CN105509383A - 在天然气液化工艺中的制冷剂回收 - Google Patents

在天然气液化工艺中的制冷剂回收 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在天然气液化工艺中的制冷剂回收。这里描述的是一种从天然气液化系统中移除制冷剂的方法，其中蒸发的混合制冷剂从闭环制冷回路中抽出，并引入到蒸馏塔中，从而分离成富含甲烷的塔顶蒸气和富含较重成分的底部液体。塔顶蒸气从蒸馏塔中抽出，以形成从液化系统中移除的富含甲烷的流，并且将底部液体从蒸馏塔再引进到闭环制冷回路中。本发明还描述了一种改变天然气液化系统中的生产率的方法，以及可执行这种方法的天然气液化系统，其中制冷剂如上所述被移除。

Description

在天然气液化工艺中的制冷剂回收
技术领域
本发明涉及从天然气液化系统移除制冷剂的方法，其使用混合的制冷剂以使天然气液化和/或过冷，并且涉及改变液化的或过冷的天然气的生产率的方法，其中制冷剂是在生产关闭或怠速(turn down)期间从液化系统中移除的。本发明还涉及可执行上述方法的天然气液化系统。
背景技术
许多用于对天然气进行液化和可选地过冷的液化系统在本领域中是众所周知的。通常，在这种系统中，天然气通过与一种或多种制冷剂的间接热交换被液化，或者被液化并过冷。在许多这种系统中，混合的制冷剂用作制冷剂或其中一种制冷剂。通常，混合的制冷剂在闭环制冷回路中进行循环，闭环制冷回路包括主热交换器，天然气输送通过该主热交换器，以便通过与循环的混合制冷剂的间接热交换而进行液化和/或过冷。这种制冷循环的示例包括单个混合制冷剂(SMR)循环、丙烷-预冷的混合制冷剂(C3MR)循环、双混合制冷剂(DMR)循环和C3MR-氮混合(例如AP-X™)循环。
在这种系统的正常(稳态)操作期间，混合的制冷剂在闭环制冷回路内部循环，并且不会被有意地从回路中移除。离开主热交换器的蒸发的变暖的制冷剂在返回主热交换器之前通常被压缩、冷却、至少部分地冷凝，然后作为冷的蒸发的或正在蒸发的制冷剂进行膨胀(闭环制冷回路因此通常还包括一个或多个压缩机、冷却器和膨胀装置)，从而为主热交换器再次提供冷却任务。少量的混合制冷剂可能随着时间而损失了，例如由于回路中小的泄漏，回路则可能需要添加少量的补充制冷剂，但在正常操作期间通常没有或者少量制冷剂从回路中进行移除或添加。
然而，在不利(upset)的条件下，例如在液化系统的关闭或怠速期间，可能需要从闭环制冷回路移除混合的制冷剂。在关闭期间，在压缩机、冷却器和主热交换器不运转的条件下，闭环冷却回路内部的混合制冷剂的温度和因而压力将由于回路周围的变暖而随着时间稳定地升高，这则需要在累积的压力可能导致对主热交换器或回路的任何其它构件造成损伤的点之前从回路中移除制冷剂。在怠速期间，可能需要调整混合制冷剂的库存量，以便正确地匹配减少的生产率(更具体地说，主热交换器中所需要的减少的冷却任务量)，这再次需要从闭环制冷回路中移除某些制冷剂。
从闭环制冷回路移除制冷剂可被简单地排出或燃烧，但时常制冷剂是很有价值的货物，这使得这是不符合要求的。为了避免这个问题，本领域中已经被采用的另一选择是在储存容器中储存从闭环制冷回路中移除的制冷剂，使其可以保持并在后续返回至闭环冷却回路中。然而，这种方案还涉及操作上的困难。从闭环制冷回路中移除的混合制冷剂通常将仍然需要进行连续地冷却，从而使其以至少部分冷凝状态储存，从而避免过大的储存压力和/或体积。提供这种冷却和冷凝任务则可能涉及极大的能量消耗和相关联的操作成本。
例如，US2012/167616A1公开了一种用于操作用于气体的液化的系统的方法，该系统包括主热交换器和相关联的闭环制冷回路。该系统还包括制冷剂鼓，其连接在主热交换器上或形成制冷回路的一部分，其中制冷剂可在液化系统的关闭期间进行储存，从而避免不得不排出蒸发的制冷剂。储存鼓设有热传递器件(例如供辅助制冷剂穿过的热传递盘管)，其用于冷却和液化容纳在储存鼓中的制冷剂。主热交换器还可连接在供给线路上，其中液体制冷剂可直接注入到主热交换器中，从而冷却容纳在那里的制冷剂。
类似地，ip.com数据库中的文献IPCOM000215855D公开了一种防止在关闭期间盘管缠绕式热交换器发生过压的方法。蒸发的混合制冷剂从盘管缠绕式热交换器的壳侧抽出，并发送给具有热传递盘管的容器，液化天然气流可抽送通过盘管，或者液化天然气可直接注入到盘管中，从而冷却和冷凝混合的制冷剂，混合的制冷剂然后返回盘管缠绕式热交换器的壳侧。在备选的布置中，通过将热传递盘管放置在壳的内部或者将液化天然气直接注入到壳中，蒸发的混合制冷剂的冷却和冷凝可发生在盘管缠绕式热交换器的壳侧。液化天然气流可从储存槽或从液化单元的冷端的任何点获得。
US2014/075986A1描述了在液化设施起动期间利用一种液化设施的主热交换器和闭环制冷回路来分离乙烷与天然气的方法，而非用于生产液化天然气，从而加速乙烷的生产，乙烷即将用作在液化设施的后续正常操作期间混合制冷剂的一部分。
US2011/0036121A1描述了一种移除已经泄漏到循环的氮制冷剂中的天然气污染物的方法，氮制冷剂在逆向布雷顿循环中用于液化天然气。氮制冷剂的一部分从循环中抽出，在主热交换器的冷端进行液化，并作为回流引进到蒸馏塔的顶部。净化的氮蒸气从蒸馏塔的顶部抽出，以便返回循环。从蒸馏塔底部抽出的包括天然气污染物的液体可添加至液化系统生产的液化天然气流中。
US2008/0115530 A1描述了一种从液化天然气设施的闭环制冷循环所采用的制冷剂流中移除污染物的方法。制冷剂流可能是级联循环中所采用的甲烷制冷剂或乙烷制冷剂，其中污染物包括已经泄漏到来自级联循环的独立的闭环回路的制冷剂中的较重的制冷剂(例如分别乙烷或丙烷)。该系统利用蒸馏塔移除污染物。被污染的制冷剂在中间位置引进到蒸馏塔中。清除污染物的制冷剂的蒸汽流从塔的顶部抽出，并返回其闭环制冷回路。富含污染物的液体从塔的底部抽出并被丢弃掉。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种从天然气液化系统中移除制冷剂的方法，其使用混合制冷剂对天然气进行液化和/或过冷，混合制冷剂包括甲烷和一种或多种较重成分的混合物，并且液化系统包括闭环制冷回路，其中混合制冷剂在使用液化系统时进行循环，闭环制冷回路包括主热交换器，天然气输送通过主热交换器，以便通过与循环的混合制冷剂的间接热交换而进行液化和/或过冷，所述方法包括：
(a)从闭环制冷回路抽出蒸发的混合制冷剂；
(b)将蒸发的混合制冷剂引进到蒸馏塔中，并为蒸馏塔提供回流，从而将蒸发的混合制冷剂分离成富含甲烷的塔顶蒸气和富含较重成分的底部液体；
(c)从蒸馏塔中抽出塔顶蒸气，以形成富含甲烷的流，富含甲烷的流从液化系统中移除；和
(d)将底部液体从蒸馏塔再引进到闭环制冷回路中，并且/或者储存底部液体，使其后续可再引进到闭环制冷回路中。
根据本发明的第二方面，提供了一种改变天然气液化系统中的液化和过冷的天然气的生产率的方法，液化系统使用混合制冷剂对天然气进行液化和/或过冷，液化系统包括闭环制冷回路，其中混合制冷剂在闭环回路中进行循环，混合制冷剂包括甲烷和一种或多种较重成分的混合物，并且闭环制冷回路包括主热交换器，天然气输送通过主热交换器，以便通过与循环的混合制冷剂的间接热交换而进行液化和/或过冷，所述方法包括：
第一时段，在此期间以第一进给速率输送天然气通过主热交换器，并且混合的制冷剂在闭环制冷回路中以第一循环速率进行循环，从而以第一生产率生产液化或过冷的天然气；
第二时段，在此期间，通过停止通过主热交换器的天然气进给或者将其进给速率减少至第二进给速率，停止混合制冷剂在闭环制冷回路中的循环或者将其循环速率减少至第二循环速率，并且从液化系统中移除制冷剂，来停止液化或过冷的天然气的生产，或者将液化或过冷的天然气的生产率减少至第二生产率，其中从液化系统中移除制冷剂的方法包括：
(a)从闭环制冷回路抽出蒸发的混合制冷剂；
(b)将蒸发的混合制冷剂引进到蒸馏塔中，并为蒸馏塔提供回流，从而将蒸发的混合制冷剂分离成富含甲烷的塔顶蒸气和富含较重成分的底部液体；
(c)从蒸馏塔中抽出塔顶蒸气，以形成富含甲烷的流，富含甲烷的流从液化系统中移除；和
(d)将底部液体从蒸馏塔再引进到闭环制冷回路中，并且/或者储存底部液体，使其后续可再引进到闭环制冷回路中。
根据本发明的第三方面，提供了一种天然气液化系统对天然气进行液化和/或过冷，天然气液化系统使用混合的制冷剂，混合的制冷剂包括甲烷和一种或多种较重成分的混合物，所述液化系统包括：
闭环制冷回路，其用于在使用液化系统时容纳并使混合的制冷剂循环，闭环制冷回路包括主热交换器，天然气可输送通过主热交换器，以便通过与循环的混合制冷剂的间接热交换而进行液化和/或过冷；
蒸馏塔，其用于接收来自闭环制冷回路的蒸发的混合制冷剂，并且可操作，以便将蒸发的混合制冷剂分离成混合制冷剂的富含甲烷的塔顶蒸气和富含较重成分的底部液体；
用于为蒸馏塔提供回流的器件；
导管，其用于将蒸发的混合制冷剂从闭环制冷回路传递给蒸馏塔，用于从蒸馏塔中抽出并从液化系统中移除由塔顶蒸气形成的富含甲烷的流，并且用于将底部液体从蒸馏塔再引进到闭环制冷回路中。
附图说明
图1是示意性的流程图，其描绘了在第一时段期间操作的根据本发明的一个实施例的天然气液化系统，其中其在正常条件下进行操作，在此期间，液化和过冷的天然气正在以第一生产率或正常生产率进行生产。
图2是示意性的流程图，其描绘了现在在第二时段期间操作的天然气液化系统，其中其在怠速或关闭条件下进行操作，在此期间，液化和过冷的天然气的生产被减少或停止，并且制冷剂现在正在从天然气液化系统中移除。
图3是示意性的流程图，其描绘了同样在第二时段期间操作的根据本发明的另一实施例的天然气液化系统，其中其在怠速或关闭条件下进行操作，在此期间，液化和过冷的天然气的生产被减少或停止，并且制冷剂现在正在从天然气液化系统中移除。
图4是示意性的流程图，其描绘了同样在第二时段期间操作的根据本发明的另一实施例的天然气液化系统，其中其在怠速或关闭条件下进行操作，在此期间，液化和过冷的天然气的生产被减少或停止，并且制冷剂现在正在从天然气液化系统中移除。
图5是示意性的流程图，其描绘了在第三时段期间操作的根据本发明的一个实施例的天然气液化系统，在此期间，液化和过冷的天然气的生产正在恢复至正常操作条件，并且制冷剂正在被重新引进到天然气液化系统中。
图6是示意性的流程图，其描绘了同样在第三时段期间操作的根据本发明的另一实施例的天然气液化系统，在此期间，液化和过冷的天然气的生产正在恢复至正常操作条件，并且制冷剂正在被重新引进到天然气液化系统中。
具体实施方式
混合的制冷剂在天然气液化厂中是很有价值的货物。通常，它们可利用要么与液化集成或在液化之前的天然气液体(NGL)回收系统而从天然气进料本身中进行提取和制造。然而，虽然混合制冷剂的成分例如甲烷可以很容易地以这种方式获得，但是某些其它成分是更费时且更难以隔离(例如乙烷/乙烯和高级烃，其在天然气中仅存在少量)，或者可能根本不可能以这种方式获得(例如HFC，其在天然气中根本不存在)。实际上，因此，混合制冷剂的较重成分可能必须以极大的费用输入到设施中。因此，这种制冷剂的损失具有极大的经济影响。
然而，同等地，出于上述原因，在不利的条件下，例如在液化系统的关闭或怠速期间，可能需要从闭环制冷回路移除制冷剂。从闭环制冷回路移除混合的制冷剂可能是简单地排出或燃烧，但这种制冷剂和尤其其较重成分被损失了。或者，移除的混合制冷剂可在至少部分冷凝的状态下进行储存，但如上所述，为此需要的冷却任务可能涉及极大的能量消耗和相关联的操作成本。
如上所述，根据本发明的第一、第二和第三方面的方法和系统通过将最初从蒸馏塔的闭环制冷剂回路中移除的蒸发的混合制冷剂分离成富含甲烷的馏分(其作为塔顶蒸气汇集在蒸馏塔中)和富含较重成分的馏分(其作为底部液体汇集在蒸馏塔中)而解决了这些问题，容许富含甲烷的流从液化系统中排出，并且富含较重成分的流返回闭环制冷回路和/或储存起来，以用于后续再引进到闭环制冷回路中。
按照这种方式，一旦经过了必须移除制冷剂的理由，并且还恢复液化系统的正常操作的话，混合制冷剂的较重成分(例如乙烷/乙烯和高级烃)可极大地得以保留，从而避免了必须在混合制冷剂中更换这些成分的困难和/或成本。同时，通过从蒸馏塔和液化系统移除由塔顶蒸气形成的富含甲烷的流(要么简单地通过燃烧这个流或者通过将其置于其它用途)，还避免了与直至恢复正常操作之前储存甲烷相关联的困难和成本。上面已经提到，因为甲烷是作为现场可得到的天然气的主要成分而存在的，所以更换制冷剂中的甲烷是一种相对较容易且快速的工艺。同样，在氮也存在于混合的制冷剂中，并因而也作为富含甲烷的流的一部分而被移除的情况下，这通常也相对容易更换，因为天然气液化系统通常出于惰性化目的而需要氮，因此时常现场具有氮发生设施。此外，因为存在于混合的制冷剂甲烷、氮(如果存在的话)和任何其它轻质成分将具有比混合制冷剂的较重成分更高的蒸气压力，所以它们内在地需要更冷的储存温度(或更高的储存压力)，这也使得排出而非储存这些成分更为有利。
这里使用的不定冠词“一”和“一个”除非指出，否则在应用于说明书和权利要求所描述的本发明实施例中的任何特征时意味着一个或多个。除非特别陈述了这种限制，“一”和“一个”的使用并不限制单个特征的涵义。位于单数或复数名词或名词短语之前的冠词表示特别规定的特征，并且依赖于其所使用的环境而可能具有单数或复数涵义。
这里使用的词语“天然气”还包含合成的和代用的天然气。天然气的主要成分是甲烷(其通常构成至少85摩尔%，更时常至少90摩尔%，并且平均为大约95摩尔%的进给流)。天然气的其它典型成分包括氮、一种或多种其它烃和/或其它成分，例如氦气、氢气、二氧化碳和/或其它酸性气体和汞。然而，在经历液化之前，诸如湿气、酸性气体、汞和天然气液体(NGL)等成分从进料中移除至必要的水平，从而避免在液化发生的热交换器中的凝结或其它操作问题。
除非指出，否则这里使用的词语“混合制冷剂”指包括甲烷和一种或多种较重成分的合成物。其还可能包括一种或多种额外的轻质成分。词语“较重成分”指具有比甲烷更低挥发性(即更高沸点)的混合制冷剂的成分。词语“轻质成分”指具有与甲烷相同或更高挥发性(即相同或更低沸点)的成分。典型的较重成分包括较重的烃，例如但并不局限于乙烷/乙烯、丙烷、丁烷和戊烷。额外的或备选的较重成分可包括烃(HFC)。氮时常也存在于混合的制冷剂中，并组成典型的额外的轻质成分。当存在时，氮通过蒸馏塔与甲烷分离，使得来自蒸馏塔的塔顶蒸气和从液化系统移除的富含甲烷的流还富含氮。在一种变体中，本发明的方法和系统还可应用于其中混合的制冷剂不包含甲烷而是包含氮和一种或多种较重成分(例如N2/HFC混合物)的方法和系统，来自蒸馏塔的塔顶蒸气富含氮，并且从液化系统中移除富含氮的流。然而，这不是优选的。
根据本发明的方法和系统中的液化系统可采用任何合适的制冷剂循环对天然气进行液化和可选地过冷，例如但并不局限于单个混合制冷剂(SMR)循环、丙烷-预冷的混合制冷剂(C3MR)循环、双混合制冷剂(DMR)循环和C3MR-氮混合(例如AP-X™)循环。闭环制冷回路可用于对天然气进行液化和过冷，其中混合的制冷剂在闭环制冷回路中进行循环，或其可仅仅用于液化天然气，或者对已经被液化系统的另一部分液化的天然气进行过冷。在存在不止一种容纳混合制冷剂的闭环回路的系统中，根据本发明的移除制冷剂的方法可结合仅仅存在于其中一个闭环回路中的混合制冷剂使用，或者可结合存在于不止一个或所有闭环回路中的混合制冷剂使用。
这里使用的词语“主热交换器”指闭环制冷回路的一部分，天然气穿过它，以便通过与循环的混合制冷剂的间接热交换而进行液化和/或过冷。主热交换器可由一个或多个串联和/或并联设置的冷却部段组成。各个这种部段可由具有其自身外壳的独立单元组成，但同等的部段可组合成单个单元以共享公共外壳。主热交换器可具有任何合适的类型，例如但并不局限于壳管式热交换器、盘管缠绕式热交换器、或者板翅类型，但是热交换器优选是盘管缠绕式热交换器。在这种交换器中，各个冷却部段将通常包括其自身的管束(其中交换器具有壳管类型或盘管缠绕类型)或者板翅束(其中该单元具有板翅类型)。除非指出，否则这里使用的主热交换器的“热端”和“冷端”是相对词语，指(分别)具有最高温度和最低温度的主热交换器的末端，并且不意图蕴涵任何特殊的温度范围。短语主热交换器的“中间位置”指在热端和冷端之间的位置，通常在两个串联的冷却部段之间。
从闭环制冷剂回路中抽出的蒸发的混合制冷剂优选从冷端和/或从主热交换器的中间位置抽出。在主热交换器是盘管缠绕式热交换器的情况下，蒸发的混合制冷剂优选从盘管缠绕式热交换器的壳侧抽出。
这里使用的词语“蒸馏塔”指塔(或一组塔)，其包含一个或多个由装置(例如填料或托盘)组成的分离级，分离级增加了接触并因而增强了在塔内部流动的上升的蒸气和向下流动的液体之间的质量传递。这样，在上升的蒸气中增加了甲烷和任何其它轻质成分(例如当存在时的氮)的浓度，上升的蒸气作为塔顶蒸气汇集在塔的顶部，并且在汇集于塔底部的底部液体中增加了较重成分的浓度。蒸馏塔的“顶部”指位于最上面的分离级或之上的塔部分。蒸馏塔的“底部”指位于最底部的分离级或之下的塔部分。
从闭环制冷回路抽出的蒸发的混合制冷剂优选引进到蒸馏塔的底部。蒸馏塔的回流，即在蒸馏塔内部向下流动的液体可通过任何合适的方法来产生。例如，可提供回流，即通过在塔顶冷凝器中与冷却剂的间接热交换而冷凝至少一部分塔顶蒸气来获得冷凝物的回流。备选地或额外地，回流可通过引进到蒸馏塔的顶部的液体回流来提供。冷却剂和/或液体回流可包括例如从正在由液化系统生产或已经生产出的液化天然气中获得的液化天然气流。
这里使用的塔顶蒸气或从液化系统中移除的流“富含”一成分(例如富含甲烷，氮和/或另一轻质成分)，其意味着所述塔顶蒸气或流比从闭环制冷回路抽出并引入到蒸馏塔中的蒸发的混合制冷剂具有更高的所述成分的浓度(摩尔百分比)。类似地，“富含”较重成分的底部液体意味着所述底部液体比从闭环制冷回路抽出并引进到蒸馏塔中的蒸发的混合制冷剂具有更高的所述成分的浓度(摩尔百分比)。
从液化系统移除的富含甲烷的流可丢弃掉，或者放置于任何合适的目的。其例如可被燃烧，用作燃料(例如用于产生功率、电力或有效加热)，添加至即将被液化系统液化的天然气进料中，或者输出(例如通过管线)至厂区的位置。
在来自蒸馏塔的某些或所有底部液体在重新引进到闭环制冷回路之前进行储存的情况下，底部液体可储存在蒸馏塔的底部，并且/或者可从蒸馏塔抽出并储存在单独的储存容器中。在优选的实施例中，由蒸馏塔生产所有底部液体被重新引进到闭环制冷回路中(直接地和/或在暂时储存之后)。
根据本发明的第一方面的移除制冷剂的方法优选响应于液化系统对天然气进行液化和/或过冷的速率的关闭或怠速而执行。或者，该方法可响应于其它情况或不利的情形下执行，例如在主热交换器中检测或发现泄漏的情况下。
在根据本发明的第二方面的改变生产率的方法中，第一时段例如可代表系统的正常操作，其中第一生产率与液化或过冷的天然气的正常生产率相对应，并且第二时段代表怠速或关闭的周期，此时液化或过冷的天然气的生产率被减少(至第二或怠速生产率)，或者被一起停止。
根据本发明的第二方面的改变生产率的方法可进一步包括第二时段之后的另一时段或第三时段，在此期间通过将通过主热交换器的天然气进给增加至第三进给速率，将制冷剂添加给液化系统，并将循环的混合制冷剂增加至第三循环速率，来将液化或过冷的天然气的生产率增加至第三生产率。将制冷剂添加给液化系统的步骤可包括将甲烷引进到闭环制冷回路中。某些或所有该甲烷可从天然气供给中获得，天然气供给提供天然气，用于液化系统中进行液化。如果底部液体没有在第二时段的步骤(d)中再引进到闭环制冷回路中(或者如果某些底部液体已经储存起来，并且较重成分仍然需要再引进到闭环制冷回路中)那么为液化系统添加制冷剂的步骤还可包括将储存的底部液体再引进到闭环制冷回路中。液化或过冷的天然气的第三生产率，天然气的第三进给速率和混合制冷剂的第三循环速率优选分别与第一生产率、第一进给速率和第一循环速率相同或更小。具体地说，第三生产率、第三进给速率和第三循环速率可分别与第一生产率、第一进给速率和第一循环速率相同，并且第三时段代表液化系统恢复至正常操作。
根据本发明的第三方面的天然气液化系统特别适合执行根据本发明的第一方面和/或第二方面的方法。
本发明的优选方面包括以下编号#1至#27的方面：
#1. 一种从天然气液化系统中移除制冷剂的方法，天然气液化系统使用混合制冷剂对天然气进行液化和/或过冷，混合制冷剂包括甲烷和一种或多种较重成分的混合物，并且液化系统包括闭环制冷回路，其中混合制冷剂在使用液化系统时进行循环，闭环制冷回路包括主热交换器，天然气输送通过主热交换器，以便通过与循环的混合制冷剂的间接热交换而进行液化和/或过冷，所述方法包括：
(a)从闭环制冷回路抽出蒸发的混合制冷剂；
(b)将蒸发的混合制冷剂引进到蒸馏塔中，并为蒸馏塔提供回流，从而将蒸发的混合制冷剂分离成富含甲烷的塔顶蒸气和富含较重成分的底部液体；
(c)从蒸馏塔中抽出塔顶蒸气，以形成富含甲烷的流，富含甲烷的流从液化系统中移除；和
(d)将底部液体从蒸馏塔再引进到闭环制冷回路中，并且/或者储存底部液体，使其后续可再引进到闭环制冷回路中。
#2. 根据方面#1所述的方法，其特征在于，所述较重成分包括一种或多种较重的烃。
#3. 根据方面#1或#2所述的方法，其特征在于，所述混合制冷剂还包括氮，步骤(b)中的所述塔顶蒸气富含氮和甲烷，并且步骤(c)中的所述富含甲烷的流是富含氮和甲烷的流。
#4. 根据方面#1至#3中的任一方面所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述蒸馏塔的回流通过冷凝物的回流来提供，这通过在塔顶冷凝器中与冷却剂的间接热交换而冷却和冷凝至少一部分塔顶蒸气来获得。
#5. 根据方面#4所述的方法，其特征在于，所述冷却剂包括从所述液化系统正在生产或已经生产的液化天然气中获得的液化天然气流。
#6. 根据方面#1至#5中的任一方面所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述蒸馏塔的回流通过引进所述蒸馏塔的顶部的液体回流来提供。
#7. 根据方面#6所述的方法，其特征在于，所述液体的回流包括从所述液化系统正在生产或已经生产的液化天然气中获得的液化天然气流。
#8. 根据方面#1至#7中的任一方面所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中形成的所述富含甲烷的流被燃烧，用作燃料和/或添加至有待被液化系统液化的天然气进料中。
#9. 根据方面#1至#8中的任一方面所述的方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述底部液体储存在所述蒸馏塔的底部，并且/或者从所述蒸馏塔抽出并在重新引进到所述闭环制冷回路中之前储存在单独的储存容器中。
#10. 根据方面#1至#8中的任一方面所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述蒸发的混合制冷剂从所述主热交换器的冷端和/或和中间位置抽出。
#11. 根据方面#1至#10中的任一方面所述的方法，其特征在于，所述主热交换器是盘管缠绕式热交换器。
#12. 根据方面#11所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述蒸发的混合制冷剂从所述盘管缠绕式热交换器的壳侧抽出。
#13. 根据方面#1至#12中的任一方面所述的方法，其特征在于，所述方法优选响应于所述液化系统对天然气进行液化和/或过冷的速率的关闭或怠速而执行。
#14. 一种改变天然气液化系统中的液化和过冷的天然气的生产率的方法，天然气液化系统使用混合制冷剂对天然气进行液化和/或过冷，液化系统包括闭环制冷回路，其中混合制冷剂在闭环回路中进行循环，混合制冷剂包括甲烷和一种或多种较重成分的混合物，并且闭环制冷回路包括主热交换器，天然气输送通过主热交换器，以便通过与循环的混合制冷剂的间接热交换而进行液化和/或过冷，所述方法包括：
第一时段，在此期间以第一进给速率输送天然气通过主热交换器，并且混合的制冷剂在闭环制冷回路中以第一循环速率进行循环，从而以第一生产率生产液化或过冷的天然气；
第二时段，在此期间，通过停止通过主热交换器的天然气进给或者将其进给速率减少至第二进给速率，停止混合制冷剂在闭环制冷回路中的循环或者将其循环速率减少至第二循环速率，并且从液化系统中移除制冷剂，来停止液化或过冷的天然气的生产，或者将液化或过冷的天然气的生产率减少至第二生产率，其中从液化系统中移除制冷剂的方法包括：
(a)从闭环制冷回路抽出蒸发的混合制冷剂；
(b)将蒸发的混合制冷剂引进到蒸馏塔中，并为蒸馏塔提供回流，从而将蒸发的混合制冷剂分离成富含甲烷的塔顶蒸气和富含较重成分的底部液体；
(c)从蒸馏塔中抽出塔顶蒸气，以形成富含甲烷的流，富含甲烷的流从液化系统中移除；和
(d)将底部液体从蒸馏塔再引进到闭环制冷回路中，并且/或者储存底部液体，使其后续可再引进到闭环制冷回路中。
#15. 根据方面#14所述的方法，其特征在于，在所述第二时段之后，所述方法还包括：
第三时段，在此期间，通过将通过所述主热交换器的天然气进给增加至第三进给速率，将制冷剂添加给所述液化系统，并将循环的混合制冷剂增加至第三循环速率，来将液化或过冷的天然气的生产率增加至第三生产率，其中制冷剂添加给液化系统的步骤包括将甲烷引进到所述闭环制冷回路中，并且如果在第二时段的步骤(d)中没有将底部液体再引进到所述闭环制冷回路中的话，就将储存的底部液体再引进到所述闭环制冷回路中。
#16. 根据方面#15所述的方法，其特征在于，液化或过冷的天然气的第三生产率、天然气的第三进给速率和混合制冷剂的第三循环速率分别与第一生产率、第一进给速率和第一循环速率相同或更小。
#17. 根据方面#15或#16所述的方法，其特征在于，引进到所述闭环制冷回路中的甲烷通过天然气供给来获得，天然气供给提供了用于在所述液化系统中进行液化的天然气。
#18. 根据方面#15至#17中的任一方面所述的方法，其特征在于，从所述液化系统移除制冷剂的方法的第二时段进一步被方面#2至#12中的任一方面所限定。
#19. 一种使用混合制冷剂的天然气液化系统来液化和/或过冷天然气，所述混合制冷剂包括甲烷和一种或多种较重成分的混合物，所述液化系统包括：
闭环制冷回路，其用于在使用液化系统时容纳混合的制冷剂并使混合的制冷剂循环，闭环制冷回路包括主热交换器，天然气可输送通过主热交换器，以便通过与循环的混合制冷剂的间接热交换而进行液化和/或过冷；
蒸馏塔，其用于接收来自闭环制冷回路的蒸发的混合制冷剂，并且可操作，以便将蒸发的混合制冷剂分离成混合制冷剂的富含甲烷的塔顶蒸气和富含较重成分的底部液体；
用于为蒸馏塔提供回流的器件；
导管，其用于将蒸发的混合制冷剂从闭环制冷回路传递给蒸馏塔，用于从蒸馏塔中抽出并从液化系统中移除由塔顶蒸气形成的富含甲烷的流，并且用于将底部液体从蒸馏塔再引进到闭环制冷回路中。
#20. 根据方面#19所述的系统，其特征在于，所述系统还包括储存装置，其用于在将底部液体再引进到所述闭环制冷回路之前储存底部液体。
#21. 根据方面#20所述的系统，其特征在于，用于储存底部液体的所述储存装置包括所述蒸馏塔的底部部段和/或单独的储存容器。
#22. 根据方面#19至#21中的任一方面所述的系统，其特征在于，用于为所述蒸馏塔提供回流的装置包括塔顶冷凝器，其用于通过与冷却剂的间接热交换而冷却和冷凝至少一部分塔顶蒸气，从而提供冷凝物的回流。
#23. 根据方面#22所述的系统，其特征在于，所述冷却剂包括液化天然气流，并且所述系统还包括导管，其用于将所述液化系统生产的一部分液化天然气传送至所述塔顶冷凝器中。
#24. 根据方面#19至#23中的任一方面所述的系统，其特征在于，用于为所述蒸馏塔提供回流的装置包括导管，其用于将液体回流引进到所述蒸馏塔的顶部。
#25. 根据方面#24所述的系统，其特征在于，所述液体回流包括液化天然气，并且用于引进所述回流的导管将所述液化系统生产的一部分液化天然气传送到所述蒸馏塔的顶部。
#26. 根据方面#19至#25中的任一方面所述的系统，其特征在于，用于抽出和移除所述富含甲烷的流的导管将所述流传送给用于燃烧所述流的装置，传送给用于燃烧所述流以产生功率或电力的装置，和/或传送给天然气进给导管，天然气进给导管用于将天然气输送给所述液化系统进行液化。
#27. 根据方面#19至#26中的任一方面所述的系统，其特征在于，用于将所述蒸发的混合制冷剂从所述闭环制冷回路传递给所述蒸馏塔的导管将所述蒸发的混合制冷剂从所述主热交换器的冷端和/或中间位置抽出。
#28. 根据方面#19至#27中的任一方面所述的系统，其特征在于，所述主热交换器是盘管缠绕式热交换器。
#29. 根据方面#28所述的系统，其特征在于，用于将所述蒸发的混合制冷剂从所述闭环制冷回路传递给所述蒸馏塔的导管从所述盘管缠绕式热交换器的壳侧抽出所述蒸发的混合制冷剂。
仅仅作为示例，现在将参照图1至图6描述本发明的某些优选实施例。在特征对于不止一个图中都相同的这些图中，该特征在各个图中出于清晰和简洁起见被指定相同的标号。
在图1至图6所示的实施例中，天然气液化系统具有主热交换器，其是盘管缠绕式热交换器类型，并且其包括单个单元，其中三个独立的管束容纳在相同的外壳中，其中天然气通过管束，以便被液化和过冷。然而，应该懂得，可使用更多或更少的管束，并且管束(在使用不止一个管束的情况下)可容纳在独立的外壳中，使得主热交换器将包括一系列单元。同等地，主热交换器不需要是盘管缠绕类型，并且可替代地为另一类型的热交换器，例如但并不局限于另一类型的壳管式热交换器或板翅型热交换器。
同样，在图1至图6所示的实施例中，天然气液化系统利用C3MR循环或DMR循环，以便对天然气进行液化和过冷，图中相应地设置和描绘了容纳混合制冷剂的闭环制冷回路，其用于液化和过冷天然气(其中出于简单起见没有显示丙烷或混合制冷剂的预冷却部段)。然而，同样可使用其它类型的制冷剂循环，例如但并不局限于SMR循环或C3MR-氮混合循环。在这种备选循环中，混合的制冷剂可能只用于使天然气液化或过冷，并且相应地重新配置闭环制冷回路，其中混合的制冷剂在闭环制冷回路进行循环。
在这些实施例中，混合制冷剂包括甲烷和一种或多种较重成分。较重成分优选包括一种或多种较重的烃，并且氮还作为额外的轻质成分而存在。具体地说，通常优选的混合制冷剂包括氮、甲烷、乙烷/乙烯、丙烷、丁烷和戊烷的混合物。
参照图1，显示了根据本发明一个实施例的在第一时段期间操作的天然气液化系统，其中其在正常条件下进行操作，在此期间，天然气以第一进给速率输送通过主热交换器，并且混合的制冷剂在闭环制冷回路中以第一循环速率进行循环，从而以第一生产率或正常生产率生产液化和过冷的天然气。出于简单起见，在图1中没有描绘用于在后续怠速或关闭条件下从液化系统中移除制冷剂的液化系统的特征，而且其将在下面参照图2至图4进行进一步详细地描述。
天然气液化系统包括闭合环路制冷回路，其在本例中包括主热交换器10、制冷剂压缩机30和32、制冷剂冷却器31和32、相分离器34和膨胀装置36和37。主热交换器10如上面提到的那样是盘管缠绕式热交换器，其包括三个螺旋缠绕的管束11,12,13，其容纳在单个加压的外壳(通常由铝或不锈钢制成)中。各个管束可由几千个管道组成，以螺旋方式缠绕在中心轴杆周围，并且连接到管板上，管板定位在管束的上面和下面。
在这个实施例中，天然气进给流101已经在液化系统的预冷却部段(未显示)中被冷却，预冷却部段在不同的闭环回路中使用丙烷或混合制冷剂对天然气进行预冷却，天然气进给流101在盘管缠绕式热交换器10的热端进入并随着其流过管束的热端11、中间部分12和冷端13而进行液化和过冷，之后作为过冷的液化天然气(LNG)流102而离开盘管缠绕式热交换器的冷端。如果需要的话，天然气进给流101还将进行预处理，以便将任何湿气、酸性气体、汞和天然气液体(NGL)移除至必要的水平，从而避免盘管缠绕式热交换器10中的凝固或其它操作问题。离开盘管缠绕式热交换器的过冷的液化天然气(LNG)流102可直接发送给用于传送到厂区外的管线(未显示)，并且/或者可发送给液化天然气储存槽14，在需要的时候可从中抽出液化天然气103。
天然气在盘管缠绕式热交换器中通过与冷的蒸发的或正在蒸发的混合制冷剂的间接热交换而进行冷却、液化和过冷，冷的蒸发的或正在蒸发的混合制冷剂通过盘管缠绕式热交换器的壳侧在管道的外部从冷端流向热端。在外壳中的各个管束的顶部通常定位有分布器组件，其使壳侧制冷剂跨管束分布。
离开盘管缠绕式热交换器热端的变暖的蒸发的混合制冷剂309在制冷剂压缩机30和32中进行压缩，并在中间冷却器和后冷却器31和33中进行冷却(通常为水或另一环境温度的冷却剂)，从而形成压缩的部分冷凝的混合制冷剂流312。然后该流在相分离器34分离成混合制冷剂301的液体流和混合制冷剂302的蒸气流。在所示的实施例中，制冷剂压缩机30和32由公共电动机35驱动。
混合制冷剂301的液体流相对天然气进给流101独立地穿过盘管缠绕式热交换器管束的热端11和中间部分12，从而还在那里进行冷却，之后在膨胀装置36中进行膨胀，以形成冷的制冷剂流307，其典型的温度大约为-60至-120℃，其在管束的冷端13和中间部分12之间的中间位置重新引进到盘管缠绕式热交换器10的壳侧，从而提供部分前述的冷的蒸发或正在蒸发的混合制冷剂，其流过盘管缠绕式热交换器的壳侧。
混合制冷剂302的蒸气流相对天然气进给流101独立地穿过盘管缠绕式热交换器管束的热端11、中间部分12和冷端13，从而还在那里进行冷却并至少部分地冷凝，之后在膨胀装置37中进行膨胀，以形成冷的制冷剂流308，其典型的温度大约为-120至-150℃，其在盘管缠绕式热交换器的冷端重新引进到盘管缠绕式热交换器10的壳侧，从而提供部分前述的冷的蒸发或正在蒸发的混合制冷剂的剩余部分，其流过盘管缠绕式热交换器的壳侧。
应该认识到，上文中的词语“热”和“冷”只是指所指流或部件的相对温度，并且除非指出，否则不会蕴涵任何特殊的温度范围。在图1所示的实施例中，膨胀装置36和37是焦耳-汤姆森(J-T)阀门，但同等地可使用任何其它适合于使混合的制冷剂流膨胀的装置。
参照图2，现在显示了在第二时段期间操作的天然气液化系统，其中其在怠速或关闭条件下进行操作，在此期间，液化和过冷的天然气的生产被减少或停止，并且制冷剂现在正在从天然气液化系统中移除。
在液化系统以怠速条件进行操作的情况下，天然气进给流101仍然穿过盘管缠绕式热交换器10，以生产过冷的液化天然气流102，但同图1中的进给速率和生产率比较，天然气的进给速率(即天然气进给流101的流速)和液化天然气的生产率(即过冷的液化天然气流102的流速)被减少。类似地，同图1中的循环速率相比，闭环制冷回路中的混合制冷剂的循环速率(即在回路周围和尤其穿过主热交换器10的混合制冷剂的流速)被减少，从而减少了制冷剂所提供的冷却任务量，以匹配减少的液化天然气的生产率。在液化系统以关闭条件进行操作的情况下，天然气的进给、混合制冷剂的循环和(当然)过冷的液化天然气的生产全部被停止。
通过从盘管缠绕式热交换器10的壳侧于其冷端抽出，蒸发的混合制冷剂流201从闭环制冷回路抽出，并且引进到蒸馏塔20的底部，蒸馏塔包含多个由例如填料或托盘组成的分离级，其用于将蒸发的混合制冷剂分离成累积在蒸馏塔顶部的塔顶蒸气和累积在蒸馏塔底部的底部液体。相对于输送到塔中的混合制冷剂而言，塔顶蒸气富含混合制冷剂的甲烷和任何其它轻质成分。例如，当氮存在于混合的制冷剂中时，塔顶蒸气还富含氮。相对于输送到塔中的混合制冷剂而言，底部液体富含比甲烷更重的混合制冷剂的成分。如之前所述，典型的较重成分包括例如乙烷/乙烯、丙烷、丁烷和戊烷。蒸馏塔的操作压力通常小于150 psig(小于100 atm)。
在这个实施例中，蒸馏塔的回流通过在塔顶冷凝器22中与冷却剂207的间接热交换而冷却冷凝至少一部分塔顶蒸气来产生。塔顶冷凝器22可与蒸馏塔20的顶部构成整体或是其一部分，或者其可能(如图2中所示)是被传递塔顶蒸气的独立单元。
来自蒸馏塔20的塔顶蒸气202穿过冷凝器22，并且在这个实施例中，部分地冷凝以形成混合相流203。混合相流203然后在相分离器21中分离成液体冷凝物和剩余富含甲烷的蒸气部分，液体冷凝物作为回流210返回蒸馏塔，剩余富含甲烷的蒸气部分作为富含甲烷的流204而从液化系统中移除。在一个备选实施例中(未显示)，塔顶蒸气202可在塔顶冷凝器中完全冷凝，并且冷凝的塔顶馏分分流成两个流，其中一个流作为回流210返回蒸馏塔的顶部，并且其另一流形成(在这种情况下为液体)从液化系统抽出的富含甲烷的流204。这将容许相分离器21被省去，但还将需要增加用于塔顶冷凝器的冷却任务，并因此通常不是优选的。
从液化系统抽出的富含甲烷的流204优选主要不含较重成分。例如，在较重成分包括乙烷和高级烃的情况下，其通常包含小于大约1%的这些成分。在混合制冷剂中还存在氮的情况下，流204富含甲烷和氮。流中的氮对甲烷的比率将依赖于它们在从闭环制冷回路抽出的蒸发的混合制冷剂中的比率，但通常将在大约5-40摩尔%N2的范围内。富含甲烷的流204可通过发送给火炬架(未显示)或其它合适于燃烧该流的装置中并进行燃烧而丢弃掉，但优选将其用作燃料，发送给外部管线或外部天然气使用，或者添加给天然气进给流101，从而提供额外的进料，以用于产生额外的过冷的液化天然气。如果富含甲烷的流204用作燃料，其可例如在燃气涡轮(未显示)或其它形式的燃烧装置中进行燃烧，以产生用于现场使用的功率(例如通过电动机35启动制冷剂冷凝器30和32)，从而产生用于输出的电力，和/或在工厂中，例如在脱酸性气体单元中提供工艺加热。
底部液体221/222从蒸馏塔20再引进到闭环制冷回路中，并且/或者储存起来，使其后续可再引进到闭环制冷回路中。如上面提到的那样，底部液体富含较重成分，并且优选主要由这些较重成分组成。其优选包含小于10摩尔%的甲烷和任何其它轻质成分(例如，小于10摩尔%的CH4+N2)。其可在任何合适的位置再引进到闭环制冷回路中。例如，底部液体221可再引进到从中抽出蒸发的混合制冷剂(利用例如相同的导管)的盘管缠绕式热交换器的相同位置，或者如图2中所示，其可在热交换器的中间位置，例如在管束的冷端13和中间部分12之间重新引入到盘管缠绕式热交换器10的壳侧。在某些或所有底部液体在重新引入到盘管缠绕式热交换器10中之前进行储存的情况下，底部液体222可储存在相对蒸馏塔独立的储存容器中，例如图2所示的回收鼓24中，或者蒸馏塔20的底部本身可设计为用于临时储存底部液体。如果需要，不是蒸馏塔产生的所有底部液体都需要再引进到闭环制冷回路中，和/或储存起来，以用于后续再引进到闭环制冷回路中。然而，通常再引进所有底部液体(和/或储存起来，然后后续再引进)是优选的。
如上面论述的那样，通过再引进(或储存起来，之后再引进)底部液体回到闭环制冷回路中，混合制冷剂的较重成分(例如乙烷/乙烯和高级烃)可保留下来，从而避免一旦恢复液化系统的正常操作时在混合的制冷剂中更换这些成分的需要，这可能是昂贵的，困难的，并且是耗时的操作。同时，通过从蒸馏塔和液化系统移除由塔顶蒸气形成的富含甲烷的流(要么简单地通过烧掉这个流或者通过将其置于其它用途)，还避免了与储存混合制冷剂的甲烷和任何其它额外的轻质成分(例如氮)相关联的困难。
用于塔顶冷凝器中的冷却剂可来自任何合适的来源。例如，如果可在现场得到，那么可使用液化的氮(LIN)流。然而，在一个优选实施例中，如图2中所示，液化天然气用作冷却剂。液化天然气可直接取自液化系统正在生产的液化天然气(如果系统在怠速条件下操作)，或者如图所示，其可从液化天然气储存槽14中抽送出来。从储存槽14抽出的液化天然气流209/207作为冷却剂被泵23抽送过塔顶冷凝器22。液化天然气流在塔顶冷凝器中变暖，并作为变暖的天然气流208离开冷凝器，其例如可进行燃烧，或者按照与上面论述的富含甲烷的流204相似的方式用作燃料。如果变暖的天然气流208是两相的，那么其可发送回液化天然气储存槽14或分离器(未显示)中，从中液体可发送给液化天然气槽，并且蒸气可进行燃烧或用作燃料或制冷剂补给或用于某些其它用途，如所述之前用于塔顶蒸气。
图2中所描绘的各种流的流量控制(本发明的其它实施例)可通过本领域中的任何和所有合适的装置来实现。例如，流向蒸馏塔的蒸发的混合制冷剂201的流量控制、底部液体221流回盘管缠绕式热交换器的流量控制、和富含甲烷的流204的流量控制可通过定位在一个或多个传递或抽出这些流的导管上的一个或多个合适的流量控制装置(例如流量控制阀)来实现。类似地，液化天然气流209/207的流量可利用流量控制装置例如流量控制阀来控制，当通常泵23本身将提供恰当的流量控制。
如上所述，在图2所示的实施例中，提供了蒸馏塔的回流，其是通过冷凝至少一部分塔顶蒸气而获得的冷凝物。然而，替代(或除了)冷凝塔顶蒸气，蒸馏塔的回流可替代地(或额外地)通过直接将单独的液体流注入到蒸馏塔中来提供。这在图3中有所显示，其中根据本发明一个备选实施例的天然气液化系统显示处于怠速或关闭条件下进行操作。
参照图3，蒸发的混合制冷剂流201被再次从盘管缠绕式热交换器10的壳侧于其冷端抽出，并引入到蒸馏塔20的底部，蒸馏塔20再次将蒸发的混合制冷剂分离成富含甲烷(和任何其它轻质成分)的塔顶蒸气和富含较重成分的底部液体。然而，在这个实施例中，没有塔顶冷凝器和相关联的分离器用于为蒸馏塔提供回流。相反，从液化天然气储存槽14抽送的液化天然气流209/207被作为回流引入到蒸馏塔的顶部，并且所有从蒸馏塔的顶部抽出的塔顶蒸气形成富含甲烷的流204，富含甲烷的流204从液化系统中抽出(并且其如上面所述可进行燃烧，用作燃料，添加给天然气供料或发送给管线)。
同样，在图3所示的实施例中，替代或补充液化天然气，在可得到的情况下，可使用其它合适的冷却液体流来提供蒸馏塔的回流。例如，LIN流可再次用于替代液化天然气流。然而，当液体流引入到蒸馏塔中，使其与包含在里面的混合的制冷剂发生直接接触时，液体流的成分不应例如不可接受地污染底部液体221/222，底部液体221/222正在或将后续返回闭环制冷回路中，作为保留的制冷剂。具体地说，如果液体流包含将组成混合制冷剂中的污染物的任何成分，那么这种成分应具有足够高的挥发性，并且/或者应以足够低的量存在，使得从蒸馏塔抽出的底部液体中的所述成分的量是无关紧要的。
在另一实施例中，图2和图3中所示的实施例可进行组合，使得蒸馏塔的回流通过由塔顶冷凝器中进行冷凝的塔顶蒸气所形成的冷凝物，以及通过直接将单独的液体流注入到蒸馏塔中来提供。
在图2和图3所示的实施例中，从闭环制冷系统抽出并引入到蒸馏塔20中的蒸发的混合制冷剂流201是从盘管缠绕式热交换器10的壳侧于冷端抽出的。然而，在备选实施例中，蒸发的混合制冷剂流可从闭环制冷回路的另一位置抽出。
例如，参照图4，其显示了根据本发明的另一实施例的处于怠速或关闭条件下进行操作的天然气液化系统。在这个实施例中，蒸发的混合制冷剂流201仍然从盘管缠绕式热交换器10的壳侧抽出并引进到蒸馏塔20的底部。类似地，来自蒸馏塔20的底部液体221可再次重新引进到盘管缠绕式热交换器10的壳侧。然而，在这个实施例中，蒸发的混合制冷剂流201是从热交换器的中间位置抽出的，例如在管束的冷端13和中间部分12之间，并且底部液体是从盘管缠绕式热交换器的壳侧，在更靠近朝向热交换器热端的位置，例如在管束的中间部分12和热端11之间返回的。
参照图5和图6，显示了根据本发明的实施例的现在在第三时段期间进行操作的天然气液化系统，在此期间，液化和过冷的天然气的生产正在增加(在关闭之后或在怠速条件下的操作之后)，并且恢复至正常生产率，并且制冷剂正在重新引进到天然气液化系统中。出于简单起见，在图5和图6中没有描绘用于液化系统在怠速或关闭条件下移除制冷剂的液化系统的特征，例如上面参考图2到图4所述的蒸馏塔20和塔顶冷凝器22(在使用的情况下)。
在恢复正常操作期间，穿过盘管缠绕式热交换器10的天然气的进给速率(即天然气进给流101的流速)和所得到的液化天然气的生产率(即过冷的液化天然气流102的流速)得以增加，直至再次达到正常生产率。类似地，闭环制冷回路中的混合制冷剂的循环速率(即在回路周围和尤其穿过主热交换器10的混合制冷剂的流速)得以增加，从而提供增加的冷却任务，这是增加液化天然气生产率所需要的。为了在混合制冷剂的循环速率方面提供这种增加，必须将制冷剂添加回闭环制冷回路，从而为之前当液化系统在怠速或关闭条件下进行操作时所移除的制冷剂提供补给。
在图5和图6所示的实施例中，在当液化系统关闭或在怠速条件下操作时的前面时段，来自蒸馏塔的底部液体储存在回收鼓24中，并且包括混合制冷剂的较重成分的补充制冷剂现在需要重新引进到闭环制冷回路中。类似地，在这些实施例中，制冷剂再引进回到闭环制冷回路中涉及从回收鼓24中抽出储存的底部液体401，并将所述底部液体再引进到闭环制冷回路中。如上参照图2至图4所述，底部液体可在任何合适的位置再引进回到闭环制冷回路中。例如，如图5中所示，从回收鼓24抽出的底部液体401可通过膨胀装置例如J-T阀门40进行膨胀，并于其冷端附近再引进到盘管缠绕式热交换器的壳侧。或者，如图6中所示，从回收鼓24抽出的底部液体401可进行膨胀，并在制冷剂压缩机30和32以及后冷却器33的下游，并且在制冷剂相分离器34的上游再引进闭环制冷回路中。在这两种情况下，对于将底部液体再引进到闭环制冷回路中的泵的需求可通过容许回收鼓24的压力升高至再引进点的操作压力之上来避免。
制冷剂再引进回到闭环制冷回路中通常将需要添加甲烷和任何其它轻质成分，例如氮，其设计为存在于混合的制冷剂中，并且在怠速或关闭操作的周期期间作为富含甲烷的流204部分而从液化系统中移除。可能优选的是，在将底部液体401从回收鼓24再引进回到闭环制冷系统中之前，将甲烷和任何其它轻质制冷剂引进到闭环制冷系统中。补给甲烷(和任何其它轻质成分)可从任何合适的来源获得，并且还可在任何合适的位置引进到闭环制冷剂回路中。
具体地说，当天然气主要是甲烷(通常大约95摩尔%)时，提供天然气进给流101的天然气供给为闭环制冷回路提供了便利且容易的甲烷补给来源。如上所述，在引进到盘管缠绕式热交换器中进行液化之前，天然气进料通常进行洗涤以移除NGL。这些液化天然气通常在GL分馏系统(未显示)中进行处理，其包括一系列蒸馏塔，包括甲烷馏除塔或洗涤塔，其生产富含甲烷的塔顶分馏物。例如，这种富含甲烷的塔顶分馏物可用作补给甲烷402，其例如可在盘管缠绕式热交换器的下游和第一制冷剂压缩机30的上游添加给闭环制冷回路。
示例
为了举例说明本发明的操作，利用ASPEN+软件模拟图2中所述和所描绘的从天然气液化系统移除制冷剂的工艺。
这个示例的基线是利用C3MR循环的5百万公吨/年(mtpa)的液化天然气设施，其生产大约78,000 lbmoles/h (35380 kgmoles/h)的液化天然气。该示例是交换器已经起用几小时，直至由于大约~130k btu/hr(38kW)热泄漏而建立起100 psi(6.8atm)的压力的关闭情形。仿真代表了蒸馏塔20的初始操作。在下表中列出了流的条件。对于这个示例，蒸馏塔是0.66 ft(20 cm)直径，15 ft(4.57 m)长，并且包含采用1"(2.5 cm)鲍尔环形式的填料。这些结果显示了蒸馏塔在分离混合制冷剂的轻质成分(甲烷和氮)与较重成分(乙烷/乙烯、丙烷和丁烷)方面是有效的，并从而在延长关闭期间有效地保留和回收了所述有价值的较重成分。
应该懂得，本发明并不局限于上面参照优选实施例所述的细节，相反可在没有脱离以下权利要求所限定的本发明的精神和范围内做出许多修改和变化。

Claims (28)

1. 一种从天然气液化系统中移除制冷剂的方法，所述液化系统使用混合制冷剂对天然气进行液化和/或过冷，所述混合制冷剂包括甲烷和一种或多种较重成分的混合物，并且所述液化系统包括闭环制冷回路，其中所述混合制冷剂在使用所述液化系统时进行循环，所述闭环制冷回路包括主热交换器，天然气输送通过所述主热交换器，以便通过与循环的混合制冷剂的间接热交换而进行液化和/或过冷，所述方法包括：
(a)从所述闭环制冷回路抽出蒸发的混合制冷剂；
(b)将蒸发的混合制冷剂引进到蒸馏塔中，并为所述蒸馏塔提供回流，从而将蒸发的混合制冷剂分离成富含甲烷的塔顶蒸气和富含较重成分的底部液体；
(c)从所述蒸馏塔中抽出塔顶蒸气，以形成富含甲烷的流，所述富含甲烷的流从所述液化系统中移除；和
(d)将底部液体从所述蒸馏塔再引进到所述闭环制冷回路中，并且/或者储存底部液体，使其后续可再引进到所述闭环制冷回路中。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述较重成分包括一种或多种较重的烃。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合制冷剂还包括氮，步骤(b)中的所述塔顶蒸气富含氮和甲烷，并且步骤(c)中的所述富含甲烷的流是富含氮和甲烷的流。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述蒸馏塔的回流通过冷凝物的回流来提供，所述冷凝物的回流通过在塔顶冷凝器中与冷却剂的间接热交换而冷却和冷凝至少一部分塔顶蒸气来获得。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述冷却剂包括从所述液化系统正在生产或已经生产的液化天然气中获得的液化天然气流。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述蒸馏塔的回流通过引进所述蒸馏塔的顶部的液体回流来提供。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述液体的回流包括从所述液化系统正在生产或已经生产的液化天然气中获得的液化天然气流。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中形成的所述富含甲烷的流被燃烧，用作燃料和/或添加至有待被液化系统液化的天然气进料中。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述底部液体储存在所述蒸馏塔的底部，并且/或者从所述蒸馏塔抽出并在重新引进到所述闭环制冷回路中之前储存在单独的储存容器中。
10. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述蒸发的混合制冷剂从所述主热交换器的冷端和/或和中间位置抽出。
11. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主热交换器是盘管缠绕式热交换器。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述蒸发的混合制冷剂从所述盘管缠绕式热交换器的壳侧抽出。
13. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法优选响应于所述液化系统对天然气进行液化和/或过冷的速率的关闭或怠速而执行。
14. 一种改变天然气液化系统中的液化和过冷的天然气的生产率的方法，所述液化系统使用混合制冷剂对天然气进行液化和/或过冷，所述液化系统包括闭环制冷回路，其中所述混合制冷剂在所述闭环回路中进行循环，所述混合制冷剂包括甲烷和一种或多种较重成分的混合物，并且所述闭环制冷回路包括主热交换器，天然气输送通过所述主热交换器，以便通过与循环的混合制冷剂的间接热交换而进行液化和/或过冷，所述方法包括：
第一时段，在此期间以第一进给速率输送天然气通过所述主热交换器，并且所述混合制冷剂在所述闭环制冷回路中以第一循环速率进行循环，从而以第一生产率生产液化或过冷的天然气；
第二时段，在此期间，通过停止通过所述主热交换器的天然气进给或者将其进给速率减少至第二进给速率，停止所述混合制冷剂在闭环制冷回路中的循环或者将其循环速率减少至第二循环速率，并且从所述液化系统中移除制冷剂，来停止液化或过冷的天然气的生产，或者将液化或过冷的天然气的生产率减少至第二生产率，其中从所述液化系统中移除制冷剂的方法包括：
(a)从所述闭环制冷回路抽出蒸发的混合制冷剂；
(b)将蒸发的混合制冷剂引进到蒸馏塔中，并为所述蒸馏塔提供回流，从而将蒸发的混合制冷剂分离成富含甲烷的塔顶蒸气和富含较重成分的底部液体；
(c)从所述蒸馏塔中抽出塔顶蒸气，以形成富含甲烷的流，所述富含甲烷的流从所述液化系统中移除；和
(d)将底部液体从所述蒸馏塔再引进到所述闭环制冷回路中，并且/或者储存底部液体，使其后续可再引进到所述闭环制冷回路中。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还在所述第二时段之后包括：
第三时段，在此期间，通过将通过所述主热交换器的天然气进给增加至第三进给速率，将制冷剂添加给所述液化系统，并将混合制冷剂的循环增加至第三循环速率，来将液化或过冷的天然气的生产率增加至第三生产率，其中将制冷剂添加给液化系统的步骤包括将甲烷引进到所述闭环制冷回路中，并且如果在第二时段的步骤(d)中没有将底部液体再引进到所述闭环制冷回路中的话，就将储存的底部液体再引进到所述闭环制冷回路中。
16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，液化或过冷的天然气的第三生产率、天然气的第三进给速率和混合制冷剂的第三循环速率分别与所述第一生产率、所述第一进给速率和所述第一循环速率相同或更小。
17. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，引进到所述闭环制冷回路中的甲烷从天然气供给获得，所述天然气供给提供了用于在所述液化系统中进行液化的天然气。
18. 一种使用混合制冷剂来对天然气进行液化和/或过冷的天然气液化系统，所述混合制冷剂包括甲烷和一种或多种较重成分的混合物，所述液化系统包括：
闭环制冷回路，其用于在使用所述液化系统时容纳混合的制冷剂并使混合的制冷剂循环，所述闭环制冷回路包括主热交换器，天然气可输送通过所述主热交换器，以便通过与循环的混合制冷剂的间接热交换而进行液化和/或过冷；
蒸馏塔，其用于接收来自闭环制冷回路的蒸发的混合制冷剂，并且可操作，以便将蒸发的混合制冷剂分离成富含甲烷的塔顶蒸气和富含混合制冷剂的较重成分的底部液体；
用于为所述蒸馏塔提供回流的器件；
导管，其用于将蒸发的混合制冷剂从所述闭环制冷回路传递给所述蒸馏塔，用于从所述蒸馏塔中抽出并从所述液化系统中移除由塔顶蒸气形成的富含甲烷的流，并且用于将底部液体从所述蒸馏塔再引进到所述闭环制冷回路中。
19. 根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述系统还包括储存装置，其用于在将底部液体再引进到所述闭环制冷回路之前储存底部液体。
20. 根据权利要求19所述的系统，其特征在于，用于储存底部液体的所述储存装置包括所述蒸馏塔的底部部段和/或单独的储存容器。
21. 根据权利要求18所述的系统，其特征在于，用于为所述蒸馏塔提供回流的器件包括塔顶冷凝器，其用于通过与冷却剂的间接热交换而冷却和冷凝至少一部分塔顶蒸气，从而提供冷凝物的回流。
22. 根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述冷却剂包括液化天然气流，并且所述系统还包括导管，其用于将所述液化系统生产的一部分液化天然气传送至所述塔顶冷凝器。
23. 根据权利要求18所述的系统，其特征在于，用于为所述蒸馏塔提供回流的器件包括导管，其用于将液体回流引进到所述蒸馏塔的顶部中。
24. 根据权利要求23所述的系统，其特征在于，所述液体回流包括液化天然气，并且用于引进所述回流的导管将所述液化系统生产的一部分液化天然气传送到所述蒸馏塔的顶部中。
25. 根据权利要求18所述的系统，其特征在于，用于抽出和移除所述富含甲烷的流的导管将所述流传送给用于燃烧所述流的装置，传送给用于燃烧所述流以产生功率或电力的装置，和/或传送给天然气进给导管，所述天然气进给导管用于将天然气输送给所述液化系统进行液化。
26. 根据权利要求18所述的系统，其特征在于，用于将所述蒸发的混合制冷剂从所述闭环制冷回路传递给所述蒸馏塔的导管将所述蒸发的混合制冷剂从所述主热交换器的冷端和/或中间位置抽出。
27. 根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述主热交换器是盘管缠绕式热交换器。
28. 根据权利要求27所述的系统，其特征在于，用于将所述蒸发的混合制冷剂从所述闭环制冷回路传递给所述蒸馏塔的导管从所述盘管缠绕式热交换器的壳侧抽出所述蒸发的混合制冷剂。
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