制造和操作用于处理和液化诸如天然气或煤层气体的烃类气体和生产液相甲烷或LNG的装置需要大量的资金和操作费用。特别地，随着对与温室气体排放有关的环境问题和法规的敏感性的增加，此类装置的设计必须寻求包括能够尽可能的增加燃料效率和减少排放的特征。

本发明最宽的方面提供了一种用于液化诸如天然气或煤层气体的烃类气体的方法和系统。
因此，在第一方面，本发明提供一种用于液化烃类气体的方法，包括下列步骤：
a)预先处理烃类供给气体以从该烃类供给气体中去除酸性成分和水；
b)设置制冷区域，其中通过使来自混合制冷系统的混合制冷剂和来自辅助制冷系统的辅助制冷剂循环经过所述制冷区域而在该制冷区域中提供制冷；
c)将所述混合制冷系统和所述辅助制冷系统连接，使得所述辅助制冷系统至少部分地由所述混合制冷剂产生的废热驱动；和
d)使预处理过的供给气体经过所述制冷区域，所述预处理过的供给气体在该制冷区域被冷却，并使冷却的供给气体膨胀以产生烃类液体。
在本发明一个实施例中，使混合制冷剂循环通过所述制冷区域的所述步骤包括：
a)在压缩机中压缩所述混合制冷剂；
b)使压缩混合制冷剂经过第一热交换通道，该第一热交换通道延伸通过所述制冷区域，在该第一热交换通道中所述压缩混合制冷剂被冷却并膨胀以产生混合制冷冷却剂；
c)使所述混合制冷冷却剂经过第二热交换通道以产生混合制冷剂，该第二热交换通道延伸通过所述制冷区域；和
d)使所述混合制冷剂再循环到所述压缩机。
在本发明另一实施例中，使所述预处理过的供给气体经过所述制冷区域的所述步骤包括：使所述预处理过的供给气体经过所述制冷区域中的第三热交换通道。
在本发明另一实施例中，使所述辅助制冷剂循环经过所述制冷区域的所述步骤包括：使所述辅助制冷剂经过第四热交换通道，该第四热交换通道延伸通过所述制冷区域的一部分。所述第二热交换通道和所述第四热交换通道以与所述第一热交换通道和所述第三热交换通道成逆流热交换的关系延伸。
有利的是，发明人已经发现在压缩步骤中由压缩机的燃气涡轮驱动产生的热量可被用于该方法中以在蒸汽发生器中产生蒸汽，该热量从另一方面可被认为是废热。该蒸汽可被用于为单蒸汽涡轮发生器提供动力并产生电能驱动辅助制冷系统。
因此，在本发明的一个优选实施例中，所述方法进一步包括用本发明方法的压缩步骤中产生的废热至少部分地驱动辅助制冷系统。
在本发明的另一个优选实施例中，该方法进一步包括用所述辅助制冷剂冷却被直接连接到所述压缩机的气体涡轮机的入口气体。优选地，所述入口气体被冷却至大约5-10摄氏度范围内的温度。发明人已经估计，燃气涡轮入口气体的冷却使压缩机输出增加了15-25％，由于压缩机输出与LNG输出成正比，因此提高了该方法的生产能力。
在本发明的一个实施例中，压缩所述混合制冷剂的所述步骤将所述混合制冷剂的压力增加大约30bar至50bar。
当混合制冷剂被压缩时，其温度上升。在本发明的另一个实施例中，该方法包括在将所述压缩混合制冷剂输送到所述第一热交换通道之前将所述压缩混合制冷剂冷却。采用这种方法，制冷区域的冷却负荷减低。在一个实施例中，所述压缩混合制冷剂被冷却到低于50摄氏度的温度。在一个优选实施例中，所述压缩混合制冷剂被冷却到约为10摄氏度。
在另一实施例中，冷却所述压缩混合制冷剂的所述步骤包括：将所述压缩混合制冷剂从所述压缩机输送到热交换机，特别是空气冷却器或水冷却器。在本发明可替换实施例中，所述冷却步骤包括：如上所述那样将所述压缩混合制冷剂从所述压缩机输送到所述热交换机，且进一步将在所述热交换机中冷却的所述压缩混合制冷剂进一步输送到冷冻器。优选地，所述冷冻器至少部分地由废热所驱动，特别是由所述压缩步骤产生的废热。
在本发明一个实施例中，所述混合制冷冷却剂的温度等于或者低于所述预处理过的供给气体冷凝时的温度。优选地，所述混合制冷冷却剂的温度低于-150摄氏度。
在本发明一个实施例中，所述混合制冷剂包括从由氮气和包含1至5个碳原子的烃组成的组中选择的混合物。优选地，所述混合制冷剂包括氮气、甲烷、乙烷或乙烯、异丁烷和/或n-丁烷。在一个优选实施例中，所述混合制冷剂的组分的摩尔分数百分比如下：氮气：大约5到大约15；甲烷：大约25到大约35；C2：大约33到大约42；C3：0到大约10；C4：0到大约20；和C5：0到大约20。所述混合制冷剂的组分可被选择，使得所述混合制冷剂的组分冷却和加热曲线彼此匹配在大约2摄氏度以内，且组分冷却和加热曲线基本上连续。
在本发明另一实施例中，所述烃类气体为天然气或煤层甲烷。优选地，从温度等于或者低于甲烷的液化温度的所述制冷区域中重新得到所述烃类气体。
本发明的第二方面提供一种烃类气体液化系统，包括：
a)混合制冷剂；
b)用于压缩所述混合制冷剂的压缩机；
c)制冷热交换机，其用于将预处理过的供给气体冷却以产生烃类液体，所述制冷热交换机具有第一热交换通道、第二热交换通道、第三热交换通道和第四热交换通道，所述第一交换通道与所述压缩机流体连通，所述第一热交换通道、所述第二热交换通道和所述第三热交换通道延伸通过所述制冷区域，所述第四热交换通道延伸通过所述制冷区域的一部分，所述第二热交换通道和所述第四热交换通道被定位为与所述第一热交换通道和所述第三热交换通道呈逆流热交换关系；
膨胀器，其与所述第一热交换通道的出口和所述第二热交换通道的入口流体连通；
d)再循环混合制冷剂管线，其与所述第二热交换通道的出口和所述压缩机的入口流体连通；
e)辅助制冷系统，其具有与所述第四热交换通道流体连通的辅助制冷剂；
f)预处理过的供给气体源，其与所述第三热交换通道的入口流体连通；和
g)烃类液体管线，其与所述第三热交换通道的出口流体连通。
在本发明一个实施例中，所述压缩机为单极压缩机。优选地，所述压缩机为由气体涡轮机直接(没有齿轮箱)驱动的单级离心压缩机。在可替换实施例中，所述压缩机为具有中间冷却器和级间涤气器的两级压缩机，可选具有齿轮箱。
在另一实施例中，所述气体涡轮机与蒸汽发生器以这样的结构连接使得在使用时来自所述气体涡轮机的废热促进所述蒸汽发生器中蒸汽的产生。在进一步实施例中，所述系统包括被配置用于产生电能的单个蒸汽涡轮发生器。优选地，由所述单个蒸汽涡轮发生器产生的电量足够用于驱动所述辅助制冷系统。
在本发明另一实施例中，所述辅助制冷剂包括低温氨，且所述辅助制冷系统包括一个或多个氨制冷包。优选地，所述一个或多个氨制冷包由空气冷却器或水冷却器冷却。
在一个优选实施例中，所述辅助制冷系统与所述气体涡轮机进行热交换连通，所述热交换连通被配置为通过所述辅助制冷系统实现所述气体涡轮机的入口空气的冷却。
在本发明进一步的实施例中，所述系统包括冷却器，以在所述制冷热交换机接收所述压缩混合制冷剂之前冷却所述压缩混合制冷剂。优选地，所述冷却器为空气冷却热交换机或水冷却热交换机。在本发明可替换实施例中，所述冷却器进一步包括与空气冷却热交换器或水冷却热交换器顺序连接的冷冻器。优选地，所述冷冻器至少部分地由压缩机产生的废热所驱动，特别地，由燃气涡轮驱动产生的废热驱动。
在本发明的又一个进一步的实施例中，所述烃类液体管线中的所述烃类液体通过膨胀器被膨胀以进一步冷却所述烃类液体。
附图说明
现在将通过参考相应的附图以仅示例的方式来描述本发明的包括各个方面的优选实施例，其中：
图1是根据本发明的一个实施例用于液化例如天然气或CSG的流体材料的过程的示意性流程图；和
图2是单一混合制冷剂和流体材料的组分冷却和加热曲线。

参考图1，其展示了为了达到将流体材料液化的目的而将流体材料冷却到低温温度的方法。流体材料的描述性示例包括但不仅限于天然气和煤层气体(CSG)。尽管本发明的特定实施例被描述为涉及从天然气或CSG中产生液化天然气，可以设想到该方法还可被用于其它可在低温温度下被液化的流体材料。
通过预先处理天然气或者CSG供给气体以去除水、二氧化碳和其它在接近液化温度时在下游可固化的任意其它成分，然后将该预处理过的供给气体冷却到产生LNG的低温温度，广泛地实现LNG的生产。
参考图1，供给气体60在大约900磅/平方英寸(psi)的被控压力下进入处理过程。通过使该供给气体通过传统的密封式二氧化碳汽提装置62而将二氧化碳从该供给气体中移除，其中二氧化碳被移除而使之达到大约百万分之50-150(50-150ppm)。二氧化碳汽提装置62的示例包括具有胺接触器(例如MDEA)和胺再沸器的胺包。典型地，从胺接触器出来的气体充满水(例如，～701b/MMscf)。为了去除大量的水，利用冷冻器66将该气体冷却至接近其液化点(例如，～15摄氏度)。优选地，该冷冻器66利用辅助制冷系统20的冷却能力。冷凝水被从冷却气体流中移除且返回胺包以构成。
液化之前必须将水从冷却蒸汽中移除使之小于等于1ppm，以避免当蒸汽温度降低到低于液化冰点时结冰。因此，具有减少的含水量(例如，～201b/MMscf)的冷却蒸汽被输送到脱水装置64。该脱水装置64包括三个分子筛容器。典型地，两个分子筛容器工作在吸附模式下，第三个容器为再生模式或备用模式。从运行容器中出来的干燥气体的支流被用于再生气体。通过使用空气来冷却湿润的再生气体，冷凝水被分离出来。饱和蒸汽被加热并用作燃气。蒸发气体(BOG)优选用作再生气体/燃气(如将在后面描述的那样)，且任何不足之量由干燥蒸汽供给。不需要循环压缩机用于再生气体。
虽然可以理解的是，很多硫化合物目前可与二氧化碳一起通过二氧化碳汽提装置62被移除，但是可以选择将供给气体60经过进一步的处理以去除诸如硫化物的其它酸性成分或类似物。
预处理的结果是，供给气体60变热其温度高达50℃。在本发明的一个实施例中，预处理过的供给气体可选地可通过冷冻器(未显示)被冷却至大约10到-50℃的温度。在本发明的过程中可使用的冷冻器的合适的示例包括但不限于氨吸收冷冻器、溴化锂吸收冷冻器及其类似物、或者辅助制冷系统20。
有利地，根据供给气体的组分，冷冻器可浓缩预处理过的蒸汽中的重烃。这些浓缩的组分能够形成额外的产物流，或者可在系统各个部件中用作燃气或者再生气体。
与现有技术相比，冷却预处理过的蒸汽的主要优点在于显著地减少了液化所需的冷却工作量，在一些情况下减少了多达30％。
冷却的预处理过的蒸汽通过管线32供给到制冷区域28，在制冷区域所述蒸汽被液化。
制冷区域28包括热交换机，由混合制冷剂和辅助制冷系统20在热交换机中提供制冷。优选地，热交换机包括封闭在净化钢箱中的铜焊铝板鳍形热交换机芯。
制冷热交换机具有与压缩机12流体连通的第一热交换通道40，第二热交换通道42和第三热交换通道44。第一、第二和第三热交换通道40、42、44中的每一个延伸通过制冷热交换机，如图1所示。制冷热交换机还设置有第四热交换通道46，其延伸通过制冷热交换机的一部分，尤其是制冷热交换机中的较冷部分。第二和第四热交换通道42、46被定位为相对于第一和第三热交换通道40、44呈逆流热交换设置。
通过使混合制冷剂循环通过制冷区域28而向制冷区域28提供制冷。制冷吸鼓10中的混合制冷剂被输送到压缩机12。压缩机12优选为两个平行的单级离心压缩机，各自直接由气体涡轮机100驱动，尤其是由空气诱导气体涡轮机驱动。可替换地，压缩机12可以是具有中间冷却器和级间涤气器的两级压缩机。典型地，压缩机12是工作效率为大约75％到85％的类型。
气体涡轮机100的废热可被用于产生蒸汽，该蒸汽反过来被用于驱动发电机(未显示)。采用这种方式，可以产生足够的电能以向液化装置中的所有电子器件提供电流，尤其是向辅助制冷系统20提供电流。
由气体涡轮机100的废热产生的蒸汽还可被用于加热二氧化碳汽提装置62的胺再沸器，用于脱水装置64的分子筛的再生、再生气体和燃气。
混合制冷剂被压缩使得压力在大约30巴到50巴的范围内，且典型地被压缩到压力大约为35巴到40巴的范围内。在压缩机12中压缩的结果导致压缩的混合制冷剂的温度升高至大约120℃到大约160℃的温度，且典型地升高到大约140℃。
然后，压缩的混合制冷剂通过管线14被输送到冷却器16，以将压缩的混合制冷剂的温度降低到低于45℃。在一个实施例中，冷却器16为气冷鳍管热交换机，通过使压缩的混合制冷剂相对于诸如空气或类似物的流体以逆流形式通过而冷却压缩的混合制冷剂。在可替换实施例中，冷却器16为列管式热交换机，通过使压缩的混合制冷剂相对于诸如水或类似物的流体以逆流形式通过而冷却压缩混合制冷剂。
冷却的压缩混合制冷剂被输送到制冷区域28的第一热交换通道40，在此处优选利用焦耳-汤姆森(Joule-Thomson)效应其被进一步冷却且被膨胀器48膨胀，从而作为混合制冷冷冻剂向制冷区域28提供冷却。混合制冷冷冻剂被输送通过第二热交换通道42，此处，混合制冷冷冻剂通过与分别流经第一和第三热交换通道40、44的压缩混合制冷剂和预处理过的供给气体进行逆流热交换而被加热。然后，混合制冷气体在进入压缩机12之前返回制冷剂吸鼓10，因此完成一个闭环单一混合制冷过程。
混合制冷剂构成由流体材料或蒸发气体(甲烷和/或C2-C5烃)、具有来源于外部的任一或者更多制冷组分的氮气发生器(氮气)提供。
混合制冷剂包括从由氮气和包含1至5个碳原子的烃组成的组中选择的混合物。当待被冷却的流体材料为天然气或煤层气体时，混合制冷剂的适当的组分具有下列摩尔百分含量范围：氮气：大约5到大约15；甲烷：大约25到大约35；C2：大约33到大约42；C3：0到大约10；C4：0到大约20；和C5：0到大约20。在一个优选实施例中，混合制冷剂包括氮气、甲烷、乙烷、乙烯、异丁烷和/或n-丁烷。
图2显示了单一混合制冷剂和天然气的组分冷却和加热曲线。曲线基本接近在大约2℃以内，表明了本发明方法和系统的效率。
通过辅助制冷系统20可以向制冷区域28提供额外的制冷。辅助制冷系统20包括一个或多个由空气冷却器冷却的胺制冷包。例如较冷的氨水的辅助冷却剂被输送通过位于制冷区域28较冷区域中的第四热交换通道44。通过这种方法，辅助制冷系统20可利用的高达大约70％的冷却效率将被用于制冷区域28。辅助的冷却致使可额外生产20％的LNG，且也改进装置效率，例如气体涡轮机100中的燃料消耗单独减少20％。
辅助制冷系统20利用来自气体涡轮机100的热排出气体产生的废热，为辅助制冷系统20产生制冷。但是，可以理解的是，由液化装置中其它部件产生的额外废热也可用于为辅助制冷系统20再次产生制冷，例如来自其它压缩机、动力产生装置使用的原动机、热照明气体、废气或流体、太阳能和类似物。
辅助制冷系统20还可用于冷却气体涡轮机100的入口空气。重要的是，当压缩机输出与LNG输出大致成正比时，冷却气体涡轮的入口空气将使装置增加15-25％的产出率。
通过温度为大约-150℃至-170℃的管线72，从制冷区域28的第三热交换通道44中重新获得液化气体。然后，液化气体通过膨胀器74膨胀，其导致液化气体的温度降低到大约-160℃。在本发明中可使用的膨胀器的合适的示例包括但不仅限于膨胀阀、JT阀、文氏管设备和旋转机械膨胀器。
然后，通过管线78将液化的气体引导至贮罐76。
贮罐76中产生的蒸发气体(BOG)可通过管线80充入优选为低压压缩机的压缩机78。压缩的BOG通过管线82被供给到制冷区域28，且被输送通过制冷区域28的一部分，在该部分所述压缩BOG被冷却到大约-150℃到-170℃的温度。
在这些温度下，BOG的一部分被浓缩成液相。特别地，液相的冷却BOG主要包括甲烷。虽然气相的冷却BOG也包括甲烷，但是与液相相比，气相的氮气浓度增加，典型地为大约20％到60％。所述气相最终组分适宜于用作燃气。
最终的两相混合物通过管线86被输送到分离器84，其中分离的液相物质通过管线88被重新引导回贮罐76。
在分离器84中分离的冷却气相物质通过管线被输送到压缩机，优选为高压压缩机，且在装置中用作燃气和/或再生气体。
可替换地，在分离器84中分离的冷却气相物质适于用作冷却介质，循环经过用于从贮罐76向接收/加载设备输送例如LNG或煤层瓦斯的液相甲烷的低温流送管系统，从而将流送管系统维持在低温温度或者稍微高于低温温度。
参考图1，其显示了主输送管线92和气体回流管线94，两者都将贮罐76流体连接到装载/接收设备(未显示)。贮罐76设置了泵96，用于通过主输送管线92从贮罐76抽取LNG。
如上文所述，分离器85中分离的冷却气相物质适于用作冷却介质，以循环通过用于输送低温液体的低温流动管线系统。因此，在分离器85中被分离的冷却气相物质通过管线98被引导到主输送管线92，之后冷却气相物质循环通过主输送管线92和气体回流管线94以将低温流动管线系统维持在在低温温度或者稍微高于低温温度的温度。
优选地，气体回流管线94被流体连接到压缩机78的入口，使得在输送操作中产生的蒸发气体可依照前面描述的处理蒸发气体的方法被方便地处理。
在输送操作发生前，可以设想，通过将在分离器84中分离的液相物质或从热交换机28中排出的液相流体材料采用管线99输送通过所述管线92而预先准备所述管线92，可以实现主输送管线92的额外冷却和填充。可以预见，在输送操作完成后仍存留在管线99中的任意液相物质由于外部加热在管线99中主动产生的内部压力下可主动流回到贮罐76中。
上面描述的方法和系统与常规的LNG装置相比具有下列优点：
(1)集成组合热和动力的技术系统(CHP)，使用气体涡轮机100的废热加上一些由重新获得的蒸发气体(低Btu(英热单位)废气)的辅助放热以供给所有的热量需求并由蒸汽涡轮发生器供给电能以便用于LNG装置。废热还用于驱动辅助制冷系统20的标准袋装氨制冷压缩机，其提供额外制冷用于：
气体涡轮机入口空气冷却，从而将装置能力提高15％-25％；
通用过程冷却，从而减小脱水装置的尺寸，并使为气体涡轮机100提供动力必需的再生气体和燃气平衡；
制冷区域的额外冷却，从而将装置的生产能力提高高达20％并将能量效率另外提高高达20％；
(2)混合制冷系统被设计为使得冷却曲线紧密匹配，从而达到最高的制冷效率。通过增加能减小热交换机的尺寸的LMTD，辅助制冷系统20与制冷区域28的集成改善了热交换机的热端的热量输送。这也为压缩机提供了冷的混合制冷剂吸入温度，因此显著地改善了压缩机能力。
(3)使用CHP以满足所有装置的热能和电能的需求以及使用气体涡轮机100中的干燥、低排放燃烧室得到的高效率，导致了整体非常低的排放量。
(4)有效地重新获得BOG。该系统被设置用于重新获得在装载期间从贮罐76和接收/装载设备(例如，船)中产生的闪蒸气体和BOG。BOG气体在压缩器78中被压缩，在压缩器78中BOG气体在制冷区域28被重新液化以重新获得液相甲烷。液相甲烷返回到贮罐26，且氮气中冷凝的闪蒸气体被用于辅助燃烧气体涡轮机100的排出物。这是处理BOG和从系统中排除氮气的最经济及最节能的方法，并且同时使得装载期间的燃烧达到最小或者被消除。
(5)有效的输送流动管线系统。该系统被设置成减小输送管线中的热量损失，并伴随减少其中产生的BOG量，而在现有技术条件下，BOG的一部分可能被燃烧。在本发明中，在输送流动管线中产生的所有BOG可被再循环到压缩机78和制冷区域28以便液化，并用作冷却介质。此外，本方法和系统避免了需要额外的用于循环的输送管线和相关的泵，因此减少了所述系统的资金消费。
(6)较低的装置资金和操作/维护费用。较少的装备项目和模块化包装使得土建、机械、装管、电力和装备工作减少，建设进度加快；所有的这些都对减少费用做出了贡献。这使得操作简化，减少了对操作和维护人员的需求。
可以理解的是，尽管本文参考现有技术的使用和公开出版物，但这些参考并不是承认这些参考中的任何参考会形成在澳大利亚或者任何其它国家的本领域的公知技术。
为了说明的目的，应该清楚地理解单词“包括(comprising)”指的是“包括但不仅限于”，以及单词“包括(comprises)”具有相应的含义。
除了已经描述的部分以外，在不背离基本发明思想的情况下，本领域技术人员可想到各种变型和修改。所有这些变型和修改应该被认为落入本发明的范围内，本发明的本质可从前面描述中确定。