CN105264316B - 用于在lng应用中预冷却的整体齿轮式压缩机 - Google Patents

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Abstract

公开了天然气液化系统，其包括至少一个预冷却环路(103)，第一制冷剂适于穿过该预冷却环路循环。该预冷却环路包括：用于加压第一制冷剂的至少一个压缩机(109)；用于驱动压缩机(109)的至少一个原动机(111)；用于从第一制冷剂移除热量的至少一个冷凝器(115)；用于使第一制冷剂膨胀的至少一个第一膨胀元件(119A‑119D)；用于使热量从天然气传递至第一制冷剂的至少一个第一热交换器(123A‑123D)。该系统还包括在预冷却环路的下游的至少一个冷却环路(105)，第二制冷剂循环穿过其。天然气适于在预冷却环路中和在冷却环路中顺序地得到冷却。预冷却环路的压缩机为整体齿轮式涡轮压缩机，其包括多个压缩机级(109A‑109D)。

Description

用于在LNG应用中预冷却的整体齿轮式压缩机
技术领域
本文中公开的实施例涉及用于液化天然气的过程和系统。
背景技术
天然气正在成为日益重要的能源。为了允许天然气从供应源运输至使用场所，必须减小气体的体积。低温液化已成为用于使天然气转变为液体的常规实践过程，液体储存和运输起来更方便、更廉价且更安全。通过将冷冻和液化的气体保持在比环境压力下的液化温度低的温度下，通过管线或航运船运输液化天然气(LNG)变得在环境压力下是可能的。
为了储存和运输处于液体状态的天然气，优选地将天然气冷却在大约-150到-170℃，在此，气体具有接近大气蒸汽压力。
若干过程和系统存在于用于天然气液化的现有技术中，其提供以用于使升高压力下的天然气相继地经过多个冷却阶段，因此气体在顺序的制冷循环中以依次更低的温度冷却，直到达到液化温度。
在使天然气经过冷却阶段之前，预处理天然气以移除可干扰过程、损伤机械或不期望在最终产品中的任何杂质。杂质包括酸性气体、硫化合物、二氧化碳、硫醇、水和水银。然后通过制冷剂流来冷却已移除了杂质的预处理的气体，以分离较重的碳氢化合物。残留气体主要由甲烷组成，且通常包含少于0.1%mol的更高分子量的碳氢化合物(诸如丙烷或更重的碳氢化合物)。因此净化和纯化的天然气在低温区段中冷却至最终温度。所得的LNG可在接近大气压力下储存和运输。
低温液化通常借助于多循环过程(即，使用不同制冷循环的过程)来执行。取决于过程的种类，各循环可使用不同的制冷流体，或者相同的制冷流体可用于两个或更多个循环中。
图1示意地示出低温天然气液化系统的图表，该系统使用所谓APCI过程。该已知的过程使用两个制冷循环。第一循环使用丙烷作为制冷流体，且第二循环使用混合制冷剂，该混合制冷剂通常由氮、甲烷、乙烷和丙烷制成。标为1的系统总体上包括第一循环2，该第一循环2包括由燃气涡轮3形成的线路，该线路驱动压缩机系。该压缩机系包括第一压缩机5和第二压缩机7，它们串联以用于压缩混合制冷剂。级间冷却器(中间冷却器)9冷却由第一压缩机5输送的混合制冷剂，以在进入第二压缩机7之前降低其温度和体积。由第二压缩级7输送的压缩的混合制冷剂在热交换器11中相对于空气或水冷凝。如在此在下面所公开的，混合制冷剂通过丙烷循环12进一步被冷却且部分地液化。
丙烷在第二或预冷却循环中。第二循环包括线路，该线路包括燃气涡轮13，燃气涡轮13驱动多级压缩机15。由压缩机15输送的压缩的丙烷相对于水和空气在冷凝器17中冷凝。冷凝的丙烷用于将天然气预冷却至-40℃，且冷却和部分地液化混合制冷剂。天然气预冷却和混合制冷剂部分液化在多压力过程中执行，在示例中示出4级压力。
来自冷凝器17的冷凝的丙烷的流输送至第一组四个串联布置的热交换器，以冷却和部分地液化混合制冷剂，且输送至第二组四个串联布置的预冷却热交换器以冷却天然气。来自冷凝器17的压缩的丙烷流的第一部分通过管道19输送到第一组热交换，且在串联布置的膨胀器21、23、25和27中顺序地膨胀至四个不同的、逐渐降低的压力水平。在各膨胀器21、23、25的下游，膨胀丙烷流的一部分转移至相应的热交换器29、31、33。流动通过最后的膨胀器27的丙烷输送至热交换器35。
从热交换器11输送的压缩的混合制冷剂在管道37中朝主低温热交换器38流动。管道37顺序地经过热交换器29、31、33和35，使得混合制冷剂相对于膨胀的丙烷逐渐地冷却且部分地液化。
来自冷凝器17的冷凝的丙烷流的第二部份输送至第二管道39，且在四个串联布置的膨胀器41、43、45和47中顺序地膨胀。在各膨胀器41、43和45中膨胀的丙烷的一部分以及从最后的膨胀器47流动的丙烷分别朝对应的预冷却热交换器49、51、53和55转移。主天然气线路61顺序地通过所述预冷却热交换器49、51、53和55流动，使得天然气在进入主低温热交换器38之前得到预冷却。离开预冷却热交换器49、51、53和55的加热的丙烷与离开热交换器29、31、33和35的丙烷一起被收集，且再次供给至压缩机15，该压缩机15回收四个汽化丙烷支流，且将蒸汽压缩至例如15-25 bar以在冷凝器17中再次冷凝。
发明内容
本文中公开的主题涉及改善的天然气液化系统，其包括至少一个预冷却回路或环路(在其中使第一制冷剂循环)和至少一个冷却或液化环路(在其中使第二制冷剂循环)。使气态状态下的天然气流动穿过预冷却环路的热交换器布置，且随后在冷却或液化环路的热交换器布置中流动。通过相对于第一制冷剂和至少第二制冷剂交换热量来预冷却、冷却且最终液化该天然气。附加的第三或其他冷却和/或液化回路或环路可以以级联或顺序的布置来布置，以使天然气逐渐地变冷且最终液化该天然气。该环路包括相应的压缩机布置(以用于处理相应的制冷剂)、以及至少一个冷凝器和一个或更多个膨胀元件(例如，涡轮膨胀机和/或节流阀)。至少预冷却环路包括用于处理第一制冷剂的整体齿轮式涡轮压缩机。第一制冷剂可分成两个或更多个支流，其用于在逐渐降低的压力值下相对于在随后的冷却或液化环路中循环的液化气和/或制冷剂交换热量。
根据一些实施例，提供了天然气液化系统，其包括：
至少一个预冷却环路，第一制冷剂适于穿过其循环，预冷却环路包括：
至少一个压缩机，其用于加压第一制冷剂；
至少一个原动机，其用于驱动所述压缩机；
至少一个冷凝器，其用于从第一制冷剂移除热量；
至少一个第一膨胀元件，其用于使第一制冷剂膨胀；
至少一个第一热交换器，其用于使热量从天然气传递至第一制冷剂；
和至少一个冷却环路，其在所述预冷却环路的下游，第二制冷剂循环穿过其，天然气适于在预冷却环路中和在冷却环路中被顺序地冷却；
其中，所述压缩机为整体齿轮式涡轮压缩机，其包括多个压缩机级，各压缩机级设有独立的可移动的进口导叶的组，以用于自主地调节进入压缩机级中的流。
根据一些实施例，可提供附加的压缩机级，其不设有可移动的进口导叶。当多个压缩机级串联地配置时，单个可移动的进口叶片的组是足够的，因为通过更上游的级的可移动的进口叶片的组来调节下游的级。当第一制冷剂流分成两个或更多个支流且在两个随后的压缩机级之间的中间位置中相继地再结合时，串联地配置的压缩机级可装备有相应的可移动的进口叶片的组。
根据另一方面，提供了液化天然气的方法，其中，通过相对于在预冷却环路中循环的第一制冷剂和在冷却和/或液化环路中循环的第二制冷剂交换热量而冷却和液化天然气的流。第一制冷剂分成处于逐渐降低的压力值下的多个支流。支流相对于天然气流和/或相对于第二制冷剂交换热量。支流在整体齿轮式涡轮压缩机的相应压缩机级处返回。
根据一个实施例，提供了一种方法，包括：
提供预冷却环路，其包括：具有多个压缩机级的整体齿轮式涡轮压缩机、至少一个冷凝器、至少一个膨胀元件、和至少一个热交换器；
利用原动机驱动所述整体齿轮式涡轮压缩机；
使第一制冷剂循环穿过整体齿轮式涡轮压缩机；
在冷凝器中冷凝由整体齿轮式涡轮压缩机输送的第一制冷剂；
将第一制冷剂分成多个部分流；在膨胀元件中使冷凝的第一制冷剂膨胀；
使膨胀的制冷剂循环穿过热交换器，以从天然气移除热量，以预冷却天然气；
独立地控制可移动的进口导叶，以在压缩机级的吸入侧处调节部分流；
提供至少一个冷却环路；
使第二制冷剂在所述至少一个冷却环路中循环；
通过相对于第二制冷剂的热交换来从预冷却的天然气移除热量。
特征和实施例在下面公开，且在形成本说明书的一体部分的所附权利要求中进一步阐述。上面的简要描述阐述了本发明的各种实施例的特征，以便可更好地理解随后的详细描述，且以便可更好地理解对领域的本贡献。当然，存在本发明的其他特征，其将在下文中描述且将在所附权利要求中阐述。在该方面中，在详细解释本发明的若干实施例之前，应当理解的是，本发明的各种实施例在它们的应用中不限于构造的细节和在下列描述中提出或在附图中示出的构件布置。本发明能够有其他实施例并且以各种方式实践和执行。此外，应当理解的是，在本文中采用的短语和用语用于说明的目的，并且不应认为是进行限制。
由本系统和方法详细阐述的第一制冷剂的流动速率不仅是关于压缩机级旋转速度的可控制动作。以此方式，提供了更有效率和更可靠的LNG回路。
因此，本领域技术人员将理解，本公开所基于的构思可易于作为用于设计用于执行本发明的若干目的的其他结构、方法、和/或系统的基础来利用。因而，重要的是，权利要求被认为包括这种等同构造，只要它们不脱离本发明的精神和范围。
附图说明
由于当结合附图考虑时，通过参照下列详细描述，更好地理解本发明的公开实施例及其附随优点中的许多，故将容易地获得它们的更全面的了解，在附图中：
图1例示根据现有技术的用于液化天然气的系统；
图2例示根据本公开的用于生产LNG的系统的第一实施例的示意图；
图2A例示在图2的布置中使用的整体齿轮式压缩机的示范实施例；
图3例示第二实施例中的根据本公开的用于生成LNG的系统的示意图；
图4例示根据本公开的用于在LNG系统中使用的整体齿轮式涡轮压缩机的两个压缩机级的截面。
具体实施方式
示范实施例的下列详细描述参照附图。不同附图中的相同参考标号指示相同或相似的元件。此外，附图不一定按照比例绘制。而且，下列详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围通过所附权利要求而限定。
遍及说明书对“一个实施例”、或“实施例”、或“一些实施例”的引用指的是，结合实施例描述的具体特征、结构或特性包括在公开的主题的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”遍及说明书在各种位置的出现不一定意指(多个)相同的实施例。而且，该具体特征、结构或特性可以以任何适当的方式组合在一个或更多个实施例中。
图2示意地示出实现本文中公开的主题的，基于APCI过程的低温天然气液化系统的图表。该过程使用两个制冷循环或环路，其中，分别地处理第一制冷剂和第二制冷剂。第一环路为预冷却环路，其中，通过与第一制冷剂交换热量来冷却在第二环路中循环的天然气以及第二制冷剂。在下文中，第一环路将称为预冷却环路或循环，且第二环路将称为冷却或液化环路或循环。
在一些实施例中，在预冷却环路中循环的第一制冷剂可包括丙烷或由丙烷组成。第一制冷剂可具有为至少35(例如在35和41之间)的平均分子量。在一些实施例中，在第二环路中循环的第二制冷剂可包括混合制冷剂，例如包括氮、甲烷、乙烷和丙烷。
更具体而言，在图2的实施例中，该系统总体上标为101，第一和预冷却环路标为103且第二液化循环或环路标为105。天然气沿管道107输送至系统101，且通过分别流过预冷却环路103和冷却环路105的多个串联布置的热交换器而顺序地被冷却且最终被液化。
预冷却环路103包括多级、整体齿轮式涡轮压缩机109。该整体齿轮式涡轮压缩机可如图4中更详细示出地构造，且将在后面参照所述附图来更加详细地描述。
整体齿轮式涡轮压缩机的至少一个、一些或优选地全部的级由可移动的进口导叶组成，以根据系统101的实际操作需求来调节所述(多个)级的操作条件。各组可移动的进口导叶可与其他进口导叶独立地调节，例如，以便考虑从一个级到另一个级而不同的流动速率。
在一些实施例中，整体齿轮式涡轮压缩机包括多个级，该多个级包括两个和八个之间。例如，整体齿轮式涡轮压缩机可包括从三到六个级。如将在后面更详细地描述的，一个或更多个中间冷却器可提供在整体齿轮式涡轮压缩机的一对或更多对顺序地布置的级之间。而且，在一些实施例中，
在一些实施例中，多级、整体齿轮式涡轮压缩机109可由原动机驱动，原动机可包括内燃马达，诸如燃气涡轮，例如航改燃气涡轮。在有利的实施例中，整体齿轮式涡轮压缩机109由电动马达111驱动。
在图2中示出示范实施例，其中，整体齿轮式涡轮压缩机109由四个级(分别标为109A、109B、109C、109D)组成，这四个级依次布置，级109D为最低压力级，且级109A为最高压力级。
通过整体齿轮式涡轮压缩机109将压缩的第一制冷剂的流输送至冷凝器115。例如，相对于水或空气来冷却且冷凝通过冷凝器115输送的第一制冷剂的流。
在一些实施例中，冷凝的第一制冷剂在预冷却环路103中循环以预冷却天然气，且冷却且可选地部分地液化在冷却环路105中循环的第二制冷剂。
在一些实施例中，该过程被分为四个压力水平。压力水平的数量可对应于整体齿轮式涡轮压缩机109的级的数量。在优选实施例中，通过冷凝器115输送的第一制冷剂的流被分为多个部分流，该多个部分流然后在多个逐渐降低的压力水平下顺序地膨胀。各部分制冷剂流在子循环中循环，且作为支流在多个压缩机级中的对应的一个的进口处返回到整体齿轮式涡轮压缩机。
输送线路117将冷凝的第一制冷剂流的第一部分输送至多个串联布置的第一膨胀元件119A-119D。从输送线路117分岔的第二输送线路118将冷凝的第一制冷剂流的第二部分输送至多个串联布置的第二膨胀元件121A-121D。
来自冷凝器115的冷凝的第一制冷剂的第一部分在处于四个不同的、逐渐降低的压力水平下的四个膨胀元件119A-119B中顺序地膨胀。在各膨胀元件119A-119C的下游，将部分地膨胀的第一制冷剂的流的一部分转移至第一预冷却热交换器123A-123C中的相应的一个。引起部分地膨胀的第一制冷剂的剩余部分流过下个膨胀元件119A-119C，等等。流过第一膨胀元件119A-119D中最下游一个(119D)的残留第一制冷剂被输送至最下游的预冷却热交换器123D。
在所述第一热交换器123A-123D中的各个中，第一制冷剂相对于在管道107中流动的天然气交换热量，从而预冷却且可选地部分地液化该天然气。
使在各第二膨胀元件121A、121B、121C中膨胀的第一制冷剂的部分朝多个第二热交换器125A-125D中对应的一个转移。制冷剂流的由所述第二膨胀元件121A-121C中的各个输送且不被引起流过相应热交换器125A-125C的部分被输送通过随后的膨胀元件。所述第二热交换器中的最下游的一个(125D)接收在所述第二膨胀元件121A-121D中的最下游(121D)中膨胀的第一制冷剂的全部残留部份。在所述第二热交换器125A-125D中的各个中，第一制冷剂相对于在冷却或液化环路105中循环的第二制冷剂交换热量，以便在热交换器125D的输送侧处冷却且至少部分地液化第二制冷剂。
离开第一预冷却热交换器123A-123D的加热的第一制冷剂与离开第二热交换器125A-125D的加热的第一制冷剂被收集在一起，且被再次供给至整体齿轮式涡轮压缩机109。
在一些实施例中，离开各第二热交换器125A-125D的加热的第一制冷剂处于与离开对应的第一热交换器123A-123D的加热的第一制冷剂大约相同的压力。在相应压力水平下收集的制冷剂被输送在整体齿轮式涡轮压缩机109的对应级的进口处。多个制冷剂支流因此在逐渐降低的压力下在整体齿轮式涡轮压缩机109的串联布置的级的进口处返回。
在图2中，参考数字130A-130D指示返回线路，从热交换器123A-123D和125A-125D输送的膨胀和排出的制冷剂流体的支流通过这些线路返回到整体齿轮式涡轮压缩机的对应的级109A-109D。
在一些实施例中，冷却或液化环路105包括压缩机系。在一些实施例中，该压缩机系可由串联地布置的第一压缩机131和第二压缩机133组成。在其他实施例中，可提供单个压缩机。各压缩机可为多级压缩机，例如多级离心压缩机。
在一些实施例中，冷却环路105的(多个)压缩机由原动机驱动，该原动机可包括内燃发动机。该原动机可为燃气涡轮135，例如航改燃气涡轮。
级间冷却器(中间冷却器)137可布置在第一压缩机131与第二压缩机133之间，以在进入第二压缩机133之前降低由第一压缩机131输送的第二制冷剂的温度和体积。由第二压缩机133输送的压缩的第二制冷剂在冷凝器139中冷凝。冷凝器139可为空气冷凝器或水冷凝器，在此，第二制冷剂通过相对于空气或水交换热量而冷凝。随后通过输送线路141穿过顺序地布置的第二热交换器125A-125D输送冷凝的第二制冷剂，在第二热交换器125A-125D处，第二制冷剂通过相对于在预冷却环路103中循环的第一制冷剂交换热量而冷却且可能液化。
从热交换器125A-125D输送的冷却的且可选地部分液化的第二制冷剂朝主低温热交换器145流过管道143，在该处，第二制冷剂从预冷却的且可选地部分液化的天然气移除更多热量，从而完成液化过程。完全液化的天然气在149处离开系统，且加热的第二制冷剂穿过线路151返回到(多个)压缩机或压缩机系131、133。
在图2中，仅示意地描绘整体齿轮式涡轮压缩机109。在图2A中更详细地例示示范整体齿轮式涡轮压缩机109的主要构件。图4更详细地例示两个压缩机级的轴向截面，这两个压缩机级被支撑在整体齿轮式涡轮压缩机109的公共旋转轴上。更具体而言，图4作为示例来例示第一和第二级109D、109C。
优选地，各压缩机级109A-109D被提供为具有可移动的进口导叶，它们在四个级109A-109D的110A-110D处示意地示出。在其他实施例中，可移动的进口导叶提供在压缩机级中的仅一些的进口处或不提供。如可从图4了解的，进口导叶可布置在压缩机级的轴向进口处。各组可移动的进口导叶可与其他组独立地受控以用于自主地调节进入压缩机级中的流。中间冷却器可提供在两个顺序地布置的压缩机级109A-109D之间。如图2A所示，第一中间冷却器153可布置在第一压缩机级109D的输送侧与第二压缩机级109C的吸入侧之间。第二中间冷却器155可布置在第二压缩机级109C的输送侧与第三压缩机级109B的吸入侧之间。第三中间冷却器157可布置在第三压缩机级109B的输送侧与第四压缩机级109A的吸入侧之间。
各压缩机级109A-109D包括支撑在旋转轴上的至少一个叶轮。图4分别示出两个最上游压缩机级109D、109C的两个叶轮112D、112C。各叶轮可为径向叶轮，具有轴向进口和径向出口。行进通过叶轮的流体被收集在相应的蜗壳(诸如压缩机级109D、109C的蜗壳114D、114C)中。
叶轮可为成对的，各对叶轮由公共旋转轴支撑。在图2A的实施例中，提供两个旋转轴159、161。第一和第二压缩机级109D、109C的叶轮安装成用于在第一旋转轴159上旋转，且第三和第四压缩机级109B、109A的叶轮安装为用于在第二旋转轴161上旋转。可提供不同数量的旋转轴和相应的压缩机级和叶轮。在一些实施例中，可提供奇数个级，在该情况下，旋转轴中的一个可支撑单个叶轮而非成对的叶轮。
各旋转轴159、161包括用键固定在其上的小齿轮159A、161A。小齿轮159A、161A与由电动马达111通过驱动轴165以旋转的方式驱动的中央有齿轮或齿冠163啮合。两个旋转轴159A、161A且因此安装在其上的相应叶轮可以在不同旋转速度下旋转。
整体齿轮式涡轮压缩机109的结构特别适合用于处理在预冷却环路103中循环的第一制冷剂的不同支流。压缩机级的进口处的各组可移动的进口导叶110A-110D的位置可适于各支流的流动条件，即，各制冷剂流输送至压缩机级的相应吸入侧，以便压缩机级的操作条件可适于通过不同的热交换器123A-123D、125A-125D的温度条件和流动速率。因此可使压缩机效率和可操作性最大化。一个或更多个中间冷却器(诸如容易集成在整体齿轮式涡轮压缩机109的结构中的中间冷却器153、155、157)进一步提高压缩机的效率且因此提高整个LNG系统的效率。
在图3中例示且将在下面描述在本文中公开的主题的另一实施例。图3的LNG系统200包括分别标为201、203和205的三个闭合的环路和循环。三个不同的制冷剂在三个环路中行进。在环路201中行进的第一制冷剂可为丙烷。第一环路201在下面将命名为预冷却环路。在环路203中行进的第二制冷剂可为乙烯且在环路205中循环的第三制冷剂可为甲烷。天然气线路207流过三个环路201、203、205的三个顺序地布置的热交换器209、211和213。天然气以气态状态进入第一热交换器209且以液体状态离开最后的热交换器213。
以略微简化的方式描绘图3的系统。第一预冷却环路或循环201包括整体齿轮式涡轮压缩机229，该整体齿轮式涡轮压缩机229包括多个压缩机级。在一些实施例中，可提供三个压缩机级229A-229C，如在图3的示意图中作为示例示出的。在其他实施例中，可提供不同数量的压缩机级。大体而言，以已与图2和2A相关地公开的方式类似的方式，压缩机级的数量可取决于在预冷却环路201中提供的支流的数量。
进口导叶228C、228B、228A可提供在一些且优选地各个压缩机级的进口处。中间冷却器可布置在顺序地布置的压缩机级的对之间，例如，第一中间冷却器230可布置在第一压缩机级229C的输送侧与第二压缩机级229B的吸入侧之间。另一中间冷却器231可布置在压缩机级229B的输送侧与压缩机级229A的吸入侧之间。
最后的压缩机级229A(即，沿压力渐增的流动方向的最下游的一个)的输送侧连接至冷凝器233。穿过整体齿轮式涡轮压缩机229循环的第一制冷剂在冷凝器233中冷凝且穿过线路235输送至第一热交换器209。压缩和冷凝的制冷剂流可穿过一个或更多个膨胀元件而膨胀，膨胀元件中的一个示在237处。以与图2类似的方式，在输送线路235中流动的主制冷剂流可分成处于逐渐增大的压力和温度下的支流。以已与图2和2A相关地描述的方式非常相似的方式，热交换器209可由串联地布置的多个热交换器区段组成，且通过其导致制冷剂的部份在逐渐降低的压力下流动。从而形成多个支流，该多个支流各自在压缩机级229A、229B、229C中的相应一个处返回。
因此，各压缩机级处理从最上游的压缩机级229C通过最下游的压缩机级229A在可变且逐渐增大的压力下的不同的制冷剂流动速率。
整体齿轮式涡轮压缩机229可由原动机驱动。在一些实施例中，原动机可为电动马达(未示出，类似于参照图2描述的马达111)。在其他实施例中，原动机可包括燃气涡轮，例如航改燃气涡轮。
第二环路203包括压缩机布置241。压缩机布置241可包括单个压缩机或多个顺序地布置的压缩机。压缩机布置241的压缩机中的一个或更多个可为多级压缩机，例如，多级离心压缩机。压缩机布置241可由第二原动机243驱动。在一些实施例中，第二原动机243可包括燃气涡轮，例如航改燃气涡轮。在其他实施例中，原动机可包括电动马达。也可设想不同发动机或马达的组合。
第二环路203包括冷凝器245，由压缩机布置241输送的压缩的第二制冷剂通过该冷凝器245而冷凝。输送线路247穿过热交换器209且穿过第二热交换器211输送压缩且冷凝的第二制冷剂。在第一热交换器209中，通过相对于在第一环路201中循环的第一制冷剂交换热量来冷却冷凝的第二制冷剂。在第二热交换器211中，第二制冷剂在一个或更多个顺序地布置的膨胀元件中膨胀，膨胀元件中的一个在249处示出。以本质上已知的方式，处于不同的且逐渐降低的压力下的第二制冷剂的所述流可因此而生成，所述支流在渐减的压力下穿过返回线路251、253、255返回至第二压缩机布置241。在一些实施例中，在形成压缩机布置241的多个串联地布置的压缩机中的相应一个的进口处注入各支流。可移动的进口导叶可提供在各个此种压缩机的进口处。在第二热交换器211中，第二制冷剂冷却并且/或者部分地液化流过气体线路207的天然气。
第三环路205包括又一压缩机布置261。压缩机布置261可由单个压缩机或多个顺序地布置的压缩机组成。压缩机布置261的(多个)压缩机可为离心压缩机，例如，多级离心压缩机。又一原动机263可提供以用于驱动压缩机布置261旋转。在一些实施例中，原动机263可包括燃气涡轮，例如航改燃气涡轮。在其他实施例中，该原动机263可包括电动马达。也可提供不同马达和发动机的组合。
由压缩机布置261输送的压缩的第三制冷剂在冷凝器265中冷凝且以液体状态穿过输送线路267输送穿过第一、第二和第三热交换器209、211、213。在第一和第二热交换器209、211中，第三制冷剂以液体状态流动，且通过分别相对于第一制冷剂和第二制冷剂交换热量而得到冷却。在环路的最后的区段中，第三制冷剂在一个或更多个顺序地布置的膨胀元件269中膨胀。汽化的第三制冷剂在第三热交换器213中相对于天然气交换热量，直到天然气当从第三热交换器213输送时液化。在一些实施例中，第三制冷剂可再分成处于逐渐降低的压力的支流，且各支流穿过相应的返回线路271、273、275返回到压缩机布置261。同样在这种情况下，可在形成压缩机布置的部分的顺序地布置的压缩机的进口处注入支流，各压缩机可能设有可移动的进口导叶。
已知至此描述且在图3中例示的LNG过程为级联过程。如在上面提及的，与已知级联过程和系统不同，在本实施例中，至少第一预冷却环路201包括多级整体齿轮式涡轮压缩机。
如已与图2、2A的实施例结合地描述的，在穿过整体齿轮式涡轮压缩机的预冷却环路中处理第一制冷剂具有若干个优点。图3的实施例的整体齿轮式涡轮压缩机229可在概念上类似于关于图2、2A的实施例描述且在图4中更详细地示出的整体齿轮式涡轮压缩机。仅作为示例，图3中示出的整体齿轮式涡轮压缩机229的压缩机级的数量不同于图2、2A的实施例的级的数量，这指示，整体齿轮式涡轮压缩机的级的数量可基于设计考虑(例如取决于第一制冷剂的主流在冷凝器的下游分成的支流的数量)而变化。
在一些实施例中，可在范围从大约12 MW到大约40 MW的功率下驱动该整体齿轮式涡轮压缩机。在一些实施例中，整体齿轮式涡轮压缩机可具有范围在大约14 MW和40 MW之间且更具体而言在大约25 MW和30 MW之间的额定功率。
在一些实施例中，可由整体齿轮式涡轮压缩机处理范围从大约10000m3/h到大约70000m3/h的第一制冷剂流动速率。
如在上面公开的，LNG系统中的第一制冷剂通常在逐渐降低的压力值下膨胀且分成支流，各个流回到整体齿轮式涡轮压缩机的若干压缩机级中的相应一个。在一些实施例中，最下游的压缩机级(即，处于最高压力的压缩机级)的输送压力的范围从大约45 bar绝压(absolute)到大约65 bar绝压，且在一些实施例中，所述输送压力的范围可在大约52bar绝压和大约56 bar绝压之间。在一些实施例中，相应的吸入压力(即，最上游的压缩机级的进口处的压力)的范围可在大约2.5和大约15 bar绝压之间，且更具体而言，例如在大约3和大约10 bar绝压之间，例如处于大约3-3.5 bar绝压。
在其他实施例中，整体齿轮式涡轮压缩机中的最后级的输送压力(排出压力)的范围可在大约10 bar绝压和30 bar绝压之间，且在一些特定实施例中，在15和25 bar绝压之间。最上游的压缩机级处的相应的吸入压力的范围可在大约1和大约2.5 bar绝压之间，更具体而言，在大约1.5和大约2 bar绝压之间，例如处于大约1.6-1.9 bar绝压。
当与现有技术的离心多级压缩机比较时，在预冷却循环中使用整体齿轮式涡轮压缩机导致增强的压缩机的效率，且因此导致减小的功率消耗，且最终导致相当大的成本节省。
为了完全理解在因此实现的增加的效率和减少的能量消耗和成本节省方面的重要优点，应考虑以下的比较示例。
在根据图1的系统中，使用射束离心压缩机的标准构造，例如可具有“100%”的效率的由GE Oil & Gas, Florence, Italy制造的3MCL804，其由可从GE Oil & Gas,Florence, Italy获得的PGT25+G4航改燃气涡轮驱动，直接联接至具有以下操作条件的压缩机：
- 进口压力1.13 bar绝压
- 进口体积流量56000m3/h
- 旋转速度6100rpm。
压缩机在设计条件下将吸收21108kW。包括整体齿轮式涡轮压缩机(例如由GE Oil& Gas, Florence, Italy制造的SRL804，其由等同的燃气涡轮驱动且具有102.4%的效率)的根据图2、2A的布置在相同操作条件下将吸收20493kW，这涉及功率消耗的3%的降低。
通过整体齿轮式构造节省的总成本为5%。
由于齿轮箱的移除，考虑代替燃气涡轮使用电动马达的构造，整体齿轮式压缩机的使用是更有吸引力的。在将电动马达用作驱动器的根据现有技术的标准解决方案中，固定速度电动马达通过齿轮箱驱动地连接至压缩机。相反，如果使用整体齿轮式压缩机，则该压缩机可设计为处于最佳速度而没有附加齿轮箱。该压缩机将达到直到104.1%的效率。在上面提及的操作条件下，这将导致20102kW的吸收功率，这导致1006kW的功率消耗的降低。关于成本，具有整体齿轮式压缩机和电动马达的解决方案比具有电动马达、齿轮箱和压缩机的标准解决方案便宜14%，这主要地归功于齿轮箱的移除。
尽管已在附图中示出，且与若干示范实施例结合地特别地且详细地在上面全面地描述了在本文中描述的主题的公开实施例，但对本领域技术人员而言显而易见的是，许多修改、改变和省略是可能的，而不本质上脱离在本文中提出的新颖教导、原则和原理，以及在所附权利要求中陈述的主题的优点。因此，公开的创新的适当范围应当仅由所附权利要求的最广义解释来确定，以便包含所有这种修改、改变和省略。此外，任何工序或方法步骤的顺序或次序可根据备选实施例而改变或重新排序。

Claims (26)

1.一种天然气液化系统，其包括：
至少一个预冷却环路，第一制冷剂适于穿过其循环，所述预冷却环路包括：
至少一个压缩机，其用于加压第一制冷剂；
至少一个原动机，其用于驱动所述压缩机；
至少一个冷凝器，其用于从第一制冷剂移除热量；
至少一个第一膨胀元件，其用于使第一制冷剂膨胀；
至少一个第一热交换器，其用于使热量从天然气传递至第一制冷剂，
和至少一个冷却环路，其在所述预冷却环路的下游，第二制冷剂穿过其循环，天然气适于在预冷却环路中和在冷却环路中被顺序地冷却；
其中，所述压缩机为整体齿轮式涡轮压缩机，其包括多个压缩机级，各压缩机级设有独立的可移动的进口导叶的组，以用于自主地调节进入压缩机级中的流。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该预冷却环路构造成将第一制冷剂分成两个或更多个支流，该支流在所述整体齿轮式涡轮压缩机的相应压缩机级处返回。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述原动机包括电动马达。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述原动机包括燃气涡轮。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该预冷却环路还包括：多个顺序地布置的第一膨胀元件，其构造成用于在多个渐减的压力水平下使第一制冷剂膨胀；多个第一热交换器，其布置且构造成用于接收所述第一制冷剂的穿过所述多个顺序地布置的第一膨胀元件而膨胀的相应部分，且用于使热量从天然气传递至第一制冷剂；多个返环路径，其使第一制冷剂的支流从各所述第一热交换器返回至整体齿轮式涡轮压缩机的相应压缩机级。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该预冷却环路还包括：至少一个第一辅助膨胀元件和至少一个第一辅助热交换器，该至少一个第一辅助热交换器接收所述第一制冷剂的穿过所述第一辅助膨胀元件而膨胀的部分且构造成用于使热量从在冷却环路中循环的第二制冷剂传递至在预冷却环路中循环的第一制冷剂。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，该预冷却环路还包括：多个顺序地布置的第二膨胀元件，其构造成用于在多个渐减的压力水平下使第一制冷剂膨胀；多个第二热交换器，其布置且构造成用于接收所述第一制冷剂的穿过所述第一辅助膨胀元件而膨胀的相应部分，且用于使热量从第二制冷剂传递至第一制冷剂；多个返环路径，其使第一制冷剂的部分从各所述第二热交换器返回至整体齿轮式涡轮压缩机的相应压缩机级。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一制冷剂包括具有大于35的分子量的气体。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二制冷剂是混合制冷剂、或乙烯、或甲烷。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述整体齿轮式涡轮压缩机包括：中央齿轮，其由所述原动机驱动以旋转；多个从动轴，各从动轴包括与中央齿轮啮合的小齿轮且由所述中央齿轮驱动以旋转；至少一个相应的压缩机叶轮，其安装在各轴上。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，两个相应的压缩机叶轮安装在所述轴中的至少一个上。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括至少一个中间冷却器，所述至少一个中间冷却器在所述整体齿轮式涡轮压缩机的至少两个串联地布置的压缩机级之间。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该整体齿轮式涡轮压缩机压缩第一制冷剂，以便在范围从45到65bar绝压的压力下从整体齿轮式涡轮压缩机的最后级输送加压的第一制冷剂；且其中，在整体齿轮式涡轮压缩机的第一级的进口处的第一制冷剂的压力的范围从2.5到10bar绝压。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，该整体齿轮式涡轮压缩机压缩第一制冷剂，以便在范围在50和60bar绝压之间的压力下从整体齿轮式涡轮压缩机的最后级输送加压的第一制冷剂；且其中，在整体齿轮式涡轮压缩机的第一级的进口处的第一制冷剂的压力的范围从3到5bar绝压。
15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该整体齿轮式涡轮压缩机压缩第一制冷剂，以便在范围从10到30bar绝压之间的压力下从整体齿轮式涡轮压缩机的最后级输送加压的第一制冷剂；且其中，在整体齿轮式涡轮压缩机的第一级的进口处的第一制冷剂的压力的范围从1到2.5bar绝压。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，该整体齿轮式涡轮压缩机压缩第一制冷剂，以便在范围在15和25bar绝压之间的压力下从整体齿轮式涡轮压缩机的最后级输送加压的第一制冷剂；且其中，在整体齿轮式涡轮压缩机的第一级的进口处的第一制冷剂的压力的范围从1.5到2bar绝压。
17.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该整体齿轮式涡轮压缩机在范围从10000实际m3/h到70000实际m3/h的流动速率下输送第一制冷剂流。
18.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该整体齿轮式涡轮压缩机吸收范围从12MW到40MW。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，该整体齿轮式涡轮压缩机吸收范围从14MW到30MW的功率。
20.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该整体齿轮式涡轮压缩机包括至少四个级，各级包括至少一个叶轮。
21.一种液化天然气的方法，包括：
提供预冷却环路，其包括：具有多个压缩机级的整体齿轮式涡轮压缩机，各个压缩机级设有可移动的进口导叶；至少一个冷凝器；至少一个膨胀元件；和至少一个热交换器；
利用原动机驱动所述整体齿轮式涡轮压缩机；
使第一制冷剂循环穿过该整体齿轮式涡轮压缩机；
在冷凝器中冷凝由整体齿轮式涡轮压缩机输送的第一制冷剂；
将第一制冷剂分成多个部分流；
在膨胀元件中使冷凝的第一制冷剂膨胀；
使膨胀的制冷剂循环穿过热交换器，以从天然气移除热量，以预冷却天然气；
独立地控制可移动的进口导叶，以在压缩机级的吸入侧处调节该部分流；
提供至少一个冷却环路；
使第二制冷剂在所述至少一个冷却环路中循环；
通过相对于第二制冷剂的热交换来从预冷却的天然气移除热量。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述原动机包括电动马达。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述原动机包括燃气涡轮。
24.根据权利要求21或22所述的方法，其特征在于，所述可移动的进口导叶被作为该部分流的流动条件的函数来控制。
25.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：
在所述预冷却环路中提供多个顺序地布置的第一膨胀元件；
使冷凝的第一制冷剂通过处于多个渐减的压力水平下的所述第一膨胀元件而膨胀；
使膨胀的第一制冷剂的部分从各所述第一膨胀元件循环穿过多个第一热交换器，以从天然气移除热量；
穿过相应的返环路径使膨胀的第一制冷剂的所述部分从所述第一热交换器返回至所述多个压缩机级中的相应的一个。
26.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：
在所述预冷却环路中提供多个顺序地布置的第二膨胀元件；
使冷凝的第一制冷剂通过处于多个渐减的压力水平下的所述第二膨胀元件而膨胀；
在所述预冷却环路中使膨胀的第一制冷剂的部分循环穿过多个第二热交换器，以从第二制冷剂移除热量；
使第一制冷剂的该部分从各所述第二热交换器返回至整体齿轮式涡轮压缩机的相应压缩机级。
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