CN108291767B - 在储存液氮的lng运输工具上的天然气液化的方法 - Google Patents

在储存液氮的lng运输工具上的天然气液化的方法 Download PDF

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Abstract

生产液化天然气(LNG)的方法。将天然气料流输送到液化船。在液化船上使用至少一个热交换器液化天然气料流，所述至少一个热交换器在天然气料流与液氮料流之间交换热量以至少部分蒸发液化氮料流，由此形成温热的氮气料流，和包含LNG的至少部分冷凝的天然气料流。液化船包括至少一个仅储存液氮的罐和至少一个仅储存LNG的罐。

Description

在储存液氮的LNG运输工具上的天然气液化的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年12月14日提交的标题为METHOD OF NATURAL GASLIQUEFACTION ON LNG CARRIERS STORING LIQUID NITROGEN的美国临时专利申请62/266,983的权益，其全部内容通过引用并入本文。
本申请与以下专利申请有关：标题为“Method and System for SeparatingNitrogen from Liquefied Natural Gas Using Liquefied Nitrogen”的美国临时专利申请No.62/266,976；标题为“Expander-Based LNG Production Processes Enhanced WithLiquid Nitrogen”的美国临时专利申请No.62/266,979；和标题为“Pre-Cooling ofNatural Gas by High Pressure Compression and Expansion”的美国临时专利申请No.62/622,985，均具有共同的发明人和受让人并且与本申请在同一日期提交，其公开的内容通过引用整体并入本文。
背景
公开领域
本公开一般性地涉及天然气液化以形成液化天然气(LNG)的领域。更具体地，本公开涉及从海上和/或偏远天然气源生产和转移LNG。
相关技术的描述
该部分意在介绍可能与本公开相关的本领域的各个方面。该讨论意在提供有助于更好地理解本公开的特定方面的框架。因此，应当理解，该部分应该从这个角度来阅读，而不一定作为对现有技术的承认。
LNG是快速增长的将天然气从天然气供应充足的地点供应到对天然气具有强烈需求的远离地点的手段。常规LNG循环包括：a)初始处理天然气资源以去除污染物，例如水，硫化合物和二氧化碳；b)通过各种可能的方法(包括自制冷，外部制冷，贫油等)分离一些较重质的烃气体，如丙烷，丁烷，戊烷等；c)基本上通过外部制冷来制冷天然气以在处于或接近大气压力和约-160℃下形成液化天然气；d)在设计用于该目的的船舶或油轮中将LNG产品运输到销售地点；和e)在再气化厂将LNG再加压和再气化成可分配给天然气消费者的加压的天然气。常规LNG循环的步骤(c)通常需要使用通常由大型燃气涡轮机驱动器提供动力的大型制冷压缩机，所述大型燃气涡轮机驱动器排放大量碳和其他排放物。作为液化厂的一部分，需要数十亿美元的大量资本投资和大规模的基础设施。常规LNG循环的步骤(e)通常包括使用低温泵将LNG再加压至所需的压力，然后通过经由中间流体但最终与海水交换热量或通过燃烧一部分天然气以加热并蒸发LNG而使LNG再气化成加压的天然气。通常，可用的低温LNG的有效能未被利用。
相对较新的LNG生产技术被称为浮动式LNG(FLNG)。FLNG技术涉及在浮动结构(例如驳船或船舶)上建造气体处理和液化设施。FLNG是在建造通往岸边的天然气管道在经济上不可行的情况下用于海上搁浅天然气货币化的技术方案。FLNG也越来越多地被考虑用于位于偏远、环境敏感和/或政治上具有挑战性的地区的陆上和近岸天然气田。与常规的陆上LNG相比，该技术具有一定的优势，因为它在生产现场具有较低的环境占地面积。由于大部分LNG设施是在造船厂以较低的人工费率和降低的执行风险建造的，因此该技术还可以更快地和以更低的成本交付项目。
尽管FLNG与常规陆上LNG相比具有若干优势，但在该技术的应用方面仍存在重大技术挑战。例如，FLNG结构必须在通常小于陆上LNG厂可用面积四分之一的面积内提供相同水平的气体处理和液化。因此，需要开发减少FLNG厂占地面积，同时保持液化设施的能力以降低整体项目成本的技术。减少占地面积的一个有前途的手段是改变FLNG厂中使用的液化技术。已知的液化技术包括单一混合制冷剂(SMR)工艺，双重混合制冷剂(DMR)工艺和基于膨胀器的(或膨胀)工艺。基于膨胀器的工艺具有几种优势，使其非常适用于FLNG项目。最显著的优势在于该技术在不需要外部烃制冷剂的情况下提供液化。去除液体烃制冷剂库存(如丙烷储存)显著降低了对FLNG项目特别严重的安全问题。与混合制冷剂工艺相比基于膨胀器的工艺的另外优势在于基于膨胀器的工艺对海上运动不太敏感，因为主要的制冷剂大部分保持处于气相。
虽然基于膨胀器的工艺具有其优点，但是已经证明将该技术应用于LNG产量超过200万吨/年(MTA)的FLNG项目比使用混合制冷剂工艺不那么具有吸引力。已知的基于膨胀器的工艺机组(train)的生产能力通常小于1.5MTA。相比之下，混合制冷剂工艺机组(例如丙烷预冷工艺或双重混合制冷剂工艺)可具有大于5MTA的机组生产能力。基于膨胀器的工艺机组的尺寸是有限的，因为其制冷剂在整个工艺中大部分保持处于蒸气状态，并且制冷剂通过其显热吸收能量。由于这些原因，在整个工艺中制冷剂体积流速是大的，并且热交换器和管道的尺寸成比例地大于混合制冷剂工艺中使用的那些。此外，压缩扩展器马力大小的限制导致随着基于膨胀器的工艺机组的生产能力增加的并联旋转机械。如果允许多个基于膨胀器的机组，则可以使得使用基于膨胀器的工艺的FLNG项目的生产率可以大于2MTA。例如，对于6MTA的FLNG项目，六个或更多个并联的基于膨胀器的工艺机组可以足以实现所需的产量。然而，使用多个膨胀器机组时，设备数量、复杂性和成本都会增加。此外，如果基于膨胀器的工艺需要多个机组，而混合制冷剂工艺可以用一个或两个机组获得所需的生产率，则与混合制冷剂工艺相比基于膨胀器的工艺的假定的工艺简单性开始被质疑。由于这些原因，需要开发这样的FLNG液化工艺，其具有基于膨胀器的工艺的优点，同时实现高LNG生产能力。还需要开发FLNG技术方案，其更能够应对船运动对气体处理和LNG装载与卸载所带来的挑战。
一旦生产LNG，它必须移送到市场上，通常在LNG船舶中。对于陆上LNG设施，LNG向船舶的转移是在遮蔽水域中进行的，例如在港口或从处于较温和的环境条件中的泊位进行。FLNG通常需要将LNG转移到更开放的水域中。在开放水域中，LNG转移到商用LNG船舶的设计方案变得更加有限和昂贵。此外，相对于FLNG设施油轮的海上作业可能会变得更加复杂，例如油轮的开放水域停泊，无论是串联还是并排停泊。随着设计针对的海洋条件变得更加严峻，设计选项变得更加有限，并且通常更昂贵。出于这些原因，还需要开发FLNG技术方案，其能够更好地应对在更具挑战性的海洋或海洋气象(metocean)条件下的LNG转移。
授予Mandrin的美国专利NO.5,025,860公开了FLNG技术，其中使用浮动生产单元(FPU)生产和处理天然气。经处理的天然气在FPU上被压缩以形成高压天然气。高压天然气经由高压管道输送到液化船，在其中气体可以通过与海水间接热交换而被冷却或另外冷却。高压天然气通过天然气在液化船上的膨胀被冷却并部分冷凝成LNG。LNG储存在液化船内的罐中。未经冷凝的天然气经由返回低压气体管道返回到FPU。由于在液化船上没有燃气涡轮机、压缩机或其他制冷剂系统，因此Mandrin的公开具有液化船上的最少量工艺设备的优点。然而，Mandrin具有限制其应用的显著缺点。例如，由于天然气的液化显著依赖于自动制冷，所以与使用一个或多个制冷剂料流的已知的液化工艺相比，船上的液化工艺具有差的热力学效率。此外，对返回气体管道的需求显著增加了浮动结构之间的流体转移的复杂性。在FPU和液化船之间的两个或更多个流体管道的连接和断开在经受波浪和其他严峻海洋气象条件的开放水域中将是困难的(即使并非不可能)。
授予Prible等人的美国专利申请公开NO.2003/0226373公开了在FPU上生产和处理天然气的FLNG技术。经处理的天然气经由管道输送到液化船。经处理的天然气在液化船上通过与基于膨胀器的液化工艺的至少一种气相制冷剂间接热交换被冷却并冷凝成LNG。基于膨胀器的液化工艺的膨胀器、增压压缩机和热交换器安装在液化船的顶部，而基于膨胀器的液化工艺的再循环压缩机安装在FPU上。基于膨胀器的工艺的至少一种气相制冷剂经由气体管道在浮体(floater)之间转移。尽管Prible等人的公开具有使用比Mandrin的公开的显著更高效的液化工艺的优点，但是浮体之间使用多个气体管道连接限制了该技术在具有挑战性的海洋气象条件下的应用。
授予Shivers等人的美国专利NO.8,646,289公开了FLNG技术，其中使用FPU(在图1中由附图标记100一般性示出)来生产和处理天然气。FPU 100包含气体处理设备以去除水、重质烃和酸性气体，以使产生的天然气适用于液化。FPU还包含二氧化碳制冷单元，以在经处理的天然气在被输送到液化船之前预冷却经处理的天然气。预冷却的经处理的天然气经由可连接和重新连接到液化船102的系泊浮动可拆卸转塔104被输送到液化船102。经处理的天然气在使用由发电厂108供电的液化单元110的液化船102上液化，所述发电厂108可以是双燃料柴油电力主发电厂。液化船102的液化单元110包含双氮膨胀工艺设备以液化来自FPU 100的经处理和预冷却的天然气。双氮膨胀工艺包括膨胀到相同或接近相同低压的温氮回路和冷氮回路。双氮膨胀工艺的压缩机由发电厂108供电的电动机驱动，其可以为液化船102的推进提供动力。当液化船102已经处理足够的经处理的天然气以充分装载LNG时，浮动转塔104与液化船断开连接并且液化船可以移动到位于良好海洋气象条件下的转移终端(未示出)，其中LNG从液化船卸载并装载到商业LNG船舶上。供选择地，满载液化船102可以将LNG直接运送到LNG卸载和再气化的进口终端(未示出)。
在美国专利NO.8,646,289中描述的FLNG技术方案与常规的FLNG技术(其中一个浮动结构用于生产、气体处理、液化和LNG储存)相比具有几个优点。所公开的技术由于不需要将LNG从FPU转移到运输工具而具有提供在严峻的海洋气象条件下的可靠操作的主要优点。此外，与之前描述的具有液化船技术的FPU相对照，该技术在FPU和液化船之间只需要一条气体管道。由于大部分液化工艺不会在其顶部发生，所以该技术具有减小FPU的所需尺寸并减少FPU上所需的持续存在的人力的另外优点。由于多个液化船可以通过使用多个系泊浮动可拆卸转塔连接到单一FPU，所以该技术具有即使使用基于膨胀器的液化工艺，也允许更大的LNG生产能力的另外优点。
在美国专利No.8,646,289中描述的FLNG技术方案也具有可能限制其应用的几个挑战和限制。例如，因为船上的功率需求的显著增加和推进系统的变化,液化船可能比常规LNG运输工具昂贵得多。每个液化船必须配备足以液化天然气的发电厂。需要大约80到100MW的压缩功率来液化2MTA的LNG。该技术提出通过使用双燃料柴油发电厂提供推进功率和液化功率来限制液化船上的装机功率的量。然而，预期这种选项仅稍微降低成本，因为LNG运输工具的电力推进未广泛用于工业。此外，所需的装机功率量仍然是推进常规LNG运输工具所需要的装机功率的三至四倍。具有其中所需的液化功率大致匹配或低于所需的推进功率的液化船将是有利的。具有其中液化工艺不导致需要与常规LNG运输工具中主要使用的不同的推进系统的液化船将是更加有利的。
美国专利NO.8,646,289中描述的FLNG技术方案的另一限制是双氮膨胀工艺将每个液化船的生产能力限制到约2MTA或更低。尽管可以通过同时操作多个液化船102、102a、102b(图1)增加整体产量，但是这种选项增加了操作所需的船舶和转塔的数量。将优选得多的是为每个液化船配备能够具有较高LNG生产能力同时保持基于膨胀器的工艺的紧凑性以及安全优势的液化工艺。LNG储存容量为140,000立方米(m3)的液化船可以支持导致以液化船到达频率为4天年产量约为6MTA的每日LNG料流。
美国专利NO.8,646,289中描述的FLNG技术方案的又一限制是该技术具有需要液化船的液化系统频繁启动、关闭和调节的缺点。双氮膨胀工艺具有比混合制冷剂液化工艺更好的启动和关闭的特性。然而，所需的启动和关闭频率仍然显著高于以前的使用双氮膨胀技术在感兴趣的生产能力下的经验。工艺设备的热循环以及与频繁启动和关闭相关的其他问题被认为是该技术应用的新的重大风险。具有可以容易且快速地提升到满负荷生产能力的液化工艺将是有利的。通过在非LNG生产期间使用非常少的功率用量保持液化工艺设备的低温来限制热循环也是有利的。
美国专利No.8,646,289中描述的FLNG技术方案的再一限制是，预期该技术所需的发电厂和液化机组相对于常规的LNG运输工具的通常的成本将显著增加液化船的资本和操作成本。如上所述，液化所需的发电厂将需要为船舶推进所需的发电厂的三到四倍。液化船上的液化机组与常规的FLNG结构上的液化机组相似。因此，为每个液化船配备其自己的液化机组，意味着与常规的FLNG结构相比液化设备的资本投资的显著增加。该技术通过提出这样的LNG价值链(其中装载的LNG液化船移动到中间转移终端，在那里它将LNG卸载到常规的LNG运输工具上)来限制液化船的高成本的影响。这种运输方案缩短了液化船的运输距离并因此减少了这些船的所需数量。然而，将优选得多的是具有成本足够低的液化船使得其将LNG输送到市场而无需将其货物转移到较便宜的船舶上将是经济的。
概述
本公开提供了用于生产液化天然气(LNG)的方法。将天然气料流输送到液化船。在液化船上使用至少一个热交换器液化天然气料流，所述至少一个热交换器在天然气料流与液氮料流之间交换热量以至少部分蒸发液氮化料流，由此形成温热的氮气料流和包含LNG的至少的部分冷凝的天然气料流。液化船包括至少一个仅储存液氮的罐和至少一个仅储存LNG的罐。
本公开还提供了用于液化天然气料流的系统。液化船将液化天然气从第一位置输送到第二位置并将液化氮(LIN)输送到第一位置。液化船包括至少一个仅储存LIN的罐和至少一个仅储存LNG的罐。液化船还包括LNG液化系统，该LNG液化系统包括至少一个热交换器，该至少一个热交换器在来自储存在天然气液化船上的LIN的LIN料流与输送到天然气液化船的天然气料流之间交换热量以至少部分蒸发LIN料流，由此形成温热的氮气料流和包含LNG的至少部分冷凝的天然气料流。将LNG储存在天然气液化船上以输送到第二位置。
前面已经宽泛地概述了本公开的特征，使得可以更好地理解下面的详细描述。本文还将描述另外的特征。
附图简要描述
由下面描述、所附的权利要求书和附图，本公开的这些和其他特征、方面和优点将变得显然可见，以下简要描述附图。
图1是根据已知原理的LNG生产的简化图。
图2是根据所公开的方面的LNG生产的简化图。
图3是根据所公开的方面的LIN到LNG工艺模块的示意图。
图4A是已知的FLNG技术的价值链的简化图。
图4B是所公开方面的价值链的简化图。
图5是根据所公开的方面的LNG生产的简化图。
图6是根据所公开的方面的LNG生产的简化图。
图7是根据所公开的方面的LNG生产的简化图。
图8是根据所公开的方面的LIN到LNG工艺设备的示意图。
图9是示出根据所公开的方面的方法的流程图。
应该注意的是，附图仅仅是示例，并且不意在由此限制本公开的范围。此外，附图通常不是按比例绘制的，而是为了方便和清楚的目的而绘制，以阐明本公开的各方面。
详述
为了促进对本公开的原理的理解，现在将参考附图中所示的特征，并且将使用特定的语言来描述这些特征。然而应当理解，不意在由此限制本公开的范围。可以设想如本文所述的本公开的原理的任何另外的应用以及任何改变和另外的修改，如本公开所涉及领域技术人员通常会想到的。为了清楚起见，一些与本公开无关的特征可能未在附图中示出。
首先，为了便于参考，阐述了本申请中使用的某些术语及其在该上下文中使用的含义。在本文使用的术语未在下文中定义的情况下，应该赋予该术语相关领域人员已经赋予该术语的如反映在至少一个印刷出版物或公布专利中的最宽泛的定义。此外，本技术不受以下所示术语的用法的限制，因为用于相同或类似目的的所有等同物、同义词、新发展和术语或技术被认为是在本权利要求书的范围内。
如本领域普通技术人员将理解的，不同的人可以通过不同的名称来提及相同的特征或组件。本文件不意在区分仅在名称上不同的组件或特征。附图不一定按比例绘制。本文中的某些特征和组件可能按比例放大或以示意性形式示出，并且为了清楚和简明起见，可能未示出常规元件的一些细节。当提及本文描述的附图时，为了简单起见，可以在多个附图中引用相同的附图标记。在下面的描述和权利要求书中，术语“包括”和“包含”以开放式方式使用，并且因此应该被解释为表示“包括但不限于”。
词语“所述”、“一个”和“一种”不一定限于仅表示一个，而是包含性的并且是开放式的，从而任选地包括多种这样的要素。
如本文所使用的，术语“大约”、“约”、“基本上”和类似的术语意在具有与本公开的主题所属领域的普通技术人员的常用和可接受的用法相一致的广泛的含义。阅读本公开的本领域技术人员应该理解，这些术语意在允许描述和要求保护的某些特征的描述，而不将这些特征的范围限制于所提供的精确数值范围。因此，这些术语应该被解释为表示所描述的主题的非实质性或无关紧要的修改或变化，并且被认为是在本公开的范围内。
术语“热交换器”是指设计成将热量从一种物质有效地转移或“交换”到另一种物质的装置。示例性的热交换器类型包括并流或逆流热交换器，间接热交换器(例如螺旋缠绕式热交换器，板翅式热交换器如铜焊铝板翅型、壳管式热交换器等)，直接接触式热交换器或这些的一些组合等等。
术语“两用运输工具”是指能够(a)将LIN输送到用于天然气和/或LNG的出口终端和(b)将LNG输送到LNG进口终端的船舶。
如前所述，常规的LNG循环包括：(a)初始处理天然气资源以除去污染物，例如水、硫化合物和二氧化碳；(b)通过各种可能的方法(包括自制冷、外部制冷、贫油等)分离一些较重质的烃气体，如丙烷、丁烷、戊烷等；(c)基本上通过外部制冷来制冷天然气以在处于或接近大气压力和约-160℃下形成液化天然气；(d)在设计用于此目的的船舶或油轮中将LNG产品输送到销售地点；和(e)在再气化厂将LNG再加压和再气化成可分配给天然气消费者的加压的天然气料流。本公开如下改变常规LNG循环的步骤(c)和(e)，在使用液氮(LIN)作为冷却剂的液化天然气(LNG)运输工具上液化天然气，并且使用低温LNG的有效能以促进氮气液化以形成LIN，然后将其运输到资源地点并用作用于生产LNG的制冷源。公开的LIN到LNG概念可以还包括在船舶或油轮中将LNG从资源地点(出口终端)输送到销售地点(进口终端)，以及将LIN从销售地点反向输送到资源地点。
本公开更具体地描述了用于在液化船上液化天然气的方法，所述液化船具有与其相连的多个储罐，其中至少一个罐专门储存用于液化工艺的液氮，并且至少一个罐专门储存LNG。可以将经处理的适用于液化的天然气经由可连接和重新连接至液化船的系泊浮动可拆卸转塔输送到液化船。经处理的天然气可在液化船上使用至少一个热交换器来液化，所述至少一个热交换器在液氮料流和天然气料流之间交换热量以至少部分蒸发液氮料流并且至少部分冷凝天然气料流。LNG料流可以储存在液化船中在用于LNG储存的至少一个罐中或者储存在液化船上的用于储存LNG或LIN的其他罐中。
在本公开的一个方面，可以使用浮动生产单元(FPU)来生产和处理天然气。经处理的天然气可以经由一个或多个可连接和重新连接到一个或多个液化船的系泊浮动可拆卸转塔从FPU输送到液化船。液化船可以包括至少一个仅储存LIN的罐。经处理的天然气可在液化船上使用至少一个热交换器液化，所述至少一个热交换器在液氮料流与天然气料流之间交换热量以至少部分蒸发液化氮料流并且至少部分冷凝天然气料流。液化天然气料流可以储存在液化船内的仅储存LNG的至少一个罐中。FPU可以含有气体处理设备以去除杂质(如果存在的话，例如水、重质烃和酸性气体)，以使生产的天然气适用于液化和/或销售。FPU还可以包含在被输送到液化船之前预冷却经处理的天然气的装置，例如深海水取回和冷却和/或机械制冷。由于LNG是在运输油轮上生产的，因此可以消除生产现场LNG的过水转移。
在另一方面，位于陆上生产现场的天然气处理设施可用于去除天然气中存在的任何杂质(例如水、重质烃和酸性气体)，以使所生产的天然气适用于液化和或销售。经处理的天然气可使用管道和一个或多个可连接和重新连接到一个或多个液化船的系泊浮动可拆卸转塔来输送到海上。经处理的天然气可以被转移到一个或多个液化船，所述液化船包括至少一个仅储存LIN的罐和至少一个仅储存LNG的罐。经处理的天然气可在液化船上使用至少一个热交换器液化，所述至少一个热交换器在LIN料流和经处理的天然气料流之间交换热量，以至少部分蒸发LIN料流并至少部分冷凝天然气料流。由此产生的LNG料流可以储存在至少一个仅储存LNG的罐中，或储存在液化船上的配置为储存LNG或LIN的另一个罐中。由于LNG是在也作为运输工具的液化船上生产的，所以消除了LNG在生产现场的过水转移。
在本公开的又一方面，陆上天然气处理设施可以移除杂质(如果存在的话，例如水、重质烃和酸性气体)，以使所生产的天然气适用于液化和/或销售。经处理天然气可经由连接到一个或多个停泊的液化船的管道和气体装载臂被输送到近岸。常规的LNG运输工具，LIN运输工具和/或两用运输工具可以沿着液化船旁边，靠近液化船或在液化船附近停泊以从液化船接收LNG和/或将液氮输送到液化船。液化船可连接到低温装载臂以允许液化船和/或LNG/LIN/两用运输工具之间的低温流体转移。液化船可以包括至少一个仅储存液氮的罐和至少一个仅储存LNG的罐。经处理的天然气可在液化船上使用至少一个热交换器液化，所述至少一个热交换器在LIN料流和天然气料流之间交换热量以至少部分蒸发液化氮料流并且至少部分冷凝天然气料流。由此产生的LNG气料流可以储存在仅储存LNG的至少一个罐中和/或储存在液化船上的配置成储存LIN或LNG的至少一个罐中。在另一方面，一个永久停靠液化船可液化来自陆上的经处理的天然气。所生产的LNG可以从液化船输送到一个或多个两用运输工具。LIN可以从一个或多个两用运输工具输送到液化船。
图2描绘了根据所公开的方面的浮动生产单元(FPU)200和液化船202。天然气可以在FPU 200上生产和处理。FPU 200可以包含气体处理设备204以从天然气中去除杂质(如果存在的话)，以使生产的天然气适用于液化和/或销售。这样的杂质可以包括水、重质烃、酸性气体等。FPU还可以包含一个或多个预冷却装置206，以在被输送到液化船之前预冷却经处理的天然气。预冷却装置206可以包括深海水取回和冷却，机械制冷或其他已知技术。预冷却的经处理的天然气可以经由管道207和一个或多个可以连接和重新连接到一个或多个液化船的系泊浮动可拆卸转塔208从FPU 200输送到液化船。液化船202可以包括仅储存液氮的LIN罐210和仅储存LNG的LNG罐212。液化船202还可以包括可以储存LIN或LNG的多用罐214。预冷却的经处理的天然气可以在液化船上使用LIN到LNG工艺模块216中的设备液化，所述设备可以包括至少一个热交换器，该至少一个热交换器在LIN料流(来自储存在液化船上的LIN)和预冷却的经处理的天然气料流之间交换热量，以至少部分蒸发LIN料流并至少部分冷凝预冷却的经处理的天然气料流以形成LNG。液化船202还可以包括与液化工艺相连的另外的公用系统218。公用系统218可以位于液化船202的船体内和/或船的顶部。由LIN到LNG工艺模块216产生的LNG可以储存在LNG罐212中或储存在多用罐214中。由于LNG在也用作运输工具的液化船上产生，所以消除了LNG在生产现场的过水转移。预期LIN罐210、LNG罐212和多用罐214可以分别包括多个LIN罐、多个LNG罐和多个多用罐。
图3是进一步详细示出LIN到LNG工艺模块216的简化示意图。来自LIN罐210或组合罐中的一个214的LIN料流302通过至少一个泵304以增加LIN料流302的压力以产生高压LIN料流306。高压LIN料流306通过至少一个热交换器308，该至少一个热交换器308在高压LIN料流306和来自FPU(未示出)的预冷却的经处理的天然气料流310之间交换热量以产生温热的氮气料流312和至少部分冷凝的天然气料流314。至少一个膨胀器设备316降低温热的氮气料流312的压力以产生至少一个另外冷却的氮气料流318。在一方面，LIN到LNG工艺模块216可以包括至少三个膨胀器设备，其降低至少三个温热的氮气料流312a，312b，312c的压力以产生至少三个另外冷却的氮气料流318a，318b，318c。另外冷却的氮气料流318a，318b，318c可以在至少一个热交换器308中与天然气料流310交换热量以形成温热的氮气料流312b，312c，312d。至少一个膨胀器设备316可以与至少一个产生电功率的发电机连接，或者至少一个膨胀器设备可以直接与压缩温热的氮气料流中的一个312c的至少一个压缩机320连接。在本公开的一个方面，所述至少三个膨胀器设备可以各自与用于压缩温热的氮气料流的至少一个压缩机连接。压缩的温热的氮气料流312c可以在涡轮膨胀机316中膨胀之前通过在辅助热交换器322中与环境交换热量来冷却以产生另外冷却的氮气料流318。另外冷却的氮气料流318可以与天然气料流310在至少一个热交换器308中交换热量以形成温热的氮气料流312。温热的氮气料流中的一个312d排放到大气中。至少部分冷凝的天然气料流314在水力涡轮机324中进一步膨胀、冷却并冷凝以产生LNG料流326，然后将LNG料流326储存在LNG罐212或多用罐中的一个214中。发电机328可操作地连接到水力涡轮机324并且被配置为产生可以在液化工艺中使用的电功率。
图4A和4B是强调本文公开的方面的价值链与常规FLNG技术的价值链之间的区别的简化图，其中FLNG设施包含处理和液化天然气所需的所有或几乎所有设备。如图4A所示，LNG货船400a将LNG从FLNG设施402输送到基于陆地的进口终端404，在那里LNG被卸载和再气化。现在没有货物和压舱物的LNG货船400b返回到FLNG设施以重新装载LNG。相对照，本文公开的方面提供了具有比FLNG设施402小得多的占地面积的FPU 406(图4B)。装载有408a处的LIN的液化船到达FPU 406，并且如前所述，使用储存的LIN将来自FPU的预冷却的经处理的天然气冷却并液化。现在装载有408b处的LNG的液化船航行至进口终端404，在那里LNG被卸载和再气化。来自LNG再气化的冷能被用于在进口终端404处液化氮气。在进口终端404处使用的氮气在空气分离单元410处产生。空气分离单元410可以在进口终端404的设备区内或在与进口终端404分开的设施处。然后LIN被装载到液化船408中，液化船408返回到FPU406以重复液化工艺。
本文公开的LNG液化工艺中LIN的使用提供了另外的益处。例如，LIN可用于在LNG生产、输送和/或卸载期间液化来自LNG罐和/或多用罐的LNG汽化气体。LIN和/或液氮汽化气体可用于在液化工艺的调节或关闭期间保持液化设备冷却。LIN可用于液化蒸发的氮气以产生液化工艺的“怠速(idling-like)”操作。小型辅助电动机可以连接到膨胀器设备中可见的压缩机/膨胀器组合，以在在液化工艺的调节或关闭期间保持压缩机/膨胀器设备旋转。在在液化船上LNG生产之间的期间，氮蒸气可以用于解冻热交换器。氮蒸气可以排放到大气中。
图5是另一公开方面的图示,其中使用FPU 500生产和处理天然气。可以在FPU 500上生产和处理天然气。FPU 500可以包含气体处理设备504以从天然气中去除杂质(如果存在的话)，以使生产的天然气适用于液化和/或销售。这样的杂质可以包括水、重质烃、酸性气体等。FPU还可以包含一个或多个预冷却装置506，以在被输送到液化船之前预冷却经处理的天然气。预冷却装置506可以包括深海水取回和冷却，机械制冷或其他已知技术。预冷却的经处理的天然气可以经由第一管道507和可以连接和重新连接到一个或多个液化船的第一系泊浮动可拆卸转塔508从FPU 500输送到第一液化船502a。第一液化船502a包括至少一个仅储存液氮的LIN罐510和至少一个仅储存LNG的LNG罐512。第一液化船502a的其余罐514可以设计成在LIN和LNG的储存之间交替。经处理的天然气在液化船上使用LIN到LNG工艺模块516中的设备液化，所述设备可包括至少一个热交换器，所述至少一个热交换器在LIN料流与天然气料流之间交换热量以至少部分地蒸发LIN料流并且至少部分地冷凝天然气料流。LIN到LNG工艺模块516可以包括其他设备，例如压缩机、膨胀器、分离器和/或其他公知的设备以促进天然气的液化。LIN到LNG工艺模块516适于产生大于2MTA的LNG，或更优选地产生大于4MTA的LNG，或更优选地产生大于6MTA的LNG。第一液化船502a还可以包括与液化工艺相连的另外的公用系统518。公用系统518可以位于第一液化船502a的船体内和/或在其顶部上。第二管道520可以连接到准备好接收第二液化船502b的第二系泊浮动可拆卸转塔522。第二液化船502b的功能设计与第一液化船502a基本相同(包括例如LIN到LNG工艺模块516中的设备)并且为了简洁起见将不作进一步描述。第二液化船502b优选地在天然气输送到第一液化船502a结束之前连接到第二系泊浮动可拆卸转塔522。以这种方式，来自FPU 500的天然气可以容易地转换到第二液化船502b，而不会显著中断来自FPU 500的天然气流动。
图6是可在天然气处理设施可设置在陆上的情况下可使用的本公开的另一方面的图示。如图6所示，如前所述，位于陆上的天然气处理设施600可用于从天然气中去除杂质和/或预冷却天然气。经处理的天然气可使用与可连接和重新连接到一个或多个液化船(例如第一和第二液化船602a，602b)的第一和第二系泊浮动可拆卸转塔632,634连接的管道630输送到海上。例如，第一系泊浮动可拆分转塔632可将管道630连接到第一液化船602a，使得经处理的天然气可以被输送到其上并在其上液化。第二系泊浮动可拆卸转塔634可以在天然气输送到第一液化船602a结束之前将管道630连接到第二液化船602b。以这种方式，来自陆上天然气处理设施600的天然气可以容易地转换以在没有显著中断来自陆上天然气处理设施600的天然气流动的情况下输送到第二液化船602b。在一方面，第一和第二液化船602a，602b在其上包括相同或基本上相同的工艺设备。由于在液化船上生产LNG，所以在图6中公开的方面的优点是消除了LNG在生产现场的过水转移。另一个优点是由于管道630递送经处理的和/或预冷却的天然气到海上点，因此不需要大量的疏浚以及近岸现场准备来接收大型液化船。
图7是根据本公开的另一方面的LNG出口终端700的图示，如前所述，其中位于陆上的天然气处理设施701去除杂质和/或预冷却天然气。经处理的天然气可经由气体管道740被输送到近岸。经处理的天然气可经由第一泊位742被输送到液化船702。液化船702被配置为类似于本文先前描述的液化船，并且将不会进一步描述。第一泊位742可包括可连接和重新连接到液化船702的气体装载臂。经处理的天然气在第一液化船上液化，如前面方面中所述。一个或多个常规LNG运输工具，LIN，或两用运输工具744可经由另外的泊位746a，746b流体连接到液化船702。每个另外的泊位746a，746b包括低温液体装载臂，以从液化船702接收LNG和/或将LIN输送到液化船702。在一个方面，两用运输工具748在另外的泊位中的一个746b被接收以与液化船702交换低温液体。两用运输工具748是能够将LIN输送到出口终端并且还能够将LNG输送到进口终端的船舶。两用运输工具748可以不具有安装在其内或其上的任何LNG处理设备。液化船702可连接到位于第一泊位742上的低温装载臂，以允许在两用运输工具748和液化船702之间的低温流体转移。在液化船702上产生的LNG从液化船702经由第一泊位742和另外的泊位746b输送到两用运输工具748。LIN从两用运输工具748经由另外的泊位746b和第一泊位742输送到液化船702。液化船702可暂时或永久地停靠在第一泊位处或离岸的附近位置，并且两用运输工具748可用于将LNG输送到进口终端(未示出)并将液氮输送到出口终端。图7中公开的方面的优点在于单个液化船可以足以用于在LNG出口终端700处的LNG生产和储存。一个或多于一个常规的LNG运输工具，液氮运输工具和/或两用运输工具可以用于LNG储存和将LNG输送到进口终端。由于预期液化船比常规运输工具花费更多(由于在液化船上的LNG液化模块)，因此对于输送目的而言，使用常规运输工具来输送LNG和LIN的选项可能优于使用液化船。
图8是根据所公开的方面的LIN到LNG工艺模块800的示意图。如先前所公开的，LIN到LNG工艺模块800设置为安装在液化船中或液化船上。液氮料流802可以被引导至泵804。泵804可以将液氮料流802的压力增加至大于400psi，以由此形成高压液氮料流806。高压液氮料流806在第一和第二热交换器810，812中与天然气料流808交换热量以形成第一温热的氮气料流814。第一温热的氮气料流814在第一膨胀器816中膨胀以产生第一另外冷却的氮气料流818。第一另外冷却的氮气料流818与天然气料流808在第二热交换器812中交换热量以形成第二温热的氮气料流820。第二温热的氮气料流820在第二膨胀器822中膨胀以产生第二另外冷却的氮气料流824。第二另外冷却的氮气料流824与天然气料流808在第二热交换器812中交换热量以形成第三温热的氮气料流826。第三温热的氮气料流826可以与其他工艺料流间接交换热量。例如，在第三温热的氮气料流826在三个压缩级中被压缩以形成压缩的氮气料流828之前，第三温热的氮气料流826可以在第三热交换器829中与压缩的氮气料流828间接交换热量。三个压缩级可以包括第一压缩机级830，第二压缩机级832和第三压缩机级834。第三压缩机级834可以由第一膨胀器816产生的轴功率单独驱动。第二压缩机级832可以由第二膨胀器822产生的轴功率单独驱动。第一压缩机级830可以由第三膨胀器836产生的轴功率单独驱动。压缩的氮气料流828可在每个压缩阶段之后，分别使用第一、第二和第三冷却器838,840和842通过与环境间接热交换而冷却。第一、第二和第三冷却器838,840和842可以是空气冷却器、水冷却器或其组合。压缩的氮气料流828可以在第三膨胀器836中膨胀以产生第三另外冷却的氮气料流844。第三另外冷却的氮气料流844可以在第二热交换器中与天然气料流808交换热量以形成第四温热的氮气料流846。第四温热的氮气料流846可以在作为氮气排放料流848排出到大气之前与其它工艺料流间接交换热量。例如，第四温热的氮气料流846可以在第四热交换器850中与第三温热的氮气料流826间接交换热量。从图8可以看出，天然气料流808可以在第一和第二热交换器810,812中与高压液氮料流806、第一另外冷却的氮气料流818、第二另外冷却的氮气料流824和第三另外冷却的氮气料流844交换热量以形成加压的液体天然气料流852。加压的液体天然气料流852可以通过例如使用膨胀器854和/或阀856而减压以形成LNG产物料流858，所述LNG产物料流858可以被引导至液化船的一个或多个储罐和/或操作地连接到液化船的常规运输工具。与其他已知的液化工艺相对照，本文描述的液化工艺具有需要最小量的功率和工艺设备同时仍然有效率地生产LNG的优点。
图9是根据所公开的方面的用于生产液化天然气(LNG)的方法的方法900的流程图。在块902处，将天然气料流输送到液化船。液化船包括至少一个仅储存液氮的罐和至少一个仅储存LNG的罐。在块904处，使用至少一个热交换器在液化船上液化天然气料流，所述至少一个热交换器在天然气料流与液氮料流之间交换热量以至少部分蒸发液化氮料流，从而形成温热的氮气料流和包含LNG的至少部分冷凝的天然气料流。
图9中描绘的步骤仅用于说明性目的，并且可能不需要特定步骤来进行所公开的方法学。此外，图9可能没有示出可以进行的所有步骤。权利要求书以及仅权利要求书限定所公开的系统和方法学。
本文描述的方面相对于已知技术具有几个优点。例如，本文公开的液化工艺的功率需求小于在液化船上使用的常规液化工艺的功率需求的20％，或者更优选地小于10％，或者更优选地小于5％。由于这个原因，本文公开的液化工艺的功率需求可能远低于液化船的所需推进功率。根据所公开的方面的液化船可具有与常规LNG运输工具相同的推进系统，因为天然气液化主要通过储存的液氮的蒸发而不是通过液化船的船上功率产生来实现。
另一个优点是本文公开的液化工艺能够在单一液化船中产生大于2MTA的LNG，或更优选地产生大于4MTA的LNG，或更优选地产生大于6MTA的LNG。与已知技术相对照，所公开的液化船的LNG生产能力主要由液化船的储存容量决定。LNG储存容量为140,000m3的液化船可以支持以液化船到达频率为4天LNG年产量约为6MTA的每日料流。一个或多个仅储存液氮的罐可具有小于84,000m3的总体积，或更优选约20,000m3的体积，以为液化船提供总储存容量160,000m3。
另外，根据所公开的方面的液化工艺具有允许快速启动和减少的热循环的另外的优点，因为可以使用储存的液氮的一部分来在非LNG生产期间保持液化模块的设备冷却。此外，预期所公开的液化模块的总成本将显著低于常规液化模块的成本。LIN到LNG液化模块可以小于相等容量的常规液化模块的资本费用(CAPEX)的50％，或者更优选地小于相等容量的常规液化模块的CAPEX的20％。液化模块的降低的成本可以使得液化船将LNG输送到市场上是经济的而不必将其货物转移到较便宜的船舶以便减少液化船的数量。
应该理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对前述公开作出数值改变，修改和替换。因此，前面的描述并不意在限制本公开的范围。更确切地说，本公开的范围仅由所附权利要求书及其等同物来确定。还可以预期的是，本实施例中的结构和特征可以改变、重排、取代、删除、复制、组合或添加至彼此。

Claims (31)

1.生产液化天然气(LNG)的方法，包括：
在液化船中输送液氮；
将天然气料流输送到液化船；
使用至少一个热交换器在液化船上液化天然气料流，所述至少一个热交换器在天然气料流和来自输送的液氮的液氮料流之间交换热量以至少部分蒸发液氮料流，以由此形成温热的氮气料流和包含LNG的至少部分冷凝的天然气料流；和
在液化船中的专门用于在其中储存LNG的罐中储存和输送LNG；
其中所述液化船还包括至少一个专门在其中储存和输送液氮的罐和至少一个在其中储存LNG或液氮的罐；
其中当在所述液化船中输送液氮时，所述专门用于在其中储存LNG的罐不储存液氮；和
其中当在所述液化船中输送LNG时，所述至少一个专门在其中储存和输送液氮的罐不储存LNG。
2.权利要求1的生产液化天然气的方法，还包括：
从浮动生产单元(FPU)船获得天然气料流，该浮动生产单元(FPU)船从储层生产天然气并处理所生产的天然气以在将天然气料流输送到液化船之前从其中去除水、重质烃和酸性气体中的至少一种。
3.权利要求2的生产液化天然气的方法，还包括：
将温热的氮气料流输送到浮动生产单元(FPU)船；和
在浮动生产单元(FPU)船上的工艺中使用温热的氮气料流。
4.权利要求3的生产液化天然气的方法，还包括：
在浮动生产单元(FPU)船上压缩温热的氮气料流；和
将压缩的温热的氮气料流注入储层以维持压力。
5.权利要求1-4中的任一项的生产液化天然气的方法，还包括：
降低温热的氮气料流的压力以产生至少一个另外冷却的氮气料流；和
在所述至少一个另外冷却的氮气料流与所述天然气料流之间交换热量以形成另外的温热的氮气料流。
6.权利要求5的生产液化天然气的方法，其中使用至少一个膨胀器设备降低所述温热的氮气料流的压力。
7.权利要求6的生产液化天然气的方法，还包括从连接到所述至少一个膨胀器设备的至少一个发电机产生电功率。
8.权利要求5的生产液化天然气的方法，其中所述至少一个另外冷却的氮气料流与所述天然气料流交换热量以形成温热的氮气料流。
9.权利要求1-4中任一项的生产液化天然气的方法，还包括：
经由配置为连接、断开连接和重新连接至液化船的系泊浮动可拆卸转塔将天然气料流输送到液化船。
10.权利要求9的生产液化天然气的方法，还包括在所述天然气料流被液化的同时在出口终端处停靠所述液化船。
11.权利要求10的生产液化天然气的方法，其中单个液化船用于在出口终端处的LNG生产和储存，并且所述方法还包括：
在出口终端处储存LNG，并使用多于一个的LNG运输工具、液氮运输工具和两用运输工具将LNG输送到进口终端。
12.权利要求1-4中任一项的生产液化天然气的方法，还包括：
经由连接至陆上气体管道的装载臂将天然气料流输送到液化船，所述装载臂被配置为连接、断开连接和重新连接至液化船。
13.权利要求12的生产液化天然气的方法，还包括：
经由配置为连接、断开连接和重新连接至液化船的低温液体装载臂将液氮从分离容器输送到液化船，液氮料流包含输送的液氮。
14.权利要求12的生产液化天然气的方法，还包括：
经由配置为连接、断开连接和重新连接至液化船的低温液体装载臂将LNG从液化船输送到分离容器。
15.权利要求1-4中的任一项的生产液化天然气的方法，还包括：
在LNG进口终端处使用来自LNG气化的可用有效能来液化氮气，由此形成液氮料流中的液化氮。
16.权利要求1-4中任一项的生产液化天然气的方法，还包括：
在将天然气料流输送到液化船之前将天然气料流冷却至不低于约-40℃的温度。
17.权利要求1-4中的任一项的生产液化天然气的方法，还包括：
从陆上设施获得天然气料流，所述陆上设施处理天然气以从其中去除水、重质烃和酸性气体中的至少一种以产生所述天然气料流。
18.权利要求1-4中的任一项的生产液化天然气的方法，还包括：
在液化调节和/或关闭期间，使用液氮和液氮汽化气体之一维持液化船上的液化设备的温度。
19.权利要求1-4中任一项的生产液化天然气的方法，还包括使用液氮液化蒸发的氮气。
20.权利要求1-4中任一项的生产液化天然气的方法，还包括在液化船上的LNG生产之间的时期使用温热的氮气来解冻所述至少一个热交换器。
21.用于液化天然气料流的系统，包括：
将液化天然气(LNG)从第一位置输送到第二位置并将液化氮(LIN)输送到第一位置的液化船，所述液化船包括；
至少一个专门储存LIN的罐，
至少一个专门用于在其中储存LNG的罐，
至少一个在其中储存LNG或LIN的罐，以及
包括至少一个热交换器的LNG液化系统，所述至少一个热交换器在来自在所述天然气液化船上储存和输送的LIN的LIN料流与输送到所述天然气液化船的天然气料流之间交换热量以至少部分地蒸发所述LIN料流，由此形成温热的氮气料流和包含LNG的至少部分冷凝的天然气料流，所述LNG配置为储存在天然气液化船上的至少一个专门用于在其中储存LNG的罐中以输送到第二位置；
其中当在液化船中将LIN输送到第一位置时，所述至少一个专门用于在其中储存LNG的罐不储存LIN；和
其中当在液化船中将LNG输送到第二位置时，所述至少一个专门储存LIN的罐不储存LNG。
22.权利要求21的用于液化天然气料流的系统，还包括：
浮动生产单元(FPU)船，其被配置为从储层生产天然气料流并且在将天然气料流输送到液化船之前从天然气料流中去除水、重质烃和酸性气体中的至少一种。
23.权利要求21或权利要求22的用于液化天然气料流的系统，其中降低所述温热的氮气料流的压力以产生至少一个另外冷却的氮气料流，并且所述系统还包括第二热交换器，所述第二热交换器配置为在所述至少一个另外冷却的氮气料流和天然气料流之间交换热量，以由此形成另外温热的氮气料流。
24.权利要求23的用于液化天然气料流的系统，还包括至少一个配置为降低所述温热的氮气料流的压力的膨胀器设备。
25.权利要求24的用于液化天然气料流的系统，还包括连接到所述至少一个膨胀器设备的至少一个发电机，所述至少一个发电机中的每一个被配置为产生电功率。
26.权利要求25的用于液化天然气料流的系统，还包括由所述至少一个发电机供电的电动机驱动的压缩机，所述电动机驱动的压缩机配置为压缩所述温热的氮气料流。
27.权利要求24的用于液化天然气料流的系统，其中所述至少一个膨胀器设备与至少一个压缩机连接，以由此压缩所述温热的氮气料流。
28.权利要求21或权利要求22的用于液化天然气料流的系统，还包括第三热交换器，所述第三热交换器在所述至少一个另外冷却的氮气料流与所述天然气料流之间交换热量，以由此形成温热的氮气料流。
29.权利要求21或权利要求22的用于液化天然气料流的系统，还包括配置为连接、断开连接和重新连接到液化船的系泊浮动可拆卸转塔，其中所述天然气料流经由所述系泊浮动可拆卸转塔被输送到所述液化船。
30.权利要求29的用于液化天然气料流的系统，其中单个液化船用于出口终端处的LNG生产和储存，并且所述系统还包括：
在出口终端处储存LNG，并使用多于一个的LNG运输工具、液氮运输工具和两用运输工具将LNG输送到进口终端。
31.权利要求21或权利要求22的用于液化天然气料流的系统，还包括用于将LIN从分离容器输送到液化船的低温液体装载臂，所述低温液体装载臂配置为连接、断开连接和重新连接至液化船。
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