УЛУЧШЕННЫЙ СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ПОТОКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ХЛАДАГЕНТА В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ
IMPROVED METHOD AND SYSTEM FOR COOLING A HYDROCARBON FLOW USING A 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 режим охлаждения 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 в дальнейшем 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, СПГ INDUSTRY.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 (FСПГ). 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 в себя 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 жидкости-пара. 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 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 установок FСПГ и наземных установок СПГ, которые требуют 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 относительно 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 используется несколько турбодетандеров для получения нескольких потоков расширенного холодного газообразного хладагента, причем давление и температура потока хладагента, который используется для переохлаждения природного газа, опускаются до более низких значений, чем в потоке хладагента, который используется 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, используемые для предварительного охлаждения и сжижения природного газа, представляют собой газообразные потоки, которые расширяются в турбодетандерах, в то время как поток хладагента, используемый 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, таким образом, чтобы получить единый теплый поток, который вводят в общий компрессор для повторного сжатия.
[0012]
В US 9163873 описаны 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 разных 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 установок FСПГ. В описанных способах и системах, хладагент в виде газообразного метана или природного газа расширяется в нескольких турбодетандерах с образованием холодных газообразных потоков расширенного хладагента, которые используют для предварительного охлаждения и сжижения сырьевого потока природного газа. Давление во всех потоках хладагента понижается 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 установках FСПГ, 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 используется контур охлаждения, в котором циркулирует хладагент, содержащий метан. Контур охлаждения включает в себя первый и второй турбодетандеры, которые используются для расширения газообразных потоков хладагента до различных значений давления, чтобы обеспечить расширенные холодные потоки газообразного или по меньшей мере преимущественно газообразного хладагента при разных значениях давления, которые в дальнейшем используются с целью обеспечения холодопроизводительности для предварительного охлаждения и сжижения природного газа, причем поток хладагента, который используется для сжижения газа, находится при более низком давлении, чем поток хладагента, который используется для предварительного охлаждения природного газа. Полученный поток сжиженного природного газа далее подвергают мгновенному испарению с получением потока газа мгновенного испарения и готового СПГ, причем поток газа мгновенного испарения рециркулируют обратно в сырьевой поток природного газа. Такие способы и системы обеспечивают производство готового СПГ с применением цикла охлаждения, которому присуща высокая эффективность способа и в котором применяется хладагент (метан), доступный на месте, причем хладагент остается в газообразной или преимущественно газообразной форме на протяжении 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:
(a) пропускание первого сырьевого потока природного газа через и охлаждение первого сырьевого потока природного газа на теплой стороне части из множества секций или всех из множества секций теплообменника, таким образом, чтобы предварительно охлаждать и сжижать первый сырьевой поток природного газа, причем множество секций теплообменника включает в себя первую секцию теплообменника, в которой поток природного газа предварительно охлаждается, и вторую секцию теплообменника, в которой поток предварительно охлажденного природного газа из первой секции теплообменника сжижается с образованием первого потока сжиженного природного газа;
(b) мгновенное испарение первого потока сжиженного природного газа, отводимого из второй секции теплообменника, с образованием газа мгновенного испарения и готового СПГ, и отделение газа мгновенного испарения от готового СПГ таким образом, чтобы получить поток газа мгновенного испарения и поток готового СПГ;
(c) сжатие потока газа мгновенного испарения и рециркуляцию сжатого газа мгновенного испарения обратно в первый сырьевой поток природного газа;
(d) циркуляцию метансодержащего хладагента в контуре охлаждения, включающем в себя множество секций теплообменника, компрессорную линию, содержащую множество компрессоров и/или ступеней сжатия и один большее количество промежуточных охладителей и/или выходных охладителей, первый турбодетандер и второй турбодетандер, и, при этом, циркулирующий хладагент обеспечивает холодопроизводительность в каждой из множества секций теплообменника и, таким образом, режим охлаждения для предварительного охлаждения и сжижения первого сырьевого потока природного газа, причем циркуляция хладагента в контуре охлаждения включает в себя следующие стадии:
(i) разделение сжатого и охлажденного газообразного потока хладагента с образованием 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 образованием первого потока расширенного холодного хладагента при первой температуре и указанном первом давлении, причем первый поток расширенного холодного хладагента представляет собой газообразный или преимущественно газообразный поток, свободный или по существу свободный от жидкости на выходе из первого турбодетандера;
(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, таким образом, чтобы дополнительно охлаждать второй поток охлажденного газообразного хладагента;
(iv) расширение дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента до второго давления во втором турбодетандере с получением второго потока расширенного холодного хладагента при второй температуре и указанном втором давлении, причем второй поток расширенного холодного хладагента представляет собой газообразный или преимущественно газообразный поток, свободный или по существу свободный от жидкости на выходе из второго турбодетандера, 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 охлаждается весь или часть второго потока охлажденного газообразного хладагента, 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, причем первый поток расширенного холодного хладагента нагревается с образованием первого потока нагретого газообразного хладагента, а второй поток расширенного холодного хладагента нагревается с образованием второго потока нагретого газообразного хладагента; и
(vi) ввод первого потока нагретого газообразного хладагента и второго потока нагретого газообразного хладагента в компрессорную линию, причем второй поток нагретого газообразного хладагента вводят в компрессорную линию в другом месте компрессорной линии 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 получением сжатого и охлажденного газообразного потока хладагента, который разделяется на стадии (i).
[0018]
Аспект 2: Способ по Аспекту 1, отличающийся тем, что хладагент содержит по меньшей мере 85 молярных % метана.
[0019]
Аспект 3: Способ по Аспекту 1 или 2, отличающийся тем, что первый поток расширенного холодного хладагента содержит фракцию паров, равную или превышающую 0,8 на выходе из первого турбодетандера, а второй поток расширенного холодного хладагента содержит фракцию паров, равную или превышающую 0,8 на выходе из второго турбодетандера.
[0020]
Аспект 4: Способ по любому из Аспектов 1-3, отличающийся тем, что соотношение первого давления ко второму давлению составляет от 1,5:1 до 2,5:1.
[0021]
Аспект 5: Способ по любому из Аспектов 1-4, отличающийся тем, что первый поток сжиженного природного газа отводят из второго теплообменника при температуре от -100 до -145 °С.
[0022]
Аспект 6: Способ по любому из Аспектов 1-4, отличающийся тем, что первый поток сжиженного природного газа отводят из второго теплообменника при температуре от -110 до -145 °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 способ дополнительно включает в себя рекуперацию холода из потока газа мгновенного испарения, перед сжатием потока газа мгновенного испарения и рециркуляцией сжатого газа мгновенного испарения, путем пропускания потока газа мгновенного испарения через и нагревания потока газа мгновенного испарения на холодной стороне секции теплообменника газа мгновенного испарения.
[0025]
Аспект 9: Способ по Аспекту 8, отличающийся тем, что секция теплообменника газа мгновенного испарения не является одной из множества секций теплообменника контура охлаждения, холодопроизводительность в которых обеспечивается циркулирующим хладагентом.
[0026]
Аспект 10: Способ по Аспекту 8 или 9, отличающийся тем, что указанный способ дополнительно включает в себя:
(e) пропускание второго сырьевого потока природного газа через, охлаждение и сжижение второго сырьевого потока природного газа на теплой стороне секции теплообменника газа мгновенного испарения, таким образом, чтобы получить второй поток сжиженного природного газа; и
(f) мгновенное испарение второго потока сжиженного природного газа, отводимого из секции теплообменника газа мгновенного испарения, с образованием дополнительного количества газа мгновенного испарения и дополнительного количества готового СПГ, и отделение дополнительного количества газа мгновенного испарения от дополнительного количества готового СПГ, чтобы обеспечить дополнительное количества газа мгновенного испарения для потока газа мгновенного испарения и дополнительное количества готового СПГ для потока готового СПГ.
[0027]
Аспект 11: Способ по Аспекту 10, отличающийся тем, что на стадиях (b) и (f) отделение газа мгновенного испарения и дополнительного количества газа мгновенного испарения от готового СПГ и дополнительного количества готового СПГ происходит путем ввода мгновенно испаренного первого потока сжиженного природного газа и мгновенно испаренного второго потока сжиженного природного газа в парожидкостный сепаратор, в котором потоки совместно разделяются на верхний погон паров и нижний погон жидкости, причем верхний погон паров отводится с получением потока газа мгновенного испарения, а нижний погон жидкости отводится с получением потока готового СПГ.
[0028]
Аспект 12: Способ по любому из Аспектов 1-11, отличающийся тем, что вторая секция теплообменника представляет собой секцию витого теплообменника, содержащую трубный пучок, имеющий внутритрубное пространство и межтрубное пространство.
[0029]
Аспект 13: Способ по любому из Аспектов 1-12, отличающийся тем, что первая 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 через первую секцию теплообменника с получением первого потока нагретого газообразного хладагента, а второй поток расширенного холодного хладагента пропускают через и нагревают на холодной стороне второй секции теплообменника, а затем пропускают через и дополнительно нагревают по меньшей мере в одном или большем количестве других из указанных проходов через первую секцию теплообменника, с получением второго потока нагретого газообразного хладагента.
[0030]
Аспект 14: Способ по любому из Аспектов 1-12, отличающийся тем, что первая 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 третью секцию теплообменника, в которой поток природного газа предварительно охлаждается и/или в которой весь или часть второго потока охлажденного газообразного хладагента охлаждается, и, при этом, первый поток расширенного холодного хладагента пропускают через и нагревают на холодной стороне одной из первой и третьей секций теплообменника с получением первого потока нагретого газообразного хладагента, а второй поток расширенного холодного хладагента пропускают через и нагревают на холодной стороне второй секции теплообменника, а затем пропускают через и дополнительно нагревают на холодной стороне другой из третьей и первой секций теплообменника с получением второго потока нагретого газообразного хладагента.
[0031]
Аспект 15: Система для сжижения сырьевого потока природного газа с получением готового СПГ, причем указанная система включает в себя:
(a) контур охлаждения для циркуляции хладагента, обеспечивающего холодопроизводительность в каждой из множества секций теплообменника и, таким образом, режим охлаждения для предварительного охлаждения и сжижения первого сырьевого потока природного газа, причем контур охлаждения включает в себя:
множество секций теплообменника, и, при этом, каждая из секций теплообменника имеет теплую сторону и холодную сторону, причем множество секций теплообменника включает в себя первую секцию теплообменника и вторую секцию теплообменника, причем теплая сторона первого теплообменника имеет по меньшей мере один проход через нее для приема и предварительного охлаждения потока природного газа, и, при этом, теплая сторона второй секции теплообменника имеет по меньшей мере один проход через нее для приема и сжижения потока предварительно охлажденного природного газа из первой секции теплообменника, таким образом, чтобы получить первый поток сжиженного природного газа, причем холодная сторона каждой из множества секций теплообменника имеет по меньшей мере один проход через нее для приема и нагревания расширенного потока циркулирующего хладагента;
компрессорную линию, содержащую 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;
второй турбодетандер, выполненный с возможностью приема и расширения дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента до второго давления, с образованием 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 образованием 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, таким образом, чтобы получить дополнительно охлажденный второй поток охлажденного газообразного 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 весь или часть второго потока охлажденного газообразного хладагента охлаждается, 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, причем первый поток расширенного холодного хладагента нагревается с образованием первого потока нагретого газообразного хладагента, а второй поток расширенного холодного хладагента нагревается с образованием второго потока нагретого газообразного хладагента;
(b) устройство для понижения давления, выполненное с возможностью приема первого потока сжиженного природного газа из второй секции теплообменника из множества секций теплообменника и мгновенного испарения первого потока сжиженного природного газа, с образованием газа мгновенного испарения и готового СПГ;
(c) парожидкостный сепаратор, выполненный с возможностью отделения газа мгновенного испарения от готового СПГ, таким образом, чтобы получить поток газа мгновенного испарения и поток готового СПГ; и
(d) компрессор газа мгновенного испарения для приема и сжатия потока газа мгновенного испарения и рециркуляции сжатого газа мгновенного испарения обратно в первый сырьевой поток природного газа.
[0032]
Аспект 16: Система по Аспекту 15, отличающаяся тем, что указанная система дополнительно включает в себя:
(e) секцию теплообменника газа мгновенного испарения для рекуперации холода из потока газа мгновенного испарения, перед тем, как поток газа мгновенного испарения будет принят и сжат в компрессоре газа мгновенного испарения, причем секция теплообменника газа мгновенного испарения имеет теплую сторону и холодную сторону, и, при этом, холодная сторона имеет один или большее количество проходов через нее для приема и нагревания потока газа мгновенного испарения.
[0033]
Аспект 17: Система по Аспекту 16, отличающаяся тем, что теплая сторона теплообменника газа мгновенного испарения имеет один или большее количество проходов через нее для приема, охлаждения и сжижения второго сырьевого потока природного газа, таким образом, чтобы получить второй поток сжиженного природного газа.
[0034]
Аспект 18: Система по Аспекту 17, отличающаяся тем, что указанная система дополнительно включает в себя:
(e) устройство для понижения давления, выполненное с возможностью приема второго потока сжиженного природного газа из теплообменника газа мгновенного испарения и мгновенного испарения второго потока сжиженного природного газа, с образованием дополнительного количества газа мгновенного испарения и дополнительного количества готового СПГ; и
при этом, парожидкостный сепаратор дополнительно выполнен с возможностью отделения дополнительного количества газа мгновенного испарения от дополнительного количества готового СПГ, таким образом, чтобы обеспечить дополнительное количество газа мгновенного испарения для потока газа мгновенного испарения и дополнительное количество готового СПГ для потока готового СПГ.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0035]
Фиг. 1 представляет собой схему технологического процесса, иллюстрирующую способ и систему для сжижения природного газа в соответствии с предшествующим уровнем техники.
[0036]
Фиг. 2 представляет собой схему технологического процесса, иллюстрирующую способ и систему для сжижения природного газа в соответствии с первым вариантом реализации изобретения.
[0037]
Фиг. 3 представляет собой схему технологического процесса, иллюстрирующую способ и систему для сжижения природного газа в соответствии со вторым вариантом реализации изобретения.
[0038]
Фиг. 4 представляет собой схему технологического процесса, иллюстрирующую способ и систему для сжижения природного газа в соответствии с третьим вариантом реализации изобретения.
[0039]
Фиг. 5 представляет собой схему технологического процесса, иллюстрирующую способ и систему для сжижения природного газа в соответствии с четвертым вариантом реализации изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0040]
В данном документе описаны способы и системы для сжижения природного газа, которые являются особенно подходящими и привлекательными для плавучих установок СПГ (FСПГ), 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 является предпочтительным; 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.
[0041]
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.
[0042]
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.
[0043]
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 в тексте.
[0044]
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, обрабатываемый 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 природного газа.
[0045]
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 два турбодетандера, в которых циркулирующий хладагент расширяется, чтобы обеспечить холодный хладагент для подачи во множество секций теплообменника.
[0046]
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).
[0047]
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.
[0048]
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 предназначены для охлаждения 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.
[0049]
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 предназначены для охлаждения 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.
[0050]
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 и имеет 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 имеет 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.
[0051]
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 понижаются. Такие устройства дополнительно называются в данной области техники 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.
[0052]
Как используется в данном описании, термин «мгновенное испарение» (в данной области техники дополнительно называется «мгновенным парообразованием») относится к способу понижения давления жидкого или двухфазного (т. е., газожидкостного) потока с целью частичного испарения потока, с получением таким образом «мгновенно испаренного» потока, который представляет собой двухфазный поток с пониженным давлением и температурой. Пар (т. е., газ), присутствующий в мгновенно испаренном потоке, называется в данном документе «газом мгновенного испарения». Жидкий или двухфазный поток может быть мгновенно испарен путем пропускания потока через любое устройство для понижения давления, подходящее для понижения давления и, таким образом, частичного испарения потока, такое как, например, клапан J-T или гидравлическая турбина (или другое устройство расширения с выполнением работы).
[0053]
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.
[0054]
Как используется в данном описании, термин «парожидкостный сепаратор» относится к емкости, такой как, но не ограничиваясь этим, испарительный барабан или каплеотбойный сепаратор, в которую двухфазный поток может быть введен с целью разделения потока на составляющие его паровую и жидкую фазы, причем паровая фаза собирается в верхней части емкости и может быть отведена из нее, а жидкая фаза собирается в нижней части емкости и может быть отведена из нее. Пар, который собирается в верхней части емкости, в данном документе дополнительно называется «верхним погоном» или «головным паром», а жидкость, которая собирается в нижней части емкости, в данном документе дополнительно называется «нижним погоном» или «кубовой жидкостью». Если клапан J-T используется для мгновенного испарения жидкого или двухфазного потока, а парожидкостный сепаратор (например, испарительный барабан) используется для разделения образовавшегося газа мгновенного испарения и жидкости, то клапан и сепаратор могут быть объединены в одном устройстве, например, в котором клапан расположен на входе в сепаратор, через который вводится поток жидкости или двухфазный поток.
[0055]
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 охлажден и/или сжижен, 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.
[0056]
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, предназначенный для сжижения, 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 получением сырьевого потока природного газа, предназначенного для сжижения.
[0057]
Только в качестве примера, некоторые схемы размещения из предшествующего уровня техники и типичные варианты реализации изобретения будут описаны ниже со ссылкой на Фиг. 1-5. 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.
[0058]
Обращаясь теперь к Фиг. 1, проиллюстрированы способ и система для сжижения природного газа в соответствии с предшествующим уровнем техники. Неочищенный сырьевой поток 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.
[0059]
Сырьевой поток природного газа 104 разделяют с получением первого сырьевого потока природного газа 194 и второго сырьевого потока природного газа 192. Поток сжатого газа мгновенного испарения 191 рециркулируют путем смешивания с первым сырьевым потоком природного газа 194 перед тем, как полученный первый поток природного газа 195 (дополнительно содержащий рециркулированный газ мгновенного испарения) будет предварительно охлажден и сжижен в основном криогенном теплообменнике (MCHE) 198, как дополнительно описано ниже. В качестве альтернативы, поток сжатого газа мгновенного испарения 191 может быть рециркулирован путем смешивания с сырьевым потоком природного газа 104 до того, как указанный поток будет разделен с образованием первого и второго сырьевых потоков природного газа.
[0060]
Первый сырьевой поток природного газа 195 предварительно охлаждают и сжижают в MCHE 198, который, как изображено на Фиг. 1, включает в себя две секции теплообменника, а именно теплую секцию 198А, в которой первый сырьевой поток природного газа охлаждают с получением предварительно охлажденного первого сырьевого потока природного газа 105, и холодную секцию 198B, в которой предварительно охлажденный первый сырьевой поток природного газа 105 дополнительно охлаждают и сжижают с получением первого потока сжиженного природного газа 106. Затем первый поток сжиженного природного газа 106 мгновенно испаряют путем дросселирования в первом клапане J-T 108 с получением мгновенно испаренного первого потока сжиженного природного газа 110.
[0061]
MCHE 198 может представлять собой любой тип теплообменника, такой как витой теплообменник (как показано на Фиг. 1), ребристый пластинчатый теплообменник, кожухотрубный теплообменник или любой другой подходящий тип теплообменника, известный в данной области техники. Кроме того, он может состоять только из одной секции или из трех или большего количества секций (скорее, чем из двух показанных секций). Указанные секции теплообменника могут быть расположены внутри одного общего кожуха (как показано) или в отдельных кожухах теплообменников.
[0062]
Второй поток сырьевого природного газа 192 охлаждают и сжижают в секции теплообменника газа мгновенного испарения 126 с получением второго потока сжиженного природного газа 193, который мгновенно испаряют путем дросселирования во втором клапане J-T 200 с получением мгновенно испаренного второго потока сжиженного природного газа, который смешивают с мгновенно испаренным первым потоком сжиженного природного газа 110 с образованием смешанного потока 122. Смешанный поток 122 направляют в парожидкостный сепаратор (в данном случае, испарительный барабан) 120. Газ мгновенного испарения, удаляемый как верхний погон из испарительного барабана 120, образует поток газа мгновенного испарения 125, который нагревается в секции теплообменника газа мгновенного испарения 126, таким образом обеспечивая холодопроизводительность и режим охлаждения в секции теплообменника газа мгновенного испарения 126. Нагретый поток газа мгновенного испарения 127, выходящий из секции теплообменника газа мгновенного испарения 126, сжимают в компрессоре газа мгновенного испарения 128 с получением потока сжатого газа мгновенного испарения 129 и охлаждают путем теплообмена с окружающим воздухом или охлаждающей водой в выходном охладителе газа мгновенного испарения 190, с получением потока сжатого газа мгновенного испарения 191, который рециркулируют обратно в первый сырьевой поток природного газа 194.
[0063]
Кубовая жидкость из испарительного барабана 120 удаляется в виде потока готового СПГ 121, давление которого в данном случае понижается в клапане сброса давления СПГ 123 с получением потока готового СПГ пониженного давления 124, который направляют в резервуар для хранения СПГ 115. Отпарной газ (или дополнительное количество газа мгновенного испарения), образующийся в резервуаре для хранения СПГ, удаляется из резервуара в виде потока отпарного газа (BOG) 112, который можно использовать в качестве топлива на установке, сжигать в факеле или смешивать с потоком газа мгновенного испарения 125, а затем рециркулировать в сырье.
[0064]
Охлаждение MCHE 198 обеспечивается хладагентом, циркулирующим в контуре охлаждения, который включает в себя секции теплообменника 198A, 198B MCHE 198, компрессорную линию, содержащую систему сжатия 136 и выходной охладитель 156, первый турбодетандер 164 и второй турбодетандер 172. Поток нагретого газообразного хладагента 130 отводится из MCHE 198, а жидкость, присутствующая в нем во время переходных нештатных операций, может быть удалена в каплеотбойном сепараторе 132. Поток нагретого газообразного хладагента верхнего погона 134 затем сжимают в системе сжатия 136 с получением потока сжатого хладагента 155. В системе сжатия хладагента 136 поток нагретого 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 получением 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 образованием второго потока охлажденного сжатого хладагента 144, который разделяется 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, тогда как вторую часть второго потока охлажденного сжатого хладагента 146 сжимают в четвертом компрессоре 149 с получением четвертого сжатого потока 150. Третий сжатый поток 148 и четвертый сжатый поток 150 смешивают с получением потока сжатого хладагента 155.
[0065]
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 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 первый сырьевой поток природного газа 104, с получением дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента 168, в то время как первый поток 162 расширяют в первом турбодетандере 164 (дополнительно называемом в данном документе теплым детандером), с получением первого потока расширенного холодного хладагента 166, который пропускают через холодную сторону теплой секции 198A MCHE 198, где он нагревается, чтобы обеспечить холодопроизводительность и режим охлаждения для предварительного охлаждения первого сырьевого потока природного газа 104 и охлаждения второго потока охлажденного газообразного хладагента 160.
[0066]
Дополнительно, охлажденный второй поток охлажденного хладагента 168 расширяется во втором турбодетандере 172 (который в данном документе называется холодным детандером) с получением второго потока расширенного холодного хладагента 174, который пропускают через холодную сторону холодной секции 198B MCHE 198, где он нагревается, чтобы обеспечить холодопроизводительность и режим охлаждения для сжижения предварительно охлажденного первого охлажденного сырьевого потока природного газа 105, а затем пропускают через и дополнительно нагревают на холодной стороне теплой секции 198A 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 0,8, и предпочтительно более чем 0,85 на выходе из первого и второго турбодетандеров 164 и 172, соответственно.
[0067]
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 теплый и/или холодный детандеры могут приводить в действие любой из других компрессоров в компрессорной линии. Хотя они показаны на Фиг. 1 как отдельные компрессоры, два или большее количество компрессоров в системе сжатия 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 и совместно могут называться узлом компрессора-детандера или «компандером».
[0068]
Недостаток схем размещения из предшествующего уровня техники, проиллюстрированных на Фиг. 1, заключается в том, что хладагент обеспечивает холодопроизводительность в теплой и средней секциях приблизительно при одинаковом давлении. Это происходит из-за того, что холодные потоки смешиваются в верхней части теплой секции, и это дает сходные значения давления на выходе из теплого и холодного детандеров. Любые незначительные различия в указанных значениях давления на выходе в конфигурации из предшествующего уровня техники обусловлены падением давления на холодной стороне теплообменника в холодной 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, конфигурация из предшествующего уровня техники не дает возможности регулировать давление холодных потоков на основе желаемой температуры охлаждения.
[0069]
Фиг. 2 иллюстрирует первый вариант реализации изобретения, в котором предлагается усовершенствование по сравнению с Фиг. 1.
[0070]
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.
[0071]
Сырьевой поток природного газа 104 разделяют с образованием первого сырьевого потока природного газа 194 и второго сырьевого потока природного газа 192. Поток сжатого газа мгновенного испарения 191 рециркулируют путем смешивания с первым сырьевым потоком природного газа 194, перед тем, как полученный первый поток природного газа 195 (дополнительно содержащий рециркулированный газ мгновенного испарения) предварительно охлаждают и сжижают, как дополнительно описано ниже. В качестве альтернативы, поток сжатого газа мгновенного испарения 191 может быть рециркулирован путем смешивания с сырьевым потоком природного газа 104 до того, как указанный поток будет разделен с образованием первого и второго сырьевых потоков природного газа. Второй сырьевой поток природного газа 192 предпочтительно составляет от около 5 молярных % до 30 молярных %, и более предпочтительно от около 10 молярных % до 20 молярных % от сырьевого потока природного газа 104 (без учета рециркулированного потока газа мгновенного испарения). Следовательно, соотношение молярного расхода второго сырьевого потока природного газа 192 и первого сырьевого потока природного газа (без учета рециркулированного потока газа мгновенного испарения) предпочтительно составляет от около 0,05 до 0,45, и более предпочтительно от около 0,1 до 0,25.
[0072]
Первый поток природного газа 195 охлаждают в первой секции теплообменника 198A с получением предварительно охлажденного первого потока природного газа 105, а затем предварительно охлажденный первый поток природного газа 105 из первой секции теплообменника 198A дополнительно охлаждают и сжижают во второй секции теплообменника 198B с получением первого потока сжиженного природного газа 106. Первый поток сжиженного природного газа 106, отводимый из второй секции теплообменника 198B, далее подвергают мгновенному испарению, например, путем дросселирования в первом клапане J-T 108, с получением мгновенно испаренного первого потока сжиженного природного газа 110.
[0073]
Первая и вторая секции теплообменника 198A, 198B могут быть секциями теплообменника любого типа, такими как витые секции, ребристые пластинчатые секции, кожухотрубные секции или секция теплообменника любого другого подходящего типа, известного в данной области техники. Однако в предпочтительном варианте реализации изобретения каждая из первой и второй секции теплообменника 198A, 198B представляет собой секцию витого теплообменника (как показано на Фиг. 2, где первая секция теплообменника содержит первый трубный пучок, а вторая секция теплообменника содержит второй трубный пучок). Кроме того, могут присутствовать дополнительные секции теплообменника. Все секции теплообменника могут быть расположены в одном и том же кожухе, как это показано на Фиг. 2, где первая и вторая секции 198A, 198B теплообменника помещены в один и тот же кожух витого MCHE 198, причем первая секция теплообменника 198A представляет теплую секцию (теплый трубный пучок) MCHE 198, а вторая секция теплообменника 198B представляет холодную секцию (холодный трубный пучок) MCHE 198. В качестве альтернативы, первая и вторая секции теплообменника 198A, 198B могут быть помещены в отдельный кожух.
[0074]
Второй сырьевой поток природного газа 192 охлаждают и сжижают в секции теплообменника газа мгновенного испарения 126, чтобы получить второй поток сжиженного природного газа 193, который мгновенно испаряют, например, путем дросселирования во втором клапане J-T 200, с получением мгновенно испаренного второго потока сжиженного природного газа, который смешивают с мгновенно испаренным первым потоком сжиженного природного газа 110, чтобы получить смешанный поток 122. Смешанный поток 122 направляют в парожидкостный сепаратор (в данном случае, испарительный барабан) 120. Газ мгновенного испарения, удаленный как верхний погон из испарительного барабана 120, образует поток газа мгновенного испарения 125, который нагревается в секции теплообменника газа мгновенного испарения 126, таким образом обеспечивая холодопроизводительность и режим охлаждения в секции теплообменника газа мгновенного испарения 126. Поток нагретого газа мгновенного испарения 127, выходящий из секции теплообменника газа мгновенного испарения 126, сжимают в компрессоре газа мгновенного испарения 128 с получением потока сжатого газа мгновенного испарения 129 и охлаждают путем теплообмена с окружающим воздухом или охлаждающей водой в выходном охладителе газа мгновенного испарения 190 с получением потока сжатого газа мгновенного испарения, который рециркулируют обратно в первый сырьевой поток природного газа 194. Секция теплообменника газа мгновенного испарения 126 может представлять собой теплообменную секцию любого подходящего типа теплообменника, такую как витая секция, ребристая пластинчатая секция (как показано на Фиг. 2) или кожухотрубная секция. Дополнительно можно использовать более одной секции теплообменника газа мгновенного испарения, причем указанные секции могут быть помещены в один и тот же или отдельные кожухи. Второй поток СПГ 193 обычно получают (т.е., он выходит из секции теплообменника газа мгновенного испарения 126) при температуре от около -140 до -150 градусов Цельсия.
[0075]
Поток нижнего погона удаляют из испарительного барабана 120 как поток готового СПГ 121, давление которого может быть сброшено (как показано) в первом клапане для сброса давления СПГ 123 с получением потока готового СПГ пониженного давления 124, который направляют в резервуар для хранения СПГ 115. Отпарной газ (или дополнительное количество газа мгновенного испарения), образующийся или присутствующий в резервуаре для хранения СПГ, удаляется из резервуара как поток отпарного газа (BOG) 112, который можно использовать в качестве топлива на установке, сжигать в факеле или смешивать с потоком газа мгновенного испарения 125 и затем рециркулировать в исходное сырье.
[0076]
В альтернативном варианте реализации изобретения, вместо охлаждения второго сырьевого потока природного газа в секции теплообменника газа мгновенного испарения 126, поток другого типа можно пропускать через и охлаждать на теплой стороне теплообменника газа мгновенного испарения 126, например, такой как часть второго потока охлажденного газообразного хладагента 160. В еще одном варианте реализации изобретения, теплая сторона секции теплообменника газа мгновенного испарения 126 может иметь множество отдельных проходов через секцию теплообменника, что позволяет по отдельности пропускать через и охлаждать на теплой стороне секции теплообменника газа мгновенного испарения 126 два или большее количество разных потоков, таких как, например, второй сырьевой поток природного газа и поток хладагента.
[0077]
Как отмечалось выше, в варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 2, MCHE 198 представляет собой витой теплообменный модуль, содержащий первую секцию теплообменника (теплая секция/трубный пучок) 198A и вторую секцию теплообменника (холодная секция/трубный пучок) 198B, помещенные в один и тот же кожух. MCHE 198 на Фиг. 2 дополнительно содержит головку 118, которая отделяет холодную сторону теплой секции 198A от холодной стороны холодной секции 198B, таким образом предотвращая перетекание хладагента, протекающего через холодную сторону холодной секции 198B, на холодную сторону теплой секции 198А. Давление в головке 118, таким образом, равно давлению в межтрубном пространстве, что позволяет давлению в межтрубном пространстве холодной стороны теплой секции отличаться от давления в межтрубном пространстве холодной стороны холодной секции. Однако, как дополнительно отмечалось выше, в вариации варианта реализации изобретения, проиллюстрированного на Фиг. 2, можно использовать два отдельных теплообменных модуля, причем первая секция теплообменника 198A располагается в своем собственном кожухе, а вторая секция теплообменника 198B располагается в другом, отдельном кожухе, что, таким образом, устраняет необходимость в головке 118.
[0078]
Охлаждение первой и второй секций теплообменника 198A и 198B обеспечивается хладагентом, циркулирующим в замкнутом контуре охлаждения, причем замкнутый контур включает в себя: указанные секции теплообменника 198A, 198B; компрессорную линию, содержащую систему сжатия 136 (которая содержит компрессоры/ступени сжатия 137, 141, 147, 149 и промежуточные охладители 139, 143) и выходной охладитель 156; первый турбодетандер 164; и второй турбодетандер 172.
[0079]
Первый поток нагретого газообразного хладагента 131 отводят с теплого конца холодной стороны первой секции теплообменника 198A. Первый поток нагретого газообразного хладагента 131 может быть направлен в каплеотбойный сепаратор (не показано) для удаления жидкости, которая может присутствовать в потоке в ходе переходной нештатной операции. Второй поток нагретого газообразного хладагента 171 отводят с теплого конца холодной стороны второй секции теплообменника 198B, причем второй поток нагретого газообразного хладагента 171 находится при более низком давлении, чем первый поток нагретого газообразного хладагента 131. Дополнительно, в этом варианте реализации изобретения, второй поток нагретого газообразного хладагента 171 имеет более низкую температуру, чем первый поток нагретого газообразного хладагента, причем температура второго потока нагретого газообразного хладагента обычно составляет от около -40 градусов Цельсия до -70 градусов Цельсия. Второй поток нагретого газообразного хладагента 171 аналогичным образом может быть направлен в другой каплеотбойный сепаратор 132 для удаления жидкости, которая может присутствовать в ходе переходной нештатной операции, причем второй поток нагретого газообразного хладагента выходит из каплеотбойного сепаратора 132 как поток верхнего погона 134. Первый поток нагретого газообразного хладагента 131 и второй поток нагретого газообразного хладагента 134 далее вводят в разные места системы сжатия 136, причем второй поток нагретого газообразного хладагента вводится в место системы сжатия с более низким давлением, чем первый поток нагретого газообразного хладагента.
[0080]
В системе сжатия хладагента 136, второй поток нагретого газообразного хладагента 134 сжимается в первом компрессоре/на первой ступени сжатия 137 с образованием первого потока сжатого хладагента 138, который охлаждают путем теплообмена с окружающим воздухом или охлаждающей водой в первом промежуточном охладителе 139, с получением первого потока охлажденного сжатого хладагента 140. Первый поток нагретого газообразного хладагента 131 смешивают с первым потоком охлажденного сжатого хладагента 140 с получением потока смешанного хладагента среднего давления 151, который дополнительно сжимают во втором компрессоре 141 с получением 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 получением третьего сжатого потока 148, в то время как вторую часть второго потока охлажденного сжатого хладагента 146 сжимают в четвертом компрессоре 149 с получением четвертого сжатого потока 150. Третий сжатый поток 148 и четвертый сжатый поток 150 смешивают с получением потока сжатого хладагента 155.
[0081]
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 разделяют 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 первой секции теплообменника 198A, через отдельный проход на указанной теплой стороне относительно прохода, через который пропускают сырьевой поток природного газа 195, с получением дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента 168. Первый поток охлажденного газообразного хладагента 162 расширяется до первого давления в первом турбодетандере 164 (который в данном документе называется теплым детандером) с образованием первого потока расширенного холодного хладагента 166 при первой температуре и указанном первом давлении, который является по меньшей мере преимущественно газообразным, с фракцией паров более чем 0,8, и предпочтительно более чем 0,85 на выходе из первого турбодетандера. Первый поток расширенного холодного хладагента 166 пропускают через холодную сторону первой секции теплообменника 198A, где он нагревается, чтобы обеспечить холодопроизводительность и режим охлаждения для предварительного охлаждения первого сырьевого потока природного газа 195 и охлаждения второго потока охлажденного газообразного хладагента 160, с получением предварительно охлажденного первого потока природного газа 105 и дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента 168, соответственно, причем первый поток расширенного холодного хладагента 166 нагревают с образованием первого потока нагретого газообразного хладагента 131. Предварительно охлажденный первый поток природного газа 105 и дополнительно охлажденный второй поток охлажденного газообразного хладагента 168 получают при температуре от около -25 градусов Цельсия до -70 градусов Цельсия, и предпочтительно от около -35 градусов Цельсия до -55 градусов Цельсия.
[0082]
Второй поток охлажденного газообразного хладагента 168 расширяется до второго давления во втором турбодетандере (который в данном документе дополнительно называется холодным детандером) 172 с получением второго потока расширенного холодного хладагента 174 при второй температуре и указанном втором давлении, который является по меньшей мере преимущественно газообразным, с фракцией паров более чем 0,8, и предпочтительно более чем 0,85 на выходе из второго турбодетандера. Как вторая температура, так и второе давление ниже, чем, соответственно, первая температура и первое давление. Второй поток расширенного холодного хладагента 174 пропускают через холодную сторону второй секции теплообменника 198B, где он нагревается, чтобы обеспечить холодопроизводительность и режим охлаждения для сжижения предварительно охлажденного первого сырьевого потока природного газа 105, с получением первого потока сжиженного природного газа 106, причем второй поток расширенного холодного хладагента 174 нагревается с образованием второго потока нагретого газообразного хладагента 171. Первый поток сжиженного природного газа 106 обычно получают при температуре от около -100 градусов Цельсия до около -145 градусов Цельсия, и более предпочтительно при температуре от около -110 градусов Цельсия до около -145 градусов Цельсия.
[0083]
Второй поток охлажденного газообразного хладагента 160 составляет от около 35 молярных % до 80 молярных % от потока охлажденного сжатого газообразного хладагента 158, и предпочтительно от около 50 молярных % до 70 молярных % от потока охлажденного сжатого газообразного хладагента 158.
[0084]
Как было отмечено выше, второе давление (давление второго потока расширенного холодного хладагента 174) ниже первого давления (давление первого потока расширенного холодного хладагента 166). 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 40 бар абсолютного давления, в то время как давление второго потока расширенного холодного хладагента 174 составляет от около 5 бар абсолютного давления до 25 бар абсолютного давления. Соответственно, давление второго потока нагретого газообразного хладагента 173 составляет от 5 бар абсолютного давления до 25 бар абсолютного давления, в то время, как давление первого потока нагретого газообразного хладагента 131 составляет от 10 бар абсолютного давления до 40 бар абсолютного давления.
[0085]
Третий компрессор 147 может приводиться в действие, по меньшей мере частично, за счет мощности, производимой теплым детандером 164, тогда как четвертый компрессор 149 может приводиться в действие, по меньшей мере частично, за счет мощности, производимой холодным 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, который называют узлом компрессора-детандера или компандером. Любая дополнительная требуемая мощность может быть обеспечена с использованием внешнего привода, такого как электродвигатель или газовая турбина. Использование компандера уменьшает наземную площадь на участке вращающегося оборудования и повышает общую эффективность.
[0086]
Система сжатия хладагента 136, проиллюстрированная на Фиг. 2, представляет собой типичную схему размещения, и возможны несколько вариаций системы сжатия и компрессорной линии. Например, хотя они показаны на Фиг. 2 как отдельные компрессоры, два или большее количество компрессоров в системе сжатия могут, в качестве альтернативы, быть ступенями сжатия одного компрессорного модуля. В равной мере, каждый представленный компрессор может содержать несколько ступеней сжатия в одном или большем количестве кожухов. 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.
[0087]
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.
[0088]
В другом варианте реализации изобретения (не показан), первый поток нагретого газообразного хладагента 131 и второй поток нагретого газообразного хладагента 171 можно сжимать параллельно в отдельных компрессорах, а сжатые потоки могут быть объединены с образованием второго потока сжатого хладагента 142.
[0089]
Хладагент, циркулирующий в контуре охлаждения, представляет собой метансодержащий хладагент. Кроме того, он может содержать азот или другие подходящие компоненты хладагента, известные и применяемые в данной области техники, в той степени, в которой они не оказывают отрицательного влияния на первый и второй потоки расширенного холодного хладагента, являющиеся по меньшей мере преимущественно газообразными на выходе из первого и второго турбодетандеров, соответственно. Предпочтительный состав потока охлажденного сжатого хладагента 158 представляет собой поток, который содержит по меньшей мере около 85 молярных %, более предпочтительно по меньшей мере около 90 молярных %, более предпочтительно по меньшей мере около 95 молярных %, и наиболее предпочтительно около 100 молярных % метана, такой, как может быть получен из сырьевого природного газа или газа мгновенного испарения, таким образом, что внешний хладагент не требуется. Другим предпочтительным составом потока охлажденного сжатого хладагента 158 является смесь азота и метана, содержащая от около 25 молярных % до 65 молярных %, более предпочтительно от около 30 молярных % до около 60 молярных % азота и содержащая от около 30 молярных % до около 80 молярных %, более предпочтительно от около 40 молярных % до 70 молярных % метана.
[0090]
Ключевое преимущество варианта реализации изобретения, проиллюстрированного на Фиг. 2, по сравнению с предшествующим уровнем техники состоит в том, что давление первого потока расширенного холодного хладагента 166 и второго потока расширенного холодного хладагента 174 значительно отличается. Это позволяет обеспечить охлаждение при различных значениях давления для стадий сжижения и предварительного охлаждения способа. Более низкое давление хладагента является предпочтительным для стадии сжижения, а более высокое давление хладагента предпочтительно для стадии предварительного охлаждения. Благодаря значительной разнице давлений теплого и холодного детандеров, повышается общая эффективность способа. В результате, теплый детандер 164 используется в основном с целью обеспечения холодопроизводительности для предварительного охлаждения, в то время как холодный детандер 172 используется в основном с целью обеспечения холодопроизводительности для сжижения. Более того, при использовании секций витого теплообменника в качестве первой секции теплообменника 198A (секции предварительного охлаждения) и второй секции теплообменника 198B (секции сжижения), холодная сторона (межтрубное пространство) которых изолирована друг от друга, секции витого теплообменника по-прежнему можно использовать для предварительного охлаждения и сжижения природного газа, несмотря на использование хладагентов с различным давлением с целью обеспечения холодопроизводительности для предварительного охлаждения и сжижения. Кроме того, это позволяет получить дополнительные преимущества от использования секций витого теплообменника (а именно, компактность и высокая эффективность). Поскольку второй поток нагретого газообразного хладагента (нагретый хладагент, выходящий с холодной стороны секции сжижения) 171, находится при более низком давлении, чем первый поток нагретого газообразного хладагента (нагретый хладагент, выходящий с холодной стороны секции предварительного охлаждения) 131, второй поток нагретого газообразного хладагента 171 направляют в место компрессорной линии с более низким давлением, например, такое, как входное отверстие с самым низким давлением в системе сжатия хладагента 136, тогда как первый поток нагретого газообразного хладагента 131 направляют в место компрессорной линии с более высоким давлением, например, в виде бокового потока в системе сжатия хладагента 136. Ключевое преимущество такой схемы размещения состоит в том, что она дает компактную систему с более высокой эффективностью способа, чем способы из предшествующего уровня техники. Кроме того, повышение эффективности процесса предварительного охлаждения и сжижения может позволить использование секции теплообменника газа мгновенного испарения 126 меньшего размера (вследствие того, что генерируется меньшее количество газа мгновенного испарения, если поток сжиженного природного газа из секции теплообменника 198B, в которой происходит сжижение, подвергают мгновенному испарению, чтобы получить готовый СПГ с более низкой температурой), что также понижает общие капитальные затраты.
[0091]
В этом варианте реализации изобретения второй поток нагретого газообразного хладагента 171 «сжимают в холодном состоянии» или сжимают при более низкой температуре. Несмотря на это, схема размещения все же приводит (как было отмечено выше) к более высокой эффективности способа по сравнению с предшествующим уровнем техники, для того же количества оборудования.
[0092]
Фиг. 3 иллюстрирует вариацию Фиг. 2 и второй вариант реализации изобретения. MCHE 198 в этом варианте реализации изобретения содержит только вторую секцию теплообменника 198B (эквивалентную холодной секции MCHE на Фиг. 1 и 2), в которой сжижается предварительно охлажденный первый сырьевой поток природного газа. Вместо MCHE 198, дополнительно содержащего вторую, теплую секцию 198A, в этом варианте реализации изобретения первая секция теплообменника 197, в которой предварительно охлаждается первый сырьевой поток природного газа, расположена в отдельном модуле и представляет собой секцию ребристого пластинчатого теплообменника (как показано) или любой другой подходящий тип теплообменной секции, известный в данной области техники, который имеет холодную сторону, имеющую множество отдельных проходов через секцию теплообменника, позволяя более чем одному потоку хладагента проходить по отдельности через холодную сторону указанной секции, без смешивания. Входные и выходные отверстия первой секции теплообменника 197 могут быть расположены на теплом конце, холодном конце и/или в любом промежуточном месте секции.
[0093]
Как и в предыдущем варианте реализации изобретения, первый поток природного газа 195 (дополнительно содержащий рециркулированный газ мгновенного испарения) проходит через и охлаждается на теплой стороне первой секции теплообменника 197 с образованием предварительно охлажденного первого потока природного газа 105, который затем пропускают через, дополнительно охлаждают и сжижают на теплой стороне второй секции теплообменника 198B, с получением первого потока сжиженного природного газа 106.
[0094]
Кроме того, как и в предыдущем варианте реализации изобретения, второй поток расширенного холодного хладагента 174 пропускают через холодную сторону второй секции теплообменника 198B, где он нагревается, чтобы обеспечить холодопроизводительность и режим охлаждения для сжижения предварительно охлажденного первого охлажденного сырьевого потока природного газа 105, с получением первого потока сжиженного природного газа 106. Однако в этом варианте реализации изобретения полученный в результате нагретый второй поток расширенного холодного хладагента 171, выходящий с холодной стороны второй секции теплообменника 198B, не образует немедленно второго потока нагретого газообразного хладагента, который направляют в и сжимают в системе сжатия 136.
[0095]
Скорее, в этом варианте реализации изобретения полученный нагретый второй поток расширенного холодного хладагента 171, который отводится с теплого конца холодной стороны второй секции теплообменника 198B, далее проходит через холодную сторону первой секции теплообменника 197, где он дополнительно нагревается, чтобы обеспечить холодопроизводительность и режим охлаждения для предварительного охлаждения первого сырьевого потока природного газа 104 и охлаждения второго потока охлажденного газообразного хладагента 160. Образующийся в результате дополнительный нагретый второй поток расширенного холодного хладагента, который отводится с холодной стороны первой секции теплообменника 197, в дальнейшем образует второй поток нагретого газообразного хладагента 173. Как было описано выше, второй поток нагретого газообразного хладагента 173 можно далее направлять в каплеотбойный сепаратор 132 для удаления жидкости, которая может присутствовать, перед тем, как направлять второй поток нагретого газообразного хладагента (выходящий из указанного испарительного барабана как поток верхнего погона 134) и сжимать его в системе сжатия хладагента 136.
[0096]
Первый поток расширенного холодного хладагента 166 также проходит через холодную сторону первой секции теплообменника 197, где он дополнительно нагревается, чтобы обеспечить холодопроизводительность и режим охлаждения для предварительного охлаждения первого сырьевого потока природного газа 104 и охлаждения второго потока охлажденного газообразного хладагента 160. Однако, первый поток расширенного холодного хладагента 166 проходит через отдельный проход на холодной стороне первой секции теплообменника 197, относительно прохода на холодной стороне, через который пропускают второй поток расширенного холодного хладагента 171, таким образом, что два потока не смешиваются на холодной стороне указанной секции теплообменника. Образовавшийся нагретый первый поток расширенного холодного хладагента, выходящий с холодной стороны первой секции теплообменника 197, как и прежде, образует первый поток нагретого газообразного хладагента 131, который далее направляют в систему сжатия хладагента 136 и сжимают, как было описано выше.
[0097]
Ключевое преимущество варианта реализации изобретения, проиллюстрированного на Фиг. 3, по сравнению с предшествующим уровнем техники, аналогично вышеизложенному, состоит в том, что давление первого потока расширенного холодного хладагента 166 значительно отличается от давления второго потока расширенного холодного хладагента 174, обеспечивая возможность охлаждения при разных значениях давления для стадий сжижения и предварительного охлаждения способа, что приводит, таким образом, к повышению общей эффективности. Как и в варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 2, секция витого теплообменника по-прежнему может использоваться в качестве второй секции теплообменника (секция сжижения) 198B, тем самым обеспечивая дополнительные преимущества с точки зрения компактности и эффективности. Однако по сравнению с вариантом реализации изобретения, проиллюстрированным на Фиг. 2, в этом варианте реализации изобретения используется первая секция теплообменника 197 (секция предварительного охлаждения), которая имеет холодную сторону, имеющую множество отдельных проходов через секцию, что позволяет нагретому второму потоку расширенного холодного хладагента 171, выходящему с холодной стороны второй секции теплообменника 198B, дополнительно нагреваться на холодной стороне первой секции теплообменника 197. Это означает, что по сравнению с вариантом реализации изобретения, проиллюстрированным на Фиг. 2, в этом варианте реализации изобретения дополнительная холодопроизводительность может быть рекуперирована из второго потока расширенного холодного хладагента 171, причем образующийся в результате второй поток нагретого газообразного хладагента 173 не нуждается в холодном сжатии, что приводит к еще большему повышению эффективности способа.
[0098]
Фиг. 4 иллюстрирует третий вариант реализации изобретения и другую вариацию Фиг. 2. По сравнению со схемой размещения, показанной на Фиг. 2, в этом варианте реализации изобретения полученный в результате нагретый второй поток расширенного холодного хладагента 171, который выходит с холодной стороны второй секции теплообменника 198В, не образует немедленно второго потока нагретого газообразного хладагента, который направляют и сжимают в системе сжатия 136 и, следовательно, не подвергается холодному сжатию. Вместо этого, в данном варианте реализации изобретения контур охлаждения дополнительно включает в себя третью секцию теплообменника 196, и дополнительное охлаждение рекуперируется из нагретого второго потока расширенного холодного хладагента 171 путем пропускания указанного потока через и дополнительного нагревания указанного потока на холодной стороне третьей секции теплообменника 196, с получением второго потока нагретого газообразного хладагента 173, который затем направляют (необязательно через каплеотбойный сепаратор) в систему сжатия 136, как было описано выше. Третья секция теплообменника 196 может быть теплообменной секцией любого подходящего типа теплообменника, например, такой как витая секция, ребристая пластинчатая секция (как показано на Фиг. 2) или кожухотрубная секция.
[0099]
В схеме размещения, проиллюстрированной на Фиг. 4, дополнительное охлаждение, рекуперируемое из нагретого второго потока расширенного холодного хладагента 171 в третьей секции теплообменника 196, используется с целью обеспечения холодопроизводительности для предварительного охлаждения части 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента 160. Более конкретно, второй поток охлажденного газообразного хладагента 160 разделяется на две части, а именно первую часть 161 и вторую часть 107. Первую часть 161 пропускают через и охлаждают на теплой стороне первой секции теплообменника 198A с образованием первой части дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента 168, причем холодопроизводительность и режим охлаждения в первой секции теплообменника 198A обеспечиваются первым потоком расширенного холодного хладагента 166, который нагревается на холодной стороне первой секции теплообменника 198A с образованием первого потока нагретого газообразного хладагента 131, как было описано выше.
[00100]
Секционную часть 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента пропускают через и охлаждают на теплой стороне третьей секции теплообменника 196 с получением второй части 111 дополнительно охлажденного второго потока охлажденного газообразного хладагента, который далее объединяют с первой частью 168, чтобы получить дополнительно охлажденный второй поток охлажденного газообразного хладагента, который затем расширяется во втором турбодетандере 172 с образованием второго потока расширенного холодного хладагента 174, 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.
[00101]
В альтернативном варианте реализации изобретения, вместо использования для охлаждения части 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента, третью секцию теплообменника 196 можно использовать для охлаждения потока природного газа. Например, первый сырьевой поток природного газа 195 может быть разделен на два потока, причем первый поток пропускают через и охлаждают на теплой стороне первой секции теплообменника 198A, как было описано выше, а второй поток пропускают через и охлаждают на теплой стороне третьей секции теплообменника 196, и, при этом, предварительно охлажденные потоки природного газа, выходящие из первой и третьей секций теплообменника, снова объединяют и смешивают с образованием предварительно охлажденного первого потока природного газа 105, который затем дополнительно охлаждают и сжижают во второй секции теплообменника 198B, как было описано выше. В еще одной вариации, третья секция теплообменника могла бы иметь теплую сторону, которая имеет более чем один отдельный проход через секцию, и могла бы использоваться для охлаждения как части 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента, так и потока природного газа.
[00102]
Вариант реализации изобретения, проиллюстрированный на Фиг. 4, обладает всеми преимуществами варианта реализации изобретения, проиллюстрированного на Фиг. 3, что включает в себя более высокую эффективность способа по сравнению с предшествующим уровнем техники. Кроме того, поскольку только один поток хладагента (первый поток расширенного холодного хладагента 166) проходит через холодную сторону первой секции теплообменника 198A, в качестве этой секции можно использовать секцию витого теплообменника. Однако, такая схема размещения требует использования дополнительного элемента оборудования в виде третьей секции теплообменника 196.
[00103]
Фиг. 5 иллюстрирует четвертый вариант реализации изобретения и вариацию Фиг. 4. В этом варианте реализации изобретения первая секция теплообменника 198А и вторая секция теплообменника 198В, аналогично вышеизложенному, предпочтительно представляют собой секции витого теплообменника, которые в этом варианте реализации изобретения помещены в один и тот же кожух MCHE 198, причем первая секция теплообменника 198A, например, представляет теплую секцию (трубный пучок) MCHE, а вторая секция теплообменника 198B, например, представляет холодную секцию (трубный пучок) MCHE. Однако, в этом варианте реализации изобретения MCHE 198 больше не содержит головки 118, которая отделяет холодную сторону (межтрубное пространство) первой секции теплообменника 198A от холодной стороны (межтрубное пространство) второй секции теплообменника 198B, и холодопроизводительность в первой секции теплообменника 198A больше не обеспечивается первым потоком расширенного холодного хладагента 166. Вместо этого, нагретый второй поток расширенного холодного хладагента, выходящий с теплого конца холодной стороны (межтрубное пространство) второй секции теплообменника 198B, входит в, проходит через и дополнительно нагревается на холодной стороне (межтрубное пространство) первой секции теплообменника 198A, чтобы обеспечить холодопроизводительность в первой секции теплообменника 198A, причем нагретый второй поток расширенного холодного хладагента дополнительно нагревается в указанной секции 198A с образованием второго потока нагретого газообразного хладагента 173, который затем направляют (необязательно через каплеотбойный сепаратор) в систему сжатия 136, как было описано выше.
[00104]
Подобным образом, в варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 5, холодопроизводительность в третьей секции теплообменника 196 больше не обеспечивается нагретым вторым потоком расширенного холодного хладагента, выходящим с теплого конца холодной стороны (межтрубное пространство) второй секции теплообменника 198B. Вместо этого, первый поток расширенного холодного хладагента 166 проходит через и нагревается на холодной стороне третьей секции теплообменника 196, чтобы обеспечить холодопроизводительность в третьей секции теплообменника 196, причем первый поток расширенного холодного хладагента 166 нагревается в указанной секции 196 с образованием первого потока нагретого газообразного хладагента 131, который затем направляют в систему сжатия хладагента 136 и сжимают, как было описано выше.
[00105]
В предпочтительном варианте реализации изобретения в соответствии с Фиг. 5, вторая часть 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента составляет от около 20 молярных % до 60 молярных % от второго потока охлажденного газообразного хладагента 160.
[00106]
В качестве альтернативы, и как было дополнительно описано выше в связи с Фиг. 4, в вариации варианта реализации изобретения, проиллюстрированного на Фиг. 5, третья секция теплообменника 196 может использоваться для охлаждения потока природного газа вместо использования ее для охлаждения части 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента. В еще одной вариации (аналогично вышеизложенному, как было дополнительно описано выше в связи с Фиг. 4), третья секция теплообменника 196 могла бы иметь теплую сторону, которая имеет более чем один отдельный проход через секцию, и могла бы быть использована для охлаждения как части 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента, так и потока природного газа.
[00107]
Вариант реализации изобретения, проиллюстрированный на Фиг. 5, обладает всеми преимуществами варианта реализации изобретения, проиллюстрированного на Фиг. 3, что включает в себя более высокую эффективность способа по сравнению с предшествующим уровнем техники. Кроме того, поскольку только один поток хладагента (нагретый второй поток расширенного холодного хладагента) проходит через холодную сторону первой секции теплообменника 198A, в качестве этой секции может использоваться витой теплообменник. Однако, такая схема размещения требует использования дополнительного элемента оборудования в виде третьей секции теплообменника 196. По сравнению с вариантом реализации изобретения, проиллюстрированным на Фиг. 4, вариант реализации изобретения в соответствии с Фиг. 5 упрощен, поскольку головка 118 не требуется, и не требуется рекуперировать поток хладагента из межтрубного пространства MCHE 198 на теплом конце второй секции теплообменника 198B, что приводит к упрощению конструкции теплообменника.
[00108]
Хотя Фиг. 2-5 иллюстрируют использование двух уровней расширения циркулирующего хладагента (в первом и втором турбодетандерах) и одной стадии мгновенного испарения (клапан J-T 108 и испарительный барабан 120) для мгновенного испарения первого потока сжиженного природного газа 106, дополнительные уровни расширения могли бы быть использованы путем добавления дополнительных турбодетандеров, и/или дополнительные стадии мгновенного испарения могут быть использованы путем дополнительного сброса давления потока СПГ 124 и генерирования одного или большего количества дополнительных потоков газа мгновенного испарения при дополнительно пониженных уровнях давления (причем образовавшиеся дополнительные потоки газа мгновенного испарения нагреваются в существующей секции теплообменника газа мгновенного испарения и/или в одной или большем количестве дополнительных секций теплообменника газа мгновенного испарения). Дополнительные стадии мгновенного испарения повышают эффективность способа при увеличении капитальных затрат и сложности.
[00109]
Хотя Фиг. 2-5 иллюстрируют применение системы охлаждения с замкнутым контуром, дополнительно может быть использована система с открытым контуром, в которой хладагент получают из сырьевого природного газа или газа мгновенного испарения.
[00110]
В вышеописанных вариантах реализации изобретения, представленных в данном документе, потребность во внешних хладагентах может быть сведена к минимуму, поскольку весь объем холодопроизводительности для сжижения и переохлаждения природного газа обеспечивается хладагентом, который содержит метан, доступный на месте в форме сырьевого потока природного газа. В обстоятельствах, когда желательно, чтобы в хладагенте дополнительно присутствовало некоторое количество азота, в целях дополнительного повышения эффективности, такой азот может уже присутствовать и, таким образом, быть доступным на месте из сырьевого потока природного газа и/или может генерироваться на месте из воздуха.
[00111]
Для дальнейшего повышения эффективности, в описанных выше циклах охлаждения дополнительно используют несколько холодных потоков хладагента при различных значениях давления, причем первый поток холодного газообразного (или преимущественно газообразного) хладагента, полученный в первом турбодетандере, используется с целью обеспечения холодопроизводительности для предварительного охлаждения природного газа, и, при этом, второй поток холодного газообразного (или преимущественно газообразного) хладагента, полученный во втором турбодетандере, используется с целью обеспечения холодопроизводительности для сжижения природного газа. Полученный в результате сжиженный природный газ далее подвергают мгновенному испарению в системе мгновенного испарения, которая включает в себя по меньшей мере одно устройство для понижения давления и по меньшей мере один парожидкостный сепаратор (который предпочтительно является дополнением к любому конечному резервуару для хранения СПГ, используемому для временного хранения готового СПГ на месте), чтобы получить готовый СПГ при требуемой температуре и газ мгновенного испарения, который рециркулируют обратно в сырьевой природный газ. Дополнительно, такая схема размещения сводит к минимуму или исключает двухфазный поток хладагента и устраняет необходимость в разделении двухфазного хладагента.
[00112]
Во всех вариантах реализации изобретения, представленных в данном документе, входной и выходной потоки из секций теплообменника могут быть боковыми потоками, частично отводимыми в процессе охлаждения или нагревания. Например, на Фиг. 3 нагретый второй поток расширенного холодного хладагента 171 и/или первый поток расширенного холодного хладагента 166 могут быть боковыми потоками в первой секции теплообменника 197. Кроме того, во всех вариантах реализации изобретения, представленных в данном документе, можно использовать любое количество ступеней расширения газовой фазы.
[00113]
Любые и все элементы систем сжижения, описанных в данном документе, могут быть произведены обычными способами 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 с использованием ссылочных позиций в соответствии с Фиг. 3.
[00101]
Таблица 1:
<b>Ссылоч. №</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>
-29
-34
809
56
20893
9477
1
<b>106</b>
-175
-115
759
52
20893
9477
0
<b>125</b>
-242
-152
41
3
7474
3390
1
<b>191</b>
102
39
814
56
7474
3390
1
<b>192</b>
108
42
814
56
2581
1171
1
<b>193</b>
-237
-149
814
56
2581
1171
0
<b>131</b>
96
35
410
28
37697
17099
1
<b>158</b>
102
39
1250
86
88413
40103
1
<b>160</b>
102
39
1250
86
50716
23004
1
<b>166</b>
-23
-31
418
29
37697
17099
1
<b>168</b>
-29
-34
1243
86
50716
23004
1
<b>173</b>
96
35
183
13
50716
23004
1
<b>174</b>
-179
-117
195
13
50716
23004
0,92
[00102]
В этом примере, сжатый и охлажденный газообразный поток хладагента 158 представляет собой метан. Давление первого потока расширенного холодного хладагента 166 выше, чем давление второго потока расширенного холодного хладагента 174. Для сравнения, в схеме размещения из предшествующего уровня техники, проиллюстрированной на Фиг. 1, первый поток расширенного холодного хладагента 166 и второй поток расширенного холодного хладагента 174 находятся при сходном давлении около 19 бар абсолютного давления (279 фунт/кв. дюйм, абс.). Такая разница давлений в варианте реализации изобретения в соответствии с Фиг. 3 повышает эффективность способа согласно варианту реализации изобретения в соответствии с Фиг. 3 на около 5%, по сравнению с эффективностью, соответствующей Фиг. 1 (предшествующий уровень техники), в обоих случаях с использованием чистого метана в качестве хладагента.
[00103]
Кроме того, этот пример применим к вариантам реализации изобретения в соответствии с Фиг. 4 и Фиг. 5. Ссылаясь на вариант реализации изобретения в соответствии с Фиг. 4, вторая часть 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента составляет около 85% от второго потока охлажденного газообразного хладагента 160. Ссылаясь на вариант реализации изобретения в соответствии с Фиг. 5, вторая часть 107 второго потока охлажденного газообразного хладагента составляет около 50% от второго потока охлажденного газообразного хладагента 160.
[00104]
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.