JP6329154B2 - 天然ガスの液化のための冷却回路 - Google Patents

Description

本発明は天然ガスの液化の技術に関し、とくに天然ガスの液化に用いる冷却回路に関する。

天然ガスの液化は通常その輸送および貯蔵をより便利にするために用いられる。

本発明はとくにＣ３−ＭＲの名称で知られる天然ガスの液化技術、すなわちプロパン混合冷媒に関する。

Ｃ３−ＭＲプロセスは１９７０年代から知られ、関連市場で優位を占めてきた。

天然ガスの液化プラントのほとんどはこの技術に基づき稼働する。

その機能は２つの冷却サイクル：純粋な冷却流体、すなわちプロパン（Ｃ３）での予備冷却サイクル；ならびに冷却流体（ＭＲ）の混合物、すなわち窒素、メタン、エタン、およびプロパンの混合物での液化および過冷却サイクルをベースとする。

プロパンサイクルは３つまたは４つの圧力レベルで展開し、天然ガスを−３０℃〜−４０℃の範囲の温度まで予備冷却する機能を有する。

このサイクルは、第２サイクルで用いられる混合冷媒（以降、ＭＲ）を冷却および部分液化する追加機能を有する。

このサイクルに用いられる熱交換器はチューブバンドルケトル型であり、シェル側で蒸発するプロパンがパイプを流れる熱流体を冷却する。

ＭＲサイクルでは、対照的に、冷却材と天然ガスとの間の熱交換は液化プロセスの中核を表す「主低温熱交換器（ＭＣＨＥ）」と呼ばれるスパイラル交換器で行われる。

冷却サイクルの圧縮機は大型ガスタービンにより、または頻度は低いが、蒸気タービンもしくは電気モーターにより稼働される。

とくに、Ｃ３−ＭＲ液化プラントで用いられるプロセスおよび装置の構成の最適化は、ＬＮＧ（液化天然ガス）列車の液化容量の発展にもっとも重要な役割の１つを果たした。

オペレータはメンテナンスプロセスを最適化するため互いに類似するガスタービンを用いることを好むため、もっとも発展かつ拡散したスキームの１つは、ＡＰＣＩ社（Air Products & Chemicals Int.）が考案の、いわゆるＳｐｌｉｔ−ＭＲ（登録商標）であり、混合冷媒の圧縮に必要な電力の一部分がプロパンの圧縮に用いられる同じタービンにより提供される。

この構成はガスタービンの電力の完全利用を可能にし、冷却回路に存在するタービンの数を最小化する。

Ｓｐｌｉｔ−ＭＲ（登録商標）構成は１年当たり約５ＭＴＰＡの生産容量を可能にするが、稼働の柔軟性は制限される。

この構成では、実際、圧縮機は一定のｒｐｍで回転し、重構造型の各ガスタービンにより同調される２つの軸上に横たわる。

これらの軸は補助モーターにより支持され、タービンとともに、Ｃ３およびＭＲ圧縮機に約２００ＭＷに等しい必要な電力を提供する。

ＭＲ圧縮機の各種ステージは２つのタービンの軸上に設置されるため、圧縮機の機能不全はその上に破損した圧縮機が設置されたタービンだけでなく、他のタービンの停止も引き起こし、プラント全体を停止させる。

したがって、Ｓｐｌｉｔ−ＭＲ（登録商標）構成はガスタービンの電力の利用の最適化を可能にするが、回路の稼働柔軟性を制限する。

さらに、この既知の構成は、製造業者の数が極めて限られるため、購入がより困難な大型タービンを用いる。

大型タービンの市場での競争の欠如は、販売価格の上昇および納期の延長をもたらす。

加えて、重構造ガスタービンの熱力学的効率の特徴は、今では燃料消費率が少なくとも２０％低い新型の「航空転用」型のガスタービンに取って代わられた。

本発明の目的は、既知の技術の欠点を克服すること、とくに天然ガス冷却プラントに存在する装置の代替構成を提供することである。

とくに、本発明の目的は、高温期間中に発生するボトルネックを軽減し、年間生産量の増加を可能にする天然ガス液化プラントの冷却回路を提供することである。

本発明のさらなる目的は、年間生産量の増加を可能にする天然ガスの液化プラントの冷却回路を提供することである。

本発明の別の目的は、プラントが必要とする天然ガスの消費の低減を可能にする天然ガスの液化プラントの冷却回路を提供することである。

本発明の追加の目的は、並列に設置された冷却圧縮機の稼働率に基づきプラントの柔軟性の向上を可能にする天然ガスの液化プラントの冷却回路を提供することである。

本発明のさらなる目的は、天然ガスの重質成分（ＬＰＧ／ガソリン）の抽出に用いるさらなる冷却容量を有し、入口の天然ガスの品質および組成に対するプラントの柔軟性を向上させる天然ガスの液化プラントの冷却回路を提供することである。

本発明によるこれらおよび追加の目的は、
−天然ガスおよび混合冷媒の予備冷却システムであって、プロパンの２つの並列圧縮ラインを備え、該２つの並列圧縮ラインのそれぞれが第１ガスタービンにより稼働される第１圧縮機を有する、前記予備冷却システムと；
−天然ガスの液化システムであって、混合冷媒の３つの並列圧縮ラインを備え、該３つの並列圧縮ラインのそれぞれが第２ガスタービンにより稼働される第２圧縮機を有する、前記液化システムと；
を備える、天然ガスの液化プラント用の冷却回路を提供することにより達成される。

本発明による冷却回路のさらなる特徴は従属請求項の目的である。

とくに、前記第１および第２ガスタービンは航空転用型および互いに同じとすることができる。

前記混合冷媒はプロパン、エタン、メタンおよび窒素の混合物とすることができる。

天然ガスの前記液化システムの前記第２ガスタービンの入口の空気は、前記予備冷却システムにより提供される冷却電力の一部分により冷却することができる。

前記予備冷却システムにより提供される冷却電力の一部分は、ＬＰＧおよびガソリンのような、天然ガスの重質成分の抽出を増加させるために用いることができる。

前記第２圧縮機は、互いに直列に配置された、低／中圧での混合冷媒の第１圧縮ステップを行うための第３圧縮機、および高圧での混合冷媒の第２圧縮ステップを行うための第４圧縮機を備えることができる。

前記第１圧縮機は、プロパン圧縮を異なる圧力レベルでの３つまたは４つの圧縮ステップに分割することができる。

本発明による天然ガス液化プラントの冷却回路の特徴および利点は、添付の概略的な図面を参照して、下記の例示的および非限定的な記載からより明らかとなるだろう。

プロパンの２つの圧縮ラインおよび混合冷媒の３つの圧縮ラインを有する天然ガスの液化プラントの冷却回路の概略図である。 天然ガスの液化プラントのための、Ｓｐｌｉｔ−ＭＲ（登録商標）方式の冷却回路の概略図である。 プロパンの２つの圧縮ラインおよび混合冷媒の３つの圧縮ラインの好適な実施形態の概略図である。 １年の各月の、天然ガスの液化プラントの収率に関するグラフである。

図１を参照すると、これは天然ガスの液化プラントの冷却回路１００を示す。

とくに、天然ガスの前記液化プラントはその２つの主なサブシステム：プラントに導入される天然ガスを−３０℃〜−４０℃の範囲の温度まで冷却する予備冷却システム１０５と、予備冷却ガスを−１４５℃〜−１６０℃の範囲の温度まで液化および過冷却する液化システム１０６とに図式化される。

天然ガスはまず、プロパンの２つの並列圧縮ラインを備え、それぞれが第１ガスタービン１０１’により稼働される第１圧縮機１０２を有する予備冷却システムにおいて予備冷却される。前記システムはまた液化システム１０６で用いられる混合冷媒を予備冷却するように構成される。

冷却天然ガスはその後、混合冷媒の圧縮のための３つの並列ラインを備え、それぞれが第２ガスタービン１０１”により稼働される第２圧縮機１０３を有する天然ガスの液化システムにおいて液化および過冷却される。

プロパンの２つの圧縮ラインを備える予備冷却システム１０５は、−３０℃〜−４０℃の温度範囲にまで天然ガスの冷却を可能する。

混合冷媒の３つの圧縮ラインを備える液化システム１０６は、天然ガスからの熱のさらなる除去を可能にし、前記天然ガスを液体天然ガス（ＬＮＧ）に変換する。

前記第１ガスタービン１０１’は好適には、例えば３０ＭＷ〜６０ＭＷの範囲の電力を有する、中型航空転用型である。

前記第２ガスタービン１０１”も好適には、例えば３０ＭＷ〜６０ＭＷの範囲の電力を有する、中型航空転用型である。

プロパンまたは混合冷媒の前記圧縮ラインは互いに並列であり、天然ガスからの熱除去に自律的に寄与する。

とくに、前記ラインのそれぞれは、予備冷却システム１０５または液化システム１０６において膨張させるのに適した冷媒を圧縮するための、ガスタービン１０１’または１０１”により稼働される、少なくとも１つの圧縮機１０２または１０３を備える。

とくに、Ｃ３−ＭＲとして知られる天然ガスの液化プロセスでは、プロパンの圧縮のために吸収される電力は必要な総電力の約３５％に等しく、混合冷媒の圧縮のために吸収される電力は必要な総電力の約６５％に等しい。

互いに並列に配置され、同じである５つの航空転用ガスタービン１０１、１０１”は、前記圧縮機１０２および１０３を稼働させるのに必要な電力を提供するために用いられ、そのうち２つ（１０１’）はプロパンの前記第１圧縮機１０２を稼働させるためのものであり、３つ（１０１”）は混合冷媒の前記第２圧縮機１０３を稼働させるためのものである。

圧縮ラインのこの構成により、２つの第１ガスタービン１０１’は総電力の５分の２、すなわち４０％を利用可能にするのに対して、対応する前記圧縮機１０２の電力要件は必要な総電力の約３５％に等しい。前記第１および第２圧縮機１０２、１０３に必要な電力と前記第１および第２ガスタービン１０１’、１０１”により供給される利用可能な総電力との間のこの関係は、予備冷却システム１０５において追加の冷却電力を発生させる。この追加の冷却電力は前記第２ガスタービン１０１”の入口の空気を冷却するために用いることができる。

とくに、４３．９ＭＷのＩＳＯ定格電力を有する航空転用型の５つのガスタービン１０１’、１０１”を用い、各ガスタービン１０１’および１０１”は２５℃で約３４ＭＷの有効電力を供給することが可能である。

航空転用型の前記第１および第２ガスタービン１０１’、１０１”は軸の回転数を調節することを可能にし、よって有効吸収要件に関して供給される電力を制御する。

図３に示されるように、天然ガスの液化システムにおいて混合冷媒を圧縮するため、前記第２遠心圧縮機１０３は好適には、互いに直列に配置された、低／中圧での混合冷媒の第１圧縮ステップを行うための第３圧縮機１０３’と、高圧での混合冷媒の第２圧縮ステップを行うための第４圧縮機１０３”とを備える。前記低／中圧レベルは２０〜３５バールの範囲とすることができる。前記高圧レベルは５５〜６５バールの範囲とすることができる。

この実施形態では、第１熱交換器１０９’は前記第３圧縮機１０３’と前記第４圧縮機１０３”との間に設置され、第１圧縮ステップ後に混合冷媒から熱を吸収するのに適し、第２熱交換器１０９”は第２圧縮ステップ後に混合冷媒から追加の熱を吸収するのに適している。

とくに、前記第３および第４圧縮機１０３’、１０３”は好適には、前記第２ガスタービン１０１”により供給することができる電力を最大限に利用するように選択される。

同様に、前記第１圧縮機１０２はプロパン圧縮を異なる圧力レベルでの３つまたは４つの圧縮ステップに分割する。

好適には、天然ガスの予備冷却システムにおいてプロパンを圧縮するため、それぞれ第１ガスタービン１０１’により稼働される、遠心型の２つの第１圧縮機１０２を設置してもよい。電力は前記第１圧縮機１０２により吸収された後、混合冷媒のラインに関連した前記第３および第４圧縮機１０３’、１０３”により吸収され、プロセスパラメーターは液化する天然ガスに関する。前記第１圧縮機１０２により吸収される電力は、環境条件に応じるが、通常、前記第１ガスタービン１０１’により供給することができる総電力の８０％〜１００％の範囲である。

図２に表されるＳｐｌｉｔ−ＭＲ（登録商標）方式の冷却サイクルでは、プロパンの第５圧縮機１１２および混合冷媒の高圧の第６圧縮機１１３を稼働させるのに必要な電力は重構造型の第１従来型ガスタービン１１６により提供され、低圧の第７圧縮機１１４および中圧の第８圧縮機１１５を稼働させるのに必要な電力は重構造型の第２従来型ガスタービン１１７により提供される。

前記従来型ガスタービン１１６、１１７は、２５℃で約７２ＭＷの電力が供給される８６．２ＭＷのＩＳＯ定格電力、および軸の一定の回転数を有する。

とくに、前記Ｓｐｌｉｔ−ＭＲ（登録商標）構成によると、プロパンの前記圧縮機１１２は前記予備冷却システム１０５において天然ガスを予備冷却するのに必要な冷却電力を提供し、互いに直列に配置された前記圧縮機１１３、１１４、１１５は前記液化システム１０６において天然ガスを液化および過冷却するのに必要な冷却電力を提供する。

重構造型の前記従来型ガスタービン１１６、１１７は単軸型であり、好適には始動用の大型補助モーター１１１’、１１１”を必要とする。これらのモーターはガスタービンを稼働させ、それらを自律的回転体制まで持っていくための始動期間に必要である。

前記補助モーター１１１’、１１１”はまた、冷却回路の可能性をより高めるため、ガスタービンにより供給されるものに加えて追加の電力を生成するために用いられる。

とくに、前記補助モーター１１１’、１１１”はそれぞれ一般的なタービン軸および圧縮機上に設置され、それぞれ約２０ＭＷの電力を有する。

逆に、本発明によると、プロパンおよび混合冷媒の両方の圧縮ラインは、ガスタービンまたは圧縮機の故障が液化プラント全体の停止を引き起こすことを防止するため、並列である。

航空転用型のガスタービンの使用は、さらに、タービンの回転数の制御を可能とし、ひいては回路の残りの構成要素の負荷および機能条件に関して供給される電力を制御することを可能にする。

これらの航空転用ガスタービンの速度を制御する可能性およびそれらの並列圧縮ライン上の配置により、冷却回路を停止することなくメンテナンス介入を行うことが可能となる。このようにプラントの稼働時間は最大化される。

航空転用型の前記ガスタービンはまた、重構造型の一般的な産業用ガスタービンよりコンパクトであり、よって冷却回路全体の設置面積を低減する。

航空転用型のガスタービンの使用におけるさらなる利点は、この型のタービンのガス消費が一般的な他の解決方法より低いということにある。

航空転用型のガスタービンの使用における追加の利点は、この型のタービンが始動に大きな電力を必要とせず、よって補助モーターの使用を回避するということにある。

前記圧縮ラインを並列に配置することにより、航空転用型のこれらおよび第１および第２ガスタービンは前記第１および第２圧縮機を減圧することなく開始することができるため、幅広い稼働の柔軟性を得ることができる。

加えて、本発明による冷却回路は、Ｓｐｌｉｔ−ＭＲ（登録商標）構成による前記プラントに設置された装置のいくつかを削減することを可能にする。とくに、Ｓｐｌｉｔ−ＭＲ（登録商標）スキームの前記補助モーター１１１’、１１１”は、本発明に従って提案されるスキームには必要ない。

前記第１圧縮機１０２に必要な電力は、環境条件にも応じるが、ガスタービン１０１’により供給可能な総電力の８０％〜１００％の範囲であるため、前記第１ガスタービン１０１’により供給可能な電力の最大約２０％の余剰な冷却電力が利用可能である。

予備冷却システムにより提供される冷却電力の前記余剰部分は、前記第２ガスタービン１０１”の入口の空気を冷却するために用いることができる。

既知のとおり、タービンが供給することのできる電力はタービン入口の空気温度に反比例し、該入口の空気温度が上昇するとその体積は増加し、タービンの収率は低下する。

とくに、補助交換器１０４はプロパン回路の冷却電力を用いて空気を予備冷却する。熱交換は、必ずしもその必要はないが、好適には中間冷却材の使用によって行われる。

入口空気冷却を行うことにより、すなわち前記第２ガスタービン１０１’の入口の空気を冷却することにより、図４のグラフに示されるように、その生産量を向上させることができる。

並列の航空転用タービンの論理に従って構成され、入口の空気を予備冷却しないプラントの収率に関する第１曲線４０１と、および並列の航空転用タービンの論理に従って構成され、前記第２ガスタービン１０１”の入口の空気を予備冷却するための前記補助交換器１０４を備える同プラントの収率に関する第２曲線４０２とを図４はとくに示す。

図４の例では、前記第２ガスタービン１０１”の入口の空気を冷却することにより、得られる液化プラントの年間生産量は、約１０％〜約２０％の範囲で、より高くなる。

この利益は主に温度が１年のうち何ヶ月も２０℃を超える場所で得ることができる。

非常に高温の場所では、実際、ガスタービンの収率は空気の温度の上昇に伴い低下するため、余剰冷却電力を再利用して前記第２ガスタービン１０１”の入口の空気を冷却することにより、そうでなければ確認されるだろう低収率を得ることを回避する。

本発明によると、圧縮機の数およびタービンの数を増加させると、プラントの平均稼働時間が長くなるという利点がある。

５つの航空転用ガスタービン、例えば、General Electric社のＬＭ６０００ＰＦモデルを設置することにより、Ｓｐｌｉｔ−ＭＲ（登録商標）論理に従って設置された２つの重構造タービンＦｒａｍｅ７モデルを備えるプラントで得ることができるものより、約５÷１０［日／年］長い天然ガス液化プラントの稼働時間を得ることができる。

前記混合冷媒はメタン、窒素、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ブタンおよびペンタンの混合物とすることができる。

最後に、こうして考案された天然ガス液化プラントの冷却回路には明らかに多数の変更および変形を行うことができ、それらはすべて本発明に含まれ；さらに、すべての詳細は技術的に同等の要素により置換することができる。実際、用いる材料および寸法は、技術要件に従って変えることができる。

Claims (6)

1. −天然ガスおよび混合冷媒の予備冷却システム（１０５）であって、プロパンの２つの並列圧縮ラインを備え、該２つの並列圧縮ラインのそれぞれが第１ガスタービン（１０１’）により稼働される第１圧縮機（１０２）を有する、前記予備冷却システム（１０５）と；
   −天然ガスの液化システム（１０６）であって、混合冷媒の３つの並列圧縮ラインを備え、該３つの並列圧縮ラインのそれぞれが第２ガスタービン（１０１”）により稼働される第２圧縮機（１０３）を有する、前記液化システム（１０６）と；
   を備える、天然ガスの液化プラント用の冷却回路（１００）であって、
   前記第１および第２ガスタービン（１０１’、１０１”）が、互いに同じである、３０ＭＷ〜６０ＭＷの範囲の電力を有する、中型航空転用型である、冷却回路（１００）。
2. 前記混合冷媒がプロパン、エタン、メタンおよび窒素の混合物である、請求項１に記載の冷却回路（１００）。
3. 天然ガスの前記液化システム（１０６）の前記第２ガスタービン（１０１”）の入口の空気が前記予備冷却システム（１０５）により供給される冷却電力の余剰部分によって冷却され、前記第２ガスタービン（１０１”）により供給される電力を増加させる、請求項１または２に記載の冷却回路（１００）。
4. 前記予備冷却システム（１０５）により供給される冷却電力の一部分が天然ガスの重質成分の抽出を増加させるために用いられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却回路（１００）。
5. 前記第２圧縮機（１０３）が、互いに直列に配置された、低／中圧での混合冷媒の第１圧縮ステップを行うための第３圧縮機（１０３’）、および高圧での混合冷媒の第２圧縮ステップを行うための第４圧縮機（１０３”）を備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷却回路（１００）。
6. 前記第１圧縮機（１０２）がプロパンの圧縮を異なる圧力レベルでの３つまたは４つの圧縮ステップに分割する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却回路（１００）。