用于生產(chǎn)低溫壓縮氣體或液化氣的設(shè)備和方法
【專利說明】用于生產(chǎn)低溫壓縮氣體或液化氣的設(shè)備和方法
[0001] 本發(fā)明涉使用液化天然氣（下文也稱為"LNG"）的冷將流體冷卻并壓縮以產(chǎn)生低 溫壓縮流體的設(shè)備和方法，特別用作將通過空氣分離設(shè)備等產(chǎn)生的氮氣液化的技術(shù)。
[0002] 天然氣在運輸和儲存等中作為設(shè)備用液化天然氣（LNG)儲存，并且主要用于熱力 發(fā)電或者在氣化以后用于城市煤氣。然后開發(fā)了有效利用LNG的冷的技術(shù)。一般而言，作 為通過使用LNG的冷將氮氣等液化的設(shè)備，使用一種方法，從而將氮氣通過壓縮機壓縮至 一定壓力，使得氮氣可通過與LNG熱交換而液化，隨后使氮氣在換熱器中經(jīng)受與LNG熱交換 以通過提高溫度而將LNG氣化并將氮氣液化。
[0003] 另外，關(guān)于驅(qū)動壓縮機的電力，晚上的費率設(shè)置為低于白天的費率，從而建議用于 有效地將氣體液化，同時考慮以上LNG的供應(yīng)量波動和電力費率差的氣體液化方法。例如， 參考圖7,已知通過具有至少一個氣體壓縮機101、至少一個氣體膨脹渦輪103以及用于進 行氣體與液化天然氣之間的熱交換的換熱器102的液化方法通過使用液化天然氣的冷將 氣體液化的方法，其中當(dāng)供應(yīng)的液化天然氣的量提高時，上述膨脹渦輪103停止或者以降 低的量操作，而當(dāng)供應(yīng)的液化天然氣的量降低時，上述膨脹渦輪103起動或者以提高的量 操作（參見例如JP-A-05-45050)。
[0004] 然而，用如上所述產(chǎn)生低溫液化流體等的設(shè)備，在一些情況下發(fā)生如下各種問題。
[0005] (i)供入氣體液化方法的LNG的量通?？赡苡捎跓崃Πl(fā)電、城市煤氣等的需求波 動而波動，且可使用的冷的量也可能波動。因此，需要可有效地使用LNG的冷，使得即使供 應(yīng)的LNG量降低，液化流體等的產(chǎn)量可能不受影響的設(shè)備或方法。
[0006] (ii)為了在生產(chǎn)壓縮氣體的方法中將具有正常溫度和正常壓力的氣體加壓，需要 加入大量能和冷以抑制伴隨壓縮的氣體溫度提高。在生產(chǎn)大量消耗的常用壓縮氣體如氮氣 的方法中，存在冷的有效使用和全面能量降低的大問題。
[0007] (iii)關(guān)于具有正常壓力的氣體開始液化時的溫度，對LNG而言溫度為約-80°C， 而對氮氣而言溫度為約_120°C。例如，在使用LNG作為冷將正常壓力下的氮氣液化的方法 中，在氮氣液化起動的狀態(tài)下，經(jīng)受與該氮氣熱交換的LNG仍為具有大潛熱的液態(tài)，使得鑒 于單獨的該方法，LNG的冷沒有充分使用。另外，殘余LNG的冷未必容易用于其它目的，使 得在該液化方法中有效使用能量，包括LNG的冷存在大的問題。
[0008] 本發(fā)明的目的是提供用于將流體冷卻并壓縮以產(chǎn)生低溫壓縮流體的設(shè)備和方法， 其可有效地使用LNG的冷并可降低生產(chǎn)低溫壓縮流體中所需的能量。
[0009] 本發(fā)明人和其他人進行了熱心研究以解決上述問題，因此發(fā)現(xiàn)上述目的可通過下 文所述生產(chǎn)低溫壓縮流體的設(shè)備和方法實現(xiàn)，由此完成本發(fā)明。
[0010] 本發(fā)明使用蘭金（Rankine)循環(huán)系統(tǒng)將流體冷卻并壓縮以產(chǎn)生低溫壓縮流體的 設(shè)備包括：用于將傳熱介質(zhì)絕熱壓縮的第一壓縮裝置；用于將絕熱壓縮傳熱介質(zhì)恒壓加熱 的第一換熱器；用于將熱傳熱介質(zhì)絕熱膨脹的膨脹裝置；用于將絕熱膨脹傳熱介質(zhì)恒壓冷 卻的第二換熱器；用于將來自第二換熱器的傳熱介質(zhì)引入第一壓縮裝置中的第一流動通 道；和與膨脹裝置連接的至少一個第二壓縮裝置；其中在第二換熱器處，低溫液化天然氣 和傳熱介質(zhì)經(jīng)歷熱傳遞，其中在第一換熱器處，供入的物料氣體和傳熱介質(zhì)經(jīng)歷熱傳遞以 由物料氣體生成低溫流體，且其中其后將低溫流體在第二壓縮裝置處壓縮以產(chǎn)生低溫壓縮 流體。
[0011]另外，本發(fā)明將流體冷卻并壓縮以產(chǎn)生低溫壓縮流體的方法包括蘭金循環(huán)系統(tǒng)， 其中將通過第一壓縮裝置絕熱壓縮的傳熱介質(zhì)在第一換熱器中在恒壓下加熱，其后通過膨 脹裝置絕熱膨脹，并在第二換熱器中在恒壓下進一步冷卻，其中將低溫液化狀態(tài)的液化天 然氣引入第二換熱器中以將其冷傳遞給傳熱介質(zhì)，并將供入的物料氣體引入第一換熱器中 以通過傳熱介質(zhì)冷卻，其后引入與膨脹裝置連接的至少一個第二壓縮裝置中，以作為低溫 壓縮流體提取。
[0012] 用該結(jié)構(gòu)，LNG的冷可有效地用于制備低溫壓縮流體，并可實現(xiàn)所需能量的降低。 具體而言，在驗證本發(fā)明的方法中，發(fā)現(xiàn)熱傳遞有效地通過與壓縮流體熱交換而進行，且制 備低溫氣體中所需的冷與在使用LNG的冷的常壓常規(guī)條件下制備低溫流體中所需的冷相 比是極低的?；谠撝R，在本發(fā)明中，可有效地使用與壓縮流體的熱交換的蘭金循環(huán)系統(tǒng) (下文也稱為"RC"）用于制備低溫流體，由此可更加有效得多地使用LNG的冷，且傳遞冷中 所需的能量可通過借助RC的傳熱介質(zhì)有效地傳遞高壓LNG的冷以及在正常壓力下將來自 絕熱壓縮傳熱介質(zhì)的冷能傳遞至供入的物料氣體而很大程度地降低。
[0013] 使用上述設(shè)備的本發(fā)明設(shè)備進一步包括：用于將來自第二壓縮裝置的低溫壓縮流 體引入第一換熱器和第二換熱器中的至少一個中以形成液化組分的第二流動通道，用于調(diào) 節(jié)來自第一換熱器和第二換熱器中的至少一個的低溫壓縮流體的壓力的調(diào)節(jié)閥，和借助調(diào) 節(jié)閥將低溫壓縮流體引入其中，進行氣體-液體分離以容許從中提取液化組分的氣體-液 體分離器。
[0014] 另外，本發(fā)明方法使用上述方法，其中將來自第二壓縮裝置的低溫壓縮流體在第 一換熱器或第二換熱器中冷卻并經(jīng)受通過調(diào)節(jié)閥的壓力調(diào)節(jié)，使液化組分在氣體-液體分 離器中經(jīng)受氣體-液體分離并作為低溫液化組分從氣體-液體分離器中提取出來。
[0015] 當(dāng)LNG的冷用于制備液化流體如氮氣時，LNG的溫度為約_155°C，而氮氣在環(huán)境 空氣壓力下的沸點為-196Γ，使得溫度水平中的這一差別必須在這些之間補償。本發(fā)明使 用蘭金循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)該功能。蘭金循環(huán)系統(tǒng)中所用傳熱介質(zhì)通過使用LNG的冷而冷卻至 約-150至-155Γ以確保冷傳遞至氮氣等。在通常將壓力提高至臨界壓力或以上（例如 5-6MPa)以后，冷在正常壓力或低壓條件下通過第一換熱器傳遞至氮氣等，且冷進一步通過 第二換熱器傳遞至壓縮至高壓的氮氣等，由此可有效地制備液化氮氣。在制備液化流體中， LNG的冷可有效地使用，并可很大程度地降低傳遞冷所需的能量。
[0016] 本發(fā)明還涉及上述制備液化流體的設(shè)備，其中設(shè)備進一步包括：置于將來自第一 換熱器的傳熱介質(zhì)引入膨脹裝置中的第三流動通道中的第三換熱器，其中傳熱介質(zhì)、來自 第二換熱器的液化天然氣和來自第二壓縮裝置的低溫壓縮流體在第三換熱器處經(jīng)歷熱交 換。
[0017] 用該結(jié)構(gòu)，可進一步更有效地使用LNG的冷，并可進行以高能量效率制備液化流 體。特別地，當(dāng)將冷卻水引入第三換熱器中以通過具有大熱容量的冷能進行熱交換時，預(yù)備 或輔助熱向傳熱介質(zhì)、液化天然氣和低溫壓縮流體的傳遞可在開始時或者在停止時進行甚 至至瞬時波動等，由此確保LNG的冷的穩(wěn)定使用和穩(wěn)定的能量效率。
[0018] 本發(fā)明還涉及上述用于生產(chǎn)液化流體的設(shè)備，其中第一升壓裝置、第一分支流動 通道、第二升壓裝置和第二分支流動通道置于第四流動通道中，物料氣體通過所述第四流 動通道引入第一換熱器中；第四換熱器和第三分支流動通道置于引導(dǎo)來自氣體-液體分離 器的液化組分通過的第五流動通道中