冷却气态烃物流的方法和设备 【技术领域】
本发明涉及用于冷却气态烃物流(例如源自水下管线、特别是海底管线、更特别是延伸自海底井的水下管线的天然气)的方法和设备。
背景技术
水下或海底烃储层例如天然气储层可以通过海底井进行开采，所述海底井提取出烃以通过海底管线输送至海面上的海上或陆地上的烃设施。这些设施可以包括加工、处理和/或液化烃物流，特别是获得液化天然气(LNG)。
WO 02/21060 A1中描述了包括配有液化装置的驳船的用于液化天然气的浮置装置。将冷却水经开口式进水导管供应至液化装置，和在从换热器中脱除冷却水之后，使冷却水通过排放导管进入在容器外壳内延伸的烟囱中而直接排入海洋中。通常存在可以将冷却水排入环境中的最大规定温度，类似地，这反过来限制了液化方法。
【发明内容】
本发明提供冷却气态烃物流例如天然气物流的方法，所述方法包括至少以下步骤：
(a)将水下管线中的气态烃物流供应至海上烃设施；
(b)用一个或多个冷却物流从气态烃物流中脱除热量以冷却气态烃物流，从而提供较冷的烃物流和一个或多个较温热的冷却物流；
(c)利用至少一个较温热的冷却物流的热量加热所述管线中供应的气态烃物流。
因为现在将较温热的冷却物流的热量用于加热所述管线中供应的气态烃物流，所以该热量没有加到海洋中。因此这更容易满足任意的排放规范，减少了冷却方法的设计和操作限制。
在另一方面，本发明提供用于冷却气态烃物流例如天然气物流的设备，所述设备至少包括：
至海上烃设施的水下管线，用于将气态烃物流供应至烃设施；
冷却系统，用一个或多个冷却物流冷却气态烃物流，从而提供较冷的烃物流和一个或多个较温热的冷却物流；和
加热管路，以将至少一个较温热的冷却物流的热量传递至所述管线中的气态烃物流。
【附图说明】
下文将仅通过举例方式参考实施方案和参考所附非限定附图解释本发明，其中：
图1是根据本发明的一个实施方案用于冷却源自海底管线的烃物流的浮置装置的一般性示意图；
图2是本发明多个实施方案的示意图；和
图3是图1的更详细的示意图。
【具体实施方式】
用于本说明书的目的，将单个附图标记分配给管路以及该管路中携带的物流。相同的附图标记指相似的部件。
建议有利地使用将气态烃物流供应至海上烃设施的水下管线，其中将烃冷却过程的至少一个较温热的冷却物流的热量加至所述管线中的气态烃物流。
本发明所基于的理念在于可以将通过冷却气态烃物流提供的热量用于直接或间接加热水下(通常是海底)管线中供应的气态物流，而在其它情况下所述热量可能是废热或多余的热量，这些热量将难以在不过多干扰环境的条件下除去。这反过来可能有助于阻止在所述管线中形成气体水合物。
利用气态烃物流脱除较温热的冷却物流的至少部分热量，允许较温热的冷却物流的热量的脱除温度高于当将它加到海洋时的可能温度。
本发明延及将热量提供至通到或来自以地面为基地的设施、海上或海内的另一容器或结构、或海床上的其它井口的水下管线中的气态烃物流。这样的管线和任意其它管路或导管和伴随的保温材料的排布如本文所述。
任选地，可以从相同的井口或从其它井口提供一根以上管线至浮置容器。适合的排布是提供数对管线(或一根单独管线中一起的数对携带烃的导管12a)，所述管线或导管在海床上互相形成U形回路，从而使清管器沿着从海面至海床和返回至海面的方向运动。
通过冷却烃物流和/或通过任意预处理提供的热量可以以加热流体(优选加热后的水物流)的形式携带至水下管线。
在本发明的另一个实施方案中，可以通过与流体、物流、装置、设备等换热进行冷却和/或预处理，从而直接提供加热流体，和可以直接使用该加热流体，例如在加热管路中使用，以向通过所述管线的气态烃物流提供热量。
在替代实施方案中，将通过冷却烃物流和/或任何预处理提供的热量在单独的回路或循环中与中间流体(例如单独的水物流)进行换热，和随后使该中间流体与通过管线的加热流体或物流进行换热。
本发明中涉及的任意较温热的冷却物流、加热后的物流、加热流体和/或中间流体还可包含一种或多种盐沉积抑制剂或缓蚀剂等。
气态烃物流的来源通常由海床上或海床内的一个或多个储层和通过位于海床上或海床附近的井或井口提取。随后，烃物流可以沿适合的管线从井或井口流至浮置容器。
图1给出了冷却气态烃物流10例如天然气的方法，所述气态烃物流10源自海床16上的井口14和海面上的海上烃设施(这里显示为浮置容器例如船18的形式)之间的管线12。所述管线不必物理连接至船本身，气态烃物流10也不必直接从管线12供应至船18。烃设施可以例如包括井口建筑物或类似物，可以将船18固定至所述井口建筑物或类似物上，从而气态烃物流10经过所述井口建筑物供应至船18。
气态烃物流10可以是待冷却的任意适合含烃气体物流，但是通常是从一个或多个天然气或石油储层中获得的天然气物流。通常，天然气物流基本上由甲烷组成。优选地，烃物流包含至少60mol％的甲烷，更优选至少80mol％的甲烷。
与井口14的排布和操作一样，从一个或多个海床储层中提取气态烃物流10例如天然气在本领域中是已知的。
管线12可以包括按照本领域中已知的任意适合排布形式的一根或多根管路和导管以及保温材料。一个实例是用于气态烃物流10的中心导管12a，和包括沿着例如环绕着中心气态烃物流导管12a排布的一根或多根导管的加热管路90，每根导管包埋在一种或多种保温材料中。
管线12的长度可以根据水的深度和/或用于管线的所需路径变化，如本领域中已知的。
管线12将气态烃物流10的来源提供至船18上或船18内，在此烃物流10由管线12排出。在图1所示的实施方案中，它随后流入冷却系统22。
冷却系统和/或液化系统是本领域中已知的，和通常包括一个或多个冷却阶段，每个冷却阶段包括一个或多个换热器。冷却系统和/或液化系统可以包括具有专用和/或共用的制冷剂压缩机和下游换热器(例如用于脱除压缩热量)的一个或多个制冷剂回路。冷却系统可以包括冷却阶段，之后是用于液化气态烃物流的液化阶段，例如在LNG生产设施中。冷却气态烃物流的常用方法是使它与一个或多个冷却流体例如制冷剂在一个或多个换热器中进行换热。
冷却流体或制冷剂是本领域中已知的，和可以包括单组分制冷剂(例如丙烷或氮)或混合制冷剂，所述混合制冷剂通常包含两种或更多种选自以下的物质：氮、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、戊烷和C
6+烃。
冷却可以包括至少一个压缩机和至少一个下游换热器，它们可以是用于冷却烃物流的一个或多个制冷剂回路的一部分。制冷剂通常绕制冷剂回路流动，所述制冷剂回路通常包括至少一个制冷剂压缩机和至少一个下游换热器以冷却压缩后的物流。
冷却系统和/或液化系统可以具有一个或多个其它热量供给器或发生器，例如锅炉、涡轮、冷凝器，来自其中的热量可以用于加热管路。这些热量可以来自装置本身、或排放或废物物流。例如，涡轮排放可以包括换热器以提供升温后或加热后的物流。
因此，再次参考图1，冷却系统22可以是用于冷却气态烃物流10和因此提供冷却后的烃物流20的任意排布、设备、装置或设施、或它们的组合。冷却后的烃物流20可以是如后文所述的纯化和/或液化天然气物流。
在本发明的一个实施方案中，将烃物流冷却至低于0℃。优选地，冷却包括使烃物流例如天然气液化，从而提供液化烃物流例如液化天然气形式的冷却后的烃物流20。
冷却系统22的一个或多个部件、装置、元件或物流提供通过换热器24的较温热的冷却物流30，和换热器24的返回冷却物流40流回冷却系统22中。
较温热的冷却物流30可以包含压缩后的制冷剂。作为替代，较温热的冷却物流可以包含水和任选的一种或多种其它热组分。作为替代，管路30可以携带传热流体而不是较温热的冷却物流本身，其中所述传热流体携带至少一部分从较温热的冷却物流脱除的热量。
管路30中的物流例如水和任选的一种或多种热组分的温度可以大于＞20℃，优选＞30℃、＞40℃或＞50℃或甚至大于例如100℃，例如150℃或200℃。
图1还给出了进水导管50，其通常来自船18周围的海水，所述进水导管50进入包括过滤器系统28的容器26中。过滤器系统28可以包括适合连续净化水的过滤器装置，例如转筒或旋风分离器。
过滤器系统28提供过滤的水物流60，所述过滤的水物流60通过泵32以提供泵送水物流70，所述物流70还通过换热器24。按这种方式，热量从较温热的冷却物流30交换至换热器24中的泵送物流70，以提供加热后的水物流80。
优选地，管线包括至少一根用于气态烃物流10的烃导管12a，和至少一根加热管路90，来自较温热的冷却物流的热量沿所述加热管路90通过。加热后的水物流80随后可以通过管线12中的入口34直接通入加热管路90中，从而使加热后的水物流80中的热量向携带气态烃物流10的管线12中的导管12a供热。
加热管路90可以沿管线12部分延伸，但优选延伸通过在船18与在井口14处或其附近的管线12末端相邻或附近位置之间的管线12。本领域技术人员可以改变管线12和它的导管的精确构造。
在井口14附近，加热管路90可以使它的物流90通过管线12中的出口36和沿释放管路100流动(并返回海洋)，释放管路100的长度可以是本领域中任意适合的长度。优选地，通过出口36的物流90的温度大于环境海洋温度，例如+30℃。通过入口34的加热后的水物流80的温度可以高于如果将该加热后的水物流没有经加热管路90而直接排入环境海洋中所允许的温度。因此，需要通过进水导管50吸取的冷却水的流量通过使它经加热管路90排出而得到降低。
加热管路90的物流向管线12中携带的气态烃物流10供热，以降低、优选阻止管线12(特别是烃导管12a)中可能发生的水合物形成。
对大多数但不是所有的烃流体来说，希望将来自海底井口的烃物流的流动温度维持在高于25℃或甚至30℃，以阻止水合物形成。在海洋比所述温度低或者可能比所述温度低的地方，通常以作为海水温度和烃物流中水含量的函数的量，向烃物流加入一种或多种二醇化合物。
需要的二醇化合物的量可能是高的或非常高的，特别是在非热带水中，例如20-30vol.％。本领域中已经描述了多种保温或加热海底管线的方法，包括使用多种固体和液体保温材料，以减少需要添加的二醇化合物的量。但现有技术中热源仅被描述为来自单独的加热设施。
图1中所示的排布能够利用由气态烃物流10的冷却系统22提供的热量，从而增大了联合操作的效率。该效率包括降低提供用于通过加热管路90的任意流体的单独的加热设备、装置或设施的资金和/或运行成本，以及利用由冷却系统22产生的热量，所述热量在其它情况下可能被废弃或排入大气中。
本发明可以因此简化和/或降低液化装置和加热海底管线的资金和/或运行成本。
本发明不受管线中任意烃导管和任意加热管路的任意排布所限制。管线也可任选包括本领域中已知的一根或多根其它管路和/或任意的静态保温。
在这方面，注意到海底管线本身是本领域中已知的，和对于该管线已经使用和建议了多种排布。许多包括保温和/或与气态烃物流流动并流和/或逆流的其它流体的通道。这些排布包括共轴通道、导管、管路等和/或并联管路等。这些排布还包括在一条管线套管内的多根管路或导管的“束”；参见例如WO 02/053869 A1。
US 2004/0040716 A1描述了一种主动加热烃输送管中管流动管路中含有的烃液体的方法，所述管中管流动管路的环状空间含有隔热材料和/或部分真空，还使热水沿环状空间通过。热水可以从海面上的烃处理设施供应。但US 2004/0040716不包括冷却烃物流的方法，也没有提及处理来自烃冷却过程的过量工艺热量的问题。
优选地，所述或各加热管路90通过相对于管线的烃导管以靠近、邻近、内含或任意其它接近方式、优选紧靠的方式沿着所述或各烃导管分布，只要来自加热管路的热量具有到达烃导管的热路径即可。
加热管路90可以包括管线中用于相等或不等地携带热量的一根或多根管路。
烃导管12a可以包括管线中用于相等或不等地携带气态烃物流的一根或多根导管。
必要时或需要时，仍然可以向海床上的管线中加入一种或多种水合物抑制流体例如醇化合物(例如甲醇或二醇化合物，实例是MEG、PEG和TEG)，以帮助阻止水合物形成，尽管任何这种添加均是在明显低于仅依靠利用二醇化合物阻止水合物形成的现有技术方法的量或速率下进行。
在管线12的海面端，可以提供气/液分离器例如段塞流捕集器，以接收来自导管12a的气态烃物流，和使可能加入管路10中的气态烃与任意夹带的凝析烃、水相(可能含有水合物抑制剂)和/或固体分离。类似地，可以提供本领域技术人员已知的装置以预处理管路10中的气态烃物流，所述预处理可以包括如所需和本领域技术人员已知的脱水、脱除酸性组分(特别是CO
2和H
2S)、和脱汞中的一种或多种。
在本发明的一个实施方案中，用于管线12中流动的气态烃物流10的热量至少部分由制冷剂回路的至少一个下游换热器提供。制冷剂回路可以包括一个以上下游换热器，从中可以提供用于本发明的热量。
图2给出了用于加热管线12中的气态烃物流10的来自冷却系统22的两种可能热源。两种排布都包括在通过冷却系统22和作为完全气化的较温热的冷却物流30流出之前通过储罐38、膨胀器例如阀39的冷却物流40。较温热的冷却物流30通过压缩机36(其可以是串连、并联或它们的组合的一个或多个压缩机)，之后其流出物流通过下游换热器(这里表示为压缩机冷却器24a，其可以包括串连、并联或它们的组合的一个或多个冷却器)。
在一种排布中，第一水物流70b通过一个或多个压缩机冷却器24a，以从压缩冷却物流中取走热量，和从而提供加热后的水物流80b，加热后的水物流80b的热量随后可以传给管线12中的加热管路90。
在第二替代和/或补充排布中，存在驱动器35以驱动压缩机36。驱动器35具有用于其热排放物流的排放37，和在排放物流的路径上可以是第二水物流70a，水物流70a由此被加热，可能达到高于100℃的温度，和因此提供第二加热后的水物流80a，第二加热后的水物流80a可以通到管线12中的加热管路90。
因此，图2中所示的排布能够利用由较温热的冷却物流30和/或驱动器35的热排放物流提供的热量，从而增大联合操作的效率和利用在其它情况下可能被废弃或排入大气中的热量。
图3给出了图1的更详细的示意图。同样地，将来自海床16上的井口14的气态烃物流10通过管线12中的中心导管12a提供至船18。类似地，提供进水物流50通过容器26、过滤器系统28和泵32，从而提供泵送物流70。
图3给出了船18上或船18内的3个装置，其中每个装置或它们的任意组合可以用于冷却和任选预处理烃物流10。因此，图3中所示的排布不限于图示的装置组合或由每个装置提供的热排布，并在下文进行了论述。
根据来源，气态烃物流可以含有变化量的比甲烷重的烃，例如乙烷、丙烷、丁烷和戊烷以及芳族烃。气态烃物流还可含有非烃，例如H
2O、N
2、CO
2、H
2S和其它硫化合物等。
气态烃物流可以在冷却前进行预处理。这可以是例如脱除二氧化碳和任选的硫化氢和/或COS，例如通过酸性气体脱除系统或装置进行。用于减少气态烃物流中的二氧化碳/酸性气体的多种工艺、方法和系统在本领域中是已知的，包括使用有机溶剂或有机溶剂的含水溶液，和通常包括化学溶剂和物理溶剂。WO 03/057348 A1描述了用于从含二氧化碳和任选的硫化氢和/或COS的气体物流中脱除这些化合物的方法，所述方法通过用水、环丁砜和衍生自乙醇胺的仲胺或叔胺的含水洗涤溶液洗涤所述气体而进行。
在所述酸性气体脱除工艺、系统和方法中，可以通过用于向系统的设备或装置提供动力的一个或多个发电机、或通过提供或产生加热后的物流例如高于环境温度的二氧化碳或酸性气体排放物流而产生热量。
这些热量可以用于向管线中的烃物流直接或间接供热。
因此，在另一方面，本发明提供在准备冷却和/或液化气态烃物流例如天然气中对所述气态烃物流例如天然气进行预处理的方法，所述方法至少包括以下步骤：
(a)将烃物流从水下管线(任选来自海床)提供至例如浮置容器形式的海上烃设施；
(b)处理烃物流以减少和/或脱除气态烃物流中的一种或多种组分，和提供处理后的烃物流以及加热后的物流；
(c)利用加热后的物流的热量加热水下管线中的烃物流。
所述处理可以通过处理系统提供，和可以包括影响气态烃物流的属性或组成的任意物理和/或化学方法或方法组合，包括但不限于减少和/或脱除气态烃物流中的一种或多种组分。
处理系统还可以包括与气态烃物流换热或与其它物流换热的一个或多个换热器。
冷却烃物流和/或任意的预处理还可以包括或涉及产生热量或需要能量(包括由发电机产生的动力)的一个或多个单元、设备或装置。所述发电机包括本领域中已知的包括马达和驱动器的电力、涡轮和其它发电机。所述发电机可以作用于压缩机、泵、分离器等，和它们的操作通常产生热量。冷却和/或预处理还可以产生或提供具有需要被提取出来的热量的单独物流。在本发明的加热中，可以直接或间接利用任意或全部的这些热源。
在图3中，气态烃物流10首先通过酸性气体脱除(AGR)单元或系统52而经历酸性气体脱除，所述酸性气体脱除(AGR)单元或系统52可以是单独的或专用的单元或与一个或多个其它单元或设备联合。AGR系统52以本领域中已知的方式提供用于脱除二氧化碳和硫化氢和/或COS的方法，例如WO 03/057348 A1中描述的一种或多种方法。
AGR系统52提供处理后的物流110，而AGR系统52中的一个或多个单元、装置或换热器提供热量，所述热量可以通过传热物流120传到第一辅助换热器54，其中它的热量可以传到净化海水的泵送物流703或它的第一部分，从而提供第一较热的水物流70c，所述第一较热的水物流70c可以是加热后的水物流80的一部分或全部，所述加热后的水物流80可以以前文所述的方式通过管线12中的入口34和向下通过加热管路90。
处理后的烃物流110可以随后通入第一冷却阶段62，所述第一冷却阶段62可以构成冷却系统和/或液化系统的一部分。第一冷却阶段62可以包括并联和/或串连的一个或多个换热器，和能够降低处理后的烃物流110的温度，优选降低至低于0℃，和更优选降低至-10℃至-70℃，和提供冷却后的烃物流130。
第一冷却阶段62可以具有本领域中已知的任意构造，和通常包括其中流过一种或多种制冷剂以向处理后的烃物流110提供冷却或冷能的一个或多个制冷剂回路。制冷剂回路的一个实例是本领域中已知的丙烷制冷剂回路。
图3给出了通过第一冷却阶段62的第一制冷剂回路140，来自其中的在向处理后的烃物流110提供其冷却之后膨胀的制冷剂物流通入第一阶段压缩机66以进行再压缩。第一阶段压缩机66可以包括以本领域中已知形式串连或并联的一个或多个压缩机。制冷剂的压缩通常升高制冷剂温度，从而它一般由第一阶段压缩机66下游的一个或多个下游换热器(图2中由第二辅助换热器64表示)冷却。所述下游换热器可以包括本领域中已知的一个或多个环境水和/或空气冷却器。
在图3中所示的排布中，泵送物流或它的第二部分702还通过第二辅助换热器64，从而接收来自第一阶段压缩机66的压缩后物流的热量，和因此至少部分被加热并提供第二较热的水物流70b，所述第二较热的水物流70b可以是用于加热管路90的加热后的水物流80的一部分或全部。来自换热器64的制冷剂可以在再次进入第一冷却阶段62之前通过阀。
图3还给出了通过第二冷却阶段72的冷却后的烃物流130，其中第二冷却阶段72也包括并联和/或串连和设计用于进一步冷却和/或液化冷却后的烃物流130的一个或多个换热器，以提供进一步冷却的烃物流150，所述进一步冷却的烃物流150优选是液化烃物流例如液化天然气。进一步冷却的烃物流150例如LNG可以通入船18中的储存器例如一个或多个储罐(未显示)，或通过另外的管线或导管(未显示)到达位于其它位置的一个或多个储罐，例如以地面为基地的设施或其它浮置容器。
与第一冷却阶段62一样，第二冷却阶段72可以包括含有用于向冷却后的烃物流130提供进一步冷却的制冷剂的一个或多个制冷剂回路。一个实例制冷剂回路是混合制冷剂，和第二冷却阶段可以将冷却后的烃物流130的温度降低至低于-100℃，优选低于-150℃。
图3给出了第二制冷剂回路160，其中来自第二冷却阶段72的膨胀的制冷剂可以通过第二阶段压缩机76(其可以包括并联和/或串连的一个或多个压缩机)，和压缩后的物流随后通常被一个或多个下游换热器(例如环境水和/或空气冷却器，在图3表示为第三辅助换热器74)冷却。第二制冷剂回路160中的制冷剂物流随后以本领域中已知的方式通过第一冷却阶段62，任选首先通过第二冷却阶段以进一步冷却(未显示)，之后到达阀进行膨胀和以本领域中已知的方式再次用于第二冷却阶段72中。
第三辅助换热器74可以接收泵送物流70或它的第三部分701，从而在第二制冷剂回路160的制冷剂物流压缩之后(在第三辅助换热器74中)接收来自所述制冷剂物流的热量，和提供第三较热的冷却物流70a。
待提供至泵送物流70以产生加热后的物流80的热量可以由AGR系统52及第一和第二冷却阶段62和72中的一个或多个或它们的任意组合提供，和不限于图3中所示的排布。
因此，最终加热后的物流80可以由较热的物流70a、70b和70c中的一个或多个提供。
AGR系统52及第一和第二冷却阶段62和72中的一个或多个可以包括一个或多个发电机例如燃气涡轮，以驱动其中的一个或多个装置、单元或分离器，例如仅作为示例的第一和第二压缩机66、76。这些发电机还可以向泵送物流70或它的一部分直接或间接提供至少一些热量。
另外，图3中，加热后的水物流80可以随后通过管线12中的入口34直接通入加热管路90中，使得加热后的水物流80中的热量向携带来自井口14的气态烃物流10的管线12中的导管12a供热。图3中所示的排布能够利用由AGR系统52及第一和第二冷却阶段62和72中的一个或多个提供的热量，从而增大联合操作的效率和利用在其它情况下可能被废弃或排入大气中的热量。
本领域技术人员将理解，在不偏离所附权利要求的范围的条件下，可以以多种方式实施这一新发明。