CN101880560A - 预冷却的液化方法 - Google Patents

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M·J·罗伯茨
V·A·瓦马
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Air Products and Chemicals Inc
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Abstract

本发明涉及预冷却的液化方法，具体地涉及一种用于对天然气流进行液化的系统和方法，该方法包括步骤：提供用于液化的脱水天然气流，在预冷却设备中预冷却该脱水天然气流，这里该预冷却是使用基本由氢氟碳化物(HFC)制冷剂组成的预冷却剂来进行的，在主热交换器中，通过与汽化的烃混合制冷冷却剂的间接热交换，来进一步冷却该预冷却过的脱水天然气流，来产生液化的天然气产物流，这里该混合的制冷冷却剂包含乙烷、甲烷、氮气、和小于或者等于3mol％的丙烷。

Description

预冷却的液化方法
技术领域
本发明涉及一种用于对天然气流进行液化的系统和方法。
背景技术
已经公开了用于浮式生产储卸油装置平台(FPSO)上的现有的预冷却天然气液化方法，其使用CO2来预冷却天然气供料流，同时使用混合制冷剂烃混合物(HMR)来进一步冷却该预冷却的流，来提供液化的天然气(LNG)产物。在这些方法中，将天然气供料流用处于一个或多个压力水平的沸腾的CO2进行预冷却。CO2蒸发，同时将天然气供料流预冷却到大约-35℃的温度。该CO2蒸气然后压缩，冷却和冷凝来形成液体CO2制冷剂，用于再循环回到所述方法中。
但是，使用CO2作为预冷却剂来在FPSO上液化LNG具有几个缺点。第一，CO2的凝固点为-56.6℃，在该温度时开始形成干冰。为了防止与液化设备中的干冰形成有关的运行问题，已经建议优选不将高压CO2冷却到低于-40℃。如果将高压CO2冷却到-40℃，并且温差是至少3℃时，天然气供料在使用CO2作为预冷却剂时不能冷却到-37℃以下。但是，通常，天然气供料必须预冷却到低于-37℃的温度，目的是冷凝和除去重烃和芳烃，其目的是降低LNG产物的热值和/或防止LNG产物中的杂质例如苯的冻析。因此，使用CO2可以取消预冷却区域中所需量的这样的杂质的除去。
第二，CO2的临界温度(即，这样的温度，高于该温度时，无论压力如何，流体都无法冷凝)是大约31.1℃，这意味着CO2不能在高于31.1℃时冷凝。但是，预冷却循环需要冷凝的制冷剂，其通过与载流的沸腾来提供致冷。传统上，FPSO使用海水作为供给到压缩机内冷却器和后冷却器的冷却剂。因此，如果海水是温的，例如27℃(这是热带地区典型的表面水温)，并且假定冷凝器中为典型的10℃的温差，则CO2不能使用温和的海水进行冷凝，由此对于海水低于大约20℃的纬度来说，降低了CO2基循环的效力和限制了其适用性。
此外，为了使其能够有效的冷凝，典型的需要将CO2压缩到高于大约52bar(绝压)的压力，这需要压缩机使用专门的高压桶类型的气缸。使用专门的高压桶类型的气缸由此增加了资金成本。此外，整个预冷却回路的工作压力远高于丙烷或者氢氟碳化物基预冷却循环。因此，该整个系统必须设计成带有高压管线，卸压装置等等，这增加了资金成本，并且增加了对于气压安全的关注，特别是在离岸平台上，在这里装置和人员之间的距离远小于陆基设备。
同样已经公开了用于FPSO的预冷却的天然气液化系统和方法，其使用丙烷(C3H8)来预冷却天然气供料流，同时使用混合制冷剂烃混合物(其本身包含丙烷)进一步冷却该预冷却的流体，来提供液化的天然气产物。这类方法是作为丙烷预冷却的混合制冷剂或者C3MR方法而是已知的，并且被用来制造全球所生产的大部分的LNG。在该预冷却回路中，使用焦耳-汤姆逊(J-T)阀门将液体丙烷膨胀到不同的压力。所形成的沸腾丙烷与天然气供料流接触而蒸发，来预冷却该天然气供料流。将所形成的丙烷蒸汽供向丙烷压缩机，该压缩机将该蒸汽流压缩到高压。从压缩机排出的高压丙烷与海水接触而冷却，并且再循环回所述预冷却方法中。由于丙烷的临界温度(96.6℃)比CO2(31.1℃)高，因此与CO2相比，对于每兆瓦的所供给的压缩功率来说，丙烷提供了高的致冷任务。在典型的陆基设备中，丙烷还可以用在混合烃制冷剂中，来在该方法的液化部分中提供有效的致冷。
虽然丙烷已经广泛的用于陆基设备中作为预冷却制冷剂，但是对于在LNG FPSO上使用而言，使用丙烷同样具有缺点。丙烷会从气体压缩机封条，丙烷蒸发器，和系统的其他点泄漏出来，这会导致在FPSO表面处或者表面附近的危险的爆炸性条件。由于丙烷的几种独特的性能，因此丙烷出现了这些危险的爆炸性条件。例如，丙烷的正常沸点是-42.1℃，这意味着当丙烷从任何装置中泄漏时，它保持为蒸汽。丙烷蒸汽在15℃的密度是1.91Kg/m3，而空气的密度是1.20Kg/m3。丙烷蒸气的密度使得泄漏的蒸气滞留在FPSO平台表面附近。该蒸气具有小于9.5vol％的低的可燃性限度，并且美国运输部(U.S.Department of Transportation)将丙烷列为可燃气体，同时欧洲委员会(European Commission)将丙烷分类为F+或者极可燃性的。因为丙烷蒸气滞留在FPSO的底部或者表面上和因为丙烷是极可燃的，因此在FPSO平台上丙烷“云”的存在会是极其危险的。
此外，FPSO是空间局限的，并且装置与人员或者住舱之间的平均距离明显的小于陆基设备。如果在FPSO上发生丙烷泄漏，则可燃性丙烷蒸气将很可能在短时间内散播到FPSO的大部分区域中，将该设备置于爆炸和/或起火的危险中。
这种危险的可能性在Piper Alpha(一个在北海中加工丙烷 冷凝物的油气平台)上变成了现实。在1988年7月6日，一个备用的丙烷冷凝物泵(其据称处于维修中)偶然启动，这导致了丙烷排出到紧邻所述平台表面上的空气中。所形成的泄漏的丙烷意外被点燃，并产生了两个非常大的爆炸，这立即吞没了控制室和大部分的船。该事故导致了167人丧生和所述平台熔融。
因此，使用丙烷作为制冷剂会是极其危险的，特别是因为不仅在预冷却部分中需要丙烷存量，而且在存储和用于萃取丙烷的脱丙烷柱中也需要丙烷存量。相反，其他烃不具有丙烷这样大的威胁。甲烷(CH4)例如比空气轻，并且在15℃时典型的蒸气密度是0.68Kg/m3。如果甲烷泄漏到FPSO平台上，则甲烷将快速消散到空气中。类似的，乙烷(C2H6)在15℃时的密度是1.28Kg/m3，这仍然接近于空气的密度，因此，降低了聚集在FPSO表面附近的可燃性蒸气的危险。
丁烷(C4H10)典型的具有类似于与丙烷相关的问题。例如，正丁烷的正常沸点是-0.5℃，在15℃时的密度是2.52Kg/m3，这会导致在FPSO表面上形成爆炸性 蒸气。但是，由于丁烷的高密度，因此它具有更低的从液化设备的装置中逸出的倾向，这使得它固有的比丙烷更安全。更重的烃(C5+)在环境大气温度时主要是液体，并因此任何泄漏将导致更少的在FPSO表面附近的蒸气。
因此，由于丙烷在脂肪烃的成员中独特的位置，丙烷被认为是全部脂肪烃中最危险的，并且令人期望的是避免将其用于LNG FPSO上。
因此在本领域中存在着对这样一种方法的需要，该方法提供了能量和资金成本有效的C3MR方法，而没有曝露，或者至少限制在FPSO上使用可燃性制冷剂。需要预冷却制冷剂，其具有高于50℃的临界温度，具有为零的可燃潜能值，为零的毒性潜能值，低的环境影响，和允许低的预冷却温度的低的正常沸点。
发明内容
本发明的实施方案通过提供了一种改进的液化系统和方法而满足了本领域的这种需要，所述的系统和方法在使用混合制冷剂(MR)来液化预冷却的供料之前，使用了氢氟碳化物(HFC)来预冷却天然气供料流。
在一种实施方案中，公开了一种液化天然气流的方法，这里该方法包含步骤：提供用于液化的脱水天然气流；在预冷却设备中预冷却该脱水天然气流，其中该预冷却是使用基本由氢氟碳化物(HFC)制冷剂组成的预冷却剂来进行的；在主热交换器中，通过与汽化的烃混合制冷冷却剂(refrigerant coolant)的间接热交换，来进一步冷却该预冷却过的脱水天然气流，来产生液化的天然气产物流，其中该混合的制冷冷却剂包含乙烷，甲烷，氮气，和小于或者等于3mol％的丙烷。
在另外一种实施方案中，公开了一种液化天然气流的系统，这里该系统包含：多级氢氟碳化物(HFC)压缩机；流体连接到该多级HFC压缩机上的预冷却设备，该预冷却设备包含至少一个蒸发器，用于使用HFC制冷剂来预冷却脱水天然气流；流体连接到该预冷却设备上的主热交换器，用于进一步冷却该预冷却的脱水天然气流，来产生液体天然气产物流，其中汽化的混合制冷冷却剂在该主热交换器中提供了致冷(refrigeration)，该制冷冷却剂包含乙烷，甲烷，氮气，和小于或者等于3mol％的丙烷。
在仍然的另外一种实施方案，公开了一种液化天然气流的方法，这里该方法包含步骤：提供用于液化的脱水天然气流；在预冷却设备中预冷却该脱水天然气流，其中该预冷却是使用基本由氢氟碳化物(HFC)制冷剂组成的预冷却剂来进行的；在主热交换器中，通过与汽化的烃混合制冷冷却剂的间接热交换，来进一步冷却该预冷却过的脱水天然气流，来产生液化的天然气产物流，其中该混合制冷冷却剂是一种混合物，其包含源自于天然气流的甲烷流，富含乙烷的流，其中该富含乙烷的流主要是乙烷，和氮气流，其中该氮气流主要是氮气。
附图说明
当结合附图来阅读时，前述的发明内容，以及下面的详细说明的示例性实施方案将更好理解。为了说明本发明的实施方案，在附图中表示了本发明示例性的结构；但是，本发明不局限于所公开的具体方法和手段。在附图中：
图1是一种流程图，其说明了包括在本发明方面中的一种示例性系统和方法；
图2是一种流程图，其说明了包括在本发明方面中的一种示例性系统和方法；
图3是一种流程图，其说明了包括在本发明方面中的一种示例性系统和方法；
图4A是一种流程图，其说明了包括在本发明方面中的一种示例性驱动器系统和方法；和
图4B是一种流程图，其说明了包括在本发明方面中的一种示例性驱动器系统和方法。
具体实施方式
本发明的一种实施方案涉及开发低温致冷，来用于LNG液化应用中，特别是用于基于使用HFC的和烃制冷剂混合物二者的离岸平台上。在任何离岸或者浮式烃加工设备的设计中，安全性是极其重要的，这归因于紧凑的布置，住舱与加工装置的紧邻，和有限的出口。所公开的系统和方法的实施方案实现了高的功效/吨的产物LNG，因此，消除了对于使用可燃的，但高效制冷剂如丙烷的需要。
在一种实施方案中，在传统的C3MR方法中所用的高度可燃的丙烷预冷却制冷剂可以用HFC代替，来在使用烃混合制冷剂进一步冷却之前，对天然气供料进行预冷却。所用的HFC可以通过美国采暖、制冷与空调工程师协会(ASHRAE)分类(类别1)为是在400ppm下无毒的，并且在21℃和1.01bar(绝压)不传播火焰，因此，使得它的使用比丙烷更安全。如果制冷剂在21℃和1.01bar(绝压)时，在浓度大于0.1Kg/m3时是可燃的，并且燃烧热小于19000KJ/Kg，则ASHRAE将该制冷剂分类为2型的。如果制冷剂在21℃和1.01bar(绝压)时，在浓度低于0.1Kg/m3时是可燃的，并且燃烧热大于19000KJ/Kg，则ASHRAE将该制冷剂分类为3型的。
由于许多HFC更低的正常，HFC将允许预冷却到低于-37℃的温度。例如，R410A(其是R32(二氟甲烷)和R125(五氟乙烷)的二元混合物)的临界温度是70.1℃，由ASHRAE分类为A1制冷剂(低毒性，无燃烧的可能性)，具有为零的臭氧损耗潜能值(ODP)，并且正常的沸点是-51.6℃。ODP是相对于二氯二氟甲烷(CCl2F2)来说，分子与大气臭氧进行反应和破坏其的倾向，按照蒙特利尔协议的规定(1987)，二氯二氟甲烷的ODP被规定为1.0。具有低ODP的制冷剂因此是更令人期望的。
使用HFC作为预冷却制冷剂的另外一个好处是它能够从混合制冷剂中除去丙烷，并且保持接近于与生产LNG相同的能效。这使得HFC预冷却的混合制冷剂方法能够取消丙烷的使用，提供了与陆基设备大致相同的效率，并且与此同时，由于HFC低的沸腾温度，使得液化加工具有高的灵活性。
HFC制冷剂的使用会产生与传统的C3MR方法一样高的或者甚至更高的效率。此外，几种主流市售的HFC允许预冷却到低达-127℃的温度，而没有任何冻析(freeze-out)的可能性。此外，大部分市售的已知HFC的临界温度远高于CO2，因此HFC在大部分典型的海水温度条件下能够以高加工效率来使用。
相对于丙烷，使用HFC的另外一种好处是几种HFC闪蒸到低到真空(低于大气压)压力水平的能力，来实现非常低的预冷却温度，因此，其具有从供料中冷凝足够的烃的能力。如果将丙烷闪蒸到低到低于大气压的水平来实现低温(即，低于-42℃)，则例如在进入压缩机吸入管线的空气入口处会潜在的产生爆炸性混合物。因为HFC如R410A和R134A例如是非可燃性的，因此空气入口处将不产生可燃的混合物，这就是为什么闪蒸低到低于大气压的水平是可接受的原因。
归因于达到更低的预冷却温度的可行性，同样能够或者近乎能够将丙烷从主混合制冷剂回路中除去，同时仍然保持可接受的商业效率。液化所用的混合制冷剂例如可以包含氮气，甲烷和乙烷。理论上，该混合制冷剂应当包含0mol％的丙烷，但是，实际上，消除混合制冷剂中全部的丙烷会是不经济的或者不是商业上可行的。
用于该混合制冷剂的甲烷可以是原位生产的。制备该混合制冷剂所用的乙烷例如可以来源于市售品，或者也可以是原位制备的。无论是来源于外部还是来源于原位生产，乙烷典型的是作为脱乙烷柱的顶部产物来生产的。在实际中，来自于脱乙烷柱的乙烷的纯度受限于该柱的级数和回流比。生产高纯度的乙烷需要在蒸馏柱中具有大量的级数和/或高的回流比，这导致了资金和运行成本的增加。因此，在实际中，少量的丙烷可以包括在市售的乙烷产物流中。
混合制冷剂所需的甲烷典型的是作为来自于洗涤塔回流罐(参见图1的项目110)的蒸气流(参见图1的流117)而萃取的。甲烷流117中的丙烷含量是预冷却的供料流108(参见图1)的温度的函数。当预冷却的流108的温度下降时，在回流罐110中冷凝了更多的丙烷，这导致了在上部流117和114中更低的丙烷含量。因此，如果期望在用于制备混合制冷剂的甲烷流中具有更低的丙烷含量，则需要更低的预冷却温度。甲烷还可以获自脱水的供料气体。在每种情况中，该甲烷构成的流体典型的还将包含作为杂质的一些乙烷和丙烷，这取决于设备运行和天然气供料的组成。
因此两种来源的甲烷和乙烷都包含了少量的丙烷。例如，按照图2-3的天然气加工供应商协会(GPSA)工程数据手册(FPS译本，第I卷第11版，1998)，市售的高纯度乙烷通常包含大约4mol％的丙烷，并且会包含至多10.7mol％的丙烷。表1表示了在典型的混合制冷剂中丙烷含量的变化(这里，该混合制冷剂包含16.6mol％的N2，40.99mol％的甲烷，和42.4mol％的乙烷)。例如，如果因为安全或者其他目的而期望混合制冷剂中的丙烷小于2.0mol％，则必须使用小于1.0mol％丙烷的甲烷流或者乙烷流需要包含小于4mol％的丙烷。在这种情况中，来自脱乙烷柱的高纯度乙烷将优于市售等级的乙烷。
表1
  甲烷中的丙烷的Mol％  使用带有1％丙烷的原位制备的乙烷的混合制冷剂中，丙烷的Mol％   在使用含有4％丙烷的市售的高纯度乙烷的混合制冷剂中，丙烷的Mol％
  0.50  0.63   1.90
  1.00  0.83   2.11
  1.50  1.04   2.31
  2.50  1.45   2.72
  2.66  1.51   2.79
  3.00  1.65   2.93
  3.19  1.73   3.00
预冷却到更低的温度降低了混合制冷剂回路上的除热负荷。这产生了资金和运行成本二者的降低；混合制冷剂回路装置例如低温热交换器和混合制冷剂压缩机通常比预冷却装置需要更多的资金成本。这是因为混合制冷剂回路热交换器是更精密的设计来经受低温条件的，以及还因为混合制冷剂压缩机的运行压力比预冷却压缩机高出几倍，这导致壁更厚的管线和装置。因此，降低在混合制冷剂回路上的负荷产生了纯的资金成本节约。此外，与预冷却回路相比，对于每KW所除去的热而言，混合制冷剂回路需要更高的压缩机能耗。这是因为，预冷却制冷剂如HFC和丙烷的平均压缩因数远低于典型的混合制冷剂。因此，将除热负荷向预冷却回路转变提供了总压缩功率的净降低，这导致了运行成本的好处。但是，丙烷不提供向预冷却回路转变任务的灵活性，这归因于它的正常沸点(-42.4℃)相对高于HFC如R410A的沸点(-51.6℃)，和与真空运行相关的危险性。取消，或者近乎取消将丙烷作为所述设备的各处的制冷剂，以及与之一起的与储存和生产丙烷相关的任何装置成本和危险性，将产生明显更安全和更经济的液化系统。
可以将HFC制冷剂(其是单组分制冷剂或者制冷剂混合物)用于预冷却。例如单组分HFC制冷剂例如R134a已经广泛用于汽车和其他致冷工业中。但是，仅仅很少几种单组分HFC制冷剂满足下面的多个限制因素：是稳定的，是低可燃性的，具有小于0.1的低臭氧消耗潜能值，和具有低的全球变暖潜能值以及低冷凝压和低正常沸点的有效的热力学特性。因此，混合物被广泛的认为是HFC制冷剂的潜在的替换者。
可以利用广泛的市售HFC来使得设定预冷却温度具有高的灵活性。例如，如果LNG必须汽提重烃(经常来控制它的热值)，则供料会需要预冷却到低于-40℃的温度。市售的HFC如R-410A能够容易的用来以非常高的效率将供料的温度预冷却到例如-48℃。相反，CO2不能用作这种情形中的预冷却剂，这归因于冻析的可能性。
HFC制冷剂混合物被认为具有0-7℃之间的低的“温度滑移(temperature slide)”变化，其可以用作预冷却剂。温度滑移是始沸点和露点温度之间的温度差异，并且其归因于随着更多挥发性成分沸腾出来，混合物逐渐朝着更重的成分沸腾而导致的组成变化。具有非常小的温度滑移(0-0.1℃)的制冷剂混合物作用类似于单组分，并且被称为“共沸混合物”，而具有低的温度滑移(即，小于1℃)的混合物已经被称作“近似共沸混合物”。例如，HFC混合物R-410A的温度滑移小于0.1℃。
低的温度滑移制冷剂具有几个好处。第一，低的温度滑移制冷剂避免了组成变化，这样整个致冷回路，包括装置，可以设计成用于相同的组成。另外，低的或者为零的温度滑移制冷剂的泄漏将产生包含在预冷却系统中的制冷剂组成的最小的或者为零的变化。
第二，近似共沸混合物或者共沸混合物制冷剂表现出不同于它们的单个组分的行为。例如R-410A(其是一种R32和R125的50/50重量的近似共沸混合物)具有低的可燃性，即使R32本身是可燃性的。
第三，当混合物在不同的压力水平下蒸发时，共沸混合物制冷剂将保持它的分子量。因此，在不同的压力水平进入到压缩机中的蒸气具有相同的分子量。相反，使用具有大的温度滑移的HFC会导致更高分子量的蒸气进入到压缩机中，这会导致压缩机不可预期的行为，除非配置有力的组成控制方案。
当使用HFC制冷剂在FPSO上进行预冷却时，必须要提出的一点是需要全压重新启动该HFC制冷剂压缩机。许多陆基LNG设备使用单轴杆“构架”类型燃气涡轮与大的电起动器/辅助电机一起来驱动制冷剂压缩机。即使带有大的起动器/辅助电机，在重新启动压缩机之前，这些设备仍然需要排出大的百分比的制冷剂存量。这必需要将涡轮和起动器/辅助电机所需的功率/扭矩降低到足以启动传动系统的程度。该传动系统通常是由一个或多个压缩机和驱动器(其全部是机械连接的)组成的。对于HFC预冷却的LNG设备，特别是处于离岸位置的该设备而言，排空不是一种可接受的经济性选项，因为制冷剂的购买和传输是昂贵的，并且HFC的存储将占据FPSO上有价值的空间。为了满足全压启动而不排空的要求，驱动器必须能够提供在负荷下将传动系统加速到全速所需的扭矩。这可以用电动机驱动，多轴杆构架，或者多轴杆航改燃气涡轮来进行，因为它们全部都具有足够的扭矩能力。在使用HFC预冷却的LNG液化系统中不排空HFC的要求很可能不能用单轴杆燃气涡轮基传动系统来满足，而不需要额外大的起动器/辅助电机和发电装置来为它提供动力。这种构造不是一种经济性解决方案，因为它需要大的装置投资，该装置最多是在重新启动所述设备时偶尔使用一下。
图1表示了根据本发明一方面的一种液化系统和方法，其包括两个致冷回路。一个或多个致冷回路可以加入到图1中已经示意的回路中。第一个加温的或者预冷却的致冷回路利用了HFC制冷剂。第二个冷却的或者主冷却致冷回路利用了烃混合物。使用HFC作为预冷却制冷剂的第一致冷回路包含多级HFC压缩机158和HFC预冷却设备101。在第一致冷回路中所用的HFC可以优选具有下面的性能：(1)是ASHRAE分级A(低毒性)的制冷剂；(2)是ASHRAE分级1(低可燃性)的制冷剂；(3)具有不超过0.1的ODP(非常低的臭氧消耗)。按照蒙特利尔协议的规定，分子的ODP是将它的臭氧破坏倾向与二氯二氟甲烷(CCl2F2)相比；和(4)具有低的全球变暖潜能值(GWP)。但是，应当指出的是在正常运行条件下，大规模排放具有极低的可能性，能量节约和作为其结果的CO2排放的降低意味着GWP标准仅仅是定性的。
第一致冷回路中所用的HFC还可以优选具有下面的性能：(1)对于HFC混合物来说，制冷剂优选具有小于7℃的温度滑移，这是通过共沸或者近乎共沸的HFC混合物来满足的；(2)HFC组分或者混合物具有高于50℃的临界温度(除了海水之外，允许使用环境空气作为冷却剂，因此，赋予了更高的效率)；和(3)具有正常的沸点，该沸点低到足以将天然气供料预冷却到期望的温度。例如，即使没有真空运行，R410A也具有-51.6℃的正常沸点，这能够允许使用分馏来充分的从该天然气供料中除去重烃。
市售的单组分HFC如R134a，R125，和具有上述性能的全部其他市售品都能够用于本发明的液化LNG的方法中。同样，市售的HFC混合物如R407C，R410A，R417A，R507，和R422D满足上面的要求。
表2提供了对于其他潜在的纯的和混合的HFC的汇总，它们被分级为A1(即，低于400ppm无毒的，并且无火焰传播的可能性)，并且具有接近于0的ODP，以及能够用于LNG预冷却使用。
表2
  制冷剂类型   组成  ODP   临界温度(℃)   ASHRAE安全性分级
  R134a   CF3CH2F   0   100.9   A1
  R125   CF3CHF2   0   66.1   A1
  R407C   R32/R125/R134a   0   87.3   A1
  R410A   R32/R125   0   70.1   A1
  制冷剂类型   组成  ODP   临界温度(℃)   ASHRAE安全性分级
  R507   R143A/R125   0   70.9   A1
再参见图1，在送入干燥器(未示出)之前，将天然气供料流(未示出)预处理来除去重烃油，微粒，CO2和H2S。如果海水基本上低于22℃，则干燥可以使用海水冷却来进行，或者可以使用HFC制冷剂来进行。在冷却之后，天然气供料流的温度是22-25℃，该天然气供料流然后送入干燥剂床，在这里除湿(未示出)。该脱水的天然气供料流100然后在30-85bar(绝压)的压力送去预冷却。脱水的天然气供料流100的预冷却是在1-5个串联的冷却阶段中进行的，例如，用预冷却设备101来表示。图1示意了3级预冷却系统。这些连续的冷却阶段使用了温度依次降低HFC制冷剂，该温度依次降低是如下来实现的：例如通过降低J-T阀的压力，来使得供给到冷却阶段(n)的HFC制冷剂比供给到冷却阶段(n-1)的HFC制冷剂温度更低。冷却阶段的数目越多，因为越逼近于冷却曲线，因此预冷却的效率越高。如果总共有(n)个HFC预冷却阶段，则在(n-1)阶段中的供料冷却产生了预冷却的流102。
预冷却的流102然后可以送向烃洗涤塔103，其使用冷的液体回流流体113来洗涤掉供料中的更重的(C3+)成分，目的是调整最终LNG的热值。将底部流105送向分馏系统或者送去储存(未示出)。应当注意的是由于FPSO的空间局限，离开洗涤塔103的重烃流105可以潜在的在LNG收油站进行船运和分馏。如果分馏是在FPSO平台上进行的，则本发明的一方面还允许HFC制冷剂在分馏系统中所包含的不同的柱(例如脱乙烷柱)的冷凝器中提供致冷。
取自洗涤塔103的流104构成了更轻的上部流。流104的一部分(即，流107)可以使用HFC预冷却设备101部分冷凝。该部分冷凝的供料流108然后可以与流104未冷凝部分(即，流106)合并，来形成流109，然后送向蒸气-液体分离器110，其将蒸气与液体分离。来自蒸气-液体分离器110的液体流111然后可以作为流113，在泵112中泵送回到洗涤塔103中来充当该柱的回流。
HFC预冷却制冷剂可以用来提供全部的洗涤塔回流冷凝器110任务，而不需要使用用于此目的主液化制冷剂。使用HFC预冷却来提供全部的洗涤塔回流冷凝器110任务将提高所述系统的效率，这是因为由典型的烃制冷剂所提供的典型的冷却任务需要比HFC制冷剂高得多的增量压缩功率。当与更轻的烃制冷剂如CH4和C2H6相比时，这归因于明显的降低了典型的HFC的压缩因数。使用HFC预冷却来提供全部的洗涤塔回流冷凝器110任务还降低了主液化交换器115的尺寸，并且简化了控制问题和设备布置。
来自洗涤塔回流冷凝器110的蒸气流114可以送入所述设备的低温部分，其完全的冷凝和次级冷却了蒸气流114，来形成LNG产物流116。该低温部分包含主液化交换器115。在该低温部分中，可以使用例如由具有0-30mol％N2的混合烃组成的制冷剂，或者使用由纯N2组成的制冷剂。在一种实施方案中，该主液化制冷剂可以是含有0-30％的N2和烃例如甲烷(0-50％)，乙烷(0-75％)和丁烷(0-50％)的混合物。在另外一种实施方案中，该主液化制冷剂可以是包含下面流体的混合物：源自于天然气流的第一甲烷流，第二流，这里该第二流是富含乙烷的流(其主要是乙烷)，和第三流，这里该第三流是富含氮气的流(其主要是氮气)。甲烷流可以源自于两种方式之一的天然气。如果天然气流100(如图1所示)是贫化的(即，包含大于90mol％的甲烷和小于3mol％的丙烷)，则一部分的该流体可以用于构成混合制冷剂。如果天然气流100(如图1所示)不是贫化的(即，包含大于3mol％的丙烷)，则它可以在预冷却设备101中与HFC接触来预冷却，在洗涤塔103(如图1所示)中进行洗涤(这除去了多余的丙烷和其他重烃)，和进一步预冷却来产生甲烷整理流117(图1所示)。该程序保证了用于制造混合制冷剂的甲烷整理流包含了对于安全来说足够低的量的丙烷。
关于富含乙烷的流，作为此处使用的，“主要的”定义为表示包含至少90mol％乙烷的流体。市售的高纯度乙烷可以包含至多10mol％的丙烷，同时在原位制备的乙烷可以具有远高于90mol％乙烷的纯度。因此，富含乙烷的流的最小纯度是90mol％的乙烷。
关于富含氮气的流，作为此处使用的，“主要的”定义为表示包含至少97mol％氮气，并且露点低于-40℃的流体。基于空气隔膜分离的包裹的氮气发生器装置已经普遍的用于海洋应用中来提供至少97mol％的氮气流。用这些装置，能够以经济的方式来实现至多99.99mol％纯度的氮气。所述隔膜典型的是以小于14bar(绝压)的空气供料压力和小于50℃的温度来运行的。
当使用HFC作为预冷却剂时，可以取消或者近乎取消丙烷的使用，在FPSO上使用丙烷被认为是不利的，这归因于在表面水平上能够形成可燃的云雾的可能性。
主液化交换器115可以是绕线交换器，板翅式交换器，或者任何其他典型的低温使用的交换器。蒸气流114可以进入主液化交换器115，在这里它被冷凝和次级冷却，并且例如作为温度为-140℃到-170℃，压力为30-85bar(绝压)的LNG产物流116而离开。
该冷凝的和次级冷却的LNG产物流116可以如下来进一步加工：通过在液体膨胀器(未示出)或者闪蒸阀(未示出)中将它的压力降低到1.2bar(绝压)左右，形成闪蒸气体和液体LNG产物。该LNG产物可以随后例如送去存储。
该低压加温的主液化制冷剂流130可以送入依次的内冷却的压缩机131，135，在这里流130首先在压缩机131中压缩形成流132，在内冷却器133中冷却来形成流134，在压缩机135中进一步压缩来形成流138，然后在后冷却器139中进一步冷却来形成高压流体140。压缩机131和135由驱动器136驱动。驱动器136可以是电动机或者燃气涡轮。高压流体140可以处于30-80bar(绝压)的压力和如下所示的温度：(1)在内冷却器133和后冷却器139中所用的冷却剂；和(2)内冷却器133和后冷却器139的尺寸。虽然图1示意了具有一个内冷却器133和一个后冷却器139的混合制冷剂压缩系统，但是也可以例如使用多个内冷却器和后冷却器。在内冷却器133和后冷却器139中所用的冷却剂可以是空气，或者典型的对于FPSO应用来说，是海水或者淡水，其例如是依次用海水进行冷却的。
该冷却的高压制冷剂流140可以使用预冷却设备101预冷却来形成预冷却的流141。预冷却的流141可以在分离器142中分成较轻的制冷剂流143和较重的制冷剂流144。该较轻的制冷剂流143然后可以在主液化交换器115中冷凝和次级冷却来形成流148，在J-T阀149中膨胀来产生温度为-180℃到-120℃的低温制冷剂流150，它然后在主液化交换器115中进行汽化。较重的制冷剂液体流144也可以在主液化交换器115中次级冷却来形成流145，在这里它然后可以在J-T阀146中膨胀，来产生低温制冷剂流147，同样在主液化交换器115中进行汽化。本发明的方法还可以在J-T阀146之前包括水力膨胀器(未示出)来提高效率。
该合并的低温制冷剂流147，150在从主液化交换器115流下的同时，在连续升高的温度沸腾，然后最终作为处于露点或者稍高于露点的蒸气流130离开交换器，由此完成致冷回路。
图2示意了预冷却设备101的内部，包含一个或多个HFC蒸发器。HFC蒸发器222，226，230用于将脱水的天然气供料流100冷却到大约-100℃到0℃。该蒸发器可以例如是管壳式类型交换器。管壳式类型交换器通常也称作“壶”，因为壳程是由一池的沸腾HFC制冷剂组成。HFC制冷剂流162(图1中也有表示)可以是饱和的，或者优选次级冷却的HFC液体，其的温度是由空气或者海水冷却剂以及冷凝器和次级冷却器尺寸决定的。例如，在FPSO应用中典型的冷却海水能够将从多级HFC压缩机158排出的HFC冷却到高于海水温度5-20℃。
该高压的次级冷却的HFC流162可以分成流220，240。流220可以为脱水的天然气供料流100提供冷却，而流240可以为混合制冷剂流140提供冷却。流220随后可以在J-T阀290中膨胀来形成流221，然后送入蒸发器222的液体沸腾池中。离开蒸发器222的HFC饱和的蒸气流223可以与来自蒸发器242的饱和的蒸气流243进行合并，并且该合并的流163(图1中也有表示)然后可以作为侧流送入图1的多级HFC压缩机158的最高压力吸嘴中。在222中没有沸腾掉的HFC液体可以经由流224送入另一个卸压J-T阀292中来进一步降低它的压力和温度，这形成了流225。该沸腾的液流225可以送入蒸发器226，在这里它为流201提供了另外的制冷。来自蒸发器226的蒸气流227可以与来自蒸发器246的蒸气流247合并，并且该合并的流164(图1中也有表示)作为侧流送入多级HFC压缩机158的中压吸嘴中。来自226的作为流228的液体可以在J-T阀294中进一步闪蒸，形成沸腾的流229，送入蒸发器230中的液体沸腾池中，在这里它可以完全蒸发来形成饱和的蒸气流231。饱和的蒸气流231可以与来自蒸发器250的蒸气流251合并，并且该合并的流165(图1中也有表示)可以送入多级HFC压缩机158的低压吸嘴中。
蒸发器230充当了洗涤塔103的冷凝器。蒸发器230中的沸腾液体的温度，最终的J-T阀294的出口压力，以及HFC本身可以由几个标准来决定。例如，典型的是限制更高热值(HHV)的LNG，这需要产生足够的回流到洗涤塔103中，其依次需要在蒸发器230中具有足够低的沸腾温度。典型的，该温度是在-20℃到-80℃之间变化的，虽然这里可以由其中该温度会处于该范围之外这样的例外情况。例如，制冷剂如R-410A当闪蒸到大约1.25bar(绝压)的最小允许压力时，提供了大约-50℃的温度。在这种情况中，在蒸发器230出口能够达到大约-47℃的最终预冷却温度。HFC还可以在低于大气压力时安全使用来达到甚至更低的温度。不同于丙烷，这成为可能的一个原因是空气-HFC混合物是不可燃性的，这样即使带有一些空气入口，也不会出现对于可燃性的考虑。HFC制冷剂的选择所以还可以由最终的预冷却温度来控制，该温度是实现从供料气体中冷凝出足够的烃所需的。
类似于上面的脱水天然气供料流100的预冷却，蒸发器242，246，250可以用于预冷却烃混合制冷剂流140，来产生预冷却的流141。蒸发器242的预冷却温度可以等同于蒸发器222，蒸发器246的温度可以等同于蒸发器226，蒸发器250的温度可以等同于蒸发器230。通常，如果这里有(n)个冷却阶段，则在任何预冷却阶段(k)中HFC的沸腾温度对于供料和烃混合制冷剂蒸发器二者来说是相同的。以此方式，在任何给定的预冷却阶段中，离开供料和烃混合制冷剂蒸发器二者的饱和的HFC蒸气将处于相同的压力。这能够将蒸气流进行混合，并且送入单个压缩机阶段中，因此减少了压缩机入口喷嘴的数目
使用HFC作为预冷却剂的另外一个优点是HFC的临界温度超过了50.0℃。因为HFC的临界温度超过了50.0℃，在多级HFC压缩机158之后的HFC冷凝器161(如图1所示)不运行在超临界区域中。因为在多级HFC压缩机158之后的HFC冷凝器161不运行在超临界区域中，因此该系统将更加高效的运行，这是因为在亚临界条件下体积流量的降低更大。此外，HFC能够在几个沸腾阶段中为供料和主液化制冷剂提供致冷，这使得该系统能够以任意的接近度来匹配所述冷却曲线，由此产生更高的效率。
HFC能够用来在比丙烷更低的温度为烃洗涤塔回流提供冷凝任务，由此简化了液化设备的设计，并且取消了一部分烃混合制冷剂负荷。这种烃混合制冷剂的减少将提高系统的效率和降低所述设备的昂贵的低温部分的规模和资金成本。此外，更简单的和更成本有效的加工构造能够用于更广泛的供料组成和产物规格。
在如图3所示的另外一种实施方案中，不使用HFC预冷却系统来为洗涤塔303提供冷凝任务。替代的，使用富烃混合制冷剂来为洗涤塔303提供冷凝任务。将脱水的天然气供料流300在预冷却设备301的2-4个预冷却阶段中进行预冷却，来产生预冷却流302。该预冷却流302的温度取决于洗涤塔303中的回流比和需要除去的烃的量。对于给定的回流比来说，降低预冷却流302的温度将提高所述柱中的烃除去率。离开洗涤塔303的上部流304进入主液化交换器313中，在这里将它冷却和部分液化来形成流306。流306是在洗涤塔回流罐307中相分离的，形成流308和312。将流308在泵309中进行泵送，然后经由流310作为柱回流送入洗涤塔303中。将流312重新插回主液化交换器313中液化，来变成LNG产物流316。应当注意的是图3中所示的剩余的流和设备的作用类似于图1所示的等价的100系列流和设备。
图4A和4B示意了两种HFC压缩机驱动器构造。图4A表示了一种构造，在其中HFC压缩机158是直接由多轴杆燃气涡轮驱动器154(在图1也有表示)来驱动的。航改涡轮例如LM2500，LM6000或者PGT25是市售的多轴杆涡轮的例子。多轴杆 涡轮驱动器154包括在分别的轴杆上的气体发生器456和动力涡轮膨胀器457。动力涡轮457需要高的启动扭矩，因为它是装载有多级HFC压缩机158，其是无需排出任何HFC存量而启动的。在启动时，由气体发生器456驱动的空气压缩机454允许在启动动力涡轮457之前形成全压。一旦空气压缩机454形成全压，则从气体发生器456排出的仍然高压的废气将所需的高启动扭矩提供给动力涡轮457。除了具有高的启动扭矩之外，多轴杆航改涡轮还具有明显的速度灵活性，这归因于在燃烧器455出口、在气体发生器456出口和在动力涡轮457出口控制气压的灵活性。仍然的另外一种为HFC压缩机158提供高的启动扭矩的方式是使用直接结合到多级HFC压缩机158上的蒸气涡轮。
图4B示意了由多级HFC压缩机158驱动的电动机。电动机466是通过与FPSO上的电力网络的联通，或者通过与多轴杆燃气涡轮驱动的发电机的联通，由电源464来提供功率的。这里可以有变速驱动(VSD)来控制电流，电压和沿着电动机定子线圈的频率，来防止线圈损坏以及防止电力网络的不稳定。对于典型的电动机来说，启动扭矩(或者转子锁上扭矩)是与φxIRot成比例的，这里φ是来自定子线圈的磁通量强度，IRot是转子诱导电流。依次的，φ是与定子电压成比例的。在0转子速度时，IRot是与定子场的旋转频率成比例的，其依次是由输入定子电压的频率和定子磁极的数目(即，120x(f/p))决定的，这里f＝输入定子电压的频率，p＝定子磁极的数目。因此，通过在定子绕组中施加足够高的频率和电压，转子可以被赋予这样的启动扭矩，其克服了由包含在其中的压缩机和HFC气体组成的负载扭矩。变频驱动(VFD)技术可以用来调整定子绕线的输入频率，同时保持电压频率比例，该比例的目的是提供足够高的启动扭矩。
由于HFC比例如在LNG使用中所用的常规的预冷却制冷剂如丙烷更高的分子量，因此引起了对于HFC压缩机的关注。虽然丙烷的分子量是44.096，但是HFC如R410A(其满足毒性，可燃性，低温度滑移和其他期望的性能)的分子量是72.58。公知的是在流体中声音的速度是如下来计算的：
C = ( γ . R . T MW ) 0.5 - - - ( 1 )
这里γ＝HFC的绝热指数，R＝通用气体常数(8.314J/Mol K)，T＝在压缩机中任何点的HFC的温度，和MW＝HFC的分子量。声音速度(C)是与流体的分子量平方根相反变化的。所以，越高分子量的制冷剂产生了越低的声音速度。大部分压缩机设计将推进器尖端的马赫数(Ma)限制到亚音速水平(即，小于1.0)。Ma是如下计算的：
Ma＝∏×RPM×尖端直径/C    (2)
这里RPM＝推进器尖端的每分钟转数，∏＝3.14159，和C＝等式(1)所计算的声音速度。为了将Ma限制到亚音速水平(即，小于1.0)，压缩机必须在足够低的速度(RPM)运行，或者推进器直径必须要低。
但是，如下面的公知的离心压缩机表达式所示，低速和/或使用更小的推进器直径来运行压缩机限制了每个阶段的理论多变压力比：
P Out P In = { 1 + ( n - 1 ) . MW n . Z Avg . R . T In . U T . V t , Out } n ( n - 1 ) - - - ( 3 )
这里n＝HFC多变系数，ZAvg＝平均HFC压缩因数，R＝通用气体常数(8.314J/mol.K)，TIn＝推进器入口处的温度，PIn＝推进器入口处的压力，MW＝气体分子量，和Vt，Out＝HFC在推进器尖端处的绝对切向速度。上面的压力比假定了进入推进器入口通道中的流动不具有切向分量。这种速度是通过公知的表达式来给出的，该表达式获自速度三角形方法：
V t , Out = ( U T - Q . tan β π . D T . b ) - - - ( 4 )
这里Q＝体积流速，β＝推进器在径向上的顶锥角，DT＝推进器的尖端直径，和b＝推进器平均流道宽度。每单位质量所需的理论功率输入如下给出：
每阶段的功率＝Vt，Out×UT。(5)
为了实现达到HFC的冷凝压力所需的更高的压力比，会需要几个推进器-扩散器(轮子)阶段，这意味着会需要几个压缩机气缸，这增加了设备的资金成本。但是，可以确定的是单缸式HFC压缩机可以设计来用于HFC如R410A。表3表示了不同的HFC对于一个阶段的压力比的影响和它们与常规的预冷却制冷剂如丙烷的比较，所述的阶段具有下面的流动条件：Q＝75000m3/h，TIn＝10.00℃，和PIn＝2.92bar(绝压)(其是典型的HFC预冷却方法的压力水平之一)。
表3
类型 成分 Mol重量 微克 Z C(m/s) Ut(m/s) 尖端Ma  Vt，Out(m/s) Pout/Pin
  丙烷   C3H8   44.10   1.17   0.94   249.66   115.45   0.46   69.48   1.17
  R410A   F32/F125   72.37   1.21   0.96   197.95   115.45   0.58   69.48   1.29
  R134a   C2H2F4   102.03   1.15   0.93   163.05   115.45   0.71   69.48   1.44
  R125   C2HF5   120.02   1.13   0.95   148.71   115.45   0.78   69.48   1.53
从上面的分析，推进器角度β是20度，尖端直径是1.05m，平均通道宽度是0.05m。该推进器是以2100RPM的速度旋转的。对于简单的论证来说，将所述的阶段假定为是大致等熵的。对于低值β来说这是特别正确的，其避免了沿着压缩机叶片流道的长度分离边界层。
表3表明对于这种推进器几何形状和相同的输入流条件来说，马赫数随着分子量的增加而增加。表3还表明阶段压力比主要的取决于分子量。与丙烷相比，对于相同的入口体积流量、温度和压力而言，带有HFC的压缩机实现了更高的压力比。表3表明与常规的制冷剂如丙烷相比，对于相同的压缩机几何形状和输入功率而言，一些HFC如R410A在更高的压力比/阶段方面具有明显的优势。
实施例
在这种示例性说明中，使用HFC预冷却的混合制冷剂方法将脱水的天然气供料流100液化来形成LNG。进入预冷却部分中的总脱水天然气供料流100是大约2.39mmtpa或者301.2tph。来自干燥剂床(图1中未示出)的脱水天然气供料流100进入15℃和68.95bar(绝压)的HFC冷却的蒸发器222中，在这里将它冷却到-4.06℃的温度。该供料在蒸发器226中进一步冷却到大约-24.39℃的温度，其后将它作为流102送入洗涤塔103。在洗涤塔103中冷的回流流体111使得来自输入流102的C3+(丙烷，丁烷，戊烷等等)烃发生汽提，来产生蒸气上部流104和底部重烃流105。
表4汇总了示例性说明的不同的流体条件：
表4
Figure GSA00000111230600181
重烃流105典型的被导入脱甲烷柱中，在这里注射较轻的成分如甲烷和乙烷来产生另外的燃料气体，同时将剩余的富含C3+的流体进一步分馏或者储存和船运。流107进入蒸发器230中来将它冷却到-44.39℃，来产生部分冷凝的流108，其的液体部分(流111)用作洗涤塔回流103，而将蒸气流114送入主液化交换器115中。
表5包含了在洗涤塔冷凝器110周围的流体108，111和114的汇总。
表5
Figure GSA00000111230600192
Figure GSA00000111230600201
表5表明将处于它的露点的蒸气流114送入主液化交换器115中，在这里通过将它与富含烃的混合制冷剂流进行接触来完全冷凝和次级冷却，目的是产生温度为-152.72℃的流116。然后将流116在LNG水力膨胀器(未详细示出)中膨胀，来得到某些功率以及进一步将它在J-T阀中膨胀到大约1.17-1.38bar(绝压)，这产生了闪蒸气体和最终的LNG产物。
该富烃的混合制冷剂(HMR)流130的组成为16.6mol％的N2，40.99mol％的CH4和42.4mol％的C2H6，并且总流量是65758lbmol/h。这个混合物的露点是-62.28℃，始沸点是-157.87℃。将升温的HMR流130(这里T＝-59.5℃，P＝8.47bar(绝压))导入到低压压缩机131的吸嘴中。两个内冷却的压缩阶段增加它的压力来产生流138(T＝46.50℃，P＝61.33bar(绝压))，该流的露点是-10.33℃，始沸点是-76.89℃。因此，将HMR流进一步冷却到-76.89℃，来将它转化成饱和的液体，并进一步次级冷却来提供所需的低温致冷温度。这种冷却是使用后冷却器139，在蒸发器242，246，250中的HFC，和在主液化交换器115中的沸腾HMR来进行的。离开最低温度HFC蒸发器250的HMR流141处于-44.39℃和59.23bar(绝压)。将部分冷凝的流141在罐142中进行相分离，来产生较轻的烃HMR流143和较重的HMR流144。流143然后在主液化交换器115中冷凝和次级冷却，来产生冷的制冷剂流148，同时流144次级冷却来产生制冷剂流145。流145，148进一步在J-T阀146，149中膨胀，来产生低压制冷剂流147，150，其然后重新引入到主液化交换器115中来为供料流114和HMR流143，144提供致冷。
表6表示在这种回路中不同的HMR流的流体条件
表6
Figure GSA00000111230600202
Figure GSA00000111230600211
现在描述该HFC预冷却回路。参考图2，这里是3级蒸发。第一阶段包括蒸发器222，242，其通过在-7.11℃和6.38bar(绝压)供给的沸腾R410A流221，241来将脱水的天然气供料流100和HMR流140冷却到-4.06℃。分别来自蒸发器222，242的蒸气流223，243被送入R410A压缩机158的高压吸嘴中。未蒸发的液流224，244等熵闪蒸低到3.03bar(绝压)和-27.39℃，形成各自的流225，245。这些流分别被送入蒸发器226，246中，来将该供料和混合制冷剂冷却到-24.39℃。离开蒸发器226，246的蒸气流227，247被导入R410A压缩机158的中压吸嘴中。蒸发器226，246离开的液流228，248等熵闪蒸低到1.25bar(绝压)和-47.39℃，分别形成低压制冷剂流229，249。流229，249分别完全汽化成流231，251，并送入R410A压缩机158的低压入口喷嘴中。R410A压缩机158是一种3级机器，其将低压165、中压164和高压163蒸气流压缩到最终压力15.58bar(绝压)和65.11℃，成为流160。流160然后进行使得过热液体减温，冷凝和在交换器161中与海水接触来次级冷却，来产生13.58bar(绝压)和15℃的冷凝的R410A流162，并且再循环到R410A蒸发器，完成该致冷回路。在这种情况中，R410A的总流通速率是4619lbmol/h。
总LNG生产是大约2.39百万公吨/年(mmtpa)。R410A压缩机158需要27MW。阶段间冷却的MR压缩机133和135需要40.5MW。实现了大约270.26kwh/吨的功率系数。
适于海洋环境或者电动机的不同的涡轮可以用作驱动器。例如，在26℃产生大约28MW的降低额定值的输出功率的GE LM6000可以作为驱动器，用于R410A压缩机158以及2×50％MR压缩机组。齿轮箱可以用来调整R410A压缩机的速度，该压缩机倾向于由于推进器尖端马赫数的局限而在更低的速度运行。
还可以使用在由多个致冷回路组成的纯流体多级方法中的氢氟碳化物，该纯流体多级方法类似于在US专利No.5669234(在此引入作为参考)中所述的ConocoPhillips多级方法。这种方法包括三个冷却回路：(1)预冷却回路，其使用丙烷(其预冷却所述供料)和更低沸腾的制冷剂如乙烷或者乙烯；(2)中间冷却回路，其使用乙烷作为制冷剂(其进一步冷却了供料)和更低沸腾的制冷剂如甲烷；和(3)次级冷却回路，其使用甲烷作为制冷剂，并且将供料次级冷却到LNG温度。在一种实施方案中，在多级循环的预冷却回路中的丙烷可以用一种HFC制冷剂来代替。在该多级回路中的具有-89℃的正常沸点的乙烷可以用更低沸腾的HFC如正常沸点为-82.1℃的R23(CHF3)来代替。
图1的方法还用来比较获自下面三种不同的预冷却制冷剂的能效(kwh/吨LNG)：R410A，丙烷和CO2，在混合制冷剂中使用或者不使用丙烷。供料流速保持固定，并且预冷却和混合制冷剂压缩机的总功耗最小化。为了进行一致的比较，将预冷却温度设定到至少-37℃，目的是从脱水的天然气供料流100中冷凝足够量的烃。在一些情况中，发现最佳的预冷却温度低于-38℃。表7表示了这些结果。
第一组三种方法在混合制冷剂中包括丙烷。第二组三种方法说明了在混合制冷剂中不具有丙烷。对于最后的三种方法，假定了根据表5(流体114)，使用该甲烷流来制备包含2.66mol％的丙烷的混合制冷剂。还假定了可以使用原位脱乙烷柱来生产包含1.0％丙烷和99.0％乙烷的乙烷流(其在工业上是典型的)。组成为40.99％甲烷和42.4％乙烷的典型的混合制冷剂将产生0.4099×2.66+0.424×1.00＝1.51mol％的丙烷含量。
表7
Figure GSA00000111230600221
Figure GSA00000111230600231
首先，使用CO2的方法具有比不使用CO2的方法高出大约5-9％的功率系数消耗，这使得前者的效率低于基于R410A和丙烷预冷却的方法。第二，使用R410A混合制冷剂(不含丙烷)的方法的功率系数比使用C3MR(包括丙烷)的方法高出了大约0.42％。方法C3MR(包括丙烷)被用于具有最高可能的能量效率的大的陆基设备。这种对比证实了在液化循环中取消丙烷存量导致的功率损失是不明显的，以及证实了R410A基方法的能效可以被认为是与大部分有效的陆基设备相当的。第三，丙烷存量的减少是明显的，因为用于在混合制冷剂中使用丙烷的方法的最佳混合制冷剂组成包括了9-12mol％的丙烷。丙烷存量和资金成本也通过取消蒸馏塔和存储(典型的提供来制造丙烷)而进一步降低。
还能够应用本发明的实施方案，用HFC成分和烃以及惰性气体如N2的混合物来代替烃混合制冷剂混合物。在这样的方法中，预冷却将通过恒沸制冷剂(例如单组分HFC或者共沸HFC)来进行，而供料的液化和次级冷却将使用HFC成分和氮气的混合物来进行。在烃混合制冷剂混合物中的丙烷可以用例如HFC如R410A或者R134A来代替。乙烷可以用R23代替，甲烷可以用R14代替。在这样的方法中，将HFC混合制冷剂用空气或者海水进行压缩和冷却，形成部分冷凝的制冷剂，将其分离来产生氮气和富含低沸点HFC的蒸气(图1和3中的流143)和富含高沸腾HFC的液体(图1和3中的144)。该蒸气和液体然后进一步冷却，然后膨胀来为供料提供致冷。
还应当注意的是因为HFC制冷剂可以用来替代传统的C3MR方法中的丙烷制冷剂，因此仍然可以采用具有C3MR方法的设计和运行的大量的经验。例如，HFC预冷却制冷剂回路是由几个串联的蒸发器组成，该蒸发器的运行是传统的C3MR系统和方法中公知的。
最后，已经证实了具有侧流的单气缸压缩机可以设计用于以1700-5000RPM的速度运行的HFC使用，所述速度是大阵列的市售低热速率航改涡轮通常的运行范围。
虽然已经联系不同的附图的优选的实施方案对本发明的方面进行了描述，但是应当理解还可以使用其他类似的实施方案，或者可以对所述的实施方案进行改进和增加，来起到与本发明相同的功能，而不脱离其中。所以，请求保护的本发明不应当局限于任何单个的实施方案，而是应当解释为处于附加的权利要求的宽度和范围内。

Claims (20)

1.一种用于对天然气流进行液化的方法，该方法包括步骤：
提供用于液化的脱水天然气流；
在预冷却设备中预冷却该脱水天然气流，其中该预冷却是使用基本由氢氟碳化物(HFC)制冷剂组成的预冷却剂来进行的；
在主热交换器中，通过与汽化的烃混合制冷冷却剂的间接热交换，来进一步冷却该预冷却过的脱水天然气流，来产生液化的天然气产物流，
其中该混合的制冷冷却剂包含乙烷、甲烷、氮气和小于或者等于3mol％的丙烷。
2.权利要求1的方法，其中该用于对天然气流进行液化的方法发生于浮式生产储卸油装置平台(FPSO)上。
3.权利要求1的方法，其中该混合制冷冷却剂包含小于2mol％的丙烷。
4.权利要求1的方法，其中该混合制冷冷却剂包含小于1mol％的丙烷。
5.权利要求1的方法，其中该氢氟碳化物制冷剂是R410A。
6.权利要求1的方法，其中该氢氟碳化物制冷剂具有小于或者等于7℃的温度滑移。
7.权利要求1的方法，其进一步包含将预冷却的脱水天然气流供给到洗涤塔中，在这里对该预冷却的脱水天然气流进行精馏和汽提存在于该预冷却的脱水天然气流中的一部分重烃，将该精馏的和汽提的天然气流从洗涤塔供给回到预冷却设备中，在这里将该精馏的和汽提的天然气流进一步冷却和部分地冷凝，在分离器中分离该冷却的和部分冷凝的天然气流，在这里对该天然气流的液体部分进行泵送，然后作为回流送入洗涤塔中，和在这里将该天然气流的蒸气部分送入主热交换器中，来产生液化的天然气产物流。
8.权利要求1的方法，其进一步包含在主热交换器中汽化之前，在预冷却设备中对该烃混合制冷冷却剂进行预冷却。
9.权利要求1的方法，其进一步包含：
在启动动力涡轮之前，在由气体发生器驱动的空气压缩机中形成压力，其中该动力涡轮驱动了多级HFC压缩机来预冷却至少用于液化的脱水天然气流；和
使用从该气体发生器排出的高温高压气体，来提供动力涡轮所需的高启动扭矩，
其中进行该动力涡轮的启动并不排出HFC制冷剂。
10.一种用于对天然气流进行液化的系统，其包含：
多级氢氟碳化物(HFC)压缩机；
流体连接到该多级HFC压缩机上的预冷却设备，该预冷却设备包含至少一个蒸发器，用于使用HFC制冷剂来预冷却脱水天然气流；
流体连接到该预冷却设备上的主热交换器，用于进一步冷却该预冷却的脱水天然气流，来产生液体天然气产物流，
其中汽化的混合制冷冷却剂在该主热交换器中提供了致冷，该制冷冷却剂包含乙烷、甲烷、氮气和小于或者等于3mol％的丙烷。
11.权利要求10的系统，其中该系统运行于浮式生产储卸油装置平台(FPSO)上。
12.权利要求10的系统，其中包含小于或者等于2mol％丙烷的汽化的混合制冷冷却剂在主热交换器中提供了致冷。
13.权利要求10的系统，其进一步包含多轴杆燃气涡轮驱动器，用于为多级HFC压缩机提供动力，该多轴杆燃气涡轮驱动器包含：
在第一轴杆上连接到该多级HFC压缩机的动力涡轮；
在第二轴杆上流体连接到该动力涡轮的气体发生器；
在第二轴杆上连接到该气体发生器的空气压缩机；和
流体连接到到该空气压缩机和气体发生器上的燃烧器，用于为气体发生器提供高温高压气体。
14.权利要求10的系统，其进一步包含用于为该多级压缩机提供动力的电动机组件，该电动机组件包含：
连接到该多级HFC压缩机上的电动机；
连接到该电动机上的电源。
15.权利要求14的系统，其中该电动机的电源是浮式生产储卸油装置平台(FPSO)的电力网络或者由多轴杆燃气涡轮驱动的发电机。
16.权利要求10的系统，其中该蒸发器是管壳型蒸发器。
17.权利要求10的系统，其中该主热交换器是绕线交换器。
18.权利要求10的系统，其进一步包含在主热交换器和预冷却设备之间的管道，用于在混合制冷冷却剂在主热交换器中汽化之前，将该混合制冷冷却剂供给到预冷却设备中。
19.一种用于对天然气流进行液化的方法，该方法包含步骤：
提供用于液化的脱水天然气流；
在预冷却设备中预冷却该脱水天然气流，其中该预冷却是使用基本由氢氟碳化物(HFC)制冷剂组成的预冷却剂来进行的；
在主热交换器中，通过与汽化的烃混合制冷冷却剂的间接热交换，来进一步冷却该预冷却过的脱水天然气流，来产生液化的天然气产物流，
其中该混合制冷冷却剂是混合物，其包含源自于天然气流的甲烷流，富含乙烷的流，其中该富含乙烷的流主要是乙烷，和氮气流，其中该氮气流主要是氮气。
20.权利要求19的方法，其中该用于液化天然气流的方法发生于浮式生产储卸油装置平台(FPSO)上。
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