專利名稱：用于低溫液化工藝中的組合式循環(huán)機(jī)械驅(qū)動的系統(tǒng)的制作方法
用于低溫液化工藝中的組合式循環(huán)機(jī)械驅(qū)動的系統(tǒng)
背景技術(shù)：
多年來，已不斷研發(fā)出并在專利文獻(xiàn)中描述了布雷頓(Brayton)冷卻循環(huán)的各種變型。例如，由于制冷劑在整個循環(huán)中都保持單相且因此更易于適應(yīng)如氣體冷卻的單相負(fù)荷這一事實(shí)，最初的單膨脹機(jī)系統(tǒng)的特性顯示出有利于利用冷卻應(yīng)用的工藝而非液化的工藝然而，盡管傳統(tǒng)的布雷頓工藝就液化功率而言不及級聯(lián)工藝(cascad印rocess)、 混合制冷劑工藝及其它大規(guī)模液化系統(tǒng)做得那么好，但由于此工藝簡單、耐用且靈活而受到一些歡迎，并且還用于液化，例如用于液化天然氣(LNG)的生產(chǎn)。尤其是對于較小的工廠，已證明簡單的布雷頓系統(tǒng)是切實(shí)可行的。與其它技術(shù)相比，當(dāng)涉及用在較大規(guī)模的天然氣液化設(shè)施中時，上面提及的大多數(shù)因素已被看作是對布雷頓循環(huán)的正面影響，但比能(specificenergy)需求較其他有利影響更為重要。例如，如挪威專利申請2008 3740所描述的那些的布雷頓循環(huán)的新近發(fā)展使布雷頓循環(huán)與其它技術(shù)之間的差距變小，就能量性能而言也是如此。除了更一般的設(shè)計、 更安全的工藝及其它方面的新需要以外，這些有助于使布雷頓回路的變型由于新介質(zhì)而得以新生，以用于大規(guī)模的LNG應(yīng)用，例如用在浮式(Hoating)LNG市場中。挪威專利申請2008 3740所描述的不同工藝變型中的大多數(shù)的特征是需要多個壓縮和膨脹級(stage)。乍一看，當(dāng)將這些工藝用于需要使設(shè)備重量和尺寸最小化的應(yīng)用時，這似乎像是一個復(fù)雜的因素。如在下文中所表明的，這并不是事實(shí)。本發(fā)明的主要目的是為這種工藝提供一種這樣的解決方案，即，其帶來了緊湊的機(jī)械布局、低的功率系數(shù)(specific power)要求、以及電力用戶與供應(yīng)者的獨(dú)特的且最佳的平衡。另一方面是如何通過用于壓縮機(jī)和/或膨脹機(jī)單元的直接機(jī)械驅(qū)動將這種機(jī)械布局結(jié)合到熱電廠中。因此，本系統(tǒng)利用了雙布雷頓循環(huán)或三布雷頓循環(huán)中的能量平衡，以是最佳的且靈活的、以及節(jié)約能量的。本系統(tǒng)還促進(jìn)了不同回路(即低溫、中溫及高溫回路)之間的動態(tài)的功率平衡，包括這種工藝布局能應(yīng)付波動和變化的情況。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，這些目的通過依靠使用單相氣態(tài)制冷劑的制冷組件來生產(chǎn)液化的且過冷的天然氣的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)包括至少兩個膨脹機(jī)；壓縮機(jī)組件；用于從天然氣吸熱的熱交換器組件；以及排熱(heat rejection)組件，其中，膨脹機(jī)布置在膨脹機(jī)回路 (loop)中，并且制冷劑依靠具有提供適于各個膨脹機(jī)的入口壓力和出口壓力的壓縮機(jī)或壓縮機(jī)級的壓縮機(jī)組件而以壓縮流供應(yīng)至各個膨脹機(jī)，其中，膨脹機(jī)和壓縮機(jī)或膨脹機(jī)級和壓縮機(jī)級組裝在兩個機(jī)械地連接的壓縮機(jī)和膨脹機(jī)機(jī)組(package)中，其中的一個機(jī)組由燃?xì)鉁u輪機(jī)驅(qū)動，且另一個機(jī)組由蒸汽渦輪機(jī)驅(qū)動，蒸汽主要由來自廢熱回收單元中的燃?xì)鉁u輪機(jī)的廢氣產(chǎn)生，并且其中，膨脹機(jī)和壓縮機(jī)或膨脹機(jī)級和壓縮機(jī)級分布在兩個壓縮機(jī)和膨脹機(jī)機(jī)組之間，以使蒸汽利用最優(yōu)化，且使由燃?xì)鉁u輪機(jī)和蒸汽渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率平衡。本 發(fā)明的其他實(shí)施例在從屬專利權(quán)利要求和下面的詳細(xì)描述中詳細(xì)說明。簡要地，本發(fā)明正專注于研發(fā)如挪威專利申請2008 3740所敘述的雙布雷頓回路或三布雷頓回路。期望獲得更高的效率(即，生產(chǎn)每kg的LNG需要更少kW)是如今的液化天然氣作業(yè)的一個重要因素。解決該問題的結(jié)果是單制冷系統(tǒng)的巨大飛躍。本發(fā)明在以下方面是獨(dú)特的燃?xì)鉁u輪機(jī)提供了至少一個壓縮機(jī)和可能地至少一個膨脹機(jī)單元的機(jī)構(gòu) (setup)所需要的凈功率，并且使用來自燃?xì)鉁u輪機(jī)的廢氣來產(chǎn)生蒸汽。蒸汽然后按特定路線傳送(route)至蒸汽渦輪機(jī)，驅(qū)動至少一個壓縮機(jī)和可能地至少一個膨脹機(jī)單元的另一機(jī)構(gòu)。低溫或過冷回路物理地設(shè)置在燃?xì)鉁u輪機(jī)驅(qū)動單元上，而高溫或過熱降溫 (de-superheating)回路優(yōu)選地物理地位于蒸汽渦輪機(jī)驅(qū)動單元上。中溫(medium temperature)或冷凝及冷卻回路典型地在上述兩個回路之間分開(split)。由于在蒸汽渦輪機(jī)與燃?xì)鉁u輪機(jī)之間產(chǎn)生的功率級的數(shù)量級為2 1，因此該系統(tǒng)布局非常適于具有雙布雷頓回路或三布雷頓回路的工藝解決方案。這導(dǎo)致一種與沒有廢熱回收單元的常規(guī)燃?xì)鉁u輪機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)相比具有極低的燃料需求的機(jī)構(gòu)，且因此是經(jīng)濟(jì)的、環(huán)保的并具有低的生產(chǎn)成本。經(jīng)由諸如離合器、齒輪的機(jī)械裝置或其它手段，系統(tǒng)能使功率平衡，從而滿足整個系統(tǒng)需要的功率消耗，即，如果任何氣體成分致使熱力改變不足以滿足功率需求，那么這能改為經(jīng)由機(jī)械轉(zhuǎn)換完成。否則，這通常通過諸如壓力級的工藝調(diào)節(jié)、或經(jīng)由壓縮機(jī)或膨脹機(jī)中的導(dǎo)葉來實(shí)現(xiàn)。


圖1示出了如挪威專利申請2008 3740所描述的三布雷頓循環(huán)的示意性布局；以及圖2是基于圖1中的三布雷頓循環(huán)的包括燃?xì)鉁u輪機(jī)和蒸汽渦輪機(jī)的壓縮機(jī)及膨脹機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的示意性布局。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本制冷組件包括三個不同的制冷回路高溫回路，在此圖示為具有兩個壓縮機(jī)12、13或壓縮機(jī)級和一個膨脹機(jī)1或膨脹機(jī)級，在下文中僅分別標(biāo)出了壓縮機(jī)和膨脹機(jī)。對于所有三個回路，這都是基本情況，但如果此工藝優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，那么該布局可由不同數(shù)量的壓縮機(jī)或膨脹機(jī)單元構(gòu)成，取決于工藝需求或其它標(biāo)準(zhǔn)。該高溫回路用于過熱降溫。中溫回路用于使LNG冷凝，并且該回路通常由兩個壓縮機(jī)14、15和一個膨脹機(jī)2 構(gòu)成；以及低溫回路在基本情況下同樣由三個壓縮機(jī)16、17、18和一個膨脹機(jī)構(gòu)成，并用于使LNG過冷。關(guān)于該制冷組件的其他信息見于挪威專利申請2008 3740，并且出于所有相關(guān)目的，將相同公開通過弓I證結(jié)合于此。
基于來自燃?xì)鉁u輪機(jī)的廢熱回收的蒸汽渦輪機(jī)在此工藝和發(fā)電工業(yè)中是眾所周知的。在大多數(shù)情況下，由于驅(qū)動器直接連接至發(fā)電機(jī)，因此將這種組合式發(fā)電單元中的至少一個渦輪機(jī)(比較美國專利6640586)，經(jīng)常是兩個渦輪機(jī)，用于發(fā)電。本發(fā)明描述了如下的系統(tǒng)，其中，將燃?xì)鉁u輪機(jī)和蒸汽渦輪機(jī)形式的組合式循環(huán)系統(tǒng)的兩個驅(qū)動器用作不同旋轉(zhuǎn)機(jī)械(即壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、齒輪等)的直接機(jī)械驅(qū)動器。如已提及的，挪威專利申請2008 3740所描述的工藝包括至少兩個膨脹機(jī)回路和未定義數(shù)量的壓縮機(jī)或壓縮機(jī)級。根據(jù)優(yōu)選的工藝布局，尤其是在每個膨脹機(jī)回路具有一個專用閉合布雷頓循環(huán)的情況下，壓縮級和/或膨脹級的數(shù)量可以非常大，參見圖1。這可通過采用多個驅(qū)動器來解決，但由于重量和占用的空間(footprint)限制，經(jīng)常強(qiáng)制性地采用更緊湊的設(shè)計。一體式齒輪傳動機(jī)(integrally geared machine)提供了將多個壓縮級和膨脹級組合到一個共用齒輪箱205、305上、涉及分別來自膨脹機(jī)和壓縮機(jī)的能量供應(yīng)和能量消耗的可能性。能夠合并到一個大齒輪(即，又驅(qū)動經(jīng)由小齒輪207、307附設(shè)的壓縮機(jī)或膨脹機(jī)單元的一個大的齒輪206、306)上的級的數(shù)量受葉輪或渦形(volute)的物理幾何形狀和齒輪自身的尺寸限制。一體式齒輪傳動機(jī)通常將關(guān)于每個小齒輪軸以相同速度旋轉(zhuǎn)的兩個葉輪結(jié)合起來。對于普通的一體式齒輪傳動機(jī)，小齒輪軸的數(shù)量限于三個，最多四個，因此允許最多六個到八個葉輪。有時且根據(jù)驅(qū)動速度，驅(qū)動器自身也可連接至小齒輪軸而非大齒輪自身。與上面指定的數(shù)量相比，該事實(shí)進(jìn)一步限制了對于每個大齒輪而言葉輪的最大數(shù)量。在圖1所示的工藝中，需要共計十個葉輪，S卩，在任何情況下，葉輪的總數(shù)多于能夠連接至單個大齒輪。在這種情況下，可能引入至少一個另外的大齒輪。圖2示出了圖1所示的工藝的一個機(jī)械機(jī)構(gòu)，其中，每個大齒輪的主驅(qū)動器分別是燃?xì)鉁u輪機(jī)和蒸汽渦輪機(jī)。一般說來，在組合式循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)中，蒸汽渦輪機(jī)的最大軸功率是燃?xì)鉁u輪機(jī)的約50%。由于葉輪的大數(shù)量，因此工藝的離散化可分別實(shí)現(xiàn)至少一個工藝循環(huán)直接通過燃?xì)鉁u輪機(jī)來驅(qū)動，并且至少一個另外的工藝循環(huán)在燃?xì)鉁u輪機(jī)大齒輪與蒸汽渦輪機(jī)大齒輪之間分開，以使燃?xì)鉁u輪機(jī)與蒸汽渦輪機(jī)之間的功率比接近2 1。在圖1中，示出了具有三個流體分離的布雷頓循環(huán)的工藝。使工藝離散化的一種可行方式由圖2表示，其中，與膨脹機(jī)3相關(guān)聯(lián)的整個低溫布雷頓循環(huán)連接至燃?xì)鉁u輪機(jī)大齒輪，包括膨脹機(jī)1的整個高溫布雷頓循環(huán)連接至蒸汽渦輪機(jī)大齒輪，而包括膨脹機(jī)2的中間溫度布雷頓循環(huán)在上述兩個大齒輪之間分開。在圖2中，機(jī)組200、300的一種可行機(jī)構(gòu)分別包括燃?xì)鉁u輪機(jī)201和蒸汽渦輪機(jī) 301。燃?xì)鉁u輪機(jī)機(jī) 組包括低溫膨脹機(jī)3、及低溫壓縮機(jī)16、17、18和中溫壓縮機(jī)15，而蒸汽渦輪機(jī)機(jī)組包括高溫膨脹機(jī)和中溫膨脹機(jī)1、2、及中溫壓縮機(jī)14和高溫壓縮機(jī)12、13。假定連接至燃?xì)鉁u輪機(jī)大齒輪的中溫布雷頓循環(huán)壓縮機(jī)完全再循環(huán)，這種布置允許與其它布雷頓循環(huán)無關(guān)地起動低溫回路。由于蒸汽產(chǎn)生開始，因此于是可使主熱交換器 8或低溫試驗箱同時冷卻下來。該機(jī)械布局還允許兩個驅(qū)動一體式齒輪傳動壓縮機(jī)之間的經(jīng)由離合器、軸或齒輪箱的接合，從而可處理從驅(qū)動器傳送的功率和一體式齒輪傳動壓縮機(jī)要求的功率的不平衡。上面說明的解決方案展示了以最佳的發(fā)電和配電且在低的功率系數(shù)消耗下將燃?xì)鉁u輪機(jī)中產(chǎn)生的蒸汽直接用在蒸汽渦輪機(jī)中的可能性。通常在所有的固有能量損失下， 將熱電機(jī)構(gòu)中的蒸汽傳送至蒸汽渦輪機(jī)，蒸汽渦輪機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)又向電機(jī)供電。該系統(tǒng)直接利用能量，并還使得可獲得占用的空間小、重量輕且成本低的機(jī)械布局。蒸汽經(jīng)由燃?xì)鉁u輪機(jī)中的排氣煙囪中的螺旋管而產(chǎn)生，并通過蒸汽渦輪機(jī)典型地以兩個壓力級(一個為過熱高壓蒸汽級，且一個為中壓蒸汽級)按特定路線傳送。 燃?xì)鉁u輪機(jī)具有廢熱回收單元202。該廢熱回收單元原理上是由排氣煙囪中的螺旋管構(gòu)成的閉合回路循環(huán)，其中，蒸汽由廢氣中的余熱(excessheat)產(chǎn)生。由此產(chǎn)生的蒸汽直接用在蒸汽渦輪機(jī)中。這兩個一體式齒輪傳動壓縮機(jī)和膨脹機(jī)機(jī)構(gòu)也可經(jīng)由離合器、 軸或齒輪機(jī)械地接合。布置在廢熱回收單元202中的未示出的補(bǔ)燃燃燒器(duct burner) 可補(bǔ)償蒸汽需求的較小不足，從而使工藝最優(yōu)化。作為一種可替代方案，可使用該廢熱回收單元中未包括的另一適當(dāng)熱源。燃?xì)鉁u輪機(jī)和蒸汽渦輪機(jī)201、301中的每個都可機(jī)械接合至具有布置在圖中未示出的單獨(dú)的孤立膨脹機(jī)-增強(qiáng)器(booster)-壓縮機(jī)臺(skid)上的膨脹機(jī)1、2、3的各個壓縮機(jī)段。
權(quán)利要求
1.一種依靠使用單相氣態(tài)制冷劑的制冷組件來生產(chǎn)液化的且過冷的天然氣的系統(tǒng)，包括-至少兩個膨脹機(jī)(1、2、3)；-壓縮機(jī)組件(12、13、14、15、16、17、18)；-用于從天然氣吸熱的熱交換器組件(8)；以及-排熱組件(25、19、20、21、22、23)，其中，所述膨脹機(jī)布置在膨脹機(jī)回路中，并且所述制冷劑依靠具有提供適于各個膨脹機(jī)的入口壓力和出口壓力的壓縮機(jī)或壓縮機(jī)級的所述壓縮機(jī)組件而以壓縮流供應(yīng)至各個膨脹機(jī)，其特征在于，所述膨脹機(jī)和壓縮機(jī)或膨脹機(jī)級和壓縮機(jī)級組裝在機(jī)械地連接的兩個壓縮機(jī)和膨脹機(jī)機(jī)組(200、300)中，其中的一個機(jī)組由燃?xì)鉁u輪機(jī)(201)驅(qū)動，且另一個機(jī)組由蒸汽渦輪機(jī)(301)驅(qū)動，蒸汽主要由來自廢熱回收單元(202)中的所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的廢氣產(chǎn)生，并且其特征在于，所述膨脹機(jī)和壓縮機(jī)或膨脹機(jī)級和壓縮機(jī)級分布在所述兩個壓縮機(jī)和膨脹機(jī)機(jī)組之間，以使蒸汽利用最優(yōu)化，且使由所述燃?xì)鉁u輪機(jī)和所述蒸汽渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率平衡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，布置在所述廢熱回收單元(202)中的補(bǔ)燃燃燒器或另一熱源補(bǔ)償了蒸汽需求的較小不足，以使工藝最優(yōu)化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)和蒸汽渦輪機(jī)(201、301)中的每個都機(jī)械地接合至包括壓縮機(jī)和膨脹機(jī)單元的不同組合的一體式齒輪箱(205、305)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、權(quán)利要求2和權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，每個膨脹機(jī)回路都是流體分離的制冷劑循環(huán)的一部分，與所述制冷劑循環(huán)中的至少一個相關(guān)聯(lián)的所有壓縮機(jī)和膨脹機(jī)都布置在由所述燃?xì)鉁u輪機(jī)直接驅(qū)動的所述齒輪箱上，從而能與上述蒸汽系統(tǒng)的狀態(tài)無關(guān)地建立和控制冷卻任務(wù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)和蒸汽渦輪機(jī)中的每個都機(jī)械地接合至各個壓縮機(jī)段，所述膨脹機(jī)布置在單獨(dú)的孤立膨脹機(jī)_增強(qiáng)器-壓縮機(jī)臺上。
全文摘要
一種依靠使用單相氣態(tài)制冷劑的制冷組件來生產(chǎn)液化的且過冷的天然氣的系統(tǒng)，包括至少兩個膨脹機(jī)；壓縮機(jī)組件；用于從天然氣吸熱的熱交換器組件；以及排熱組件，其中，膨脹機(jī)布置在膨脹機(jī)回路中，并且制冷劑依靠具有提供適于各個膨脹機(jī)的入口壓力和出口壓力的壓縮機(jī)或壓縮機(jī)級的壓縮機(jī)組件而以壓縮流供應(yīng)至各個膨脹機(jī)。根據(jù)本發(fā)明，膨脹機(jī)和壓縮機(jī)組件組裝在機(jī)械地連接的兩個壓縮機(jī)和膨脹機(jī)機(jī)組(200、300)中，其中的一個機(jī)組由燃?xì)鉁u輪機(jī)(201)驅(qū)動，且另一個機(jī)組由蒸汽渦輪機(jī)(301)驅(qū)動，蒸汽主要由來自廢熱回收單元(202)中的燃?xì)鉁u輪機(jī)的廢氣產(chǎn)生，并且其特征在于，膨脹機(jī)和壓縮機(jī)組件分布在兩個壓縮機(jī)和膨脹機(jī)機(jī)組之間，以使蒸汽利用最優(yōu)化，且使由燃?xì)鉁u輪機(jī)和蒸汽渦輪機(jī)生成的功率平衡。
文檔編號F25J1/02GK102203531SQ200980143991
公開日2011年9月28日 申請日期2009年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月4日
發(fā)明者拉爾斯·霍爾利克, 比約恩·哈拉爾德·豪克戴爾 申請人:海威氣體系統(tǒng)公司