專利名稱：提供制冷劑壓縮用能量和輕質(zhì)烴氣體液化過程用電能的減少二氧化碳排放物的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種減少二氧化碳排放物的方法，用于提供制冷劑壓縮用的能量和輕質(zhì)烴氣體液化過程用的共用電能。
本發(fā)明還包括一種減少二氧化碳排放物的系統(tǒng)，用于提供制冷劑壓縮用的能量和輕質(zhì)烴氣體液化過程用的共用電能。
典型地，輕質(zhì)烴氣體是天然氣，其可以被處理以至少部分除去酸性氣體，脫水，并且從其中除去至少部分比約C3重的烴氣體。
背景技術(shù)：
近些年，在附近很少有或沒有天然氣市場的偏遠(yuǎn)地區(qū)，液化天然氣或者其他輕質(zhì)烴氣體持續(xù)引起人們的注意。位于這些偏遠(yuǎn)地區(qū)的天然氣只有在通過管道或者別的方式運(yùn)輸?shù)绞袌錾喜庞惺袌鰞r(jià)值。在很多情況下，建造運(yùn)輸這種天然氣的管道是不可行的。因此，在很多情況下，認(rèn)為現(xiàn)場液化天然氣以便通過油船運(yùn)到市場上是合適的。
已知多種液化天然氣的過程。在大多數(shù)這些過程中，必須在天然氣液化前處理天然氣，以除去酸性氣體、水和比約C3重的烴。已知的制冷過程包括如下工藝，其使用多純組分制冷劑、多組分制冷劑、或者它們的組合。利用一個(gè)或多個(gè)制冷劑部分等的制冷過程可以被使用。已知多種這樣的方法，它們可以用于本發(fā)明。所有這些過程通常要求在一定的壓力下制成可用的被壓縮的制冷劑，所以在冷卻后它可以被液化，然后汽化以產(chǎn)生天然氣液化所需的制冷。
大多數(shù)這樣的過程是高耗能的，要求大量能量輸入以壓縮制冷劑，從而重復(fù)循環(huán)通過制冷區(qū)，以產(chǎn)生至少部分地液化天然氣等所必需的制冷。而且，在處理天然氣以從其中除去酸性氣體和水、或者除去較重的烴后，在很多情況下重新壓縮天然氣需要大量能量。所有這些過程典型地要求大量的電能和機(jī)械能，并導(dǎo)致向大氣中排放大量二氧化碳(CO2)。
最近，已經(jīng)認(rèn)識到向大氣中排放CO2對大氣是有害的。因此，認(rèn)為在這樣的過程中應(yīng)該減少CO2的排放量是適當(dāng)?shù)?。典型地，這些過程在那些有大量廉價(jià)燃料的地方進(jìn)行。因此，幾乎沒有關(guān)于限制CO2排放到空氣中的關(guān)注，因?yàn)楹唵蔚嘏欧湃紵龔U氣流至大氣中比限制燃料的消耗量更方便和經(jīng)濟(jì)，這是因?yàn)檫@些燃料在液化地區(qū)以很小的成本或不需要成本就能容易地得到。如本領(lǐng)域中技術(shù)人員所知，烴燃料(特別是輕質(zhì)烴氣體)通過輕質(zhì)烴氣體燃?xì)鉁u輪機(jī)等已經(jīng)廣泛地用于產(chǎn)生電能和機(jī)械能。
最近，很明顯需要為輕質(zhì)烴氣體液化過程提供一種用于提供壓縮制冷劑和電能的系統(tǒng)和方法，其中產(chǎn)生減少的CO2排放物，且其中能現(xiàn)場產(chǎn)生用于該過程的機(jī)械能和電能。
發(fā)明概述本發(fā)明包括一種減少二氧化碳排放物的方法，其提供用于制冷劑壓縮的能量和用于輕質(zhì)烴氣體液化過程的共用電能，該方法包括a)在制冷劑壓縮機(jī)中壓縮制冷劑，該制冷劑壓縮機(jī)由至少一個(gè)輕質(zhì)烴氣體燃?xì)鉁u輪機(jī)至少部分地驅(qū)動，以產(chǎn)生壓縮的制冷劑，該渦輪機(jī)產(chǎn)生高溫廢氣流；b)通過與廢氣流的換熱從水或低壓蒸汽中生成高溫高壓蒸汽；c)利用來自b)中的蒸汽驅(qū)動蒸汽渦輪機(jī)以產(chǎn)生機(jī)械能；d)利用來自c)中的機(jī)械能驅(qū)動發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生電能，用于輕質(zhì)烴氣體液化過程。
本發(fā)明還包括一種減少二氧化碳排放物的系統(tǒng)，提供制冷劑壓縮用的能量和輕質(zhì)烴氣體液化過程用的共用電能，該系統(tǒng)包括a)制冷劑壓縮機(jī)，具有低壓氣態(tài)制冷劑入口和高壓制冷劑出口，并且軸連接于輕質(zhì)烴氣體燃?xì)鉁u輪機(jī)，該渦輪機(jī)具有高溫廢氣出口；b)換熱器，具有水或低壓蒸汽入口、蒸汽出口、高溫廢氣入口和低溫廢氣出口，其中高溫廢氣入口和高溫廢氣出口流體連通，因此高溫廢氣在通過時(shí)與水或低壓蒸汽換熱以產(chǎn)生蒸汽；c)由蒸汽驅(qū)動的發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生用于輕質(zhì)烴氣體液化過程中的電能；d)線路，與高壓制冷劑出口和輕質(zhì)烴氣體液化過程的被壓縮制冷劑入口流體連通。


該圖是系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)為輕質(zhì)烴氣體液化過程提供制冷劑壓縮用的能量和共用電能，并減少了進(jìn)入大氣的二氧化碳排放物。
優(yōu)選實(shí)施方案描述在

中，整個(gè)過程中用相同的標(biāo)號表示相同或者類似的組件。應(yīng)理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的和達(dá)到所示流動所需的許多壓縮機(jī)、閥、電動機(jī)和其他裝置為了簡化而沒有示出。
在圖中示出了渦輪機(jī)10和10′，它們經(jīng)軸12和12′軸連接于壓縮機(jī)14和14′。壓縮機(jī)14和14′可以是軸向式、離心式或類似的壓縮機(jī)，用于壓縮來自天然氣液化設(shè)備64的新鮮的或用過的制冷劑。用過的制冷劑通過線路48和50從設(shè)備64中回收，并且分別引導(dǎo)到渦輪機(jī)14和14′?；蛘?，用過的制冷劑可以經(jīng)單獨(dú)線路返回并傳輸?shù)揭粋€(gè)或兩個(gè)渦輪機(jī)。液化天然氣(LNG)經(jīng)線路70被回收，并且被傳輸以存儲在LNG存儲和排出設(shè)備72，從設(shè)備72中蒸發(fā)氣流74被回收并且傳輸?shù)皆O(shè)備64。
本文使用的術(shù)語“壓縮機(jī)”是指單級壓縮機(jī)、或者具有或者不具有級間冷卻或者帶有液體分離的級間冷卻的多級壓縮機(jī)。壓縮機(jī)可以是軸向式、離心式或類似的壓縮機(jī)。
雖然圖中示出兩個(gè)渦輪機(jī)和兩個(gè)制冷劑壓縮機(jī)，應(yīng)理解，可根據(jù)過程中壓縮制冷劑的需要而使用或多或少的渦輪機(jī)和壓縮機(jī)。在很多情況下，可以向整個(gè)輕質(zhì)烴氣體液化過程中增加作為單元的額外制冷區(qū)，以提高產(chǎn)量。在這種情況下，可以容易地增加更多的渦輪機(jī)和壓縮機(jī)。本發(fā)明預(yù)計(jì)，可以按需要增加或減少渦輪機(jī)和壓縮機(jī)，以生產(chǎn)所需量的壓縮制冷劑。
壓縮機(jī)14和14′產(chǎn)生壓縮的制冷劑流52和54，該流經(jīng)線路52和54導(dǎo)入設(shè)備64。制冷劑流可以被分開導(dǎo)入或一起導(dǎo)入。而且，在線路52和54中的流可以處于不同壓力，并且可以包括所需的不同制冷劑。這樣的變化對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是已知的，在一些制冷過程需要導(dǎo)入兩種或多種壓縮的制冷劑流，它們可以在相同或不同的壓力下在分開的位置導(dǎo)入到制冷區(qū)。在本發(fā)明中預(yù)計(jì)，被壓縮的制冷劑能夠在基本上任意需要的壓力(典型地為約1至約75bar)下產(chǎn)生，并且如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，所述被壓縮的制冷劑在傳輸?shù)教烊粴庵评鋮^(qū)之前可以通過與空氣、水或者類似物進(jìn)行換熱而被冷卻。
雖然本發(fā)明不限于任何具體的天然氣液化過程，但應(yīng)該指出，被壓縮的制冷劑可以進(jìn)一步在冷卻區(qū)冷卻，此后汽化以產(chǎn)生用于液化天然氣的冷制冷劑。經(jīng)線路66傳入設(shè)備64中的天然氣典型地被處理，以按需要至少部分地除去酸性氣體和水。在很多情況下，較重的烴(C3+)也已經(jīng)典型地被除去。有許多進(jìn)行這種分離的過程。本發(fā)明不限于這些材料中任何一種的任何回收方式，因?yàn)樗饕婕耙环N為制冷劑壓縮產(chǎn)生能量和為輕質(zhì)烴氣體液化過程產(chǎn)生共用電能的方法。
渦輪機(jī)10和10′典型地包括可以是軸向式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)、或者類似物的空氣壓縮部分(未示出)，其中來自線路18和18′的空氣被壓縮至高壓(典型地為約350至約800psia)，然后與通過氣體入口20和20′供應(yīng)的燃料氣流在接近于進(jìn)入渦輪機(jī)10和10′的空氣壓力(典型地為約350至約800psia)下混合。燃料氣體和空氣燃燒以產(chǎn)生在適合驅(qū)動渦輪機(jī)10和10′的壓力下的熱氣體流。廢氣流通過線路22和22′和線路24(典型地為約800至約1600°F)回收，并可以傳輸?shù)侥墚a(chǎn)生高壓蒸汽的換熱器26。可以使用任何一種合適的換熱器。
可使用多種技術(shù)如使用逆流換熱器等，以從水或低壓蒸汽中生成蒸汽(典型地為約400至約1200psi)。雖然在圖中沒有示出，但是在用于驅(qū)動渦輪機(jī)或膨脹器后低壓蒸汽能夠被重新循環(huán)到換熱器26，并且被重新加熱作為用于循環(huán)的高壓蒸汽。高壓蒸汽通過線路28被回收，并且傳輸?shù)綔u輪機(jī)或膨脹器30，在此它可以經(jīng)軸32提供機(jī)械能以驅(qū)動發(fā)電機(jī)34產(chǎn)生電能，該電能被示意性地示出，其通過線路36被回收。雖然如前所述，用過的蒸汽(典型地壓力低于約20psi)被表示為通過線路44從過程中排出，但是該蒸汽可以被再循環(huán)，以在換熱器26中重新加熱，因?yàn)樗ㄟm于處理以用來產(chǎn)生蒸汽的低壓蒸汽或水。
通過線路36產(chǎn)生和回收的電能可以經(jīng)線路42傳輸?shù)接糜谶^程的電網(wǎng)，此處電能可以構(gòu)成用在過程中的一些或所有電能，并且如示出的，通過線路38將傳輸部分電力以驅(qū)動啟動/輔助電動機(jī)16和16′，該電動機(jī)軸連接于或以其他方式連結(jié)于渦輪機(jī)10和10′。這些輔助電動機(jī)在很多情況下是大電動機(jī)，用來啟動渦輪機(jī)10和10′的操作。它們也可以產(chǎn)生大量能量，并且可以在渦輪機(jī)已經(jīng)啟動后繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。這些電動機(jī)產(chǎn)生大量軸能，并且如圖所示，它們由過程中產(chǎn)生的電能發(fā)動。
在換熱器26中換熱之后，來自線路24的廢氣典型地被傳輸以進(jìn)行合適處理，并如圖所示經(jīng)線路46排出。
在附圖討論中，在一些情況下術(shù)語“輕質(zhì)烴氣體”和“天然氣”可以互換使用。最經(jīng)常被液化的輕質(zhì)烴氣體是天然氣，典型地，被液化的天然氣主要是甲烷。這是由于除去了較重?zé)N，作為分離流的較重?zé)N可以具有比部分液化天然氣流更高的價(jià)值，還因?yàn)楣艿酪?guī)格經(jīng)常要求的加熱值低于包含大量較重?zé)N的液化天然氣提供的值。
額外的壓縮機(jī)馬達(dá)、泵和類似物(未示出)典型地由電能發(fā)動。根據(jù)本發(fā)明，如圖中所示，用于所有或大部分的這些操作的電能可以由產(chǎn)生的電能提供。
與如下過程相比，其中渦輪機(jī)的廢氣流用于其他目的，或者不經(jīng)熱回收就簡單地排到大氣中，并且其使用通過燃燒化石燃料產(chǎn)生的電能作為主要電力源，利用本發(fā)明方法排放到大氣中的CO2量減少了高達(dá)60％。典型地，減少量可達(dá)至少35％。減少量典型地在約40％至約60％的范圍。
前述的

描述了本發(fā)明的系統(tǒng)和方法。裝置及其相互作用已經(jīng)在上面討論了。
根據(jù)本發(fā)明的方法，輕質(zhì)烴氣體過程提供有被壓縮的制冷劑，其通過制冷劑壓縮機(jī)壓縮制冷劑而得到，所述壓縮機(jī)由渦輪機(jī)發(fā)動，該渦輪機(jī)產(chǎn)生升高溫廢氣流，該廢氣流被用來產(chǎn)生能驅(qū)動發(fā)電機(jī)的在合適壓力下的蒸汽，利用該蒸汽產(chǎn)生用于輕質(zhì)烴氣體液化過程的電能。
如前所述，本發(fā)明不涉及任何具體輕質(zhì)烴氣體液化過程，但是認(rèn)為本發(fā)明可應(yīng)用于并且有益于所有這些液化過程，該過程要求被壓縮的制冷劑和用于驅(qū)動工藝設(shè)備等的所選組件的電能。
被壓縮的制冷劑所要求的溫度和壓力可以根據(jù)具體制冷過程廣泛地變換，所述過程提供有被壓縮的制冷劑。相似地，來自渦輪機(jī)的廢氣溫度可以在本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的限度內(nèi)變化。例如，典型地，渦輪機(jī)如Frame 7渦輪機(jī)(例如型號MS 7001EA，可以從General ElectricCompany得到)已經(jīng)可以用于這類應(yīng)用。如果需要也可以使用其它渦輪機(jī)，諸如Frame 5渦輪機(jī)(例如型號MS 5002C或MS 5002D)和Frame9渦輪機(jī)，都可以從General Electric Company得到。廢氣溫度可以根據(jù)所選具體渦輪機(jī)而變化。相似地，所產(chǎn)生的蒸汽的壓力和溫度可以在相當(dāng)廣泛的范圍內(nèi)變化，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，同時(shí)還提供了驅(qū)動膨脹器或渦輪機(jī)以產(chǎn)生所需電能的能力。
盡管本發(fā)明已參照某些優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行了描述，但是應(yīng)指出，所述的實(shí)施方案是說明性的，而不是限制性的，在本發(fā)明的范圍內(nèi)許多變化和修改是可行的?；趯ι鲜鰞?yōu)選實(shí)施方案的描述的回顧，許多這樣的變化和修改被本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)為是顯而易見的且是希望的。
權(quán)利要求
1.一種減少二氧化碳排放物的方法，用于提供制冷劑壓縮用的能量和輕質(zhì)烴氣體液化過程用的共用電能，該方法包括a)在制冷劑壓縮機(jī)中壓縮制冷劑，該制冷劑壓縮機(jī)由至少一個(gè)輕質(zhì)烴氣體燃?xì)鉁u輪機(jī)至少部分地驅(qū)動以產(chǎn)生壓縮的制冷劑，該渦輪機(jī)產(chǎn)生高溫廢氣流；b)通過與廢氣流的換熱從水或低壓蒸汽產(chǎn)生高溫高壓蒸汽；c)利用來自b)的蒸汽驅(qū)動蒸汽渦輪機(jī)以產(chǎn)生機(jī)械能；和d)利用來自c)的機(jī)械能驅(qū)動發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生電能，用于輕質(zhì)烴氣體液化過程。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中使用多個(gè)制冷劑壓縮機(jī)和渦輪機(jī)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中渦輪機(jī)以壓縮的空氣流和輕質(zhì)烴氣體流作為燃料。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中空氣流和輕質(zhì)烴氣體流燃燒以產(chǎn)生驅(qū)動渦輪機(jī)的高溫高壓的氣流。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中壓縮的空氣流由軸向式壓縮機(jī)或離心式壓縮機(jī)產(chǎn)生。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中電能用在輕質(zhì)烴氣體液化過程用的電網(wǎng)上。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中渦輪機(jī)由連接到該渦輪機(jī)的起動/輔助電動機(jī)部分地驅(qū)動。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中制冷劑壓縮機(jī)是軸向式或離心式壓縮機(jī)。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中與如下的參照裝置相比，輕質(zhì)烴氣體液化過程中的二氧化碳物排放物減少了高達(dá)約60％，在所述參照裝置中廢氣流用于其他目的，且其中由化石燃料燃燒產(chǎn)生的電能用作電網(wǎng)用電能的主要來源。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中輕質(zhì)烴氣體是天然氣。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中至少部分酸性氣體和至少部分比約C3重的烴氣體已經(jīng)從天然氣中除去。
12.一種減少二氧化碳排放物的方法，用于提供制冷劑壓縮用的能量和輕質(zhì)烴氣體液化過程用的共用電能，該方法基本上由以下步驟組成a)在制冷劑壓縮機(jī)中壓縮制冷劑，該制冷劑壓縮機(jī)由至少一個(gè)輕質(zhì)烴氣體燃?xì)鉁u輪機(jī)至少部分地驅(qū)動以產(chǎn)生壓縮的制冷劑，該渦輪機(jī)產(chǎn)生高溫廢氣流；b)通過與廢氣流的換熱從水或低壓蒸汽產(chǎn)生高溫高壓蒸汽；c)利用來自b)的蒸汽驅(qū)動蒸汽渦輪機(jī)以產(chǎn)生機(jī)械能；和d)利用來自c)的機(jī)械能驅(qū)動發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生電能，用于輕質(zhì)烴氣體液化過程。
13.一種減少二氧化碳排放物的系統(tǒng)，提供制冷劑壓縮用的能量和輕質(zhì)烴氣體液化過程用的共用電能，該系統(tǒng)包括a)制冷劑壓縮機(jī)，其具有低壓氣態(tài)制冷劑入口和高壓制冷劑出口，并且軸連接于輕質(zhì)烴氣體燃?xì)鉁u輪機(jī)，該渦輪機(jī)具有高溫廢氣出口；b)換熱器，其具有水或低壓蒸汽入口、高壓蒸汽出口、高溫廢氣入口和低溫廢氣出口，其中高溫廢氣入口與高溫廢氣出口流體連通，因此高溫廢氣在通過時(shí)與水或低壓蒸汽換熱，產(chǎn)生高壓蒸汽；c)由高壓蒸汽驅(qū)動的發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生用于輕質(zhì)烴氣體液化過程的電能；和d)線路，其與高壓制冷劑出口和輕質(zhì)烴氣體液化過程的被壓縮制冷劑入口流體連通。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括多個(gè)壓縮機(jī)、渦輪機(jī)、換熱器和發(fā)電機(jī)。
15.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中渦輪機(jī)包括高壓空氣流的入口。
16.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中軸向式壓縮機(jī)或離心式壓縮機(jī)連接于渦輪機(jī)以產(chǎn)生高壓空氣流。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括燃燒區(qū)，其具有高壓空氣流入口和輕質(zhì)烴氣體入口，其中高壓空氣流和輕質(zhì)烴氣體流燃燒以產(chǎn)生高壓氣流。
18.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中低壓氣態(tài)制冷劑從輕質(zhì)烴氣體液化過程的制冷劑排放出口回收，并傳輸?shù)降蛪簹鈶B(tài)制冷劑入口。
19.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中與如下的參照裝置相比，輕質(zhì)烴氣體液化過程的二氧化碳排放物減少了高達(dá)約60％，在所述參照裝置中廢氣流用于其他目的，且其中由化石燃料燃燒產(chǎn)生的電能用作電網(wǎng)用電能的主要來源。
20.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括軸連接于渦輪機(jī)的電動機(jī)軸，該電動機(jī)由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力至少部分地發(fā)動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種減少二氧化碳排放物的系統(tǒng)和方法，以提供制冷劑壓縮用的能量和輕質(zhì)烴氣體液化過程用的共用電能。
文檔編號F02C6/18GK1685188SQ03823352
公開日2005年10月19日 申請日期2003年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月30日
發(fā)明者小里查德·約內(nèi)斯, 帕特里克·B·沃德 申請人:Bp北美公司