用于天然气液化的系统和方法.pdf

本发明提供了一种具有改进制冷的液化天然气生产系统和方法。该制冷由制冷装置实现，所述制冷装置包括配置为串联排列从而实现制冷剂多级压缩的多个制冷压缩机(11、13、15、17)、与所述多个制冷压缩机的每一个偶联从而冷却被压缩的制冷剂的多个后冷却机(12、14、16、18)、与最后一个后冷却机(18)偶联并配置为串联结构从而实现所述被压缩的制冷剂多级膨胀的多个透平膨胀机(19、20)，以及与所述多个制冷压缩机的第一个(11)和多个透平膨胀机的最后一个(20)偶联的多个制冷热交换装置(33、34)，这样所有组件形成一个闭合的制冷循环。

权利要求书
1.  一种液化天然气(LNG)生产系统，包括：
主低温热交换器；
天然气液化子系统；以及
制冷子系统，包括配置为串联排列从而实现制冷剂多级压缩的多个制冷 压缩机、与所述多个制冷压缩机的每一个偶联从而冷却被压缩的制冷剂的多 个后冷却机、与最后一个后冷却机偶联并配置为串联结构从而实现所述被压 缩的制冷剂多级膨胀的多个透平膨胀机，以及与所述多个制冷压缩机的第一 个和多个透平膨胀机的最后一个偶联的多个制冷热交换装置，由此，所有组 件形成闭合的制冷循环；
其中，所述主低温热交换器促进穿过所述天然气液化子系统的压缩天然 气和穿过所述制冷子系统的制冷剂之间的热交换，从而通过制冷子系统中的 制冷剂液化天然气液化子系统中的压缩天然气。

2.  根据权利要求1所述的液化天然气生产系统，其中，所述主低温热交 换器是多流式热交换器。

3.  根据权利要求1所述的液化天然气生产系统，其中，所述天然气液化 子系统包括：
气体处理模块，用于处理压缩天然气以使其适合被液化；
天然气热交换装置，与所述气体处理模块流动态/气态偶联并在所述主低 温热交换器内排列，用于使穿过的压缩天然气与对流的制冷剂流交换热量； 以及
天然气减压装置，与所述天然气热交换装置流动态/气态偶联，用于控制 所述来自天然气热交换装置的冷却的压缩天然气的压力的降低，从而进一步 降低压缩的液化天然气、产出的液化天然气和闪发气体的温度。

4.  根据权利要求3所述的液化天然气生产系统，其中，所述天然气减压 装置为焦耳-汤姆森(J-T)阀、两相膨胀机或液体膨胀机。

5.  根据权利要求1所述的液化天然气生产系统，其中，所述制冷子系统 包括：
第一制冷压缩机；
与所述第一制冷压缩机偶联的第一制冷后冷却机；
与所述第一制冷后冷却机偶联的第二制冷压缩机；
与所述第二制冷压缩机偶联的第二制冷后冷却机；
与所述第二制冷后冷却机偶联的第一制冷二次压缩机；
与所述第一制冷二次压缩机偶联的第三制冷后冷却机；
与所述第三制冷后冷却机偶联的第二制冷二次压缩机；
与所述第二制冷二次压缩机偶联的第四制冷后冷却机；
在主低温热交换器内排列并与所述第四制冷后冷却机偶联从而立即冷却 压缩制冷剂的第一制冷热交换装置；
与第一制冷热交换装置偶联以首先膨胀所述压缩制冷剂的第一透平膨胀 机；
与所述第一透平膨胀机偶联以再次膨胀所述首先膨胀的制冷剂的第二透 平膨胀机；以及
在主低温热交换器内排列并与所述第二透平膨胀机和第一制冷压缩机偶 联的第二制冷热交换装置。

6.  根据权利要求5所述的液化天然气生产系统，其中，所述制冷子系统 进一步包括在所述主低温热交换器内排列的第三制冷热交换装置，其中所述 第三制冷热交换装置的上游入口与所述第一透平膨胀机的一个下游出口偶 联，而所述第三制冷热交换装置的下游出口与所述第二制冷压缩机的一个上 游入口偶联；并且在操作中，通过所述第一透平膨胀机膨胀后的制冷剂被分 流为具有30/70至60/40比例的两股，一股(整股的30-60％)被引入到所述 第三制冷热交换装置以作为主低温热交换器中的冷流，且另一股(整股的 40-70％)通过所述第二透平膨胀机被进一步膨胀，然后引入到所述第二制冷 热交换装置以作为用于液化天然气次级冷却的最冷流。

7.  根据权利要求5所述的液化天然气生产系统，其中，所述制冷子系统 进一步包括在主低温热交换器内排列并在所述第一和第二透平膨胀机之间的 中间冷却机。

8.  根据权利要求6所述的液化天然气生产系统，其中，所述制冷子系统 进一步包括在主低温热交换器内排列并在来自所述第一透平膨胀机的一股和 所述第二透平膨胀机之间的中间冷却机。

9.  根据权利要求7所述的液化天然气生产系统，其中，所述制冷子系统 进一步包括第三膨胀装置和第二中间冷却机，二者均排列在所述第二透平膨 胀机和第二致冷热交换装置之间，并且所述第二透平膨胀机通过所述第二中 间冷却机向所述第三膨胀装置提供一股。

10.  根据权利要求7所述的液化天然气生产系统，其中，所述制冷子系 统进一步包括第三膨胀装置和第二中间冷却机，二者均排列在所述第二透平 膨胀机和第二致冷热交换装置之间；并且所述第二透平膨胀机提供两股分流 的制冷剂流，一股送回排列在所述主低温热交换器内的第五制冷热交换装置， 另一股通过所述第二中间冷却机送至第三膨胀装置。

11.  根据权利要求8所述的液化天然气生产系统，其中，所述制冷子系 统进一步包括第三膨胀装置和第二中间冷却机，二者均排列在所述第二透平 膨胀机和第二致冷热交换装置之间；并且所述第二透平膨胀机提供两股分流 的制冷剂流，一股送回排列在所述主低温热交换器内的第五制冷热交换装置， 另一股通过所述第二中间冷却机送至第三膨胀装置。

12.  一种利用闭环中的单相气态制冷剂来生产液化天然气的方法，包括：
提供在其中发生热交换的主低温热交换器；
提供流过该主低温热交换器以获得液化的加压天然气流；以及
通过制冷装置向所述主低温热交换器提供冷能量；其中，所述制冷装置 包括配置为串联排列从而实现制冷剂多级压缩的多个制冷压缩机、与所述多 个制冷压缩机的每一个偶联从而冷却被压缩的制冷剂的多个后冷却机、与最 后一个后冷却机偶联并配置为串联结构从而实现所述被压缩的制冷剂多级膨 胀的多个透平膨胀机，以及与所述多个制冷压缩机的第一个和多个透平膨胀 机的最后一个偶联的多个制冷热交换装置，这样所有组件形成一个闭合的制 冷循环。

13.  根据权利要求12所述的方法，其中，所述制冷装置包括：
第一制冷压缩机；
与所述第一制冷压缩机偶联的第一制冷后冷却机；
与所述第一制冷后冷却机偶联的第二制冷压缩机；
与所述第二制冷压缩机偶联的第二制冷后冷却机；
与所述第二制冷后冷却机偶联的第一制冷二次压缩机；
与所述第一制冷二次压缩机偶联的第三制冷后冷却机；
与所述第三制冷后冷却机偶联的第二制冷二次压缩机；
与所述第二制冷二次压缩机偶联的第四制冷后冷却机；
在主低温热交换器内排列并与所述第四制冷后冷却机偶联从而立即冷却 压缩制冷剂的第一制冷热交换装置；
与第一制冷热交换装置偶联以首先膨胀所述压缩制冷剂的第一透平膨胀 机；
与所述第一透平膨胀机偶联以再次膨胀所述首先膨胀的制冷剂的第二透 平膨胀机；以及
在主低温热交换器内排列并与所述第二透平膨胀机和第一制冷压缩机偶 联的第二制冷热交换装置。

14.  根据权利要求13所述的方法，其中，所述制冷装置进一步包括在所 述主低温热交换器内排列的第三制冷热交换装置，其中所述第三制冷热交换 装置的上游入口与所述第一透平膨胀机的一个下游出口偶联，而所述第三制 冷热交换装置的下游出口与所述第二制冷压缩机的一个上游入口偶联；并且 在操作中，通过所述第一透平膨胀机膨胀后的制冷剂被分流为具有30/70至 60/40比例的两股，一股(整股的30-60％)被引入到所述第三制冷热交换装 置以作为主低温热交换器中的冷流，而另一股(整股的40-70％)通过所述第 二透平膨胀机被进一步膨胀，然后引入到所述第二制冷热交换装置以作为用 于液化天然气次级冷却的最冷流。

15.  根据权利要求13所述的方法，其中，所述制冷装置进一步包括在主 低温热交换器内排列并在所述第一和第二透平膨胀机之间的中间冷却机。

16.  根据权利要求14所述的方法，其中，所述制冷装置进一步包括在主 低温热交换器内排列并在来自所述第一透平膨胀机的一股和所述第二透平膨 胀机之间的中间冷却机。

17.  根据权利要求15所述的方法，其中，所述制冷装置进一步包括第三 膨胀装置和第二中间冷却机，二者均排列在所述第二透平膨胀机和第二致冷 热交换装置之间，并且所述第二透平膨胀机通过所述第二中间冷却机向所述 第三膨胀装置提供一股。

18.  根据权利要求15所述的方法，其中，所述制冷子系统进一步包括第 三膨胀装置和第二中间冷却机，二者均排列在所述第二透平膨胀机和第二致 冷热交换装置之间；并且所述第二透平膨胀机提供两股分流的制冷剂流，一 股送回排列在所述主低温热交换器内的第五制冷热交换装置，另一股通过所 述第二中间冷却机送至第三膨胀装置。

19.  根据权利要求16所述的方法，其中，所述制冷子系统进一步包括第 三膨胀装置和第二中间冷却机，二者均排列在所述第二透平膨胀机和第二致 冷热交换装置之间；并且所述第二透平膨胀机提供两股分流的制冷剂流，一 股送回排列在所述主低温热交换器内的第五制冷热交换装置，另一股通过所 述第二中间冷却机送至第三膨胀装置。

说明书用于天然气液化的系统和方法
技术领域
本发明大致涉及天然气液化技术，特别涉及一种采用配置为串联排列的 多个透平膨胀机以用于天然气液化的系统和方法。
背景技术
为了以更有效的方式运输天然气，重要的是将其液化为用于运输的液化 天然气(LNG)，这能将天然气的体积收缩600倍，从而能被运送给世界其 他部分的消费者。许多LNG液化工厂利用带有混合制冷剂的制冷循环，其 制冷一般是通过使用具有包括丙烷、丙烯、乙烷、乙烯、甲烷和氮或其混合 物的一种或多种组合物的制冷剂在闭环或开环形态下的热交换来实现。由于 能够在利用制冷剂蒸发潜热的所述液化过程的不同阶段紧密地靠近天然气以 及多组分制冷剂的冷却曲线，因此混合制冷剂循环是有效的。
对于近海的天然气液化，推荐氮膨胀机循环，因为与基于混合制冷剂的 LNG工艺相比，其更安全并且涉及制冷剂渗漏的环境风险更少。此外，氮循 环并不需要存储烃制冷剂。
已熟知逆向布雷顿循环被用于天然气液化。然而，LNG过程的表现受许 多因素的限制，如主低温热交换器的最大温度接近限度，以及单一膨胀机能 达到的受限的膨胀比。一般地，所述膨胀机能够达到的膨胀比越大，LNG液 化过程的效率越高，并且制冷循环所需的制冷剂流量越低。
现有技术已经公开了基于在闭环氮制冷循环中利用双/三透平膨胀机的 氮膨胀循环的天然气液化过程。所述氮气流在利用二/三个并行的膨胀机膨胀 之前就分流成二/三股气流，从而达到用于天然气液化的不同的冷却温度。调 整所述分流的氮气流的流速以使冷却曲线紧密配合，从而改善过程效率。如 图12所示，提供了一种具有现有技术中并行结构的双膨胀机的天然气液化系 统。进气101、气体处理模块102、主低温热交换器103、天然气热交换装置 131、天然气减压装置104、闪蒸罐105、LNG 106、闪发气体热交换装置132、 闪发气体压缩机107、闪发气体后冷却机108、燃料气体109、第一制冷压缩 机111、第一制冷后冷却机112、第二制冷压缩机113、第二制冷后冷却机114、 第一制冷二次压缩机115、第二制冷二次压缩机117、第四制冷后冷却机118、 第一制冷热交换装置133和第二制冷热交换装置134与图1中所示的相应组 件相似(在下文详细描述)。第一透平膨胀机119和第二透平膨胀机120配置 为并行排列，从而将来自所述第一制冷热交换装置133的氮气流分为两股， 一股进料至所述第一透平膨胀机119，另一股进入所述第二透平膨胀机120， 来自两个膨胀机的下游物质流直接回流到所述第二制冷热交换装置134。然 而，在这些过程中的制冷物质的流量高。
因此，在本领域中需要开发一种具有更高效率和更小制冷流量的天然气 液化系统和方法。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有改进的制冷效率的液化天然气生产系 统。
本发明的一个方面提供了一种液化天然气(LNG)生产系统。在一个实 施方式中，所述液化天然气生产系统包括主低温热交换器、天然气液化子系 统，以及制冷子系统，该制冷子系统包括配置为串联排列从而实现制冷剂多 级压缩的多个制冷压缩机、与所述多个制冷压缩机的每一个偶联从而冷却被 压缩的制冷剂的多个后冷却机、与最后一个后冷却机偶联并配置为串联结构 从而实现所述被压缩的制冷剂的多级膨胀的多个透平膨胀机，以及与所述多 个制冷压缩机的第一个和所述多个透平膨胀机的最后一个偶联的多个制冷热 交换装置，这样所有组件形成一个闭合的制冷循环；其中，所述主低温热交 换器促进穿过所述天然气液化子系统的压缩天然气和穿过所述制冷子系统的 制冷剂之间的热交换，从而通过制冷子系统中的制冷剂液化在天然气液化子 系统中的压缩天然气。
在所述液化天然气生产系统的另一个实施方式中，所述主低温热交换器 是多流式热交换器。
在所述液化天然气生产系统的另一个实施方式中，所述天然气液化子系 统包括气体处理模块，其用于处理压缩天然气以使其适合被液化；天然气热 交换装置，其与所述气体处理模块以流动态/气态(fluidly/gaseously)偶联并 在所述主低温热交换器内排列，以用于使穿过的压缩天然气与对流的制冷剂 流交换热量；以及天然气减压装置，其与所述天然气热交换装置以流动态/ 气态偶联，以用于控制所述来自天然气热交换装置的压缩的液化天然气的压 力的减小，从而进一步降低压缩的液化天然气、出产的液化天然气(yielding  LNG)和闪发气体(flash gas)的温度。
在所述液化天然气生产系统的另一个实施方式中，所述天然气减压装置 为焦耳-汤姆森(J-T)阀、两相膨胀机或液体膨胀机。
在所述液化天然气生产系统的另一个实施方式中，所述制冷子系统包括 第一制冷压缩机、与所述第一制冷压缩机偶联的第一制冷后冷却机、与所述 第一制冷后冷却机偶联的第二制冷压缩机、与所述第二制冷压缩机偶联的第 二制冷后冷却机、与所述第二制冷后冷却机偶联的第一制冷二次压缩机、与 所述第一制冷二次压缩机偶联的第三制冷后冷却机、与所述第三制冷后冷却 机偶联的第二制冷二次压缩机、与所述第二制冷二次压缩机偶联的第四制冷 后冷却机、在主低温热交换器内排列并与所述第四制冷后冷却机偶联从而立 即冷却压缩的制冷剂的第一制冷热交换装置、与第一制冷热交换装置偶联以 首先膨胀所述压缩的制冷剂的第一透平膨胀机、与所述第一透平膨胀机偶联 以再次膨胀所述首先膨胀的制冷剂的第二透平膨胀机，以及在主低温热交换 器内排列并与所述第二透平膨胀机和第一制冷压缩机偶联的第二制冷热交换 装置。在所述液化天然气生产系统的进一步的实施方式中，所述制冷子系统 进一步包括在所述主低温热交换器内排列的第三制冷热交换装置，其中所述 第三制冷热交换装置的上游入口与所述第一透平膨胀机的一个下游出口偶 联，而所述第三制冷热交换装置的下游出口与所述第二制冷压缩机的一个上 游入口偶联；并且在操作中，通过所述第一透平膨胀机膨胀后的制冷剂被分 流为具有30/70至60/40比例的两股，一股(整股的30-60％)被引入到所述 第三制冷热交换装置以作为主低温热交换器中的冷流，而另一股(整股的 40-70％)通过所述第二透平膨胀机被进一步膨胀，然后引入到所述第二制冷 热交换装置以作为用于液化天然气次级冷却(sub-cooling)的最冷流。在所 述液化天然气生产系统的另一个进一步的实施方式中，所述制冷子系统进一 步包括在主低温热交换器内排列并在所述第一和第二透平膨胀机之间的中间 冷却机。在所述液化天然气生产系统的另一个实施方式中，所述制冷子系统 进一步包括排列在来自所述第一透平膨胀机的一股和所述第二透平膨胀机之 间的中间冷却机。在所述液化天然气生产系统的一个进一步的实施方式中， 所述制冷子系统进一步包括第三膨胀装置和第二中间冷却机，二者均排列在 所述第二透平膨胀机和第二致冷热交换装置之间。所述第一透平膨胀机可选 择提供两股分开的制冷剂流，一股送回到排列在所述主低温热交换器内的第 四制冷热交换装置，另一股通过所述第一中间冷却机送到第二膨胀装置。所 述第二透平膨胀机可选择提供两股分开的制冷剂流，一股送回到排列在所述 主低温热交换器内的第五制冷热交换装置，另一股通过所述第二中间冷却机 送到第三膨胀装置。
本发明的另一方面是提供一种利用闭环中的单相气态制冷剂来生产液化 天然气的方法。在一个实施方式中，该方法包括提供在其中发生热交换的主 低温热交换器，提供流过该主低温热交换器以获得液化的加压天然气流，以 及通过制冷装置向所述主低温热交换器提供冷能量；其中，所述制冷装置包 括配置为串联排列从而实现制冷剂多级压缩的多个制冷压缩机、与所述多个 制冷压缩机的每一个偶联从而冷却被压缩的制冷剂的多个后冷却机、与最后 一个后冷却机偶联并配置为串联结构从而实现所述被压缩的制冷剂的多级膨 胀的多个透平膨胀机，以及与所述多个制冷压缩机的第一个和多个透平膨胀 机的最后一个偶联的多个制冷热交换装置，这样所有组件形成一个闭合的制 冷循环。
本发明的目的和有益效果将通过结合以下附图的优选实施方式的详细描 述变得显而易见。
附图说明
现在将参照附图描述根据本发明的优选实施方式，其中相同的附图标记 表示相同的元件。
图1为显示根据本发明的一个实施方式的液化天然气生产系统的示意 图；
图2为显示根据本发明的另一个实施方式的液化天然气生产系统的示意 图；
图3显示了图2中所示的液化天然气生产系统的热流量-温度曲线；
图4为显示根据本发明的另一个实施方式的液化天然气生产系统的示意 图；
图5显示了图4中所示的液化天然气生产系统的热流量-温度曲线；
图6为显示根据本发明的另一个实施方式的液化天然气生产系统的示意 图；
图7显示了图6中所示的液化天然气生产系统的热流量-温度曲线；
图8为显示根据本发明的另一个实施方式的液化天然气生产系统的示意 图；
图9为显示根据本发明的另一个实施方式的液化天然气生产系统的示意 图；
图10为显示根据本发明的另一个实施方式的液化天然气生产系统的示 意图；
图11为显示根据本发明的另一个实施方式的液化天然气生产系统的示 意图；
图12为显示现有技术中的示例性液化天然气生产系统的示意图。
具体实施方式
通过参照以下本发明的特定实施方式的详细描述可以更容易地理解本发 明。
在本申请中，在引用公开物之处，这些公开物公开的内容在此通过引用 方式完全并入本申请中，从而更全面地描述本申请相关领域的情况。
本发明提供了一种以简单有效的方式利用基于膨胀机的制冷循环以使天 然气液化的系统和方法。该系统和方法使用串联排列的透平膨胀机，与已知 的现有技术工艺相比，具有简单灵活、低制冷流量需求、对每个膨胀机的低 膨胀率需求，以及有竞争力的效率和功耗的优点。
现在参照图1，其提供了一种依据本发明的一个实施方式的液化天然气 生产系统。所述液化天然气生产系统100包括主低温热交换器3、天然气液 化子系统，以及制冷子系统，其中，所述主低温热交换器3促进穿过所述天 然气液化子系统的天然气和穿过所述制冷子系统的制冷剂之间的热交换，从 而通过制冷子系统中的制冷剂液化天然气液化子系统中的天然气。
所述主低温热交换器3是多流式热交换器，其整合冷热流的热传输，并 且优化整合的冷却曲线。
如图1中所示，所述天然气液化子系统包括气体处理模块2，其确保进 气1适合于天然气液化过程；天然气热交换装置31，其在所述主低温热交换 器3内排列，用于使穿过的天然气与对流的制冷剂或其他气流(例如，下面 讨论的闪发气体流)交换热量；天然气减压装置4(例如，焦耳-汤姆森(J-T) 阀、两相膨胀机或液体膨胀机)，其用于控制来自所述天然气热交换装置31 的冷却天然气的压力的降低，以进一步降低天然气、产出的两相(气体和液 体)流的温度；以及闪蒸罐5，其用于将所述两相流分流成液化天然气6和 闪发气体。所有组件通过常规的管路/管道流动态偶联：2/31管道偶联所述气 体处理模块2的下游出口和所述天然气热交换装置31的上游入口；31/4管 道偶联所述天然气热交换装置31的下游出口和所述J-T阀4的上游入口，以 及4/5管道偶联所述J-T阀4的下游出口和所述闪蒸罐5的上游入口。所述 液化天然气6利用常规装置储存。对于闪发气体，所述天然气液化子系统进 一步包括闪发气体热交换装置32，其排列在所述主低温热交换器3内，用于 利用流过所述天然气热交换装置31的天然气而再生冷能量；闪发气体压缩机 7，其用于压缩冷能量再生的闪发气体；以及闪发气体后冷却机8，其用于冷 却压缩的闪发气体以产出燃料气体9。以常规的管路/管道流动态/气态偶联所 述组件：5/32管道偶联所述闪蒸罐5的下游出口和所述闪发气体热交换装置 32的上游入口；32/7管道偶联所述闪发气体热交换装置32的下游出口和所 述闪发气体压缩机7的上游入口；以及7/8管道偶联所述闪发气体压缩机7 的下游出口和所述闪发气体后冷却机8。
来自外源的进气1通常带有一定压力(一般为20-60barg)，并且在所述 气体处理模块2中处理以移除CO2、脱水并除汞。在液化天然气的低温温度 下，CO2和水的存在会引起主低温热交换器的冻结。气体处理后，需要CO2的流出浓度<50ppm，H2O的流出浓度<1ppm。H2S和Hg会引起铝铜焊板片 热交换器(aluminum brazed plate fin heat exchanger)，即主低温热交换器3的 腐蚀，因此在液化过程之前，还需要在所述气体处理模块2中移除Hg至<10 ng/Sm3，H2S移除至<2ppm。
在所述天然气液化系统的操作中，经气体处理之后的高压天然气穿过排 列在所述主低温热交换器3内的天然气热交换装置31，在此处被液化。由主 低温热交换器3排出的高压液体经过J-T阀4从而使压力降低至～1.2巴。所 述高压流的压力的降低使得温度下降至约-161℃并且形成双相流，在所述闪 蒸罐5中被进一步分离为气体和液体。液体是液化天然气产品，并被转移至 液化天然气储存罐。闪发气体通过所述主低温热交换器3中的冷能量而再生。 所述冷的闪发气体作为制冷剂的一部分在被进一步压缩和用作燃料气体之前 在所述主低温热交换器3中再生冷能量。
理论上说，所述制冷子系统包括多个进行多级压缩的制冷压缩机、多个 后冷却机、多个进行多级膨胀的透平膨胀机，以及多个制冷热交换装置，其 中所有组件以串联结构偶联，从而形成闭合的制冷循环。所述“多个”在本 发明中指两个或更多个。如图1中所示，第一制冷压缩机11、第一制冷后冷 却机12、第二制冷压缩机13、第二制冷后冷却机14、第一制冷二次压缩机 15、第三制冷后冷却机16、第二制冷二次压缩机17、第四制冷后冷却机18、 在所述主低温热交换器3内排列的第一制冷热交换装置33、第一透平膨胀机 19、第二透平膨胀机20，以及在所述主低温热交换器3内排列的第二制冷热 交换装置34。所有这些组件通过常规的管路/管道连续偶联以形成闭合的制 冷环；34/11管道偶联所述第二制冷热交换装置34的下游出口和所述第一制 冷压缩机11的上游入口；11/12管道偶联所述第一制冷压缩机11的下游出口 和所述第一制冷后冷却机12的上游入口；12/13管道偶联所述第一制冷后冷 却机12的下游出口和所述第二制冷压缩机13的上游入口；13/14管道偶联 所述第二制冷压缩机13的下游出口和所述第二制冷后冷却机14的上游入口； 14/15管道偶联所述第二制冷后冷却机14的下游出口和所述第一制冷二次压 缩机15的上游入口；15/16管道偶联所述第一制冷二次压缩机15的下游出 口和所述第三制冷后冷却机16的上游入口；16/17管道偶联所述第三制冷后 冷却机16的下游出口和所述第二制冷二次压缩机17的上游入口；17/18管 道偶联所述第二制冷二次压缩机17的的下游出口和所述第四制冷后冷却机 18的上游入口；18/33管道偶联所述第四制冷后冷却机18的下游出口和所述 第一制冷热交换装置33的上游入口；33/19管道偶联所述第一制冷热交换装 置33的下游出口和所述第一透平膨胀机19的上游入口；19/20管道偶联所 述第一透平膨胀机19的下游出口和所述第二透平膨胀机20的上游入口；以 及20/34管道偶联所述第二透平膨胀机20的下游出口和所述第二制冷热交换 装置34的上游入口。优选的制冷剂为氮气(N2)。所述第一和第二制冷压缩 机11，13可利用电机、内燃机或燃气涡轮机驱动，而所述第一和第二二次压 缩机15，17分别利用所述第二和第一透平膨胀机20，19驱动。所述后冷却 机是典型的空气冷却机或水冷却机，并且依据环境条件将所述压缩的制冷剂 冷却至，例如，～40℃的温度。
在所述制冷子系统的运行中，从所述第二制冷热交换装置34的下游出口 排出的制冷剂具有低压(典型地为6巴)；所述低压制冷剂首先通过第一和第 二制冷压缩机11，13被压缩至～50巴，然后进一步通过所述第一和第二二次 压缩机15，17被压缩至90-100巴。每个所述制冷压缩机和二次压缩机的下 游分别被四个后冷却机12，14，16，18中的一个冷却以达到依据环境条件的 温度。来自所述第四后冷却机18下游出口的高压制冷剂流进入在所述主低温 热交换器3内排列的第一制冷热交换装置33，从而被冷却至中间的温度，典 型地为～-27℃，然后进入第一透平膨胀机19以膨胀至～24巴的压力，然后进 入第二透平膨胀机20以减小压力至～7巴并且达到～-153℃的温度。来自所述 第二透平膨胀机20下游出口的低温温度的制冷剂流进入在所述主低温热交 换器3内排列的第二制冷热交换装置34，并提供主要冷能量以液化天然气。 在所述主低温热交换器3中冷冻再生后，所述制冷剂流再次流入所述第一制 冷压缩机11，并在闭合的制冷环中再次循环。
现在参照图2，其提供了一种根据本发明的另一个实施方式的液化天然 气生产系统。为了突出此实施方式的特点，不必须的情况下，将省略与图1 中所示的相似特征的描述。所述制冷子系统进一步包括在所述主低温热交换 器3内排列的第三制冷热交换装置35。所述第三制冷热交换装置35的上游 入口通过19/35管道与所述第一透平膨胀机19的一个下游出口偶联，同时所 述第三制冷热交换装置35的下游出口通过35/13管道与所述第二制冷压缩机 13的上游入口偶联。在操作中，在通过第一透平膨胀机19膨胀后的制冷剂 被分流为具有30/70至60/40比例的两股，一股(整股的30-60％)被引入到 所述第三制冷热交换装置35中以作为主低温热交换器3中的冷流，而另一股 (整股的40-70％)通过所述第二透平膨胀机20被进一步膨胀，然后引入到 所述第二制冷热交换装置34以作为用于加压的液化天然气的次级冷却的最 冷流。由于在中间温度的冷凝比在低温下天然气的次级冷却需要更多冷能量， 在所述第一透平膨胀机19后的分流可根据天然气液化所需的热量来更好地 分配冷能量。由于冷热流之间的温度差沿着如图3中所示的热流量平坦地接 近，因此图2中的这个过程对天然气进料压力的改变是灵活的。在所述第一 透平膨胀机后的下游分流的情况下，在图1中描述的过程中的有效的/特定的 能量需求改进了15-20％。
现在参照图4，其提供了一种根据本发明的另一个实施方式的液化天然 气生产系统。为了突出此实施方式的特点，不必须的情况下，将省略与图1 中所示的相似特征的描述。所述制冷子系统进一步包括在所述第一和第二透 平膨胀机19，20之间排列的中间冷却机36。所述中间冷却机36的上游入口 通过19/36管道与所述第一透平膨胀机19的下游出口偶联，且所述中间冷却 机36的下游出口与所述第二透平膨胀机20的上游入口偶联。来自所述第一 透平膨胀机19下游出口的高压制冷剂流在进入中间冷却机36之前被膨胀至 ～24巴的压力以进一步冷却至～-136℃，然后进入第二透平膨胀机20以减压 至～15巴并达到～-153℃的温度。该第二透平膨胀机20的下游在低温温度下 穿过所述主低温热交换器3并提供主要冷能量以液化天然气。在所述主低温 热交换器3的冷能量再生后，所述制冷剂流再次流入第一制冷压缩机11，并 在所述闭合的制冷环内再次循环。图5显示了图4中所示的以上描述的系统 的冷却曲线。在所述第一和第二膨胀机之间具有中间冷却机的情况下，在图 1中描述的系统和过程中的有效的/特定的能量需求改进了8-10％。
现在参照图6，其提供了一种根据本发明的另一个实施方式的液化天然 气生产系统。为了突出此实施方式的特点，不必须的情况下，将省略与图1、 2和4中所示的相似特征的描述。在所述制冷子系统中，来自所述第一透平 膨胀机19的制冷剂被分流为两股。然后所述中间冷却机36通过37/20管道 排列在来自所述第一透平膨胀机19的一股和所述第二透平膨胀机20之间。 在操作中，所述高压制冷剂流在进入所述第一透平膨胀机19之前被冷却至中 间温度，例如，～-32℃，并在被分流为两股之前膨胀至～30巴的压力。一股 再次进入在所述主低温热交换器3内排列的中间冷却机37以进一步冷却至 ～-111℃，然后进入所述第二透平膨胀机20以减小压力至～10巴并达到 ～-153℃的温度。此膨胀机20的下游穿过主低温热交换器3并提供低温的主 要冷能量从而液化天然气。另一股从膨胀机19下游分开的流直接穿过主低温 热交换器3从而提供高温的冷能量以液化天然气。在所述主低温热交换器3 中的冷能量再生后，两股制冷剂流分别流入所述第一和第二制冷压缩机11， 13，并在闭合的制冷环内再次循环。在所述第一透平膨胀机之后的制冷剂分 流更有助于在暖和冷温度之间分配制冷剂的热流量，从而更好地匹配在去过 热、冷凝和次级冷却阶段中的天然气由暖至冷温度的热量需求。与图4中的 过程相比，图6中的过程具有进一步的5-7％的效率改善和2-5％的制冷剂流 量的降低。图6中以上过程的冷却曲线如图7中所示。
现在参照图8，其提供了一种根据本发明的另一个实施方式的液化天然 气生产系统。为了突出此实施方式的特点，不必须的情况下，将省略与图1、 2、4和6中所示的相似特征的描述。在所述制冷子系统中，来自所述第二透 平膨胀机20的制冷剂被分流为两股。所述制冷子系统进一步包括在所述第二 制冷压缩机13和所述第一制冷二次压缩机15之间排列的第三制冷压缩机22 和第五制冷后冷却机23、用于接收来自所述第二透平膨胀机20的一股的第 五制冷热交换装置38、用于接收来自所述第二透平膨胀机20的另一股的第 六制冷热交换装置39，以及在所述第六和第二制冷热交换装置39，34之间 排列的用于低压阶段膨胀的第二J-T阀。
现在参照图9，其提供了一种根据本发明的另一个实施方式的液化天然 气生产系统。为了突出此实施方式的特点，不必须的情况下，将省略与图1、 2、4、6和8中所示的相似特征的描述。与图8相比，所述制冷子系统进一 步包括带有后冷却机25的第三二次压缩机26，以及代替所述第二J-T阀的 第三透平膨胀机24。
图8、9、10和11显示了使用三级膨胀工艺，从而提供三股冷流以用于 向天然气的液化供给冷能量的实施方式。所述制冷子系统包括在来自所述第 一透平膨胀机的一股与所述第二透平膨胀机之间排列的中间冷却机，以及在 来自所述第二透平膨胀机的一股与所述第三膨胀机之间排列的第二中间冷却 机。如图8、9和11中所示，所述第二膨胀机20的下游在进一步被第三膨胀 装置21或24膨胀之前可选择分流成两股，一股作为冷流为天然气供冷，而 另一股则进一步被冷却至更低的温度。如图8和9中所示，所述第一膨胀机 19的下游在进一步被第二膨胀机20膨胀之前也可选择分流成两股，一股作 为冷流为天然气供冷，而另一股则被进一步冷却至更低的温度。所述三级膨 胀的全部压力膨胀比在12-15左右，高于图4和6中描述的过程中的两级膨 胀。在增加的膨胀比的情况下，与图6中的过程相比，过程效率能够进一步 改进4-8％，并且制冷剂流量减少30-40％。
以上新的过程具有以下优点：
与单膨胀机相比，串联的两个氮气膨胀机允许温度更紧密地接近，相应 地对单位功率消耗来说在效率上具有大的改善。
与单膨胀过程相比，串联结构的两个膨胀机使每个膨胀机的膨胀比最小 化。例如在尝试达到具有9％闪发气体生成的液化天然气生产率中，串联排 列的双N2膨胀循环中对每个膨胀过程的膨胀比为<4，而在单膨胀过程中需 要9.4的膨胀比。另外，可以使最终用户简单轻松地在市场上获得膨胀机， 特别是小容量和功耗的膨胀机。
串联配置的双膨胀机具有适应方案的灵活性，在液化天然气生产中不生 成闪发气体的同时，在主低温热交换器中仍维持温度接近不超过30℃，即， 广泛使用的ALPEMA标准的要求。
如果需要，为了生产含有不同闪发气体的量的液化天然气，通过调整低 压(第二)膨胀机流量和用于液化天然气子冷却的膨胀比，从而灵活控制所 需的冷N2温度。
例如，在图2中，19/35的流量降低能增加第二膨胀机20的入口流量， 从而能增加膨胀比以达到更低的出口温度，其进一步液化天然气至更低的温 度并且降低在J-T膨胀之后的闪发气体的量。
应用本发明，例如，如图2中所示，依据外部条件和进气条件，对典型 地天然气源而言，串联排列的分流双N2膨胀机循环能够实现约 0.35-0.50kWh/kg的计算的能量效率。
表1.～30℃的环境温度以及40barg的进气压力下 液化天然气过程的性能数据


当参照具体实施方式描述本发明时，应理解，该实施方式是示例性的， 并不限制本发明的范围。对于本发明相关领域的那些普通技术人员来说，本 发明的替代实施方式将是显而易见的。这样的替代实施方式被认为包括在本 发明的范围之内。相应地，本发明的范围通过附加的权利要求确定，并且由 以上说明书支持。