用于在lng應(yīng)用中預(yù)冷卻的整體齒輪式壓縮機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本文中公開(kāi)的實(shí)施例涉及用于液化天然氣的過(guò)程和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣正在成為日益重要的能源。為了允許天然氣從供應(yīng)源運(yùn)輸至使用場(chǎng)所，必須減小氣體的體積。低溫液化已成為用于使天然氣轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的常規(guī)實(shí)踐過(guò)程，液體儲(chǔ)存和運(yùn)輸起來(lái)更方便、更廉價(jià)且更安全。通過(guò)將冷凍和液化的氣體保持在比環(huán)境壓力下的液化溫度低的溫度下，通過(guò)管線或航運(yùn)船運(yùn)輸液化天然氣(LNG)變得在環(huán)境壓力下是可能的。
[0003]為了儲(chǔ)存和運(yùn)輸處于液體狀態(tài)的天然氣，優(yōu)選地將天然氣冷卻在大約-150到_170°C，在此，氣體具有接近大氣蒸汽壓力。
[0004]若干過(guò)程和系統(tǒng)存在于用于天然氣液化的現(xiàn)有技術(shù)中，其提供以用于使升高壓力下的天然氣相繼地經(jīng)過(guò)多個(gè)冷卻階段，因此氣體在順序的制冷循環(huán)中以依次更低的溫度冷卻，直到達(dá)到液化溫度。
[0005]在使天然氣經(jīng)過(guò)冷卻階段之前，預(yù)處理天然氣以移除可干擾過(guò)程、損傷機(jī)械或不期望在最終產(chǎn)品中的任何雜質(zhì)。雜質(zhì)包括酸性氣體、硫化合物、二氧化碳、硫醇、水和水銀。然后通過(guò)制冷劑流來(lái)冷卻已移除了雜質(zhì)的預(yù)處理的氣體，以分離較重的碳?xì)浠衔?。殘留氣體主要由甲烷組成，且通常包含少于0.l%mol的更高分子量的碳?xì)浠衔?諸如丙烷或更重的碳?xì)浠衔?。因此凈化和純化的天然氣在低溫區(qū)段中冷卻至最終溫度。所得的LNG可在接近大氣壓力下儲(chǔ)存和運(yùn)輸。
[0006]低溫液化通常借助于多循環(huán)過(guò)程(即，使用不同制冷循環(huán)的過(guò)程)來(lái)執(zhí)行。取決于過(guò)程的種類，各循環(huán)可使用不同的制冷流體，或者相同的制冷流體可用于兩個(gè)或更多個(gè)循環(huán)中。
[0007]圖1示意地示出低溫天然氣液化系統(tǒng)的圖表，該系統(tǒng)使用所謂APCI過(guò)程。該已知的過(guò)程使用兩個(gè)制冷循環(huán)。第一循環(huán)使用丙烷作為制冷流體，且第二循環(huán)使用混合制冷劑，該混合制冷劑通常由氮、甲烷、乙烷和丙烷制成。標(biāo)為1的系統(tǒng)總體上包括第一循環(huán)2，該第一循環(huán)2包括由燃?xì)鉁u輪3形成的線路，該線路驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)系。該壓縮機(jī)系包括第一壓縮機(jī)5和第二壓縮機(jī)7，它們串聯(lián)以用于壓縮混合制冷劑。級(jí)間冷卻器(中間冷卻器)9冷卻由第一壓縮機(jī)5輸送的混合制冷劑，以在進(jìn)入第二壓縮機(jī)7之前降低其溫度和體積。由第二壓縮級(jí)7輸送的壓縮的混合制冷劑在熱交換器11中相對(duì)于空氣或水冷凝。如在此在下面所公開(kāi)的，混合制冷劑通過(guò)丙烷循環(huán)12進(jìn)一步被冷卻且部分地液化。
[0008]丙烷在第二或預(yù)冷卻循環(huán)中。第二循環(huán)包括線路，該線路包括燃?xì)鉁u輪13，燃?xì)鉁u輪13驅(qū)動(dòng)多級(jí)壓縮機(jī)15。由壓縮機(jī)15輸送的壓縮的丙烷相對(duì)于水和空氣在冷凝器17中冷凝。冷凝的丙烷用于將天然氣預(yù)冷卻至_40°C，且冷卻和部分地液化混合制冷劑。天然氣預(yù)冷卻和混合制冷劑部分液化在多壓力過(guò)程中執(zhí)行，在示例中示出4級(jí)壓力。
[0009]來(lái)自冷凝器17的冷凝的丙烷的流輸送至第一組四個(gè)串聯(lián)布置的熱交換器，以冷卻和部分地液化混合制冷劑，且輸送至第二組四個(gè)串聯(lián)布置的預(yù)冷卻熱交換器以冷卻天然氣。來(lái)自冷凝器17的壓縮的丙烷流的第一部分通過(guò)管道19輸送到第一組熱交換，且在串聯(lián)布置的膨脹器21、23、25和27中順序地膨脹至四個(gè)不同的、逐漸降低的壓力水平。在各膨脹器21、23、25的下游，膨脹丙烷流的一部分轉(zhuǎn)移至相應(yīng)的熱交換器29、31、33。流動(dòng)通過(guò)最后的膨脹器27的丙烷輸送至熱交換器35。
[0010]從熱交換器11輸送的壓縮的混合制冷劑在管道37中朝主低溫?zé)峤粨Q器38流動(dòng)。管道37順序地經(jīng)過(guò)熱交換器29、31、33和35，使得混合制冷劑相對(duì)于膨脹的丙烷逐漸地冷卻且部分地液化。
[0011]來(lái)自冷凝器17的冷凝的丙烷流的第二部份輸送至第二管道39，且在四個(gè)串聯(lián)布置的膨脹器41、43、45和47中順序地膨脹。在各膨脹器41、43和45中膨脹的丙烷的一部分以及從最后的膨脹器47流動(dòng)的丙烷分別朝對(duì)應(yīng)的預(yù)冷卻熱交換器49、51、53和55轉(zhuǎn)移。主天然氣線路61順序地通過(guò)所述預(yù)冷卻熱交換器49、51、53和55流動(dòng)，使得天然氣在進(jìn)入主低溫?zé)峤粨Q器38之前得到預(yù)冷卻。離開(kāi)預(yù)冷卻熱交換器49、51、53和55的加熱的丙烷與離開(kāi)熱交換器29、31、33和35的丙烷一起被收集，且再次供給至壓縮機(jī)15，該壓縮機(jī)15回收四個(gè)汽化丙烷支流，且將蒸汽壓縮至例如15-25 bar以在冷凝器17中再次冷凝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本文中公開(kāi)的主題涉及改善的天然氣液化系統(tǒng)，其包括至少一個(gè)預(yù)冷卻回路或環(huán)路(在其中使第一制冷劑循環(huán))和至少一個(gè)冷卻或液化環(huán)路(在其中使第二制冷劑循環(huán))。使氣態(tài)狀態(tài)下的天然氣流動(dòng)穿過(guò)預(yù)冷卻環(huán)路的熱交換器布置，且隨后在冷卻或液化環(huán)路的熱交換器布置中流動(dòng)。通過(guò)相對(duì)于第一制冷劑和至少第二制冷劑交換熱量來(lái)預(yù)冷卻、冷卻且最終液化該天然氣。附加的第三或其他冷卻和/或液化回路或環(huán)路可以以級(jí)聯(lián)或順序的布置來(lái)布置，以使天然氣逐漸地變冷且最終液化該天然氣。該環(huán)路包括相應(yīng)的壓縮機(jī)布置(以用于處理相應(yīng)的制冷劑)、以及至少一個(gè)冷凝器和一個(gè)或更多個(gè)膨脹元件(例如，渦輪膨脹機(jī)和/或節(jié)流閥)。至少預(yù)冷卻環(huán)路包括用于處理第一制冷劑的整體齒輪式渦輪壓縮機(jī)。第一制冷劑可分成兩個(gè)或更多個(gè)支流，其用于在逐漸降低的壓力值下相對(duì)于在隨后的冷卻或液化環(huán)路中循環(huán)的液化氣和/或制冷劑交換熱量。
[0013]根據(jù)一些實(shí)施例，提供了天然氣液化系統(tǒng)，其包括:
至少一個(gè)預(yù)冷卻環(huán)路，第一制冷劑適于穿過(guò)其循環(huán)，預(yù)冷卻環(huán)路包括:
至少一個(gè)壓縮機(jī)，其用于加壓第一制冷劑；
至少一個(gè)原動(dòng)機(jī)，其用于驅(qū)動(dòng)所述壓縮機(jī)；
至少一個(gè)冷凝器，其用于從第一制冷劑移除熱量；
至少一個(gè)第一膨脹元件，其用于使第一制冷劑膨脹；
至少一個(gè)第一熱交換器，其用于使熱量從天然氣傳遞至第一制冷劑；
和至少一個(gè)冷卻環(huán)路，其在所述預(yù)冷卻環(huán)路的下游，第二制冷劑循環(huán)穿過(guò)其，天然氣適于在預(yù)冷卻環(huán)路中和在冷卻環(huán)路中被順序地冷卻；
其中，所述壓縮機(jī)為整體齒輪式渦輪壓縮機(jī)，其包括多個(gè)壓縮機(jī)級(jí)，各壓縮機(jī)級(jí)設(shè)有獨(dú)立的可移動(dòng)的進(jìn)口導(dǎo)葉的組，以用于自主地調(diào)節(jié)進(jìn)入壓縮機(jī)級(jí)中的流。
[0014]根據(jù)一些實(shí)施例，可提供附加的壓縮機(jī)級(jí)，其不設(shè)有可移動(dòng)的進(jìn)口導(dǎo)葉。當(dāng)多個(gè)壓縮機(jī)級(jí)串聯(lián)地配置時(shí)，單個(gè)可移動(dòng)的進(jìn)口葉片的組是足夠的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)更上游的級(jí)的可移動(dòng)的進(jìn)口葉片的組來(lái)調(diào)節(jié)下游的級(jí)。當(dāng)?shù)谝恢评鋭┝鞣殖蓛蓚€(gè)或更多個(gè)支流且在兩個(gè)隨后的壓縮機(jī)級(jí)之間的中間位置中相繼地再結(jié)合時(shí)，串聯(lián)地配置的壓縮機(jī)級(jí)可裝備有相應(yīng)的可移動(dòng)的進(jìn)口葉片的組。
[0015]根據(jù)另一方面，提供了液化天然氣的方法，其中，通過(guò)相對(duì)于在預(yù)冷卻環(huán)路中循環(huán)的第一制冷劑和在冷卻和/或液化環(huán)路中循環(huán)的第二制冷劑交換熱量而冷卻和液化天然氣的流。第一制冷劑分成處于逐漸降低的壓力值下的多個(gè)支流。支流相對(duì)于天然氣流和/或相對(duì)于第二制冷劑交換熱量。支流在整體齒輪式渦輪壓縮機(jī)的相應(yīng)壓縮機(jī)級(jí)處返回。
[0016]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供了一種方法，包括:
提供預(yù)冷卻環(huán)路，其包括:具有多個(gè)壓縮機(jī)級(jí)的整體齒輪式渦輪壓縮機(jī)、至少一個(gè)冷凝器、至少一個(gè)膨脹元件、和至少一個(gè)熱交換器；
利用原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所述整體齒輪式渦輪壓縮機(jī)；
使第一制冷劑循環(huán)穿過(guò)整體齒輪式渦輪壓縮機(jī)；
在冷凝器中冷凝由整體齒輪式渦輪壓縮機(jī)輸送的第一制冷劑；
將第一制冷劑分成多個(gè)部分流；在膨脹元件中使冷凝的第一制冷劑膨脹；
使膨脹的制冷劑循環(huán)穿過(guò)熱交換器，以從天然氣移除熱量，以預(yù)冷卻天然氣；
獨(dú)立地控制可移動(dòng)的進(jìn)口導(dǎo)葉，以在壓縮機(jī)級(jí)的吸入側(cè)處調(diào)節(jié)部分流；
提供至少一個(gè)冷卻環(huán)路；
使第二制冷劑在所述至少一個(gè)冷卻環(huán)路中循環(huán)；
通過(guò)相對(duì)于第二制冷劑的熱交換來(lái)從預(yù)冷卻的天然氣移除熱量。
[0017]特征和實(shí)施例在下面公開(kāi)，且在形成本說(shuō)明書的一體部分的所附權(quán)利要求中進(jìn)一步闡述。上面的簡(jiǎn)要描述闡述了本發(fā)明的各種實(shí)施例的特征，以便可更好地理解隨后的詳細(xì)描述，且以便可更好地理解對(duì)領(lǐng)域的本貢獻(xiàn)。當(dāng)然，存在本發(fā)明的其他特征，其將在下文中描述且將在所附權(quán)利要求中闡述。在該方面中，在詳細(xì)解釋本發(fā)明的若干實(shí)施例之前，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的各種實(shí)施例在它們的應(yīng)用中不限于構(gòu)造的細(xì)節(jié)和在下列描述中提出或在附圖中示出的構(gòu)件布置。本發(fā)明能夠有其他實(shí)施例并且以各種方式實(shí)踐和執(zhí)行。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，在本文中采用的短語(yǔ)和用語(yǔ)用于說(shuō)明的目的，并且不應(yīng)認(rèn)為是進(jìn)行限制。
[0018]由本系統(tǒng)和方法詳細(xì)闡述的第一制冷劑的流動(dòng)速率不僅是關(guān)于壓縮機(jī)級(jí)旋轉(zhuǎn)速度的可控制動(dòng)作。以此方式，提供了更有效率和更可靠的LNG回路。
[0019]因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本公開(kāi)所基于的構(gòu)思可易于作為用于設(shè)計(jì)用于執(zhí)行本發(fā)明的若干目的的其他結(jié)構(gòu)、方法、和/或系統(tǒng)的基礎(chǔ)來(lái)利用。因而，重要的是，權(quán)利要求被認(rèn)為包括這種等同構(gòu)造，只要它們不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0020]由于當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過(guò)參照下列詳細(xì)描述，更好地理解本發(fā)明的公開(kāi)實(shí)施例及其附隨優(yōu)點(diǎn)中的許多，故將容易地獲得它們的更全面的了解，在附圖中:
圖1例示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于液化天然氣的系統(tǒng)；
圖2例示根據(jù)本公開(kāi)的用于生產(chǎn)LNG的系統(tǒng)的第一實(shí)施例的示意圖；
圖2A例示在圖2的布置中使用的整體齒輪式壓縮機(jī)的示范實(shí)施例； 圖3例示第二實(shí)施例中的根據(jù)本公開(kāi)的用于生成LNG的系統(tǒng)的示意圖；
圖4例示根據(jù)本公開(kāi)的用于在LNG系統(tǒng)中使用的整體齒輪式渦輪壓縮機(jī)的兩個(gè)壓縮機(jī)級(jí)的截面。