорости и состава сырьевого газа и других факторов, большинство коммерческих установок в общем включают в себя аналогичные основные компоненты. Например, большинство установок обычно включают в себя зону предварительной обработки для удаления одной или более примесей из поступающего потока газа, зону сжижения для сжижения потока газа, холодильную систему для обеспечения охлаждения зоны сжижения и зону хранения и/или погрузки для приема, хранения и перемещения готового сжиженного продукта. В целом стоимость возведения и эксплуатации данных установок может значительно различаться, но в общем стоимость участка охлаждения на заводе может насчитывать до 30 процентов или более от общей стоимости установки.
[0004] Таким образом, существует потребность в оптимизированной холодильной системе, выполненной с возможностью эффективного производства сжиженного газового продукта с требуемой производительностью, но с наименьшим количеством оборудования. Предпочтительно, холодильная система будет как надежной, так и эксплуатационно гибкой, для того чтобы работать с изменениями в составе сырьевого газа и скорости потока, в то же время по-прежнему требуя минимальных капитальных затрат и функционируя с наименьшими возможными издержками.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Один вариант выполнения настоящего изобретения касается способа производства сжиженного природного газа (СПГ). Способ содержит следующие этапы: (a) охлаждение потока природного газа в первом теплообменнике для обеспечения охлажденного потока природного газа; (b) сжатие потока смеси холодильных агентов для обеспечения сжатого потока холодильного агента; (c) охлаждение и по меньшей мере частичное конденсирование сжатого потока холодильного агента для обеспечения двухфазного потока холодильного агента; (d) разделение двухфазного потока холодильного агента на первый поток пара холодильного агента и первый поток жидкого холодильного агента в первом парожидкостном сепараторе; (e) объединение по меньшей мере части первого потока пара холодильного агента, отведенного из первого парожидкостного сепаратора, с по меньшей мере частью первого потока жидкого холодильного агента для обеспечения объединенного потока холодильного агента; (f) охлаждение по меньшей мере части объединенного потока холодильного агента для обеспечения объединенного, охлажденного потока холодильного агента; (g) разделение объединенного, охлажденного потока холодильного агента на второй поток пара холодильного агента и второй поток жидкого холодильного агента во втором парожидкостном сепараторе; (h) разделение второго потока жидкого холодильного агента на первую жидкую фракцию холодильного агента и вторую жидкую фракцию холодильного агента; (i) охлаждение по меньшей мере части из первой и второй жидких фракций холодильного агента для обеспечения соответствующих первой и второй охлажденных жидких фракций холодильного агента; и (j) введение первой и второй охлажденных жидких фракций холодильного агента в отдельные впускные отверстия первого теплообменника, в котором первая и вторая охлажденные жидкие фракции холодильного агента используются для выполнения по меньшей мере части охлаждения на этапе (a).
[0006] Другой вариант выполнения настоящего изобретения касается способа производства потока сжиженного газа. Способ содержит следующие этапы: (a) сжатие потока смеси холодильных агентов на первой ступени сжатия компрессора для обеспечения первого сжатого потока холодильного агента; (b) охлаждение и по меньшей мере частичное конденсирование первого сжатого потока холодильного агента для обеспечения охлажденного, сжатого потока холодильного агента; (c) разделение охлажденного, сжатого потока холодильного агента на первый поток пара холодильного агента и первый поток жидкого холодильного агента; (d) сжатие первого потока пара холодильного агента на второй ступени сжатия компрессора для обеспечения второго сжатого потока холодильного агента; (e) охлаждение и по меньшей мере частичное конденсирование по меньшей мере части второго сжатого потока холодильного агента для обеспечения частично конденсированного потока холодильного агента; (f) разделение частично конденсированного холодильного агента на второй поток пара холодильного агента, второй поток жидкого холодильного агента и третий поток жидкого холодильного агента; (g) охлаждение второго и третьего потоков жидкого холодильного агента для обеспечения соответствующих второго и третьего охлажденных потоков жидкого холодильного агента; (h) дросселирование по меньшей мере одного из второго и третьего охлажденных потоков жидкого холодильного агента для обеспечения по меньшей мере одного охлажденного, дросселированного потока холодильного агента; (i) охлаждение потока сырьевого газа посредством косвенного теплообмена с по меньшей мере одним охлажденным, дросселированным потоком холодильного агента для обеспечения охлажденного потока сырьевого газа и по меньшей мере одного нагретого потока холодильного агента.
[0007] Еще один вариант выполнения настоящего изобретения касается системы для охлаждения потока природного газа. Система содержит первый теплообменник для охлаждения сырьевого потока природного газа. Первый теплообменник содержит первый охлаждающий канал, имеющий впускное отверстие для сырьевого газа и выпускное отверстие для холодного природного газа, второй охлаждающий канал для приема и охлаждения первого потока жидкого холодильного агента, в котором второй охлаждающий канал имеет первое впускное отверстие для теплого холодильного агента и первое выпускное отверстие для холодного холодильного агента; третий охлаждающий канал для приема и охлаждения второго потока жидкого холодильного агента, в котором третий охлаждающий канал имеет второе впускное отверстие для теплого холодильного агента и второе выпускное отверстие для холодного холодильного агента; первый нагревающий канал для приема и нагрева первого потока охлажденного холодильного агента, в котором первый нагревающий канал имеет первое впускное отверстие для холодного холодильного агента и первое выпускное отверстие для теплого холодильного агента; и второй нагревающий канал для приема и нагрева второго потока охлажденного жидкого холодильного агента, в котором второй нагревающий канал имеет второе впускное отверстие для холодного холодильного агента и второе выпускное отверстие для теплого холодильного агента. Первое выпускное отверстие для холодного холодильного агента второго охлаждающего канала сообщается по потоку текучей среды с первым впускным отверстием для холодного холодильного агента первого нагревающего канала, и второе выпускное отверстие для холодного холодильного агента третьего охлаждающего канала сообщается по потоку текучей среды со вторым впускным отверстием для холодного холодильного агента второго нагревающего канала. Система также содержит по меньшей мере один компрессор для приема и сжатия потока смеси холодильных агентов. Компрессор имеет впускное отверстие на стороне низкого давления и выпускное отверстие на стороне высокого давления, и впускное отверстие на стороне низкого давления сообщается по потоку текучей среды с по меньшей мере одним из первого выпускного отверстия для теплого холодильного агента первого нагревающего канала и второго выпускного отверстия для теплого холодильного агента второго нагревающего канала. Система также содержит первый охладитель для охлаждения сжатого потока смеси холодильных агентов. Первый охладитель имеет первое впускное отверстие для теплой текучей среды и первое выпускное отверстие для холодной текучей среды, и первое впускное отверстие для теплой текучей среды сообщается по потоку текучей среды с выпускным отверстием на стороне высокого давления компрессора. Система также содержит первый парожидкостный сепаратор для разделения части охлажденного потока холодильного агента. Парожидкостный сепаратор содержит первое впускное отверстие для текучей среды, первое выпускное отверстие для пара и первое выпускное отверстие для жидкости, и первое впускное отверстие для текучей среды первого парожидкостного сепаратора сообщается по потоку текучей среды с первым выпускным отверстием для холодной текучей среды первого охладителя. Система также содержит первый жидкостный трубопровод для перемещения по меньшей мере части жидкости, выходящей из первого парожидкостного сепаратора. Первый жидкостный трубопровод имеет впускное отверстие для жидкого холодильного агента и пару выпускных отверстий для жидкого холодильного агента. Впускное отверстие для жидкого холодильного агента сообщается по потоку текучей среды с первым выпускным отверстием для жидкости первого парожидкостного сепаратора. Одно из пары выпускных отверстий для жидкого холодильного агента сообщается по потоку текучей среды с первым впускным отверстием для теплого холодильного агента второго охлаждающего канала, и другое из пары выпускных отверстий для жидкого холодильного агента сообщается по потоку текучей среды со вторым впускным отверстием для теплого холодильного агента третьего охлаждающего канала.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] Различные варианты выполнения настоящего изобретения описаны подробно ниже со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
[0009] ФИГ. 1 обеспечивает схематичное изображение установки для сжиженного природного газа (СПГ), выполненной согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения, в частности изображая оптимизированную систему со смесью холодильных агентов;
[0010] ФИГ. 2 обеспечивает схематичное изображение установки, для сжиженного природного газа (СПГ), выполненной согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения, аналогичного варианту выполнения, изображенному на ФИГ. 1, но включающему в себя способ повторного использования жидких холодильных агентов; и
[0011] ФИГ. 3 обеспечивает схематичное изображение установки для сжиженного природного газа (СПГ), выполненной согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения, аналогичному варианту выполнения, изображенному на ФИГ. 1, но включающему в себя другой способ повторного использования жидких холодильных агентов.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0012] Следующее подробное описание вариантов выполнения изобретения ссылается на сопровождающие чертежи. Варианты выполнения описывают аспекты изобретения достаточно подробно, чтобы позволить специалистам в данной области техники практически осуществить изобретение. Другие варианты выполнения могут быть использованы и изменения могут быть выполнены без отступления от объема формулы изобретения. Следовательно, следующее подробное описание не является ограничивающим. Объем настоящего изобретения определен только пунктами прилагаемой формулы изобретения, вместе с полным объемом эквивалентов, для которых такие пункты формулы изобретения являются основанием.
[0013] Настоящее изобретение в общем относится к способам и системам для сжижения сырьевого потока природного газа, чтобы таким образом обеспечить продукт из сжиженного природного газа (СПГ). В частности, настоящее изобретение относится к оптимизированным способам охлаждения и системам для охлаждения поступающего газа. Как описано более подробно ниже, поступающий поток сырьевого газа может быть охлажден и по меньшей мере частично конденсирован при помощи замкнутой холодильной системы, используя одну смесь холодильных агентов. Согласно различным вариантам выполнения настоящего изобретения холодильная система может быть оптимизирована для обеспечения эффективного охлаждения для потока сырьевого газа, в то же время уменьшая расходы, связанные с оборудованием, и эксплуатационные расходы на установку.
[0014] Ссылаясь сначала на ФИГ. 1, один вариант выполнения установки 10 для производства СПГ изображен содержащим замкнутую холодильную систему 12 со смесью холодильных агентов и зону 14 газоотделения. Как показано на ФИГ. 1, поступающий поток сырьевого газа в трубопроводе 110 может быть охлажден и по меньшей мере частично конденсирован в первичном теплообменнике 16 контура 12 охлаждения до разделения и дополнительного охлаждения в зоне 14 газоотделения, чтобы обеспечить СПГ продукт. Дополнительные детали в отношении конфигурации и функционирования установки 10 для СПГ согласно различным вариантам выполнения настоящего изобретения описаны ниже со ссылкой на ФИГ. 1.
[0015] Как показано на ФИГ. 1, поток сырьевого газа может быть введен в установку 10 для СПГ посредством трубопровода 110. Поступающий поток газа в трубопроводе 110 может являться любым потоком газа, требующим охлаждения, и в некоторых вариантах выполнения может являться сырьевым потоком природного газа, поступающим из одного или более источников газа (не показаны). Примеры подходящих источников газа могут включать в себя, но не ограничены ими, природные источники, такие как подземные образования и скважины для добычи нефти, и/или очистные устройства, такие как установки каталитического крекинга в кипящем слое, установки для производства нефтяного кокса или установки для переработки тяжелой нефти, такие как установки для обогащения нефтяных песков. В зависимости от происхождения и состава потока сырьевого газа, установка 10 для СПГ может включать в себя один или более дополнительных обрабатывающих блоков или зон (не показаны) ближе по ходу первичного теплообменника 16 для удаления нежелательных компонентов, таких как вода, сера, ртуть, азот и тяжелые (C6+) углеводородные материалы, из потока сырьевого газа перед его сжижением.
[0016] Согласно одному варианту выполнения, потока сырьевого газа в трубопроводе 110 может содержать по меньшей мере около 65, по меньшей мере около 75, по меньшей мере около 85, по меньшей мере около 95, по меньшей мере 99 весовых процентов метана, на основе общего веса потока. Обычно более тяжелые компоненты, такие как C2, C3 и более тяжелые углеводороды, и незначительное количество компонентов, таких как водород и азот, могут обеспечивать баланс состава потока сырьевого газа. Как описывалось ранее, поток в трубопроводе 110 может быть подвергнут одному или более этапам предварительной обработки, чтобы уменьшить количество или удалить один или более компонентов, отличных от метана, из потока сырьевого газа. В одном варианте выполнения поток сырьевого газа в трубопроводе 110 содержит менее около 25, менее около 20, менее около 15, менее около 10 или менее около 5 процентов компонентов, отличных от метана. В зависимости от источника и состава потока сырьевого газа, нежелательные компоненты, удаленные на этапе предварительной обработки, могут включать в себя, но не ограничены ими, воду, ртуть, соединения серы и другие материалы.
[0017] Как показано на ФИГ. 1, поток сырьевого газа в трубопроводе 110 может быть введен в первый охлаждающий канал 18 первичного теплообменника 16, в котором поток может быть охлажден и по меньшей мере частично конденсирован посредством косвенного теплообмена с по меньшей мере одним, описанным ниже, потоком из смеси холодильных агентов. Термины, такие как ʺпервыйʺ, ʺвторойʺ и ʺтретийʺ, используются здесь и в прилагаемой формуле изобретения, чтобы описать различные элементы систем и способов настоящего изобретения, и такие элементы не ограничены этими терминами. Эти термины используются только для отличия одного элемента от другого и необязательно подразумевают конкретный порядок или даже конкретный элемент. Например, элемент может быть рассмотрен в качестве ʺпервогоʺ элемента в описании и ʺвторого элементаʺ в формуле изобретения без отступления от объема настоящего изобретения. Согласованность поддерживается в пределах описания и каждого независимого пункта формулы изобретения, но такое обозначение необязательно согласовано между ними.
[0018] Первичный теплообменник 16, показанный на ФИГ. 1, может являться теплообменником любого типа или рядом теплообменников, выполненных с возможностью охлаждения и по меньшей мере частичного конденсирования потока сырьевого газа в трубопроводе 110. Например, в некоторых вариантах выполнения первичный теплообменник 16 может являться паяным алюминиевым теплообменником, содержащим множество нагревающих и охлаждающих каналов (например сердцевин), расположенных внутри теплообменника, выполненного с возможностью упрощения косвенного теплообмена между одним или более технологическими потоками и одним или более потоками холодильного агента. В некоторых вариантах выполнения один или более нагревающих и/или охлаждающих каналов могут быть поочередно образованы между множеством пластин, расположенных внутри внешней ʺоболочкиʺ теплообменника 16. Ясно, что, хотя в общем на ФИГ. 1 первичный теплообменник 16 изображен содержащим одну оболочку, он может в некоторых вариантах выполнения содержать две или более отдельных оболочек, возможно, охваченных ʺтеплоизолированным кожухомʺ, чтобы уменьшить тепловые потери в окружающую среду. Другие типы или конфигурации первичного теплообменника 16 также могут подходить и лежат в пределах объема настоящего изобретения.
[0019] Возвращаясь к ФИГ. 1, охлажденный, двухфазный поток, отведенный из охлаждающего канала 18 первичного теплообменника 16 посредством трубопровода 112, может впоследствии быть введен в парожидкостный сепаратор 20. Сепаратор 20 может являться емкостью для парожидкостной сепарации любого подходящего типа и может включать в себя любое количество фактических или теоретических ступеней сепарации. В одном варианте выполнения емкость для парожидкостной сепарации может содержать одну ступень сепарации, в то время как в других вариантах выполнения емкость 20 для сепарации может включать в себя по меньшей мере около 2, по меньшей мере около 5, по меньшей мере около 10 и/или не более около 50, не более около 40, не более около 25 фактических или теоретических ступеней сепарации. Сепаратор 20 может включать в себя внутренние устройства колонны любого подходящего типа, включая в себя, например, туманоуловители, сетчатые прокладки, парожидкостные контактные тарелки, неупорядоченную насадку и/или структурированную насадку, для того чтобы упростить тепло- и/или массообмен между потоками пара и жидкости. В некоторых вариантах выполнения, когда сепаратор 20 содержит емкость для одноступенчатой сепарации, может быть использовано малое количество или ни одного внутреннего устройства колонны. Дополнительно, зона 14 газоотделения может включать в себя одну или более других емкостей для сепарации (не показаны), расположенных параллельно или последовательно с сепаратором 20. Когда зона 14 газоотделения включает в себя один или более дополнительных парожидкостных сепараторов, каждый из дополнительных сепараторов может быть выполнен аналогично или отлично от сепаратора 20.
[0020] Как показано на ФИГ. 1, сепаратор 20 может разделить двухфазный поток текучей среды в трубопроводе 112 на поток отводимого сверху пара в трубопроводе 114 и поток отводимой снизу жидкости в трубопроводе 116. Обычно поток отводимого сверху пара, отведенный из сепаратора 20 посредством трубопровода 114, может быть обогащен метаном и более легкими компонентами, в то время как поток отводимой снизу жидкости в трубопроводе 116 может быть обеднен метаном и обогащен одним или более тяжелыми компонентами, такими как этан, пропан и другие. В некоторых вариантах выполнения поток отводимой снизу жидкости в трубопроводе 116 может быть извлечен в виде отдельного потока продукта газоконденсатных жидкостей (ГСЖ) и может быть подвержен дополнительной обработке и/или сепарации (не показаны) дальше по ходу.
[0021] Как показано в одном варианте выполнения, изображенном на ФИГ. 1, поток отводимого сверху пара, отведенный из сепаратора 20 посредством трубопровода 114, может направляться во второй канал 22 охлаждения природного газа первичного теплообменника 16. В охлаждающем канале 22 поток охлажденного газа может быть дополнительно охлажден, конденсирован и, возможно, вспомогательно охлажден посредством косвенного теплообмена с одним или более описанными ниже потоками холодильного агента. Как показано на ФИГ. 1, получаемый поток вспомогательно охлажденного СПГ продукта может быть отведен из первичного теплообменника 16 посредством трубопровода 118. В некоторых вариантах выполнения поток СПГ продукта в трубопроводе 118 может иметь температуру в диапазоне от около -200°F до около -290°F, от около -220°F до около -280°F или от около -240°F до около -275°F и/или давление менее около 50 фунт/кв. дюйм, менее около 40 фунт/кв. дюйм, менее около 30 фунт/кв. дюйм или менее около 20 фунт/кв. дюйм. Хотя не изображено на ФИГ. 1, установка 10 для СПГ также может включать в себя дополнительные блоки обработки и/или установки для хранения дальше по ходу первичного теплообменника 16 для дальнейшей обработки, сепарации и/или хранения потока СПГ продукта в трубопроводе 118. В некоторых вариантах выполнения по меньшей мере часть СПГ продукта может быть перемещена из установки 10 для СПГ к одной или более отдельным установкам (не показаны) для последующего хранения, обработки и/или использования.
[0022] Возвращаясь теперь к варианту выполнения холодильной системы 12 установки 10 для СПГ, изображенной на ФИГ. 1, контур 12 охлаждения, показанный в общем, включает в себя вакуумный барабан 28 для холодильного агента, многоступенчатый компрессор 30 для холодильного агента, промежуточный охладитель 32, промежуточный накопитель 34, промежуточный насос 36 для холодильного агента, конденсатор 38 холодильного агента, накопитель 40 холодильного агента и насос 42 для холодильного агента. Дополнительно, холодильная система 12 включает в себя пару охлаждающих каналов 52 и 58 для холодильного агента и пару нагревающих каналов 56 и 62 для холодильного агента, причем каждый имеет дросселирующее устройство 54 и 60, соответственно расположенное между охлаждающим каналом 52 и нагревающим каналом 56 и охлаждающим каналом 58 и нагревающим каналом 62.
[0023] Согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения холодильный агент, используемый в замкнутом контуре 12 охлаждения, может являться смесью холодильных агентов. В данном контексте термин ʺсмесь холодильных агентовʺ относится к составу холодильного агента, содержащему два или более компонентов. В одном варианте выполнения смесь холодильных агентов, используемая контуром 12 охлаждения, может являться одной смесью холодильных агентов и может содержать два или более компонентов, выбранных из группы, состоящей из метана, этилена, этана, пропилена, пропана, изобутана, н-бутана, изопентана, н-пентана и их комбинаций. В некоторых вариантах выполнения состав холодильного агента может содержать метан, этан, пропан, нормальный бутан и изопентан и может исключать некоторые компоненты, включающие в себя, например, азот или галогенизированные углеводороды. Согласно вариантам выполнения настоящего изобретения предполагаются различные конкретные составы холодильных агентов. Таблица 1 ниже обобщает широкий, промежуточный и узкий диапазоны для нескольких примеров компонентов, которые могут быть использованы в смесях холодильных агентов, подходящих для использования в контуре 12 охлаждения, согласно различным вариантам выполнения настоящего изобретения.
Таблица 1: Примеры составов смеси холодильных агентов
Компонент
Широкий диапазон,мол. %
Промежуточный диапазон,мол. %
Узкий диапазон, мол. %
метан
0-50
5-40
10-30
этилен
0-50
5-40
10-30
этан
0-50
5-40
10-30
пропилен
0-50
5-40
5-30
пропан
0-50
5-40
5-30
изобутан
0-10
0-5
0-2
н-бутан
0-25
1-20
5-15
изопентан
0-30
1-20
2-15
н-пентан
0-10
0-5
0-2
азот
0-30
0-25
0-20
[0024] В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения может быть желательным изменить состав смеси холодильных агентов, чтобы таким образом изменить ее кривую охлаждения и, следовательно, ее потенциал охлаждения. Такая модификация может быть использована для компенсации, например, изменения состава и/или скорости потока сырьевого газа, вводимого в установку 10 для СПГ. В одном варианте выполнения состав смеси холодильных агентов может быть изменен так, чтобы кривая нагрева испаряющегося холодильного агента более точно совпадала с кривой охлаждения потока сырьевого газа. Один способ для такого совмещения кривых подробно описан в патенте США № 4033735, описание которого включено сюда путем ссылки во всей полноте и в пределах, не противоречащих настоящему описанию. В некоторых вариантах выполнения возможность изменить состав и, следовательно, кривую нагрева холодильного агента обеспечивает повышенную гибкость и эксплуатационные качества установки, позволяя ей принять и эффективно обработать сырьевые потоки, имеющие более широкое разнообразие составов газа.
[0025] Ссылаясь вновь на контур 12 охлаждения, показанный в варианте выполнения установки 10 на ФИГ. 1, поток смеси холодильных агентов в трубопроводе 120 может быть введен во впускное отверстие для текучей среды вакуумного барабана 28 для холодильного агента, в котором любая присутствующая жидкость может быть отделена от парообразной фазы. Тогда жидкости, когда присутствуют, могут быть отведены из нижнего выпускного отверстия для жидкости вакуумного барабана 28 и могут быть возвращены обратно в циркуляционную систему (не показана). Как показано на ФИГ. 1, парофазный поток смеси холодильных агентов может быть отведен из верхнего выпускного отверстия для пара вакуумного барабана 28 и направлен к впускному отверстию на стороне низкого давления ступени 44 сжатия низкого давления многоступенчатого компрессора 30. Многоступенчатый компрессор 30 может являться компрессором любого типа, подходящего для повышения давления смеси холодильных агентов в замкнутом контуре 12 охлаждения со смесью холодильных агентов. Хотя на ФИГ. 1 изображен в общем содержащим две ступени сжатия, многоступенчатый компрессор 30 может включать в себя три или более ступеней в соответствии с другими вариантами выполнения настоящего изобретения.
[0026] Как показано на ФИГ. 1, поток сжатого холодильного агента, отведенный из выпускного отверстия на стороне промежуточного давления ступени 44 сжатия низкого давления компрессора 30 для холодильного агента посредством трубопровода 126, может быть направлен во впускное отверстие для теплой текучей среды промежуточного охладителя 32, в котором поток может быть охлажден и по меньшей мере частично конденсирован посредством косвенного теплообмена с по меньшей мере одним потоком холодильного агента (например, воздуха или охлаждающей воды). Затем получаемый двухфазный поток холодильного агента в трубопроводе 128 может быть направлен в промежуточный накопитель 34, в котором парообразная и жидкая фазы могут быть отделены. Как показано на ФИГ. 1, поток пара, отведенный из промежуточного накопителя 34 посредством трубопровода 132, может быть введен во впускное отверстие на стороне промежуточного давления ступени 46 сжатия высокого давления многоступенчатого компрессора, которая может быть соединена со ступенью 44 сжатия низкого давления посредством вала 48. На ступени 46 сжатия высокого давления поток смеси холодильных агентов может быть дополнительно сжат перед выпуском из выпускного отверстия на стороне высокого давления ступени 46 сжатия высокого давления в трубопровод 134. Дополнительно, как изображено в варианте выполнения, показанном на ФИГ. 1, давление жидкой части потока холодильного агента, отведенной из промежуточного накопителя 34 посредством трубопровода 130, может быть повышено посредством насоса 36 для холодильного агента до объединения с потоком сжатого холодильного агента в трубопроводе 134. В одном варианте выполнения давление потока жидкости, выпускаемого из насоса 36 для холодильного агента в трубопровод 136, может составлять в пределах около 100, в пределах около 50, в пределах около 20, в пределах около 10 или в пределах около 5 фунт/кв. дюйм давления потока пара в трубопроводе 134 перед объединением двух потоков.
[0027] Объединенный поток холодильного агента в трубопроводе 138 затем может быть введен в конденсатор 38 холодильного агента, в котором поток может быть охлажден и по меньшей мере частично конденсирован посредством косвенного теплообмена с потоком холодильного агента (например, охлаждающей водой). Получаемый охлажденный, по меньшей мере частично конденсированный поток холодильного агента в трубопроводе 140 затем может быть введен в накопитель 40 холодильного агента, в котором парообразная и жидкая фазы могут быть разделены. Как показано на ФИГ. 1, парофазный поток холодильного агента в трубопроводе 142 может быть отведен и объединен с описанным ниже потоком жидкого холодильного агента до введения в первичный теплообменник 16.
[0028] Согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения поток жидкого холодильного агента, отведенный из накопителя 40 холодильного агента посредством трубопровода 144, может быть сжат посредством насоса 36 для холодильного агента и получаемый поток, выпускаемый в трубопровод 146, может быть пропущен через делительное устройство 50, которое может быть выполнено с возможностью разделения сжатого жидкого холодильного агента на две отдельные части в трубопроводах 148 и 150. Как показано на ФИГ. 1, делительное устройство 50 не является парожидкостным сепаратором, но взамен может являться любым устройством, выполненным с возможностью разделения потока жидкости в трубопроводе 146 на два потока аналогичного состава и состояния. Скорости отдельных потоков в трубопроводах 148 и 150 могут быть аналогичными или различными. Например, в некоторых вариантах выполнения отношение массовой скорости потока в трубопроводе 148 к массовой скорости потока в трубопроводе 150 может составлять по меньшей мере около 0,5:1, по меньшей мере около 0,75:1, по меньшей мере около 0,95:1 и/или не более около 2:1, не более около 1,75:1, не более около 1,5:1, не более около 1,25:1. В том же или других вариантах выполнения отношение массовой скорости потока в трубопроводе 148 к массовой скорости потока в трубопроводе 150 может составлять приблизительно 1:1.
[0029] Как показано на ФИГ. 1, первая часть потока жидкого холодильного агента в трубопроводе 148 может быть объединена с парофазным потоком холодильного агента, отведенного из накопителя 40 холодильного агента в трубопровод 142. Количество пара и/или жидкости, вводимое в трубопроводы 142 и/или 148, может регулироваться для достижения требуемого соотношения пара и жидкости, вводимых в охлаждающий канал 58 для холодильного агента, расположенный внутри первичного теплообменника 16. В одном варианте выполнения объединенный поток, введенный в охлаждающий канал 58, может иметь паровую фракцию по меньшей мере около 0,45, по меньшей мере около 0,55, по меньшей мере около 0,65 и/или не более около 0,95, не более около 0,90, не более около 0,85. Хотя объединение изображено непосредственно перед введением в охлаждающий канал 58, ясно, что поток жидкости в трубопроводе 148 и парофазный поток холодильного агента в трубопроводе 142 могут быть альтернативно объединены внутри первичного теплообменника 16 или могут быть объединены в ином месте далее ближе по ходу теплообменника 16, так чтобы объединенный поток мог быть введен в охлаждающий канал 58 посредством общего трубопровода, внешнего по отношению к первичному теплообменнику 16 (вариант выполнения не показан на ФИГ. 1).
[0030] Как показано на ФИГ. 1, объединенный поток холодильного агента, введенный в первичный теплообменник 16, опускается вертикально вниз по охлаждающему каналу 58, в котором он может быть охлажден и конденсирован посредством косвенного теплообмена с одним или более потоками холодильного агента. Получаемый конденсированный и дополнительно охлажденный поток жидкости может быть отведен из нижнего участка первичного теплообменника 16 посредством трубопровода 158. Как показано на ФИГ. 1, поток жидкого холодильного агента в трубопроводе 158 затем может быть пропущен через дросселирующее устройство 60, в котором давление потока может быть уменьшено, чтобы таким образом испарить его часть. Получаемый охлажденный, двухфазный поток в трубопроводе 160 затем может быть введен в нагревающий канал 62 для холодильного агента, в котором поток может быть нагрет по мере того, как он поднимается вертикально вверх через первичный теплообменник 16. По мере нагрева восходящего потока холодильного агента он может обеспечить охлаждение одного или более охлаждаемых потоков, как описано ранее.
[0031] Согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения вторая часть потока жидкого холодильного агента, отведенная из накопителя 40 холодильного агента посредством трубопровода 150, может быть отдельно введена во второй охлаждающий канал 52 для холодильного агента, расположенный внутри первичного теплообменника 16. По мере того как поток жидкости перемещается вертикально вниз по охлаждающему каналу 52, он охлаждается и конденсируется посредством косвенного теплообмена с одним или более потоками холодильного агента. Получаемый поток жидкого холодильного агента, выходящий из охлаждающего канала 52 в трубопровод 152, затем может быть пропущен через дросселирующее устройство 54, в котором давление потока может быть уменьшено, чтобы таким образом испарить часть потока. Хотя в общем изображен в виде дроссельного клапана или клапана Джоуля-Томпсона (JT - ДТ) на ФИГ. 1, ясно, что дросселирующее устройство 54 может содержать любой подходящий тип детандера, включая в себя, например, отверстие Джоуля-Томпсона или турбодетандер (не показаны). Аналогично, дросселирующее устройство 54 может включать в себя, в некоторых вариантах выполнения, два или более дросселирующих устройств, расположенных параллельно или последовательно, выполненных с возможностью уменьшения давления потока жидкого холодильного агента в трубопроводе 152.
[0032] Получаемый охлажденный, двухфазный поток холодильного агента в трубопроводе 154 затем может быть повторно введен в другой нагревающий канал 56 для холодильного агента первичного теплообменника 16, в котором поток может быть нагрет, чтобы таким образом обеспечить охлаждение одного или более других потоков текучих сред, охлаждаемых в первичном теплообменнике 16, включая в себя поток холодильного агента в трубопроводах 150 и 158 в соответствующих охлаждающих каналах 52 и 58, сырьевой поток природного газа в трубопроводе 110 в охлаждающем канале 18 и/или отводимый сверху поток пара в трубопроводе 114 в охлаждающем канале 22.
[0033] Согласно одному варианту выполнения, изображенному на ФИГ. 1, общая длина охлаждающего канала 52 для холодильного агента может быть меньше общей длины охлаждающего канала 58 для холодильного агента. Следовательно, охлажденный поток холодильного агента, выходящий из охлаждающего канала 52 для холодильного агента посредством трубопровода 152, может быть отведен из более высокого положения по вертикали вдоль высоты первичного теплообменника 16, чем охлажденный поток холодильного агента, отведенный из охлаждающего канала 58 для холодильного агента. Например, в одном варианте выполнения, изображенном на ФИГ. 1, охлажденный поток холодильного агента, выходящий из охлаждающего канала 52 для холодильного агента, может быть отведен из средней по вертикали точки первичного теплообменника 16, в то время как охлажденный поток холодильного агента, выходящий из охлаждающего канала 58 для холодильного агента, может быть отведен из выпускного отверстия, расположенного вблизи нижнего по вертикали конца первичного теплообменника 16. Согласно одному варианту выполнения отношение общей длины охлаждающего канала 52 для холодильного агента к общей длине охлаждающего канала 58 для холодильного агента может составлять по меньшей мере около 0,15:1, по меньшей мере около 0,25:1, по меньшей мере около 0,35:1 и/или не более около 0,75:1, не более около 0,65:1, не более около 0,50:1 или в диапазоне от около 0,15:1 до около 0,75:1, от около 0,25:1 до около 0,65:1 или от около 0,25:1 до около 0,50:1. В том же или других вариантах выполнения отношение общей длины охлаждающего канала 52 для холодильного агента к общей высоте (то есть к вертикальному размеру) первичного теплообменника 16 может составлять по меньшей мере около 0,15:1, по меньшей мере около 0,25:1, по меньшей мере около 0,35:1 и/или не более около 0,75:1, не более около 0,65:1, не более около 0,55:1, в то время как отношение общей длины охлаждающего канала 58 к общей высоте первичного теплообменника 16 может составлять около 1:1.
[0034] Как показано на ФИГ. 1, первый нагретый поток смеси холодильных агентов, который может иметь паровую фракцию по меньшей мере около 0,85, по меньшей мере около 0,90, по меньшей мере около 0,95, может быть отведен из нагревающего канала 62 посредством трубопровода 162 и второй нагретый поток холодильного агента, имеющий аналогичную паровую фракцию, может быть отведен из нагревающего канала 58 посредством трубопровода 156. Согласно одному варианту выполнения, изображенному на ФИГ. 1, два потока нагретого потока холодильного агента затем могут быть объединены и полученный поток в трубопроводе 120 после этого может быть повторно использован во впускном отверстии вакуумного барабана 28 для холодильного агента, как описано подробно ранее.
[0035] Возвращаясь теперь к ФИГ. 2, показан другой вариант выполнения установки 10 для СПГ. Вариант выполнения установки 10 для СПГ, показанной на ФИГ. 2, аналогичен варианту выполнения, изображенному на ФИГ. 1, но включает в себя другую конфигурацию различных компонентов холодильной системы 12. Основные компоненты установки 10 для СПГ, показанной на ФИГ. 2, пронумерованы так же, как компоненты, изображенные на ФИГ. 1. Работа установки 10 для СПГ, изображенной на ФИГ. 2, поскольку она отличается от работы, описанной ранее в отношении ФИГ. 1, будет теперь описана подробно ниже.
[0036] Как показано на ФИГ. 2, поток смеси холодильных агентов в трубопроводе 120, введенный в вакуумный барабан 28 для холодильного агента, может быть разделен на отводимый сверху поток пара в трубопроводе 124 и отводимый снизу поток жидкости в трубопроводе 122. Согласно варианту выполнения, изображенному на ФИГ. 2, отводимый снизу поток жидкости в трубопроводе 122, отведенный из вакуумного барабана 28 для холодильного агента, может быть сжат посредством насоса 64 для холодильного агента и получаемый поток в трубопроводе 123 затем может быть объединен с двухфазным потоком холодильного агента в трубопроводе 138. После этого, объединенный поток холодильного агента в трубопроводе 138 может быть введен в конденсатор 38 холодильного агента и получаемый охлажденный поток затем может пройти через остальные части контура 12 охлаждения, как описано подробно ранее в отношении ФИГ. 1. В одном варианте выполнения (не показан на ФИГ. 2), может быть возможным объединение сжатого отводимого снизу потока жидкости в трубопроводе 123 со сжатым потоком пара холодильного агента, выходящим из ступени 46 сжатия высокого давления в трубопроводе 134, чтобы образовать объединенный поток, который впоследствии может быть объединен со сжатым жидкофазным потоком холодильного агента, выпускаемым из промежуточного насоса 36 в трубопроводе 136.
[0037] Согласно одному варианту выполнения дополнительный насос 64 для холодильного агента в нижнем жидкостном трубопроводе 122 вакуумного барабана 28 для холодильного агента может позволить контуру 12 охлаждения использовать холодильные агенты, имеющие другие составы, чем холодильные агенты, подходящие для использования в варианте выполнения установки 10 для СПГ, показанной на ФИГ. 1. В частности, применение трубопровода 123 повторного использования охлаждающей жидкости, как показано в варианте выполнения установки 10 для СПГ, изображенной на ФИГ. 2, может позволить контуру 12 охлаждения использовать смесь холодильных агентов, которая включает в себя более высокую концентрацию тяжелых углеводородов, чем смесь холодильных агентов, использованная в установке 10 для СПГ, показанной на ФИГ. 1. Как описано ранее, может быть желательным изменить состав смеси холодильных агентов, применяемой в контуре 12 охлаждения, чтобы, например, компенсировать изменения в составе потока сырьевого газа и чтобы кривая нагрева смеси холодильных агентов более точно совпадала с кривой охлаждения потока природного газа. В некоторых вариантах выполнения возможность использования смеси холодильных агентов различного состава, включая в себя эти составы холодильного агента, включающие в себя более высокое количество более тяжелых компонентов, может обеспечивать еще большую эксплуатационную гибкость СПГ установок, выполненных согласно вариантам выполнения настоящего изобретения.
[0038] Возвращаясь теперь к ФИГ. 3, показан еще один вариант выполнения установки 10 для СПГ. Вариант выполнения установки 10 для СПГ, показанной на ФИГ. 3, аналогичен варианту выполнения, изображенному на ФИГ. 1, но включает в себя другую конфигурацию различных компонентов холодильной системы 12. Основные компоненты установки 10 для СПГ, показанной на ФИГ. 3, пронумерованы так же, как компоненты, изображенные на ФИГ. 1. Работа установки 10 для СПГ, изображенной на ФИГ. 3, поскольку она отличается от работы, описанной ранее в отношении ФИГ. 1, будет теперь описана.
[0039] Как показано на ФИГ. 3, два потока нагретой смеси холодильных агентов могут быть отведены из нагревающего канала 56 для холодильного агента и нагревающего канала 62 для холодильного агента посредством соответствующих трубопроводов 156 и 162. Вместо объединения, как показано в варианте выполнения, изображенном на ФИГ. 1, нагретые потоки холодильного агента в трубопроводах 156 и 162 остаются разделенными, как показано в варианте выполнения установки 10 для СПГ, показанной на ФИГ. 3. Как показано на ФИГ. 3, нагретый поток пара холодильного агента в трубопроводе 156, который может иметь температуру, которая на по меньшей мере около 25°F, по меньшей мере около 50°F, по меньшей мере около 75°F и/или не более около 150°F, не более около 125°F, не более около 100°F теплее потока пара холодильного агента в трубопроводе 162, может быть направлен к впускному отверстию для текучей среды сепаратора 68 холодильного агента, в котором парообразная и жидкая части могут быть отделены друг от друга. Сепаратором 68 для холодильного агента может являться любой подходящий тип парожидкостного сепаратора и может, возможно, включать в себя одно или более внутренних устройств колонны, описанных подробно ранее в отношении сепаратора 20.
[0040] Как показано на ФИГ. 3, жидкая часть нагретого потока холодильного агента, введенная в сепаратор 68 для холодильного агента, может быть отведена из сепаратора 68 посредством трубопровода 166 и сжата до более высокого давления посредством насоса 70 для холодильного агента. Получаемый сжатый поток жидкого холодильного агента в трубопроводе 168 затем может быть объединен с описанным ранее двухфазным сжатым потоком холодильного агента в трубопроводе 138. Получаемый объединенный поток холодильного агента в трубопроводе 139 затем может быть введен в конденсатор 38 холодильного агента, в котором поток может быть охлажден и по меньшей мере частично конденсирован до прохождения через оставшиеся участки контура 12 охлаждения, как описано ранее в отношении ФИГ. 1.
[0041] Ссылаясь вновь на ФИГ. 3, парообразная часть нагретого потока холодильного агента, введенного в сепаратор 68 для холодильного агента, может быть отведена из верхнего участка сепаратора 68 посредством трубопровода 164 и объединена со вторым нагретым потоком холодильного агента, отведенным из нагревающего канала 62 для холодильного агента в трубопроводе 162. Получаемый объединенный парофазный поток холодильного агента в трубопроводе 120 затем может быть направлен к впускном отверстию вакуумного барабана 28 для холодильного агента, в котором поток может быть разделен на парообразную и жидкую части, отведенные из барабана 28 посредством соответствующих трубопроводов 124 и 122, как показано на ФИГ. 3. После этого каждая из парообразной и жидкой частей может продолжить перемещение через остальные части контура 12 охлаждения, как описано подробно ранее в отношении ФИГ. 1.
[0042] Хотя описаны здесь в отношении сжижения потока природного газа, ясно также, что способы и системы настоящего изобретения также могут подходить для использования в других применениях по переработке и разделению газа, включая в себя, но не ограничиваясь ими, извлечение и сжижение этана, извлечение газоконденсатных жидкостей (ГКЖ), отделение синтетического газа и извлечение метана, и охлаждение и отделение азота и/или кислорода от различных углеводородсодержащих газовых потоков.
[0043] Предпочтительные формы изобретения, описанные выше, подлежат использованию только в качестве пояснений и не должны использоваться в качестве ограничения объема настоящего изобретения. Очевидные модификации примера одного варианта выполнения, изложенного выше, могут быть легко выполнены специалистами в данной области техники без отступления от сущности настоящего изобретения. Таким образом, изобретатели заявили свое намерение положиться на доктрину эквивалентов, чтобы определить и установить достаточно справедливый объем настоящего изобретения, которое относится к любому устройству, несущественно отличающемуся от, но лежащего вне буквального объема изобретения, как изложено в следующей формуле изобретения.