JP6140713B2 - Ｌｎｇ生産のための多窒素膨張プロセス - Google Patents

Description

ガス液化プロセスには、ＬＮＧ（液化天然ガス）生産のために世界的に用いられている５つの分類がある。

これらは、より低いレベルの効率性（生産されるＬＮＧの単位数量当たりのエネルギー需要が高い）を有する基本的なシステム及び高い効率性を有するより複雑なシステムのように、複雑性及び効率性の点で異なる。（設備投資及び営業経費の観点からの）複雑性と効率性との間で妥協がなされることになる。

５つの分類は、単純なガス膨張、強化された膨張、単段サイクル冷却、２段サイクル冷却、３段サイクル冷却、として分類することができる。

ＬＮＧプラントの効率性は、生産されるＬＮＧ１トン当たりの特定電力需要（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｐｏｗｅｒ ｄｅｍａｎｄ）の観点から測ることができ、当該電力需要は、最も効率的な大規模近代プラントでは２５０ｋＷｈ／ｔ（１トン当たりのキロワット時）から、小規模の単純な再液化プラント及びピークシェービングプラントでは最大６００〜７００ｋＷｈ／ｔまでの範囲である可能性がある。

また、これら５つの分類の範囲内で利用可能な多くのプロセスは、固有の安全性リスク、世界規模で操業しているプラントの数、海上作業に対する適合性などのいくつかの重要な点によって異なる。

強化された膨張器プラントという第２の分類の範囲内で、様々な方法で単段膨張器プロセスの効率性を高めることを目標としている種々の特許取得済のプロセスが存在する。これらのプロセスは、通常、更なる冷却を生み出すために、「圧縮膨張器」（ガス圧縮器に直接連結されているガスターボ膨張器）を活用する。殆どのプロセスは、２段即ち２つのレベルのガス膨張、及び従ってガス冷却を使用し、プロセスの効率性を最適化する。冷却流体は、供給ガス（Ｍｕｓｔａｎｇ設計）、窒素（ＢＨＰ、Ｋａｎｆａ Ａｒａｇｏｎ、ＡＰＣＩ 及び Ｓｔａｔｏｉｌ設計）、又は１つの窒素ループ及び１つのメタンループ（ＣＢ＆Ｉ Ｎｉｃｈｅ設計）のいずれかであり得る。

窒素ベースの膨張器プロセスは多くの魅力、特に始動及び停止の容易さの観点からより高い有用性をもたらすこと、及び当該プロセスは可燃性冷媒の膨大な在庫を含まないのでより優良な固有の安全性を有する。しかし、それらの効率性はより一般的な２段冷却サイクルプロセスより低い。既存の２段膨張器プロセスは、通常、約４２０〜約５００ｋＷｈ／ｔの範囲内の特定電力需要を有するのに対して、この新規の着想の目的は、特定電力需要を４００ｋＷｈ／ｔ未満に低減することができるようにすることである。

自然に発生するガス田及び油田から気体の形態で得られる天然ガスが、発生源から放出されて、商業的に使用され得る前に処理を必要とする天然ガス供給原料を形成する。天然ガス供給原料は処理設備に進入し、様々な設備における種々の作業により処理され、最終的に使用に適した形の液化天然ガス（ＬＮＧ）として出現する。液化ガスはその後に保存され、再蒸発及びその後の使用のために別の適切な場所に移送される。天然ガス供給原料の処理では、自然に発生する田から出現するガスは、存在する処理において使用される機器の閉塞の可能性を低減するか又は無くすために、且つ他の処理課題を克服するために、冷却されてＬＮＧを形成する前に、例えば二酸化炭素及び水分等の不純物又は汚染物質を除去してそれらの濃度を低下させるように、最初に前処理されなければならない。不純物及び／又は汚染物質の一例が、二酸化炭素及び硫化水素などの酸性ガスである。酸性ガス除去設備で酸性ガスが除去された後、供給ガス流を乾燥させて水分を残らず除去する。また、冷却の前に天然供給ガスから水銀が除去される。汚染物質又は無用の若しくは望ましくない物質の全てが供給ガス流から除去されると、当該供給ガス流は、ＬＮＧを生産するために冷却などの後続の処理を経る。

通常、天然ガス成分は、大気圧で、−１６５℃〜−１５５℃の温度範囲で液化する。天然ガスの臨界温度は、約−９０℃〜−８０℃であり、それは、天然ガスは実際には単に圧力をかけることだけでは液化させることはできず、さらに臨界温度未満に冷却されなければならないことを意味する。

天然ガス供給原料の冷却は、複数の異なる冷却プロセスサイクルにより達成されてもよく、そのうちの１つは窒素膨張器サイクルの使用を含み、当該窒素膨張器サイクルの最も簡単な形態では閉ループが使用され、当該閉ループでは、窒素ガスが最初に圧縮され、空冷又は水冷で周囲条件まで冷却され、次いで低温低圧窒素ガスとの対向流交換により更に冷却される。冷却された窒素流は、次いで、ターボ膨張器により膨張され、低温低圧流を作り出す。低温窒素ガスは、熱交換デバイス内の天然ガス供給原料及び高圧窒素流を冷却するのに使用される。膨張する窒素により膨張器内で生じる仕事は、膨張器のシャフトに接続されている窒素ブースタ圧縮器内で取り戻される。このように、本プロセスでは、低温窒素が天然ガスを冷却することにより当該天然ガスを液化するのに使用されるばかりでなく、低温窒素が同熱交換器内で窒素ガスを事前冷却するか又は冷却するのにも使用される。事前冷却又は冷却された窒素は、次いで、その後、膨張により更に冷却されて低温窒素冷媒を形成する。

米国特許第６，４１２，３０２号は、２段膨張器ニッチＬＮＧプロセス（ｄｕａｌ ｅｘｐａｎｄｅｒ ｎｉｃｈｅ ＬＮＧ ｐｒｏｃｅｓｓ）を開示している。ＬＮＧ生産のための本プロセスでは、２段独立膨張器冷却サイクルが使用されている。

Ｋａｎｆａ Ａｒａｇｏｎの名における国際公開第２００９０１７４１４号パンフレットが、ＢＨＰプロセスと類似した、ＬＮＧを生産するための窒素２段膨張器プロセスを開示している。

どちらもＳｔａｔｏｉｌの名における国際公開第２００９１３０４６６号パンフレット及び米国特許第７，３８６，９９６号明細書は、窒素２段膨張器プロセスを開示しており、それはＢＨＰプロセスの改善版であるが、依然として２つの膨張器に基づいている。

米国特許第６，２５０，２４４号明細書が、冷媒の温度上昇曲線の勾配が熱交換器を通る冷媒の流量を変更することにより修正され得ること、特に勾配は冷媒の流量を減少させることにより増大され得ることを開示している。また、当該文献は、窒素流が２つの流れに分割された場合に窒素温度上昇曲線を単一直線から異なる勾配の２つの交差する直線に変更させることが可能であることを開示している。そのようなプロセスの例が、米国特許第３，６７７，０１９号に開示されている。この明細書は、圧縮された冷媒が少なくとも２つの部分に分割され、各部分は仕事膨張（ｗｏｒｋ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）により冷却されるプロセスを開示している。各仕事膨張した部分は、ガスが液化されるように冷却するために別個の熱交換器に供給される。これにより、冷媒温度上昇曲線は、異なる勾配の少なくとも２つの直線を含むことになる。このことは、温度上昇曲線と冷却曲線との照合において助けとなり、プロセスの効率性を向上させる。この明細書は２０年以上前に公開され、そこに開示されているプロセスは、現在の基準によると不十分である。

米国特許第６，２５０，２４４号明細書では、永久ガス流を液化するプロセスが開示されており、また、当該プロセスは、液化されるガスの冷却曲線を冷媒の温度上昇曲線と照合するために、冷媒流を少なくとも２つの部分に分割するステップを含む。本プロセスにおける全膨張器の出口は、約１ＭＰａより高い圧力にある。当該明細書は、そのような高圧が冷媒の比熱を高め、それにより冷媒サイクルの効率性を向上させることを示唆している。効率性の向上を実現するために、冷媒が、膨張器の１つの出口においてその飽和点に又は飽和点付近にある必要がある。何故なら、比熱は飽和点付近でより高いからである。冷媒が飽和点にある場合、これらの条件下で、熱交換器に供給される冷媒中に何らかの液体が存在する。２相冷媒を取り扱うために熱交換器が修正される必要があるか、又は熱交換器に供給される前に冷媒が液相と気相とに分離される必要があるかのどちらかの理由で、これは追加経費をもたらす。

ＢＨＰの名における米国特許第６，２５０，２４４号明細書は、窒素２段膨張器プロセスを開示している。ＬＮＧを生産するこのプロセスでは、本方法の作業過程に関与する熱力学的非効率及び従って所要電力を最小限にするために、冷媒の温度上昇曲線が、液化される生成物の冷却曲線により厳密に一致するように、単相窒素冷媒が、別個の熱交換器に入れられる前に、別個のターボ膨張器を通過させられる少なくとも２つの別個の部分に冷媒流が分割されるように使用される。

米国特許第５７６８９１２号明細書が、２つの平行配置されたターボ膨張器を用いた、先行技術の窒素膨張器プロセスを開示している。

本願は、異なる膨張器圧力レベルと、複数の圧縮器を備える窒素圧縮ユニットと、圧縮される窒素の１つ以上のサイドストリームとを用いる窒素膨張プロセスを開示している。

本発明は、少なくとも２つの窒素冷媒流を含む天然ガス液化方法に関し、各窒素冷媒流は圧縮、冷却、膨張及び加熱のサイクルを経る間に、少なくとも２つの窒素冷媒流のうちの他の窒素冷媒流とは異なる圧力まで膨張され、１つ以上の熱交換器内で加熱が起こり、膨張された窒素冷媒流は、１つ以上の熱交換器の少なくとも１つにおいて、天然ガス流及び１つ以上の圧縮された窒素冷媒流と熱交換関係にあり、少なくとも１つの膨張された窒素冷媒流は、主窒素圧縮器の段においてサイドストリーム（ｓｉｄｅ ｓｔｒｅａｍ）として圧縮され、圧縮されたサイドストリームは、主窒素圧縮器の段を通過した後に、別の圧縮された窒素冷媒流と合流する。

本発明の態様によれば、前述の方法が提供されており、主窒素圧縮器は少なくとも２つの圧縮器段を備える。

本発明の態様によれば、前述の方法が提供されており、主窒素圧縮器のユニットは、共通駆動シャフト上で連結されている少なくとも２つの圧縮器を備える。

本発明の態様によれば、前述の方法が提供されており、圧縮された窒素冷媒流は、少なくとも２つの平行配置された膨張器によって互いに異なる圧力レベルに分割される。

本発明の態様によれば、前述の方法が提供されており、各膨張器が、共通駆動シャフトによって、窒素冷媒流を圧縮する圧縮器に接続されている。

本発明の態様によれば、前述の方法が提供されており、各膨張器に接続されている各圧縮器が、主窒素圧縮器により圧縮される窒素冷媒流の一部を受け入れて圧縮する。

本発明の態様によれば、前述の方法が提供されており、各膨張器に接続されている少なくとも１つの圧縮器が、熱交換器を通過した窒素冷媒流の少なくとも一部を受け入れて圧縮する。

本発明の態様によれば、前述の方法が提供されており、主窒素圧縮器はガスタービン駆動型又は電気モータ駆動型又は蒸気タービン駆動型である。

本発明の態様によれば、前述の方法が提供されており、膨張は、各膨張器における高圧膨張段、中圧膨張段及び低圧膨張段を含む。

本発明の態様によれば、前述の方法が提供されており、主窒素圧縮器は３つの圧縮器段を備え、相異なる圧力を有する２つのサイドストリームを受け入れる。

本発明の態様によれば、前述の方法が提供されており、３つの圧縮器は共通駆動シャフト上で連結されている。

本発明の態様によれば、前述の方法が提供されており、平行配置された３つの膨張器うちの２つがターボ膨張器であり、第３の膨張器がジュール−トムソン（Ｊｏｕｌｅ−Ｔｈｏｍｐｓｏｎ）弁である。

複数の窒素圧力レベル（高圧（ＨＰ：温かい）、中間圧（ＩＰ）、低圧（ＬＰ：低温）レベル）と組み合わせられた複数の平行配置された膨張器を用いた、且つ窒素圧縮器ユニット用の少なくとも１つの窒素サイドストリームを用いた、ＬＮＧ生産のための窒素ベースの３段膨張プロセスに関して、あるプロセスが特許請求されている。

本発明はまた、天然ガスを複数の窒素冷媒流との熱交換関係に置く１つ以上の熱交換器からなる熱交換器システムと、第１の窒素冷媒流及び少なくとも第２の窒素冷媒流を圧縮する少なくとも２つの圧縮器と、第１の窒素冷媒流を第１の圧力まで膨張させる第１の膨張器、及び少なくとも第２の窒素冷媒流を第１の圧力より低い少なくとも第２の圧力まで膨張させる少なくとも第２の膨張器とを備える、天然ガス液化装置に関し、当該装置は、少なくとも２つの圧縮器段を有する主窒素圧縮器を更に備え、各圧縮器段は関連する窒素冷媒流を受け入れるように配置されており、各窒素冷媒流は、少なくとも２つの窒素冷媒流のうちの他の窒素冷媒流とは異なる圧力を有し、１つの窒素冷媒流は他の窒素冷媒流と合流するサイドストリームである。

並行して動作する３つの窒素ターボ膨張器を使用する構成が好適である。

本発明は、第３の膨張器段を付加して効率性を向上させることによる、既知の窒素２段膨張器プロセスの更なる改善形態である。

本発明の態様によれば、前述の装置が提供されており、１つの窒素冷媒流は、１つの窒素冷媒流に関連する圧縮器段を通過した後に、他の窒素冷媒流が他の窒素冷媒流に関連する圧縮器段へ進入する前に、他の窒素冷媒流と合流する。

本発明の態様によれば、前述の装置が提供されており、主窒素圧縮器は、共通駆動シャフト上で連結されている少なくとも２つの圧縮器を備える。

本発明の態様によれば、前述の装置が提供されており、圧縮された窒素冷媒流は、少なくとも２つの平行配置された膨張器によって互いに異なる圧力レベルに分割される。

本発明の態様によれば、前述の装置が提供されており、各膨張器は、共通駆動シャフトによって、窒素冷媒流を圧縮するために配置されている圧縮器に接続されている。

本発明の態様によれば、前述の装置が提供されており、各圧縮器は、主窒素圧縮器により圧縮される窒素冷媒流の一部を受け入れて圧縮する。

本発明の態様によれば、前述の装置が提供されており、少なくとも１つの圧縮器が、熱交換器システムを通過した窒素冷媒流が主窒素圧縮器に流動する前に、熱交換器システムを通過した窒素冷媒流の少なくとも一部を受け入れて圧縮する。

本発明の態様によれば、前述の装置が提供されており、主窒素圧縮器は、ガスタービン駆動型又は電気モータ駆動型又は蒸気タービン駆動型である。

本発明の態様によれば、前述の装置が提供されており、第１の膨張器及び少なくとも第２の膨張器は、各膨張器における高圧膨張段、中圧膨張段及び低圧膨張段を備える。

本発明の態様によれば、前述の装置が提供されており、主窒素圧縮器が３つの圧縮器を備え、相異なる圧力を有する２つのサイドストリームを受け入れる。

本発明の態様によれば、前述の装置が提供されており、平行配置された３つの膨張器のうちの２つがターボ膨張器であり、第３の膨張器がジュール−トムソン弁である。

本発明による方法及びプロセスは、実際、海上用途に特定の利点を有する最適化されたＮ２膨張器プロセスとして非常に適しており、当該方法及びプロセスは、Ｎ２冷却プロセスの固有の安全性の便益を生かし、いくらか複雑性を増大させるが、比較的小さいプロセス占有スペースと組み合わせられてシステム効率を最大限にする。

本発明は、添付図面を参照して、例示的実施形態に関連して以下に更に記載される。

Ｓｔａｔｏｉｌの先行技術の２段窒素膨張器プロセスの図である。 本発明の実施形態による２段膨張プロセスの図である。 本発明の実施形態による別の２段膨張プロセスの図である。 本発明の実施形態による第１の３段膨張プロセススキームの図である。 本発明の実施形態による代替的３段膨張プロセススキームの図である。 ＨＰ膨張段用のジュール−トムソン（ＪＴ）弁を備えた、本発明の実施形態による２段膨張プロセスの図である。 ＨＰ膨張段用のＪＴ弁を備えた、本発明の実施形態による代替的２段膨張プロセスの図である。

図１は、天然ガス液化のための、Ｓｔａｔｏｉｌの２段窒素膨張器プロセス用の先行技術のシステムを示す。

先行技術によるプロセスシステム１００は、熱交換器システム２、即ち１つ以上の熱交換器又はヒートシンク又は「コールドボックス」と、第１の（ターボ）膨張器ユニット３と、第２のターボ膨張器ユニット４と、サイクル圧縮器（複数可）５、６とを備える。更に、プロセス設備は中間冷却器と後段冷却器７、８、９とを備える。

プロセスシステム１００は天然供給ガス１０用の入口を備える。天然供給ガスは、天然ガス流１５として、残留ガス（フラッシュガス：ＦＬＡＳＨ）から液化天然ガス（ＬＮＧ）を分離するフラッシュデバイス１１の方へと熱交換器システム２を通過する。

熱交換器システム２の内部では、天然供給ガス流は、低温窒素ガスの向流１７、１９により冷却される。低温窒素向流は、第１の膨張器３ｂ及び第２の膨張器４ｂ内で生成される。熱交換器システムの出口において、温かい窒素は、高圧窒素流１８を生み出す主サイクル圧縮器５、６へ送られる。高圧流が第１のターボ膨張器３の圧縮器部分３ａ、第２のターボ膨張器４の圧縮器部分４ａを通過した後、窒素流は高圧窒素流１６として存続する。高圧流１６は、熱交換器２に進入し、ターボ膨張器３の膨張器部分３ｂ、ターボ膨張器４の膨張器部分４ｂの方へ、天然供給ガス流１５に平行に流動する。膨張器部分を通過した後、窒素流は更に冷却され、熱交換器２内で向流１７として存続する。

図１を参照すると、窒素膨張器のコンセプトは、１つの膨張器を用いた単一圧力レベルサイクルから２つの膨張器を用いた二重圧力レベルへ移行することにより、効率性の観点から既に強化されている。

図２は、本発明の実施形態による代替的プロセススキーム５４を示す。本実施形態では、窒素ガスサイクルの膨張は、２つのターボ膨張器Ｈ、Ｌにより処理される。

一方のターボ膨張器Ｌが、窒素ガスの比較的低圧の膨張のために配置されており、他方のターボ膨張器Ｈが、比較的高圧の膨張のために配置されている。

本実施形態における主窒素圧縮器は、２つの連結された圧縮器段又はユニット２２、２３を備える。第１の圧縮器段２２は、低圧ターボ膨張器Ｌの圧縮器部分ＬＣの出口に連結されている入口を有する。第１の圧縮器２２に供給される流れは圧縮器部分ＬＣから来ている。

第２の圧縮器段２３は、高圧ターボ膨張器Ｈの圧縮器部分ＨＣの出口から来る流入流を有する。

第１の圧縮器段の出口は、第１の圧縮器段内で加圧された後の低圧ターボ膨張器Ｌからの圧縮器排出流が、第２の圧縮器段の入口の前で高圧ターボ膨張器からの圧縮器排出流に付加されるように、第２の圧縮器段の入口に連結されている。

この方法では、高圧圧縮流ＣＳが、天然供給ガス１５に平行な流動で熱交換器２に進入するように形成されている。

熱交換器システムの内部で、高圧圧縮流ＣＳは、高圧膨張器ＨＥのための第１の進入流と低圧膨張器Ｌのための第２の進入流とに分割される。

高圧および低圧ターボ膨張器Ｈ、Ｌの膨張器部分ＨＥ，ＬＥでは、各進入流は冷却された窒素流ＨＳ、ＬＳとして膨張し、天然供給ガス流及び高圧圧縮窒素流ＣＳに対する向流として熱交換器システム２を通して移送される。冷却された窒素流ＨＳ、ＬＳの各々は、熱交換器システム２を通過した後、ターボ膨張器Ｈ，Ｌの圧縮器ＨＣ、ＬＣの入口に導かれる。このように、低圧ターボ膨張器Ｌの膨張器部分ＬＥからの冷却された窒素流ＬＳは、熱交換器２を通して移送され、次いで低圧ターボ膨張器Ｌの圧縮器部分ＬＣの入口に導かれる。高圧ターボ膨張器Ｈの膨張器部分ＨＥからの冷却された窒素流ＨＳは、熱交換器システム２を通して移送され、次いで高圧ターボ膨張器Ｈの圧縮器部分ＨＣの入口に導かれる。

中間冷却器／後段冷却器が設置されている。即ち、中間冷却器３６が、高圧ターボ膨張器Ｈの圧縮器出口と第２の圧縮器段２３の入口との間に設置されている。第２の中間冷却器３２が、第１の圧縮器段２２の出口と第２の圧縮器段２３の入口との間に設置されている。第３の中間冷却器３５が、第２の圧縮器段の出口に設置されている。

単一熱交換器２は、例えばプレートフィン型熱交換器、シェルアンドチューブ型熱交換器の渦巻き型熱交換器など、複数の熱交換器ユニットとして具体化されてもよいことが知られている。

図３は、本発明の実施形態による別の代替的処理スキーム５５を示す。図２に示されている実施形態と同様に、当該プロセススキームは、２つのターボ膨張器Ｈ、Ｌ及び２段主窒素圧縮器により処理される窒素ガスサイクルの膨張を応用する。

しかし、本実施形態では、主窒素圧縮器により生成される高圧流ＣＳが熱交換器に直接移送されず、最初に高圧ターボ膨張器の圧縮器部分ＨＣ及び低圧ターボ膨張器の圧縮器部分ＬＣそれぞれを通して移送される。主窒素圧縮器からの高圧流ＣＳは、高圧ターボ膨張器の圧縮器部分ＨＣへの流れと低圧ターボ膨張器の圧縮器部分ＬＣへの流れとに分割される。各圧縮器部分を通過した後、流れは、天然供給ガス流に平行な流動で熱交換器を通過する単一流として合流する。

熱交換器２内で又はその場所で、圧縮された流れＣＳは、高圧膨張器ＨＥの入口への流れと低圧膨張器ＬＥの入口への流れとに分割される。各膨張器部分ＨＥ、ＬＥ内での膨張冷却後の流れの各々は、熱交換器２を通して移送され、次いで、主窒素圧縮器の対応する圧縮器段２２、２３に移送される。即ち、低圧ターボ膨張器Ｌから第１の圧縮器段２２の入口への流れ、高圧ターボ膨張器Ｈから第２の圧縮器段２３の入口への流れである。第１の圧縮器段からの加圧された流れは、第２の圧縮器段の入口に進入する流れと一緒になる。

中間冷却器３２、３３は、圧縮後の流れを冷却するように配置されている。

図４は、本発明の実施形態による第１の３段膨張プロセススキーム５０を示す。

液化プロセスは、第３の圧力レベル及び第３の膨張ステップを追加することにより更に向上させることができる。この構成では、窒素流の循環のために４つの圧力レベル、即ち圧縮器の吐出しからの高圧、２つの中圧、及び低圧、が存在することになる。

ＨＰ（高圧）窒素がコールドボックス内で冷却されることになり、第１の抽出流はＨＰ膨張器ＨＥに供給され、熱交換器システムに供給し戻される低温Ｎ２流を生成し、主窒素圧縮器２２、２３、２４の第３段の吸込みに戻ることになる。

より冷却されたＨＰ窒素が、第２の抽出流に取り込まれて、ＩＰ（中圧）膨張器ＩＥに供給され、熱交換器システムに供給し戻される第２の低温Ｎ２流を生成し、主窒素圧縮器の第２段の吸込みに戻る。

残留しているサブクールＨＰ窒素は、第３の抽出流に取り込まれて、ＬＰ（低圧）膨張器ＬＥに供給され、熱交換器システムに供給し戻される第３の低温Ｎ２流を生成し、主窒素圧縮器の第１段の吸込みに戻る。

第３段圧縮器の吐出しからの圧縮された窒素は、３つの膨張器ＨＥ、ＩＥ、ＬＥそれぞれに連結されている圧縮器ＨＣ、ＩＣ、ＬＣを使用して圧力を更に高められる。各圧縮器は、共通駆動シャフトによって各膨張器に連結されている。

このようにして、３つのレベルの冷却が生み出され、同時に、熱交換器システムからの全ての戻り流が主窒素圧縮器に一緒にされるので、主窒素ガス圧縮器の電力は最小化され、従って、ＬＮＧ生産プロセスの全体的な効率性を向上させる。

更に、各膨張器により作り出される３つの温度レベルは、向上した効率性を有する熱交換器システムの冷却曲線をもたらす。

このことは、図４を参照してより詳細に例示されている。

図４に示されている通り、ターボ膨張器内に３つの圧力レベルが存在し、当該圧力レベルは、高圧レベルターボ膨張器Ｈと、中圧ターボ膨張器Ｉと、低圧ターボ膨張器Ｌとを含む。各ターボ膨張器は、膨張器部分ＨＥ、ＩＥ、ＬＥと圧縮器部分ＨＣ、ＩＣ、ＬＣとを備え、膨張器部分の駆動シャフトは圧縮器部分の駆動シャフトと連結されている。各膨張器ＨＥ、ＩＥ、ＬＥの膨張した窒素の出口は、熱交換器システムを通した、高圧流ＨＳ、中圧流ＩＳ、及び低圧流ＬＳそれぞれの低温の膨張した窒素の移送のために、熱交換器システム２に連結されている。

更に、サイクル圧縮器装置は、膨張した窒素流ＨＳ、ＩＳ、ＬＳの各々からの各膨張した窒素ガス流を単一の圧縮された流れＣＳに圧縮するために配置されている３つの窒素圧縮器段２２、２３、２４で作製されている。各圧縮器段の出口に、圧縮された窒素流を冷却するために中間冷却器３２、３３、３４が配置されている。

圧縮された流れＣＳは、高圧ターボ膨張器Ｈ、中圧ターボ膨張器Ｉ、及び低圧ターボ膨張器Ｌの各１つを駆動するために、圧縮器側ＨＣ、ＩＣ、ＬＣを通過するように配置されている。ターボ膨張器への運動エネルギーの送達後、圧縮された流れＣＳは中間冷却器３５により冷却され、次いで、天然供給ガス流に平行な流れで熱交換器２を通して移送される。圧縮された流れＣＳは、熱交換器を通過中に冷却される。

熱交換器システムの内部で又はその進入口で、圧縮された流れは、高圧レベル、中圧レベル、及び低圧レベルそれぞれの各それぞれの膨張器ＨＥ、ＩＥ、ＬＥ内で膨張する窒素ガスのための供給として、別個の流れにより高圧ターボ膨張器ＨＥ、中圧膨張器ＩＥ、及び低圧膨張器ＬＥの各々へ分配される。

主窒素圧縮器組立体（連結された窒素圧縮器段）は、駆動シャフトにより主窒素圧縮器に連結されている、ある実施形態ではガスタービンである、圧縮器ドライバＧＴにより駆動される。代替的実施形態では、当該圧縮器ドライバＧＴは、電気モータなどのモータ又は蒸気タービンであってもよい。

図５は、本発明の実施形態による代替的３段膨張プロセススキーム５１を示す。

図５では、例示的圧力レベル（バール）及び流量（総流量の％）が表示されている。ここに示されている値は単なる表示に過ぎず、本発明を限定することを目的としていない。

本代替的実施形態（図５）では、各ＨＰ膨張器ＨＥ、ＩＰ膨張器ＩＥ、及びＬＰ膨張器ＬＥに連結されている圧縮器ＨＣ、ＩＣ、ＬＣは、流れが主窒素圧縮器の第３段２４、第２段２３、第１段２２それぞれに送られる前に、ＨＰガス、ＩＰガス及びＬＰガスそれぞれの圧力を上昇させるために使用されている。主窒素圧縮器２２、２３、２４の圧縮器部分の出口における各流れには、圧縮された各流れを中間冷却器３２、３３、３４によって冷却するために配置されている。

ある例示的実施形態では、熱交換器に進入する前の圧縮された流れＣＳは、約６５バール（１バール≒１気圧）の圧力の全流量（１００％）の窒素である。熱交換器内では、圧縮された流れが、高圧流ＨＳ（３３％流量、２９．８バール）、中圧流ＩＳ（４０％、１７．１バール）、及び低圧流ＬＳ（２７％、１２バール）に分割される。

高圧膨張器部分ＨＥ、中圧膨張器部分ＩＥ、及び低圧膨張器部分ＬＥそれぞれにおいて各流れを膨張させた後、各流れは熱交換器２に供給され、熱交換器を通過した後、各圧縮器部分ＨＣ、ＩＣ、ＬＣに供給される。

本例では、低圧流ＬＳは１６．５バールまで上昇し、主窒素圧縮器の第１の窒素圧縮器段２２に進入し、中圧流ＩＳは２８バールまで上昇し、第２の窒素圧縮器段２３に進入し、高圧流は約４３．４バールまで上昇し、第３の窒素圧縮器段２４に進入する。

図６は、ＨＰ膨張段用のジュール−トムソン（ＪＴ）弁を用いた、本発明の実施形態による２段膨張プロセススキーム５２を示す。

図４を参照して記載されている実施形態と同様の窒素供給スキームで配置されている、本代替的実施形態（図６）では、ＨＰターボ膨張器の代わりに、ジュールトムソン（ＪＴ）弁が高圧流中に配置されている。ＨＰターボ膨張器は、ジュール−トムソン（ＪＴ）膨張弁と交換されており、ＨＰ圧縮器は取り除かれている。熱交換器２を通過した後、ここで、高圧流は主窒素圧縮器の第３の窒素圧縮器段２４に直接供給される。

本実施形態は、冷却の３つの圧力レベルを生成するより簡単な方法を可能にし得るが、図４及び図５に示されているプロセスより効率的でないであろう。

図７には、更に別の代替的実施形態５３が示されており、図６からのより簡単なＪＴ弁プロセスは、図５の代替的圧縮器構成と組み合わせられて、３段膨張プロセスのための代替的スキームをもたらす。

全体的なプロセススキームの効率性は、「コールドボックス」に進入する前にプロセスガスの入口温度を低下させるために、冷媒ループ又は任意の他の冷却手段を使用する事前冷却段の追加により、又は追加冷却サイクルを追加して圧縮器の中間冷却器及び／又は後段冷却器を冷やすことにより、更に向上する可能性がある。

本明細書において本発明の特定の実施形態を記載して例示したが、修正形態及び変形形態が当業者に容易に思い付く可能性があり、その結果として、特許請求の範囲はそのような修正形態及び同等物を含むことが意図されていることが分かる。

Claims (18)

1. 少なくとも２つの窒素冷媒流を含む天然ガス液化方法であって、前記少なくとも２つの窒素冷媒流の各窒素冷媒流が、圧縮、冷却、膨張及び加熱のサイクルを経る間に、前記少なくとも２つの窒素冷媒流のうちの他の窒素冷媒流とは異なる圧力まで膨張され、
   前記加熱が１つ以上の熱交換器において起こり、
   膨張された前記窒素冷媒流が、前記１つ以上の熱交換器（２）のうちの少なくとも１つにおいて、天然ガス流（１５）及び１つ以上の圧縮された前記窒素冷媒流（ＣＳ）と熱交換関係にあり、前記少なくとも２つの膨張された窒素冷媒流のうちの少なくとも１つの窒素冷媒流が、前記１つ以上の熱交換器における熱交換関係にあった後、少なくとも２つの圧縮器段、即ち、第１の窒素圧縮器段（２２）及び第２の窒素圧縮器段（２３）を備える主窒素圧縮器の段においてサイドストリームとして圧縮され、
   共通駆動シャフト上で連結されている膨張器部分（ＬＥ）および圧縮器部分（ＬＣ）を備える低圧ターボ膨張器（Ｌ）からの圧縮器出口流が、前記第１の窒素圧縮器段（２２）で圧縮された後に前記第２の窒素圧縮器段（２３）の入口の前で、共通駆動シャフト上で連結されている膨張器部分（ＨＥ）および圧縮器部分（ＨＣ）を備える高圧ターボ膨張器（Ｈ）からの圧縮器出口流に付加されるように、前記第１の窒素圧縮器段（２２）の出口が前記第２の窒素圧縮器段（２３）の入口に連結されており、
   前記付加された２つの圧縮器出口流が前記第２の窒素圧縮器段（２３）を通過した後に、前記付加された２つの圧縮器出口流は、前記第１の窒素圧縮器段（２２）からの前記圧縮された窒素冷媒流と合流され圧縮された前記サイドストリームを備える合流された圧縮窒素冷媒流を形成する、方法。
2. 前記主窒素圧縮器が、共通駆動シャフト上で連結されている少なくとも２つ
   の圧縮器（２２，２３，２４）を備える、請求項１に記載の方法。
3. 合流され圧縮された前記窒素冷媒流（ＣＳ）が、少なくとも２つの平行配置された膨張器（ＬＥ，ＩＥ，ＨＥ）によって互いに異なる圧力レベルに分割される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 各膨張器（ＬＥ，ＩＥ，ＨＥ）が、共通駆動シャフトによって、窒素冷媒流を圧縮する圧縮器（ＬＣ，ＩＣ，ＨＣ）に接続されている、請求項３に記載の方法。
5. 前記主窒素圧縮器が、ガスタービン駆動型又は電気モータ駆動型又は蒸気タービン駆動型である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記膨張が、各膨張器（ＨＥ，ＩＥ，ＬＥ）における高圧膨張段、中圧膨張段及び低圧膨張段を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記主窒素圧縮器が３つの圧縮器段（２２，２３，２４）を備え、相異なる圧力を有する２つのサイドストリームを受け入れる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記３つの圧縮器段（２２，２３，２４）が共通駆動シャフト上で連結されている、請求項７に記載の方法。
9. ジュール−トムソン弁（ＪＴ）である第３の膨張器が、前記低圧ターボ膨張器および前記高圧ターボ膨張器と平行配置されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 天然ガスを複数の窒素冷媒流との熱交換関係に置く１つ以上の熱交換器からなる熱交換器システムと、
    前記複数の窒素冷媒流のうちの第１の窒素冷媒流及び少なくとも第２の窒素冷媒流を圧縮する少なくとも２つの圧縮器と、
    前記第１の窒素冷媒流を第１の圧力まで膨張させる第１のターボ膨張器（Ｈ）、及び前記少なくとも第２の窒素冷媒流を前記第１の圧力より低い少なくとも第２の圧力まで膨張させる少なくとも第２のターボ膨張器（Ｌ）と、
    を備える天然ガス液化装置であって、
    前記第１のターボ膨張器（Ｈ）は、共通駆動シャフト上で連結されている膨張器部分（ＨＥ）および圧縮器部分（ＨＣ）を備える高圧ターボ膨張器（Ｈ）であり、前記第２のターボ膨張器（Ｌ）は、共通駆動シャフト上で連結されている膨張器部分（ＬＥ）および圧縮器部分（ＬＣ）を備える低圧ターボ膨張器（Ｌ）であり、
    前記天然ガス液化装置は、
    少なくとも第１の窒素圧縮器段（２２）および第２の窒素圧縮器段（２３）を備える主窒素圧縮器を更に含み、各圧縮器段は関連する窒素冷媒流を受け入れるように配置されており、前記低圧ターボ膨張器（Ｌ）からの圧縮器出口流が、前記第１の窒素圧縮器段（２２）で圧縮された後に前記第２の窒素圧縮器段（２３）の入口の前で、高圧ターボ膨張器（Ｈ）からの圧縮器出口流に付加されるように、前記第１の窒素圧縮器段（２２）の出口が前記第２の窒素圧縮器段（２３）の入口に連結されており、付加された前記窒素冷媒流の各窒素冷媒流は、付加される前記少なくとも２つの窒素冷媒流のうちの他の窒素冷媒流とは異なる圧力を有し、１つの窒素冷媒流は前記他の窒素冷媒流と合流するサイドストリームである、天然ガス液化装置。
11. 前記高圧ターボ膨張器（Ｈ）からの前記圧縮器出口流である前記１つの窒素冷媒流が、前記１つの窒素冷媒流に関連する前記第１の圧縮器段（２２）を通過した後に、前記低圧ターボ膨張器（Ｌ）からの前記圧縮器出口流である前記他の窒素冷媒流が前記他の窒素冷媒流に関連する前記第２の圧縮器段（２３）へ進入する前に、前記他の窒素冷媒流と合流する、請求項１０に記載の装置。
12. 前記主窒素圧縮器が、共通駆動シャフト上で連結されている少なくとも２つの圧縮器段を備える、請求項１０又は１１に記載の装置。
13. 前記主窒素圧縮器からの前記圧縮された窒素冷媒流（ＣＳ）が、少なくとも前記２つの平行配置された膨張器（ＬＥ，ＨＥ）によって互いに異なる圧力レベルに分割される、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 各膨張器（ＬＥ，ＨＥ）が、共通駆動シャフトによって、窒素冷媒流を圧縮するために配置されている圧縮器（ＬＣ，ＨＣ）に接続されている、請求項１２に記載の装置。
15. 少なくとも１つの圧縮器（ＬＣ，ＨＣ）が、前記熱交換器システムを通過した前記窒素冷媒流が前記主窒素圧縮器まで流動する前に、前記窒素冷媒流の少なくとも一部を受け入れて圧縮する、請求項１４に記載の装置。
16. 前記主窒素圧縮器が、ガスタービン駆動型又は電気モータ駆動型又は蒸気タービン駆動型である、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の装置。
17. 前記主窒素圧縮器が３つの圧縮器段（２２，２３，２４）を備え、相異なる圧力を有する２つのサイドストリームを受け入れる、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の装置。
18. 前記第１のターボ膨張器および第２のターボ膨張器の前記膨張器部分と平行配置された第３の膨張器を更に備え、前記第３の膨張器がジュールトムソン弁（ＪＴ）である、請求項１７に記載の装置。
    

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