KR102230087B1 - 기상 냉매를 사용하여 탄화수소 스트림을 냉각하기 위한 개선된 방법 및 시스템 - Google Patents

기상 냉매를 사용하여 탄화수소 스트림을 냉각하기 위한 개선된 방법 및 시스템 Download PDF

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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

메탄을 포함하는 냉매를 사용하여 천연 가스 스트림을 액화하기 위한 방법 및 시스템이 본원에 기재되어 있다. 이 방법 및 시스템은 천연 가스를 예냉 및 액화하기 위한 냉동을 제공하는데 사용되는 적어도 주로 가스인 냉매의 하나 이상의 스트림들을 상이한 압력에서 제공하기 위해 상이한 압력으로 가스 냉매의 2 이상의 스트림을 팽창시키기 위해 2 이상의 터보-익스팬더를 채택하는 냉동 회로 및 사이클을 이용한다. 결과적으로 액화된 천연 가스 스트림은 그후 플래시되어 LNG 생성물 및 플래시 가스를 생산하고, 플래시 가스는 천연 가스 공급물 스트림으로 리사이클된다.

Description

기상 냉매를 사용하여 탄화수소 스트림을 냉각하기 위한 개선된 방법 및 시스템{IMPROVED METHOD AND SYSTEM FOR COOLING A HYDROCARBON STREAM USING A GAS PHASE REFRIGERANT}
본 발명은 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 액화된 천연 가스(LNG) 생성물을 생산하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
천연 가스의 액화는 중요한 산업 공정이다. LNG의 전세계 생산 용량은 300 MTPA 를 초과하며, 천연 가스를 액화시키는 다양한 냉동 사이클이 성공적으로 개발되었으며, 당업계에 공지되어 널리 사용되고 있다.
일부 사이클은 천연 가스를 액화시키기 위한 냉각 듀티를 제공하기 위해 기화 냉매를 이용한다. 이들 사이클에서, 초기에 가스인 가온(warm) 냉매(예를 들어, 순수한 단일 성분 냉매 또는 혼합 냉매일 수 있음)는 압축, 냉각 및 액화되어 액체 냉매를 제공한다. 그후 이 액체 냉매는 냉매와 천연 가스 사이의 간접 열 교환을 통해 천연 가스를 액화시키기 위해 사용되는 저온 기화 냉매를 생산하도록 팽창된다. 그후 결과적으로 가온된 기화 냉매는 사이클을 다시 시작하기 위해 압축될 수 있다. 당업계에 공지되고 사용되는 이러한 유형의 예시적인 사이클은 단일 혼합 냉매(SMR) 사이클, 캐스케이드 사이클, 이중 혼합 냉매(DMR) 사이클, 및 프로판 예냉된 혼합 냉매(C3MR) 사이클을 포함한다.
다른 사이클은 천연 가스를 액화시키기 위한 냉각 듀티를 제공하기 위해 가스 팽창 사이클을 이용한다. 이들 사이클에서, 가스 냉매는 사이클동안 상을 변화시키지 않는다. 가스의 가온 냉매는 압축된 냉매를 형성하기 위해 압축 및 냉각된다. 그후, 압축된 냉매는 팽창되어 냉매를 더욱 냉각시키고 그 결과 팽창된 저온 냉매를 형성하며, 이 팽창된 저온 냉매는 그후 냉매와 천연 가스 사이의 간접 열 교환을 통해 천연 가스를 액화시키는데 사용된다. 그후, 결과적으로 가온된 팽창 냉매는 사이클을 다시 시작하기 위해 압축될 수 있다. 당업계에 공지되고 사용되는 이러한 유형의 예시적인 사이클은 리버스 브레이톤(Reverse Brayton) 사이클, 예컨대 질소 익스팬더(expander) 사이클 및 메탄 익스팬더 사이클이다.
천연 가스를 액화시킴에 있어서 확립된 질소 익스팬더 사이클, 캐스케이드, SMR 및 C3MR 프로세서 및 그 사용의 추가 논의는, 예를 들어 J.C.Bronfenbrenner, M.Pillarella, 및 J.Solomon에 의한 "적합한 공정의 선택(Selecting a suitable process)", 천연가스의 액화에 이용가능한 공정 기술 옵션의 검토(Review the process technology options available for the liquefaction of natural gas), 여름 09, LNGINDUSTRY.COM에서 찾을 수 있다.
LNG 산업의 현재 추세는 원격 해상 가스 필드를 개발하는 것으로, 이는 플로팅(floating) 플랫폼 상에 건설될 천연 가스 액화 시스템을 필요로 할 것이며, 이러한 애플리케이션은 또한 당업계에서 플로팅 LNG(FLNG) 애플리케이션으로 공지되어 있다. 그러나, 플로팅 플랫폼 상에 이러한 LNG 공장을 설계 및 운영하는 것은 극복해야 할 필요가 있는 다수의 과제가 있다. 플로팅 플랫폼 상에서의 모션은 주요 과제 중 하나이다. 혼합 냉매(MR)를 사용하는 기존의 액화 공정은 냉동 사이클의 특정 지점에서 2상 흐름 및 액상과 기상의 분리를 수반하며, 이것이 플로팅 플랫폼 상에 채용되는 경우 액체-증기 편재로 인해 성능이 저하될 수 있다. 또한, 액화된 냉매를 채용하는 냉동 사이클 중 임의의 사이클에서, 액체 슬로싱은 추가적인 기계적 응력을 유발할 수 있다. 가연성 부품의 재고 보관은 안전 고려사항 때문에 냉동 사이클을 채용하는 많은 LNG 공장의 또 다른 관심사이다.
업계에서의 또 다른 추세는 피크 쉐이빙(peak shaving) 시설의 경우에서와 같은 개발형 소규모 액화 시설, 또는 다수의 저용량 액화 트레인이 단일의 고용량 트레인 대신에 사용되는 모듈 방식으로 조립된 액화 시설이다. 보다 낮은 용량에서 높은 공정 효율을 갖는 액화 사이클을 개발하는 것이 바람직하다.
결과적으로, 최소 2상 흐름을 수반하고, 최소의 인화성 냉매 재고를 필요로 하며, 그리고 높은 공정 효율을 갖는, 천연 가스를 액화하는 공정의 개발에 대한 필요성이 증가하고 있다.
상기에서 언급된 바와 같이, 질소 리사이클 익스팬더 공정은 냉매로서 질소 가스를 사용하는 주지된 공정이다. 이 공정은 혼합 냉매의 사용을 제거하고, 이에 따라서 FLNG 시설 및 최소 탄화수소 재고를 필요로 하는 육상 기반의 LNG 시설에 대한 매력적인 대안을 나타낸다. 그러나, 질소 리사이클 익스팬더 공정은 상대적으로 낮은 효율을 가지며 가온측 열 교환기, 압축기, 익스팬더 및 파이프 크기를 수반한다. 또한, 공정은 비교적 다량의 순수 질소의 이용가능성에 의존한다.
US 8,656,733 및 US 8,464,551은, 예를 들어 냉매로서 가스 질소를 사용하는 폐루프 가스 익스팬더 사이클이 예를 들어 천연 가스 공급물 스트림과 같은 공급물 스트림을 액화 및 과냉하는데 사용되는, 액화 방법 및 시스템을 교시한다. 기재된 냉동 회로 및 사이클은 복수의 터보-익스팬더를 채용하여 팽창된 저온 가스 냉매의 복수의 스트림을 생산하며, 천연 가스를 과냉하는 냉매 스트림은 천연 가스를 액화하는데 사용되는 냉매 스트림보다 낮은 압력 및 온도로 내려간다.
US 2016/054053 및 US 7,581,411은, 질소와 같은 냉매가 팽창되어 유사한 압력에서 복수의 냉매 스트림을 생산하는, 천연 가스 스트림을 액화하기 위한 공정 및 시스템을 교시한다. 천연 가스의 예냉 및 액화를 위해 사용되는 냉매 스트림은 터보-익스팬더에서 팽창되는 가스 스트림인 한편, 천연 가스의 과냉을 위해 사용되는 냉매 스트림은 J-T 밸브를 통해 팽창되기 이전에 적어도 부분적으로 액화된다. 냉매의 모든 스트림은 동일하거나 거의 동일한 압력으로 내려가고, 다양한 열 교환기 섹션에 통과 및 가온되면서 혼합되어, 재압축을 위한 공유 압축기로 도입되는 단일의 가온 스트림을 형성한다.
US 9,163,873은, 질소와 같은 가스 냉매를 팽창시키기 위해 복수의 터보-익스팬더가 사용되어 상이한 압력 및 온도에서 저온 팽창된 가스 냉매의 복수의 스트림을 생산하는, 천연 가스 스트림을 액화하기 위한 공정 및 시스템을 교시한다. US 8,656,733 및 US 8,464,551에서와 같이, 최저 압력 및 온도 스트림은 천연 가스를 과냉시키는데 사용된다.
US 2016/0313057 A1은 FLNG 애플리케이션에 대해 특별한 적합성을 갖는 천연 가스 공급물 스트림을 액화시키기 위한 방법 및 시스템을 교시한다. 기재된 방법 및 시스템에서, 가스 메탄 또는 천연 가스 냉매는 복수의 터보-익스팬더에서 팽창되어 천연 가스 공급물 스트림을 예냉 및 액화하기 위해 사용되는 냉매의 저온 팽창된 가스 스트림을 제공한다. 냉매의 모든 스트림은 동일하거나 거의 동일한 압력으로 내려가고, 다양한 열 교환기 섹션에 통과 및 가온되면서 혼합되어, 재압축을 위한 공유 압축기로 도입되는 단일의 가온 스트림을 형성한다. 액화된 천연 가스 공급물 스트림은 LNG 생성물을 얻기 위해 다양한 플래시 스테이지를 거쳐 천연 가스를 더욱 냉각시킨다.
그럼에도 불구하고, FLNG 애플리케이션, 피크 쉐이빙 시설, 및 냉매의 2상 흐름과 2상 냉매의 분리가 바람직하지 않은 다른 시나리오에 사용하기에 적합한 높은 공정 효율을 갖는 냉매 사이클을 이용하는 천연 가스 액화를 위한 방법 및 시스템에 대한 필요성이 당업계에 여전히 남아있으며, 인화성 냉매의 많은 재고를 유지하는 것이 문제가 될 수 있고, 다량의 순수 질소 또는 다른 필요한 냉매 성분이 얻을 수 없거나 얻기가 어려울 수 있으며, 및/또는 플랜트의 이용가능한 풋프린트가 냉동 회로에 사용될 수 있는 열 교환기, 압축기, 익스팬더 및 파이프의 크기에 제한을 줄 수 있다.
천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하는 방법 및 시스템이 본원에 기재되어 있다. 이 방법 및 시스템은 메탄을 포함하는 냉매를 순환시키는 냉동 회로를 사용한다. 냉동 회로는 천연 가스를 예냉 및/또는 액화하기 위한 냉동을 제공하는데 이후 사용되는 상이한 압력에서의 가스 또는 적어도 주로 가스인 냉매의 팽창된 저온 스트림을 제공하기 위해 냉매의 가스 스트림을 상이한 압력으로 팽창시키는데 사용되는 제 1 및 제 2 터보-익스팬더를 포함하고, 가스를 액화하기 위해 사용되는 냉동의 스트림은 천연 가스를 예냉하기 위해 사용되는 냉매의 스트림보다 낮은 압력에 있다. 액화된 천연 가스의 결과적으로 형성된 스트림은 플래시 가스 스트림 및 LNG 생성물을 형성하기 위해 플래시되고, 플래시 가스 스트림은 천연 가스 공급물 스트림으로 다시 리사이클된다. 이러한 방법 및 시스템은 높은 공정 효율을 갖는 냉동 사이클을 이용하고, 현장에서 이용가능한 냉매(메탄)를 사용하며, 그리고 냉매가 냉동 사이클에 걸쳐 가스 형태를 유지하거나 또는 주로 유지하는, LNG 생성물의 생산을 제공한다.
본 발명에 따른 시스템 및 방법의 여러 바람직한 양태는 아래에 요약된다.
양태 1: 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하는 방법으로서,
(a) 제 1 천연 가스 공급물 스트림을 예냉 및 액화하도록 복수의 열 교환기 섹션들 중 일부 또는 전부의 열 교환기 섹션의 가온측에 제 1 천연 가스 공급물 스트림을 통과시키고 제 1 천연 가스 공급물 스트림을 냉각시키는 단계로서, 복수의 열 교환기 섹션들은 천연 가스 스트림이 예냉되는 제 1 열 교환기 섹션 및 제 1 열 교환기 섹션으로부터의 예냉된 천연 가스 스트림이 액화되어 제 1 액화된 천연 가스 스트림을 형성하는 제 2 열 교환기 섹션을 포함하는 단계;
(b) 제 2 열 교환기 섹션으로부터 인출된 제 1 액화된 천연 가스 스트림을 플래싱하여 플래시 가스 및 LNG 생성물을 형성하고, LNG 생성물로부터 플래시 가스를 분리하여 플래시 가스 스트림 및 LNG 생성물 스트림을 형성하는 단계;
(c) 플래시 가스 스트림을 압축하고 압축된 플래시 가스를 제 1 천연 가스 공급물 스트림으로 다시 리사이클하는 단계;
(d) 메탄을 포함하는 냉매를, 복수의 열 교환기 섹션들, 복수의 압축기들 및/또는 압축 스테이지들 및 하나 이상의 인터쿨러들 및/또는 애프터쿨러들을 포함하는 압축기 트레인, 제 1 터보-익스팬더 및 제 2 터보-익스팬더를 포함하는 냉동 회로에서 순환시키는 단계로서, 순환 냉매는 복수의 열 교환기 섹션들 각각에 냉동을 제공하고 이로써 제 1 천연 가스 공급물 스트림을 예냉 및 액화하기 위한 냉각 듀티를 제공하는 단계를 포함하고, 그리고 냉매를 냉매 회로에 순환시키는 단계는:
(i) 냉매의 압축 및 냉각된 가스 스트림을 분할하여 냉각된 가스 냉매의 제 1 스트림 및 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림을 형성하는 단계;
(ii) 냉각된 가스 냉매의 제 1 스트림을 제 1 터보-익스팬더에서 제 1 압력으로 팽창시켜 제 1 온도 및 상기 제 1 압력에서 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림을 형성하는 단계로서, 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림은 제 1 터보-익스팬더를 빠져 나올 때 액체를 포함하지 않거나 실질적으로 액체를 포함하지 않는 가스 또는 주로 가스인 스트림인 단계;
(iii) 복수의 열 교환기 섹션들 중 적어도 하나의 열 교환기 섹션의 가온측에 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림을 통과시키고 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림을 냉각시키는 단계로서, 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림을 더욱 냉각시키도록 하는 단계;
(iv) 냉각된 가스 냉매의 더욱 냉각된 제 2 스트림을 제 2 터보-익스팬더에서 제 2 압력으로 팽창시켜 제 2 온도 및 상기 제 2 압력에서 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림을 형성하는 단계로서, 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림은 제 2 터보-익스팬더를 빠져 나올 때 액체를 포함하지 않거나 실질적으로 액체를 포함하지 않는 가스 또는 주로 가스인 스트림이고, 제 2 압력은 제 1 압력보다 낮고 제 2 온도는 제 1 온도보다 낮은 단계;
(v) 제 1 열 교환기 섹션 및/또는 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림의 전부 또는 일부가 냉각되는 열 교환기 섹션을 적어도 포함하는, 복수의 열 교환기 섹션들 중 적어도 하나의 열 교환기 섹션의 저온측에 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림을 통과시키고 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림을 가온시키고, 그리고 제 2 열 교환기 섹션을 적어도 포함하는, 복수의 열 교환기 섹션들 중 적어도 하나의 열 교환기 섹션의 저온측에 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림을 통과시키고 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림을 가온시키는 단계로서, 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림 및 제 2 스트림은 별도로 유지되고 복수의 열 교환기 섹션들 중 임의의 열 교환기 섹션의 저온측들에서 혼합되지 않으며, 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림은 가온되어 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림을 형성하고, 그리고 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림은 가온되어 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림을 형성하는 단계; 및
(vi) 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림과 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림을 압축기 트레인 안으로 도입함으로써, 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림이 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림과는 상이한, 보다 낮은 압력 위치의 압축기 트레인에서 압축기 트레인 안으로 도입되고, 그리고 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림 및 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림을 압축, 냉각 및 혼합하여 단계 (i)에서 분할되는 냉매의 압축 및 냉각된 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하는 방법.
양태 2: 냉매는 적어도 85 몰% 메탄을 포함하는, 양태 1의 방법.
양태 3: 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림은 제 1 터보-익스팬더를 빠져 나올 때 0.8 이상의 증기 분율을 가지며, 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림은 제 2 터보-익스팬더를 빠져 나올 때 0.8 이상의 증기 분율을 갖는, 양태 1 또는 양태 2의 방법.
양태 4: 제 1 압력 대 제 2 압력의 압력비가 1.5:1 내지 2.5:1 인, 양태 1 내지 양태 3 중 어느 하나의 방법.
양태 5: 제 1 액화된 천연 가스 스트림은 -100 내지 -145 ℃의 온도에서 제 2 열 교환기 섹션으로부터 인출되는, 양태 1 내지 양태 4 중 어느 하나의 방법.
양태 6: 제 1 액화된 천연 가스 스트림은 -110 내지 -145 ℃의 온도에서 제 2 열 교환기 섹션으로부터 인출되는, 양태 1 내지 양태 4 중 어느 하나의 방법.
양태 7: 냉동 회로는 폐루프 냉동 회로인, 양태 1 내지 양태 6 중 어느 하나의 방법.
양태 8: 방법은, 플래시 가스 스트림을 압축하고 압축된 플래시 가스를 리사이클하기 이전에, 플래시 가스 열 교환기 섹션의 저온측에서 플래시 가스 스트림을 통과시키고 플래시 가스 스트림을 가온시킴으로써, 플래시 가스 스트림으로부터 저온을 리커버하는 단계를 더 포함하는, 양태 1 내지 양태 7 중 어느 하나의 방법.
양태 9: 플래시 가스 열 교환기 섹션은 순환 냉매에 의해 냉동이 제공되는 냉동 회로의 복수의 열 교환기 섹션들 중 하나가 아닌, 양태 8의 방법.
양태 10: 방법은:
(e) 플래시 가스 열 교환기 섹션의 가온측에서 제 2 천연 가스 공급물 스트림을 통과시키고 제 2 천연 가스 공급물 스트림을 냉각 및 액화시켜 제 2 액화된 천연 가스 스트림을 형성하게 하는 단계; 및
(f) 플래시 가스 열 교환기 섹션으로부터 인출된 제 2 액화된 천연 가스 스트림을 플래싱하여 추가 플래시 가스 및 추가 LNG 생성물을 형성하고, 추가 LNG 생성물로부터 추가 플래시 가스를 분리하여 플래시 가스 스트림을 위한 추가 플래시 가스 및 LNG 생성물 스트림을 위한 추가 LNG 생성물을 형성하게 하는 단계를 더 포함하는, 양태 8 또는 양태 9의 방법.
양태 11: 단계 (b) 및 단계 (f)에서, LNG 생성물 및 추가 LNG 생성물로부터 플래시 가스 및 추가 플래시 가스를 분리하는 것은 스트림들이 함께 증기 오버헤드 및 액체 버텀들로 분리되는 기액 분리기(vapor-liquid separator) 안으로 플래시된 제 1 액화된 천연 가스 스트림 및 플래시된 제 2 액화된 천연 가스 스트림을 도입함으로써 발생하고, 증기 오버헤드는 플래시 가스 스트림을 형성하기 위해 인출되고 액체 버텀들은 LNG 생성물 스트림을 형성하기 위해 인출되는, 양태 10의 방법.
양태 12: 제 2 열 교환기 섹션은 튜브측 및 쉘측을 갖는 튜브 번들을 포함하는 코일 권취된 열 교환기 섹션인, 양태 1 내지 양태 11 중 어느 하나의 방법.
양태 13: 제 1 열 교환기 섹션은 열 교환기 섹션을 통한 복수의 별도의 통로들을 정의하는 저온측을 가지며, 그리고 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림은 제 1 열 교환기 섹션을 통한 상기 통로들 중 적어도 하나의 통로에 통과 및 가온되어 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림을 형성하고, 그리고 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림은 제 2 열 교환기 섹션의 저온측에 통과 및 가온된 다음, 제 1 열 교환기 섹션을 통한 상기 통로들 중 적어도 하나 이상의 다른 통로에 통과 및 더욱 가온되어 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림을 형성하는, 양태 1 내지 양태 12 중 어느 하나의 방법.
양태 14: 제 1 열 교환기 섹션은 튜브측 및 쉘측을 갖는 튜브 번들을 포함하는 코일 권취된 열 교환기 섹션이고, 복수의 열 교환기 섹션들은 천연 가스 스트림이 예냉되고 및/또는 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림의 전부 또는 일부가 냉각되는 제 3 열 교환기 섹션을 더 포함하고, 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림은 제 1 열 교환기 섹션 및 제 3 열 교환기 섹션 중 하나의 열 교환기 섹션의 저온측에 통과 및 가온되어 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림을 형성하고, 그리고 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림은 제 2 열 교환기 섹션의 저온측에 통과 및 가온된 다음 제 3 열 교환기 섹션 및 제 1 열 교환기 섹션 중 다른 열 교환기 섹션의 저온측에 통과 및 더욱 가온되어 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림을 형성하는, 양태 1 내지 양태 12 중 어느 하나의 방법.
양태 15: 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하기 위한 시스템으로서, 시스템은:
(a) 복수의 열 교환기 섹션들의 각각에 냉동을 제공하고 이로써 제 1 천연 가스 공급물 스트림을 예냉 및 액화하기 위한 냉각 듀티를 제공하는 냉매를 순환시키기 위한 냉동 회로로서, 냉동 회로는:
복수의 열 교환기 섹션들로서, 열 교환기 섹션들의 각각은 가온측 및 저온측을 갖고, 복수의 열 교환기 섹션들은 제 1 열 교환기 섹션 및 제 2 열 교환기 섹션을 포함하고, 제 1 열 교환기의 가온측은 천연 가스 스트림을 수용 및 예냉하기 위한 적어도 하나의 통로를 정의하고, 제 2 열 교환기 섹션의 가온측은 제 1 액화된 천연 가스 스트림을 형성하도록 제 1 열 교환기 섹션으로부터의 예냉된 천연 가스 스트림을 수용 및 액화하기 위한 적어도 하나의 통로를 정의하고, 그리고 복수의 열 교환기 섹션들의 각각의 열 교환기 섹션의 저온측은 순환 냉매의 팽창된 스트림을 수용 및 가온하기 위한 적어도 하나의 통로를 정의하는, 복수의 열 교환기 섹션들;
복수의 압축기들 및/또는 압축 스테이지들 및 하나 이상의 인터쿨러들 및/또는 애프터쿨러들을 포함하는, 순환 냉매를 압축 및 냉각하기 위한 압축기 트레인으로서, 냉동 회로는 압축기 트레인이 복수의 열 교환기 섹션들로부터 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림 및 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림을 수용하도록 구성되고, 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림은 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림과는 상이한, 보다 낮은 압력 위치의 압축기 트레인에서 수용되고 그 안으로 도입되며, 압축기 트레인은 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림 및 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림을 압축, 냉각 및 조합하여 냉매의 압축 및 냉각된 가스 스트림을 형성하도록 구성되는, 압축기 트레인;
냉각된 가스 냉매의 제 1 스트림을 수용하고 제 1 압력으로 팽창시켜 제 1 온도 및 상기 제 1 압력에서 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림을 형성하도록 구성된 제 1 터보-익스팬더; 및
냉각된 가스 냉매의 더욱 냉각된 제 2 스트림을 수용하고 제 2 압력으로 팽창시켜 제 2 온도 및 상기 제 2 압력에서 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림을 형성하도록 구성된 제 2 터보-익스팬더로서, 제 2 압력은 제 1 압력보다 낮고 제 2 온도는 제 1 온도보다 낮은, 제 2 터보-익스팬더를 포함하고;
냉동 회로는 또한:
압축기 트레인으로부터의 냉매의 압축 및 냉각된 가스 스트림을 분할하여 냉각된 가스 냉매의 제 1 스트림 및 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림을 형성하고;
복수의 열 교환기 섹션들 중 적어도 하나의 열 교환기 섹션의 가온측에 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림을 통과시키고 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림을 냉각시켜, 냉각된 가스 냉매의 더욱 냉각된 제 2 스트림을 형성하게 하고; 그리고
제 1 열 교환기 섹션 및/또는 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림의 전부 또는 일부가 냉각되는 열 교환기 섹션을 적어도 포함하는, 복수의 열 교환기 섹션들 중 적어도 하나의 열 교환기 섹션의 저온측에 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림을 통과시키고 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림을 가온시키고, 그리고 복수의 열 교환기 섹션들 중 적어도 하나의 열 교환기 섹션의 저온측에 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림을 통과시키고 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림을 가온시키고, 여기서 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림 및 제 2 스트림은 별도로 유지되고 복수의 열 교환기 섹션들 중 임의의 열 교환기 섹션의 저온측들에서 혼합되지 않으며, 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림은 가온되어 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림을 형성하고 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림은 가온되어 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림을 형성하도록
구성되는, 냉동 회로;
(b) 복수의 열 교환기 섹션들의 제 2 열 교환기 섹션으로부터 제 1 액화된 천연 가스 스트림을 수용하고 제 1 액화된 천연 가스 스트림을 플래시하여 플래시 가스 및 LNG 생성물을 형성하도록 구성된 감압 디바이스;
(c) LNG 생성물로부터 플래시 가스를 분리하여 플래시 가스 스트림 및 LNG 생성물 스트림을 형성하게 하도록 구성된 기액 분리기; 및
(d) 플래시 가스 스트림을 수용 및 압축하고 압축된 플래시 가스를 제 1 천연 가스 공급물 스트림으로 다시 리사이클하기 위한 플래시 가스 압축기를 포함하는, 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하기 위한 시스템.
양태 16: 시스템은:
(e) 플래시 가스 스트림이 플래시 가스 압축기에 의해 수용 및 압축되기 이전에, 플래시 가스 스트림으로부터 저온을 리커버하기 위한 플래시 가스 열 교환기 섹션을 더 포함하고, 플래시 가스 열 교환기 섹션은 가온측 및 저온측을 가지며, 저온측은 플래시 가스 스트림을 수용 및 가온하기 위한 하나 이상의 통로들을 정의하는, 양태 15에 따른 시스템.
양태 17: 플래시 가스 열 교환기의 가온측은 제 2 천연 가스 공급물 스트림을 수용, 냉각 및 액화하기 위한 하나 이상의 통로들을 정의하여 제 2 액화된 천연 가스 스트림을 형성하게 하는, 양태 16에 따른 시스템.
양태 18: 시스템은:
(e) 플래시 가스 열 교환기로부터 제 2 액화된 천연 가스 스트림을 수용하고 제 2 액화된 천연 가스 스트림을 플래시하여 추가 플래시 가스 및 추가 LNG 생성물을 형성하도록 구성된 감압 디바이스를 더 포함하고; 그리고
기액 분리기는 추가 LNG 생성물로부터 추가 플래시 가스를 또한 분리하여 플래시 가스 스트림을 위한 추가 플래시 가스 및 LNG 생성물 스트림을 위한 추가 LNG 생성물을 제공하게 하도록 구성되는, 양태 17에 따른 시스템.
도 1은 종래 기술에 따른 천연 가스 액화 방법 및 시스템을 도시한 개략 흐름도이다.
도 2는 제 1 실시형태에 따른 천연 가스 액화 방법 및 시스템을 도시한 개략 흐름도이다.
도 3은 제 2 실시형태에 따른 천연 가스 액화 방법 및 시스템을 도시한 개략 흐름도이다.
도 4는 제 3 실시형태에 따른 천연 가스 액화 방법 및 시스템을 도시한 개략 흐름도이다.
도 5는 제 4 실시형태에 따른 천연 가스 액화 방법 및 시스템을 도시한 개략 흐름도이다.
높은 공정 효율이 바람직하고; 냉매의 2상 흐름과 2상 냉매의 분리가 바람직하지 않으며; 인화성 냉매의 많은 재고를 유지하는 것이 문제가 되고; 다량의 순수 질소 또는 다른 필요한 냉매 성분이 얻을 수 없거나 얻기가 어려울 수 있으며; 및/또는 플랜트의 이용가능한 풋프린트가 냉동 시스템에 사용될 수 있는 열 교환기, 압축기, 익스팬더 및 파이프의 크기에 제한을 주는, 플로팅 LNG(FLNG) 애플리케이션, 피크 쉐이빙 시설, 모듈 방식의 액화 시설, 소규모 시설, 및/또는 임의의 다른 애플리케이션에 대해 특히 적합하고 매력적인 천연 가스를 액화하는 방법 및 시스템이 본원에 개시되어 있다.
본원에서 사용되고 다르게 나타내지 않는 한, 관사 "a" 및 "an"은 상세한 설명 및 청구항에 기재된 본 발명의 실시형태에서의 임의의 특징에 적용되는 경우 하나 이상을 의미한다. "a" 및 "an"의 사용은 이러한 한계가 특별히 한정되지 않는 한 단일 피쳐에 그 의미를 제한하지 않는다. 단수 또는 복수의 명사 또는 명사구 앞의 관사 "the"는 특정 명세된 피쳐 또는 특정 명세된 피쳐들을 나타내고 사용된 문맥에 따라 단수 또는 복수의 의미를 가질 수 있다.　　　　　　　　　　　　　　　　　
방법의 언급된 단계(예를 들어 (a), (b) 및 (c))를 식별하기 위해 본원에서 문자가 사용되는 경우, 이들 문자는 방법 단계를 지칭하는 것을 돕기 위해 단지 사용되며, 그러한 순서가 구체적으로 언급되지 않는 한 그리고 그러한 순서가 구체적으로 언급되는 정도인 경우에는 청구된 단계가 수행되는 특정 순서를 나타내는 것으로 의도되는 것은 아니다.
방법 또는 시스템의 언급된 피쳐를 식별하기 위해 본원에서 사용되는 경우, 용어 "제 1", "제 2", "제 3" 등은 문제가 되는 피쳐를 지칭하거나 또는 그 피쳐 간을 구별하는 것을 돕기 위해 단지 사용되며, 순서가 구체적으로 언급되지 않는 한 그리고 그러한 순서가 구체적으로 언급되는 정도인 경우에는 피쳐의 임의의 특정 순가를 나타내는 것으로 의도되는 것은 아니다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "천연 가스" 및 "천연 가스 스트림"은 또한 합성 및/또는 대체 천연 가스를 포함하는 가스 및 스트림을 포괄한다. 천연 가스의 주요 성분은 메탄이다(이는 일반적으로 공급물 스트림의 적어도 85 몰%, 보다 종종 적어도 90 몰% 및 평균 약 95 몰%를 포함한다). 천연 가스는 또한 보다 소량의 다른, 중탄화수소(heavier hydrocarbon), 예컨대 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄 등을 포함할 수 있다. 원료 천연 가스의 다른 일반적인 성분은 하나 이상의 성분, 예컨대 질소, 헬륨, 수소, 이산화 탄소, 및/또는 다른 산성 가스 및 수은을 포함한다. 하지만, 본 발명에 따라 프로세싱되는 천연 가스 공급물 스트림은 임의의 (상대적으로) 높은 응고점 성분, 예컨대 수분, 산성 가스, 수은 및/또는 중탄화수소의 레벨을, 천연 가스가 액화되는 열 교환기 섹션 또는 섹션들에서의 동결 또는 다른 작동상의 문제를 방지하는데 필요한 레벨까지 감소시키기 위해 필요하다면 그리고 필요에 따라 전처리될 것이다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "냉동(refrigeration) 사이클"은 순환 냉매가 다른 유체에 냉동을 제공하기 위해 수행하는 일련의 단계를 지칭하고, 그리고 용어 "냉동 회로"는 냉매가 순환하고 앞서 언급된 냉동 사이클의 단계를 실행하는 일련의 연결된 디바이스를 지칭한다. 본원에 기재된 방법 및 시스템에서, 냉동 회로는 냉동을 제공하기 위해 순환 냉매가 가온되는 복수의 열 교환기 섹션, 순환 냉매가 압축되고 냉각되는 복수의 압축기 및/또는 압축 스테이지 및 하나 이상의 인터쿨러 및/또는 애프터쿨러를 포함하는 압축기 트레인, 및 순환 냉매가 복수의 열 교환기 섹션에 공급하기 위한 저온 냉매를 제공하고 팽창되는 적어도 2 개의 터보-익스팬더를 포함한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "열 교환기 섹션"은 열 교환기의 저온측을 통해 흐르는 유체의 하나 이상의 스트림과 열 교환기의 가온측을 통해 흐르는 유체의 하나 이상의 스트림 사이에서 간접 열 교환이 발생하는 유닛 또는 부분을 지칭하며, 이로써 저온측을 통해 흐르는 유체의 스트림(들)은 가온되고 이로써 가온측을 통해 흐르는 유체의 스트림(들)은 냉각된다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "간접 열 교환"은, 2가지 유체가 물리적 배리어의 일부 형태에 의해 서로 분리된 상태를 유지하는, 2가지 유체 사이에서의 열 교환을 지칭한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 열 교환기 섹션의 일부를 지칭하기 위해 사용되는 용어 "가온측"은 저온측을 통해 흐르는 유체와의 간접 열 교환에 의해 냉각될 유체의 스트림 또는 스트림들이 통과하는 열 교환기 측을 지칭한다. 가온측은 유체의 단일 스트림을 수용하기 위한 열 교환기 섹션의 단일 통로, 또는 열 교환기 섹션을 통과할 때 서로 분리된 상태를 유지하는 동일 또는 상이한 유체의 다수의 스트림을 수용하기 위한 열 교환기 섹션의 2 이상의 통로를 정의할 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 열 교환기 섹션의 일부를 지칭하는데 사용되는 용어 "저온측"은 가온측을 통해 흐르는 유체와의 간접 열 교환에 의해 가온될 유체의 스트림 또는 스트림들이 통과하는 열 교환기의 측을 지칭한다. 저온측은 유체의 단일 스트림을 수용하기 위한 열 교환기 섹션의 단일 통로, 또는 열 교환기 섹션을 통과할 때 서로 분리된 상태를 유지하는 유체의 다수의 스트림을 수용하기 위한 열 교환기 섹션의 2 이상의 통로를 정의할 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "코일 권취된 열 교환기"는, 쉘 케이싱에 인케이싱된 하나 이상의 튜브 번들을 포함하는, 당업계에 공지된 유형의 열 교환기를 지칭하며, 여기서 각각의 튜브 번들은 그 자신의 쉘 케이싱을 가질 수 있거나 또는 2 이상의 튜브 번들은 공통 셀 케이신을 공유할 수 있다. 각각의 튜브 번들은 "코일 권취된 열 교환기"를 나타낼 수 있고, 번들의 튜브측은 상기 섹션의 가온측을 나타내고 섹션을 통과하는 하나 또는 2 이상의 통로를 정의하며, 그리고 번들의 쉘측은 섹션을 통과하는 단일 통로를 정의하는 상기 섹션의 저온측을 나타낸다. 코일 권취된 열 교환기는 그 견고성, 안전성 및 열 전달 효율에 대해 알려져 있는 열 교환기의 컴팩트한 디자인이며, 따라서 그 풋프린트에 대해 상대적으로 매우 효율적인 열 교환의 수준을 제공하는 혜택을 갖는다. 하지만, 쉘 측은 열 교환기 섹션을 통과하는 단일 통로만을 정의하고 있기 때문에, 냉매의 상기 스트림이 상기 열 교환기 섹션의 저온측에서 혼합되지 않고서는, 각각의 코일 권취된 열 교환기 섹션의 저온측(쉘측)에서 냉매의 2 이상의 스트림을 사용하는 것이 불가능하다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "터보-익스팬더"는 작업-팽창되어(작업을 생산하기 위해 팽창되어) 가스의 압력 및 온도를 저하시키는 원심형, 방사형 또는 축류형 터빈을 지칭한다. 이러한 디바이스는 또한 팽창 터빈으로 당업계에서 지칭된다. 터보-익스팬더에 의해 생산된 작업은 임의의 원하는 목적을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 터보-익스팬더는 압축기(예컨대 냉매 압축기 트레인의 하나 이상의 압축기 또는 압축 스테이지)를 구동하고 및/또는 발전기를 구동하는데 사용될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "플래싱"(당업계에서 "플래시 증발"로도 지칭됨)은 스트림을 부분적으로 기화하도록 액체 또는 2상(즉, 기체-액체)의 압력을 감압하여, 압력 및 온도가 감소하는 2상 스트림인 "플래시된" 스트림을 생성하는 공정을 지칭한다. 플래시된 스트림에 존재하는 증기(즉, 기체)는 본원에서 "플래시 가스"로 지칭된다. 액체 또는 2상 스트림은 압력을 감압하기에 적합한 임의의 감압 디바이스에 통과함으로써 플래시되어, 예를 들어 J-T 밸브 또는 수력 터빈(또는 다른 작업 팽창 디바이스)과 같은 스트림을 적어도 부분적으로 기화할 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "J-T" 밸브 또는 "줄-토마슨 밸브"는 유체가 스로틀링되어 줄-토마슨 팽창을 통해 유체의 압력 및 온도를 저하시키는 밸브를 지칭한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "기-액 분리기"는 예컨대 플래시 드럼 또는 녹 다운 드럼에 제한되지 않으며, 2상 스트림을 도입하여 스트림이 구성성분인 증기 및 액체 상으로 분리되도록 할 수 있는 용기를 지칭하며, 이로써 기상은 용기의 상부에서 수집되며 용기의 상부로부터 인출될 수 있고 액상은 용기의 하부에서 수집되며 용기의 하부로부터 인출될 수 있다. 용기의 상부에서 수집되는 증기는 또한 본원에서 "오버헤드" 또는 "증기 오버헤드"로 지칭되며, 그리고 용기의 하부에서 수집되는 액체는 본원에서 "하부" 또는 "하부 액체"로 지칭된다. J-T 밸브는 액체 또는 2상 스트림을 플래시하도록 사용되고 있고 기-액 분리기(예를 들어, 플래시 드럼)는 결과적으로 형성된 플래시 가스 및 액체를 분리하도록 사용되고 있는 경우, 밸브 및 분리기는 단일 디바이스로 조합될 수 있으며, 예를 들어 이 경우 액체 또는 2상 스트림이 도입되는 분리기에 대한 유입구에 밸브가 위치한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "폐루프 사이클", "폐루프 회로" 등은, 정상 작동시, (누설 등의 작은 의도치 않은 손실을 보상하는 것 이외에) 냉매가 회로로부터 제거되거나 또는 회로에 추가되지 않는 냉동 사이클 또는 회로를 지칭한다. 이와 같이, 임의의 열 교환기 섹션의 가온측에서 유체가 냉각되는 경우 폐루프 냉동 회로에는, 냉매 스트림 및 냉각 및/또는 액화될 천연 가스 스트림 양자가 포함되며, 상기 냉매 스트림 및 천연 가스 스트림은 상기 스트림이 별도로 유지되고 혼합되지 않도록 상기 열 교환기 섹션(들)의 가온측(들)에서 별도의 통로로 통과될 것이다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "개루프 사이클", "개루프 회로" 등은, 액화될 공급물 스트림, 즉 천연 가스가 순환 냉매를 또한 제공하여, 이로써 정상 작동시 냉매가 연속적으로 회로에 추가되고 회로로부터 제거되는 냉매 사이클 또는 회로를 지칭한다. 따라서, 예를 들어, 개루프 사이클에서 천연 가스 스트림은 천연 가스 공급물 및 메이크업 냉매의 조합물로 개루프 회로에 도입될 수 있고, 이 천연 가스 스트림은 그후 열 교환기 섹션으로부터의 가온된 가스 냉매의 스트림과 조합되어 냉매의 압축 및 냉각된 가스 스트림을 형성하기 위해 압축기 트레인에서 그후 압축 및 냉각될 수 있는 조합 스트림을 형성하며, 그 일부는 후속 분할되어 액화될 천연 가스 공급물 스트림을 형성한다.
단지 예로써, 소정의 종래 기술 배열 및 예시적인 본 발명의 실시형태를 도 1 내지 도 5를 참조하여 이제 설명할 것이다. 2 이상의 도면에 피쳐가 공통인 이들 도면에서, 명확성 및 간략화를 위해 각각의 도면에 동일한 도면 부호가 할당되어 있다.
이제 도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 천연 가스 액화 방법 및 시스템이 도시되어 있다. 원료 천연 가스 공급물 스트림(100)은 전처리 시스템(101)에서 선택적으로 전처리되어 수은, 물, 산성 가스 및 중탄화수소 등의 불순물을 제거하고 전처리된 천연 가스 공급물 스트림(102)을 생산하며, 전처리된 천연 가스 공급물 스트림(102)은 예냉 시스템(103)에서 선택적으로 예냉되어 천연 가스 공급물 스트림(104)을 생산할 수 있다.
천연 가스 공급물 스트림(104)은 분할되어 제 1 천연 가스 공급물 스트림(194) 및 제 2 천연 가스 공급물 스트림(192)을 형성한다. 압축된 플래시 가스 스트림(191)은, 아래에 더욱 후술되는 바와 같이, 결과적으로 형성된 제 1 천연 가스 공급물 스트림(195)(리사이클된 플래시 가스도 포함함)이 극저온용 열 교환기(Main Cryogenic Heat Exchanger, MCHE)(198)에서 예냉 및 액화되기 이전에 제 1 천연 가스 공급물 스트림(194)과 혼합됨으로써 리사이클된다. 대안으로, 압축된 플래시 가스 스트림(191)은, 상기 스트림이 분할되어 제 1 및 제 2 천연 가스 공급물 스트림으로 형성되기 이전에 천연 가스 공급물 스트림(104)과 혼합됨으로써 리사이클될 수 있다.
제 1 천연 가스 공급물 스트림(195)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 2개의 열 교환기 섹션, 즉 제 1 천연 가스 공급물 스트림이 냉각되어 예냉된 제 1 천연 가스 공급물 스트림(105)을 생산하는 가온 섹션(198A)과 예냉된 제 1 액화된 천연 가스 스트림(105)이 더욱 냉각 및 액화되어 제 1 액화된 천연 가스 스트림(106)을 생산하는 저온 섹션(198B)을 포함하는 MCHE(198)에서 예냉 및 액화된다. 그후 제 1 액화된 천연 가스 스트림(106)은 제 1 J-T 밸브(108)에서의 스로틀링을 통해 플래시되어 플래시된 제 1 액화된 천연 가스 스트림(110)을 생산한다.
MCHE(198)는 임의의 종류의 열 교환기, 예컨대 (도 1에 도시된)코일 권취된 열 교환기, 플레이트 및 핀 열 교환기, 쉘 및 튜브 열 교환기, 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 적합한 유형의 열 교환기일 수 있다. MCHE(198)는 또한 단지 하나의 섹션, 또는 (도시된 2 섹션보다는 오히려) 3 이상의 섹션으로 이루어질 수 있다. 이들 열 교환기 섹션은 하나의 공통 케이싱(도시된 바와 같음), 또는 별도의 열 교환기 케이싱 내에 위치할 수 있다.
제 2 천연 가스 공급물 스트림(192)은 플래시 가스 열 교환기 섹션(126)에서 냉각 및 액화되어 제 2 액화된 천연 가스 스트림(193)을 생산하고, 이는 제 2 J-T 밸브(200)에서의 스로틀링을 통해 플래시되어 플래시된 제 2 액화된 천연 가스 스트림을 생산하며, 이는 플래시된 제 1 액화된 천연 가스 스트림(110)과 혼합되어 혼합 스트림(122)을 생산한다. 혼합 스트림(122)은 기-액 분리기(이 경우 엔드플래시 드럼)(120)로 보내진다. 엔드플래시 드럼(120)으로부터 오버헤드로 제거된 플래시 가스는 플래시 가스 열 교환기 섹션(126)에서 가온되는 플래시 가스 스트림(125)을 형성하고, 이로써 냉동 및 냉각 듀티를 플래시 가스 열 교환기 섹션(126)으로 제공한다. 플래시 가스 열 교환기 섹션(126)을 빠져나가는 가온된 플래시 가스 스트림(127)은 플래시 가스 압축기(128)에서 압축되어 압축된 플래시 가스 스트림(129)을 생산하고, 플래시 가스 애프터쿨러(190)에서 주변 공기 또는 냉각수에 대해 냉각되어, 제 1 천연 가스 공급물 스트림(194)으로 다시 리사이클되는 압축된 플래시 가스 스트림(191)을 생산한다.
엔드플래시 드럼(120)으로부터의 하부 액체들은 LNG 생성물 스트림으로서 제거되고, 이 경우 LNG 생성물 스트림은 LNG 강하 밸브(123)에서 압력을 내려 감압 LNG 생성물 스트림(124)을 생산하고, 이는 LNG 저장 탱크(115)로 보내진다. LNG 저장 탱크에서 생산된 임의의 보일 오프 가스(boil off gas, BOG)(또는 추가 플래시 가스)는 보일-오프 가스(BOG) 스트림(112)으로서 탱크에서 제거되고, 이 보일-오프 가스(BOG) 스트림(112)은 플랜트에서 연료로 사용되거나, 플레어되거나, 또는 플래시 가스 스트림(125)과 혼합되고 후속하여 공급물로 리사이클될 수 있다.
MCHE(198)로의 냉동은 MCHE(198)의 열 교환기 섹션(198A, 198B), 압축 시스템(136) 및 애프터쿨러(156)를 포함하는 압축기 트레인, 제 1 터보-익스팬더(164) 및 제 2 터보-익스팬더(172)를 포함하는 냉동 회로를 순환하는 냉매에 의해 제공된다. 가온 가스 냉매 스트림(130)은 MCHE(198)로부터 인출되고, 일시적인 오프 설계 운영 중에 그 안에 존재하는 임의의 액체는 녹아웃 드럼(132)에서 제거될 수 있다. 그후 오버헤드 가온 가스 냉매 스트림(134)은 압축 시스템(136)에서 압축되어 압축된 냉매 스트림(155)을 생산한다. 냉매 압축 시스템(136)에서, 오버헤드 가온 가스 냉매 스트림(134)은 제 1 압축기(137)에서 압축되어 제 1 압축된 냉매 스트림(138)을 생산하고, 제 1 인터쿨러(139)에서 주변 공기 또는 냉각수에 대해 냉각되어 제 1 냉각된 압축 냉매 스트림(140)을 생산하고, 제 1 냉각된 압축 냉매 스트림(140)은 제 2 압축기(141)에서 더욱 압축되어 제 2 압축된 냉매 스트림(142)을 생산한다. 제 2 압축된 냉매 스트림(142)은 제 2 인터쿨러(143)에서 주변 공기 또는 냉각수에 대해 냉각되어 제 2 냉각된 압축 냉매 스트림(144)을 생산하고, 제 2 냉각된 압축 냉매 스트림(144)은 2개의 부분, 제 1 부분(145) 및 제 2 부분(146)으로 분할된다. 제 2 냉각된 압축 냉매 스트림의 제 1 부분(145)은 제 3 압축기(147)에서 압축되어 제 3 압축된 스트림(148)을 생산하는 한편, 제 2 냉각된 압축 냉매 스트림의 제 2 부분(146)은 제 4 압축기(149)에서 압축되어 제 4 압축된 스트림(150)을 생산한다. 제 3 압축된 스트림(148) 및 제 4 압축된 스트림(150)은 혼합되어 압축된 냉매 스트림(155)을 생산한다.
압축된 냉매 스트림(155)은 냉매 애프터쿨러(156)에서 주변 공기 또는 냉각수에 대해 냉각되어 냉매의 압축 및 냉각된 가스 스트림(158)을 생산한다. 그후 냉각된 압축 가스 냉매 스트림(158)은 2가지 스트림, 즉 냉각된 가스 냉매의 제 1 스트림(162) 및 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림(160)으로 분할된다. 제 2 스트림(160)은 MCHE(198)의 가온 섹션(198A)의 가온측에, 상기 가온측에서의 별도의 통로를 통해 천연 가스 공급물 스트림(104)이 통과되는 통로로, 통과 및 냉각되어 냉각된 가스 냉매의 더욱 냉각된 제 2 스트림(168)을 생산하는 한편, 제 1 스트림(162)은 제 1 터보-익스팬더(164)(또한 가온 익스팬더로 본원에서 지칭됨)에서 팽창되어, 제 1 천연 가스 공급물 스트림(104)을 예냉하고 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림(160)을 냉각하기 위한 냉동 및 냉각 듀티를 제공하도록 가온되는 MCHE(198)의 가온 섹션(198A)의 저온측에 통과되는 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림(166)을 생산한다.
냉각된 냉매의 더욱 냉각된 제 2 스트림(168)은 제 2 터보-익스팬더(172)(또한 저온 익스팬더로 본원에서 지칭됨)에서 팽창되어, 예냉된 제 1 냉각된 천연 가스 공급물(105)을 액화하기 위한 냉동 및 냉각 듀티를 제공하도록 가온되는 MCHE(198)의 저온 섹션(198B)의 저온측에 통과되고, 이후 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림(166)과 혼합되는 MCHE(198)의 가온 섹션(198A)의 저온측에 통과 및 더욱 가온되는, 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림(174)을 생산한다. 팽창된 저온 냉매의 제 1 및 제 2 스트림(166 및 174)은 제 1 및 제 2 터보-익스팬더(164 및 172)를 각각 빠져 나올 때 0.8 초과, 바람직하게는 0.85 초과의 증기 분율을 갖는 적어도 주로 가스이다.
제 3 압축기(147)는 가온 익스팬더(164)에 의해 생성된 전력에 의해 적어도 부분적으로 구동될 수 있는 한편, 제 4 압축기(149)는 저온 익스팬더(172)에 의해 생성된 전력에 의해 적어도 부분적으로 구동될 수 있으며, 또는 그 반대도 마찬가지이다. 마찬가지로, 가온 및/또는 저온 익스팬더는 압축기 트레인에서의 임의의 다른 압축기를 구동할 수 있다. 도 1에서는 별도의 압축기로 도시되어 있지만, 압축기 시스템 내의 2 개 이상의 압축기는 대신에 단일 압축기 유닛의 압축 스테이지일 수 있다. 마찬가지로, 압축기 중 하나 이상의 압축기가 익스팬더 중 하나 이상의 익스팬더에 의해 구동되는 경우, 연관된 압축기와 익스팬더는 일체형으로 위치하여 함께 압축기-익스팬더 바디 또는 컴팬더(compander)로 지칭될 수 있다.
도 1에 도시된 종래 기술의 배열의 단점은 냉매가 거의 동일한 압력에서 가온 및 중간 섹션으로 냉각 듀티를 제공하는 것이다. 이는 저온 스트림이 가온 섹션의 상부에서 혼합되어, 결과적으로 가온 및 저온 익스팬더와 유사한 출구 압력을 초래하기 때문이다. 종래 기술 구성에서의 이들 출구 압력의 임의의 최소한의 차이는 저온 및 가온 섹션에 걸친 열 교환기 저온측 압력 강하로 인한 것이며, 이는 통상적으로 각 섹션에 대해 약 45 psia(3 bara) 미만, 바람직하게는 25 psia(1.7 bara), 보다 바람직하게는 10 psia(0.7 bara) 미만이다. 이 압력 강하는 열 교환기 유형에 따라 달라진다. 따라서, 종래 기술 구성은 요구되는 냉동 온도에 기초하여 저온 스트림의 압력을 조절하는 옵션을 제공하지 않는다.
도 2는 도 1에 대한 개선을 제공하는 제 1 실시형태를 도시한다.
원료 천연 가스 공급물 스트림(100)은 전처리 시스템(101)에서 선택적으로 전처리되어 수은, 물, 산성 가스 및 중탄화수소 등의 불순물을 제거하고 전처리된 천연 가스 공급물 스트림(102)을 생산하며, 전처리된 천연 가스 공급물 스트림(102)은 예냉 시스템(103)에서 선택적으로 예냉되어 천연 가스 공급물 스트림(104)을 생산할 수 있다.
천연 가스 공급물 스트림(104)은 분할되어 제 1 천연 가스 공급물 스트림(194) 및 제 2 천연 가스 공급물 스트림(192)을 형성한다. 압축된 플래시 가스 스트림(191)은, 아래에 더욱 후술되는 바와 같이, 결과적으로 형성된 제 1 천연 가스 공급물 스트림(195)(리사이클된 플래시 가스도 포함함)이 예냉 및 액화되기 이전에 제 1 천연 가스 공급물 스트림(194)과 혼합됨으로써 리사이클된다. 대안으로, 압축된 플래시 가스 스트림(191)은, 상기 스트림이 분할되어 제 1 및 제 2 천연 가스 공급물 스트림을 형성하기 이전에 천연 가스 공급물 스트림(104)과 혼합됨으로써 리사이클될 수 있다. 제 2 천연 가스 공급물 스트림(192)은 바람직하게 (리사이클된 플래시 가스 스트림을 무시한)천연 가스 공급물 스트림(104)의 5 몰% 내지 30 몰% 이고, 보다 바람직하게 약 10 몰% 내지 20 몰% 이다. 결과적으로, 제 2 천연 가스 공급물 스트림(192) 대 (리사이클된 플래시 가스 스트림을 무시한)제 1 천연 가스 공급물 스트림(194)의 몰 유량비는 바람직하게 약 0.05 내지 0.45이고, 보다 바람직하게 약 0.1 내지 0.25이다.
제 1 천연 가스 스트림(195)은 제 1 열 교환기 섹션(198A)에서 냉각되어 예냉된 제 1 천연 가스 스트림(105)을 생산하고, 그리고 제 1 열 교환기 섹션(198A)으로부터의 예냉된 제 1 천연 가스 스트림(105)은 그후 제 2 열 교환기 섹션(198B)에서 더욱 냉각 및 액화되어 제 1 액화된 천연 가스 스트림(106)을 생산한다. 그후 제 2 열 교환기 섹션(198B)으로부터 인출된 제 1 액화된 천연 가스 스트림(106)은 제 1 J-T 밸브(108)에서의 스로틀링을 통해 플래시되어 플래시된 제 1 액화된 천연 가스 스트림(110)을 생산한다.
제 1 및 제 2 열 교환기 섹션(198A, 198B)은 임의의 유형의 열 교환기 섹션일 수 있으며, 예컨대 코일 권취된 섹션, 플레이트 및 핀 섹션, 쉘 및 튜브 섹션, 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 적합한 유형의 열 교환기 섹션일 수 있다. 하지만, 바람직한 실시형태에서, 제 1 및 제 2 열 교환기 섹션(198A, 198B)은 각각 코일 권취된 열 교환기 섹션(제 1 열 교환기 섹션은 제 1 튜브 번들을 포함하고 제 2 열 교환기 섹션은 제 2 튜브 번들을 포함하는, 도 2에 도시된 것과 같음)이다. 추가 열 교환기 섹션이 또한 존재할 수도 있다. 열 교환기 섹션은 도 2에 도시된 것과 같이 하나의 케이싱 내에 모두 위치할 수 있는데, 여기서 제 1 및 제 2 열 교환기 섹션(198A, 198B)은 코일 권취된 MCHE(198)의 단일 쉘 케이싱 내에 포함되고, 제 1 열 교환기 섹션(198A)은 MCHE(198)의 가온 섹션(가온 튜브 번들)을 나타내고, 그리고 제 2 열 교환기 섹션(198B)은 MCHE(198)의 저온 섹션(저온 튜브 번들)을 나타낸다. 대안으로, 제 1 및 제 2 열 교환기 섹션(198A, 198B)은 별도이 케이싱 내에 포함될 수 있다.
제 2 천연 가스 공급물 스트림(192)은 플래시 가스 열 교환기 섹션(126)에서 냉각 및 액화되어 제 2 액화된 천연 가스 스트림(193)을 생산하고, 이는 제 2 J-T 밸브(200)에서의 스로틀링을 통해 플래시되어 플래시된 제 2 액화된 천연 가스 스트림을 생산하며, 이는 플래시된 제 1 액화된 천연 가스 스트림(110)과 혼합되어 혼합 스트림(122)을 생산한다. 혼합 스트림(122)은 기-액 분리기(이 경우 엔드플래시 드럼)(120)로 보내진다. 엔드플래시 드럼(120)으로부터 오버헤드로 제거된 플래시 가스는 플래시 가스 열 교환기 섹션(126)에서 가온되는 플래시 가스 스트림(125)을 형성하고, 이로써 냉동 및 냉각 듀티를 플래시 가스 열 교환기 섹션(126)으로 제공한다. 플래시 가스 열 교환기 섹션(126)을 빠져나가는 가온된 플래시 가스 스트림(127)은 플래시 가스 압축기(128)에서 압축되어 압축된 플래시 가스 스트림(129)을 생산하고, 플래시 가스 애프터쿨러(190)에서 주변 공기 또는 냉각수에 대해 냉각되어, 제 1 천연 가스 공급물 스트림(194)으로 다시 리사이클되는 압축된 플래시 가스 스트림을 생산한다. 플래시 가스 열 교환기 섹션(126)은 임의의 적합한 열 교환기 유형의 열 교환기 섹션일 수 있고, 예컨대 코일 권취된 섹션, 플레이트 및 핀 섹션(도 2에 도시된 바와 같음) 또는 쉘 및 튜브 섹션일 수 있다. 2 이상의 플래시 가스 열 교환기 섹션이 또한 사용될 수 있고, 이 섹션은 단일 또는 별도의 케이싱에 포함될 수 있다. 제 2 LNG 스트림(193)은 통상적으로 약 -140 내지 -150 ℃의 온도에서 생산된다(즉, 플래시 가스 열 교환기 섹션(126)을 빠져나간다).
엔드플래시 드럼(120)으로부터의 하부 액체들은 LNG 생성물 스트림(121)으로서 제거되고, 이 LNG 생성물 스트림은 (도시된 바와 같이)제 1 LNG 강하 밸브(123)에서 압력을 내려 감압 LNG 생성물 스트림(124)을 생산하고, 이는 LNG 저장 탱크(115)로 보내진다. LNG 저장 탱크에서 생산되거나 또는 존재하는 임의의 보일 오프 가스(또는 추가 플래시 가스)는 보일 오프 가스(BOG) 스트림(112)으로서 탱크에서 제거되고, 이 보일 오프 가스(BOG) 스트림(112)은 플랜트에서 연료로 사용되거나, 플레어되거나, 또는 플래시 가스 스트림(125)과 혼합되고 후속하여 공급물로 리사이클될 수 있다.
대안의 실시형태에서, 플래시 가스 열 교환기 섹션(126)에서 제 2 천연 가스 공급물 스트림을 냉각하는 대신에, 다른 유형의 스트림이 플래시 가스 열 교환기(126)의 가온측, 예를 들어 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림(160)의 일 부분에 통과 및 냉각될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 플래시 가스 열 교환기 섹션(126)의 가온측은 2 이상의 상이한 스트림, 예를 들어 제 2 천연 가스 공급물 스트림 및 냉매가 플래시 가스 열 교환기 섹션(126)의 가온측에 별도로 통과 및 냉각될 수 있게 하는 열 교환기 섹션을 통과하는 복수의 별도의 통로를 정의할 수 있다.
상기에 언급된 바와 같이, 도 2에 도시된 실시형태에서, MCHE(198)는 단일 쉘 케이싱에 포함되는 제 1 열 교환기 섹션(가온 섹션/튜브 번들)(198A) 및 제 2 열 교환기 섹션(저온 섹션/튜브 번들)(198B)을 포함하는 코일 권취된 열 교환기 유닛이다. 도 2의 MCHE(198)는 가온 섹션(198A)의 저온측을 저온 섹션(198B)의 저온셕 섹션으로부터 분리하여, 저온 섹션(198B)의 저온측을 흐르는 냉매가 가온 섹션(198A)의 저온측으로 흐르는 것을 방지하는 헤드(118)를 더 포함한다. 헤드(118)는 이로써 쉘측 압력을 포함하고, 가온 섹션의 저온측이 저온 섹션의 저온측과 상이한 쉘측 압력에 있게 한다. 하지만, 또한 상기에 언급된 바와 같이, 도 2에 도시된 실시형태의 변형예에서, 2개의 별도의 열 교환기 유닛이 사용될 수 있고, 여기서 제 1 열 교환기 섹션(198A)은 그 자신의 쉘 케이싱에 인케이싱되고 제 2 열 교환기 섹션 유닛(198B)은 다른 별도의 쉘 케이싱에 인케이싱되어, 헤드(118)에 필요성을 제거한다.
냉동은 제 1 및 제 2 열 교환기 섹션(198A 및 198B)으로 폐루프 냉동 회로에서 순환하는 냉매에 의해 제공되며, 이 폐루프 회로는 상기 열 교환기 섹션(198A, 198B); 압축 시스템(136)(압축기/압축기 스테이지(137, 141, 147, 149) 및 인터쿨러(139, 143)를 포함함) 및 애프터쿨러(156)를 포함하는 압축기 트레인; 제 1 터보-익스팬더(164); 및 제 2 터보-익스팬더(172)를 포함한다.
가온된 가스 냉매의 제 1 스트림(131)은 제 1 열 교환기 섹션(198A)의 저온측의 가온 단부로부터 인출된다. 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림(131)은 녹아웃 드럼(도시되지 않음)으로 보내져 일시적인 오프 설계 작업동안 스트림에 존재할 수 있는 임의의 액체를 제거할 수 있다. 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림(171)은 제 2 열 교환기 섹션(198B)의 저온측의 가온 단부에서 인출되며, 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림(171)은 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림(131)보다 압력이 낮다. 이 실시형태에서 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림(171)은 또한 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림보다 온도가 낮고, 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림의 온도는 통상적으로 약 -40℃ 내지 -70℃이다. 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림(171)은 마찬가지로 다른 녹아웃 드럼(132)으로 보내져 일시적인 오프-설계 운영동안 존재할 수 있는 임의의 액체를 제거할 수 있고, 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림은 오버헤드 스트림(134)으로서 녹아웃 드럼(132)을 떠난다. 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림(131) 및 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림(134)은 그후 압축 시스템(136)의 상이한 위치로 도입되고, 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림은 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림보다 낮은 압력에서 압축 시스템 안으로 도입된다.
냉매 압축 시스템(136)에서, 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림(134)은 제 1 압축기/압축 스테이지에서 압축되어 제 1 압축된 냉매 스트림(138)을 생산하고, 제 1 압축된 냉매 스트림(138)은 제 1 인터쿨러(139)에서 주변 공기 또는 냉각수에 대해 냉각되어 제 1 냉각된 압축 냉매 스트림(140)을 생산한다. 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림(131)은 제 1 냉각된 압축 냉매 스트림(140)과 혼합되어 혼합 중압 냉매 스트림(151)를 생산하고, 혼합 중압 냉매 스트림(151)은 제 2 압축기(141)에서 더욱 압축되어 제 2 압축된 냉매 스트림(142)을 생산한다. 제 2 압축된 냉매 스트림(142)은 제 2 인터쿨러(143)에서 주변 공기 또는 냉각수에 대해 냉각되어 제 2 냉각된 압축 냉매 스트림(144)을 생산하고, 제 2 냉각된 압축 냉매 스트림(144)은 2개의 부분, 제 1 부분(145) 및 제 2 부분(146)으로 분할된다. 제 2 냉각된 압축 냉매 스트림의 제 1 부분(145)은 제 3 압축기(147)에서 압축되어 제 3 압축된 스트림(148)을 생산하는 한편, 제 2 냉각된 압축 냉매 스트림의 제 2 부분(146)은 제 4 압축기(149)에서 압축되어 제 4 압축된 스트림(150)을 생산한다. 제 3 압축된 스트림(148) 및 제 4 압축된 스트림(150)은 혼합되어 압축된 냉매 스트림(155)을 생산한다.
압축된 냉매 스트림(155)은 냉매 애프터쿨러(156)에서 주변 공기 또는 냉각수에 대해 냉각되어 냉매의 압축 및 냉각된 가스 스트림(158)을 생산한다. 그후 냉각된 압축 가스 냉매 스트림(158)은 2가지 스트림, 즉 냉각된 가스 냉매의 제 1 스트림(162) 및 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림(160)으로 분할된다. 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림(160)은 제 1 열 교환기 섹션(198A)의 가온측에, 상기 가온측에서의 별도의 통로를 통해 천연 가스 공급물 스트림(195)이 통과되는 통로로, 통과 및 냉각되어, 냉각된 가스 냉매의 더욱 냉각된 제 2 스트림(168)을 생산한다. 냉각된 가스 냉매의 제 1 스트림(162)은 제 1 터보-익스팬더(164)(본원에서 가온 익스팬더로도 지칭됨)에서 제 1 압력으로 팽창되어, 제 1 온도 및 상기 제 1 압력에서 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림(166)을 생산하며, 이는 제 1 터보-익스팬더를 빠져 나올 때 0.8 초과, 바람직하게는 0.85 초과의 증기 분율을 갖는 적어도 주로 가스이다. 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림(166)은, 제 1 천연 가스 공급물 스트림(195)을 예냉하고 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림(160)을 냉각하기 위한 냉동 및 냉각 듀티를 제공하도록 가온되는 제 1 열 교환기 섹션(198A)의 저온측에 통과되어, 예냉된 제 1 천연 가스 스트림(105) 및 냉각된 가스 냉매의 더욱 냉각된 제 2 스트림(168)을 각각 생산하며, 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림(166)은 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림(131)을 형성하도록 가온된다. 예냉된 제 1 천연 가스 스트림(105) 및 냉각된 가스 냉매의 더욱 냉각된 제 2 스트림(168)은 약 -25℃ 내지 약 -70℃의 온도에서, 바람직하게는 약 -35℃ 내지 약 -55℃의 온도에서 생산된다.
제 2 스트림 냉각된 가스 냉매 스트림(168)은 제 2 터보-익스팬더(또한 본원에서 저온 익스펜더익스팬더로도 지칭됨)(172)에서 제 2 압력으로 팽창되어, 제 2 온도 및 상기 제 2 압력에서 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림(174)을 생산하며 이는 제 2 터보-익스팬더를 빠져 나올 때 0.8 초과, 바람직하게는 0.85 초과의 증기 분율을 갖는 적어도 주로 가스이다. 제 2 온도 및 제 2 압력 각각은 제 1 온도 및 제 1 압력보다 각각 낮다. 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림(174)은, 예냉된 제 1 천연 가스 공급물 스트림(105)을 액화하기 위한 냉동 및 냉각 듀티를 제공하도록 가온되는 제 2 열 교환기 섹션(198B)의 저온측에 통과되어 제 1 액화된 천연 가스 스트림(106)을 생산하고, 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림(174)은 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림(171)을 형성하도록 가온된다. 제 1 액화된 천연 가스 스트림(106)은 통상적으로 약 -100℃ 내지 약 -145℃의 온도에서, 보다 바람직하게는 약 110℃ 내지 약 -145℃의 온도에서 생산된다.
냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림(160)은 냉각된 압축 가스 냉매 스트림(158)의 약 35 몰% 내지 80 몰%이고, 바람직하게는 냉각된 압축 가스 냉매 스트림(158)의 약 50 몰% 내지 70 몰%이다.
상기에 언급된 바와 같이, 제 2 압력(팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림(174)의 압력)은 제 1 압력(팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림(166)의 압력)보다 낮다. 바람직한 실시형태에서, 제 1 압력 대 제 2 압력의 압력비는 1.5:1 내지 2.5:1 이다. 바람직한 실시형태에서, 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림(166)의 압력은 약 10 bara 내지 40 bara 인 한편, 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림(174)의 압력은 약 5 bara 내지 25 bara 이다. 대응하게, 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림(173)은 약 5 bara 내지 25 bara의 압력을 갖는 한편, 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림(131)은 약 10 bara 내지 40 bara의 압력을 갖는다.
제 3 압축기(147)는 가온 익스팬더(164)에 의해 생성된 전력에 의해 적어도 부분적으로 구동될 수 있는 한편, 제 4 압축기(149)는 저온 익스팬더(172)에 의해 생성된 전력에 의해 적어도 부분적으로 구동될 수 있으며, 또는 그 반대도 마찬가지이다. 대안으로, 압축 시스템에서의 임의의 다른 압축기는 가온 익스팬더 및/또는 저온 익스팬더에 의해 적어도 부분적으로 구동될 수 있다. 압축기 및 익스팬더 유닛은 하나의 케이싱에 위치하여, 압축기-익스팬더 어셈블리 또는 컴팬더로 지칭될 수 있다. 요구되는 임의의 추가 전력은 외부 드라이버, 예컨대 전기 모터 또는 가스 터빈을 사용하여 제공될 수 있다. 컴팬더를 이용하여 회전 장비의 플롯 공간을 저하시키고, 그리고 전체 효율을 개선한다.
도 2에 도시된 냉매 압축 시스템(136)은 예시적인 배열이며, 압축 시스템 및 압축기 트레인의 여러 변형이 가능하다. 이를테면, 도 2에서는 별도의 압축기로 도시되어 있지만, 압축기 시스템 내의 2 개 이상의 압축기는 대신에 단일 압축기 유닛의 압축 스테이지일 수 있다. 마찬가지로, 도시된 각각의 압축기는 하나 이상의 케이싱에 다수의 압축 스테이지를 포함할 수 있다. 다수의 인터쿨러 및 애프터쿨러가 있을 수 있다. 각각의 압축 스테이지는 하나 이상의 임펠러 및 연관된 디퓨저를 포함할 수 있다. 추가 압축기/압축 스테이지가 도시된 압축기 중 임의의 압축기와 직렬 또는 병렬로 포함될 수 있고, 및/또는 도시된 압축기 중 하나 이상이 생략될 수 있다. 제 1 압축기(137), 제 2 압축기(141), 및 임의의 다른 압축기는 전기 모터, 산업용 가스 터빈, 에어로 유도 가스 터빈, 증기 터빈 등과 같은 임의의 종류의 구동기에 의해 구동될 수 있다. 압축기는 원심형, 축형, 포지티브 변위형 등과 같은 임의의 유형일 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림(131)은 멀티-스테이지 압축기에서 사이드 스트림으로서 도입되어, 제 1 압축기(137)와 제 2 압축기(141)가 단일 압축기의 다수 스테이지가 되도록 할 수 있다.
또 다른 실시형태(미도시)에서, 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림(131) 및 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림(171)은 별도의 압축기에서 병렬로 압축될 수 있으며, 압축된 스트림은 조합되어 제 2 압축된 냉매 스트림(142)을 생산할 수 있다.
냉동 회로에서 순환하는 냉매는 메탄을 포함하는 냉매이다. 냉매는 질소 또한 당업계에 공지 및 사용된 임의의 다른 적합한 냉매 성분을, 제 1 및 제 2 팽창된 저온 냉매 스트림이 제 1 및 제 2 터보-익스팬더의 각 출구에서 적어도 주로 가스성인 것에 영향을 주지 않는 정도로 포함할 수 있다. 냉각된 압축 냉매 스트림(158)의 바람직한 조성물은 적어도 약 85 몰%, 보다 바람직하게 적어도 약 90 몰%, 보다 바람직하게 적어도 약 95 몰, 및 가장 바람직하게 약 100 몰% 메탄인 스트림이며, 예컨대 외부 냉매가 요구되지 않도록 천연 가스 또는 플래시 가스로부터 획득될 수 있다. 냉각된 압축 냉매 스트림(158)의 또 다른 바람직한 조성물은 약 25 몰% 내지 65 몰%, 보다 바람직하게 약 30 몰% 내지 60 몰% 질소를 포함하고, 그리고 약 30 몰% 내지 80 몰%, 보다 바람직하게 약 40 몰% 내지 70 몰% 메탄을 포함하는 질소-메탄 혼합물이다.
종래 기술에 비해 도 2에 도시된 실시형태의 주요 이점은, 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림(166) 및 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림(174)의 압력이 상당히 다르다는 것이다. 이것은 공정의 액화 및 예냉 부분에 대해 상이한 압력에서 냉각을 제공할 수 있게 한다. 액화 부분에 대해서는 보다 낮은 냉매 압력이 바람직하고, 예냉 부분에 대해서는 보다 높은 냉매 압력이 바람직하다. 가온 및 저온 익스팬더 압력을 상당히 다르게 함으로써, 공정은 보다 높은 전체 효울을 초래한다. 그 결과, 가온 익스팬더(164)는 주로 예냉 듀티를 제공하는데 사용되는 한편, 저온 익스팬더(172)는 주로 액화 듀티를 제공하는데 사용된다. 더욱이, 서로 분리되어 있는 저온측(쉘측)을 갖는 제 1 열 교환기 섹션(예냉 섹션)(198A) 및 제 2 열 교환기 섹션(액화 섹션)(198B)에 대해 열 교환기 섹션을 사용함으로써, 코일 권취된 열 교환기 섹션은 상이한 압력 냉매를 사용함에도 불구하고 여전히 천연 가스를 예냉 및 액화하는데 사용되어 예냉 및 액화를 위한 냉각 듀티를 제공할 수 있다. 그후 이것은 또한 코일 권취된 열 교환기 섹션을 사용하는 추가 혜택(즉 컴팩트화 및 고효율)이 얻어질 수 있게 한다. 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림(액화 섹션의 저온측을 빠져 나가는 가온된 냉매)(171)은 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림(예냉 섹션의 저온측을 빠져 나가는 가온된 냉매)(131)보다 낮은 압력에 있기 때문에, 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림(171)은 압축기 트레인의 저압 위치에, 예컨대 냉매 압축 시스템(136)의 최저압 유입구에 보내지는 한편, 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림(131)은 압축기 트레인의 고압 위치, 예를 들어 사이드 스트림으로서 냉매 압축 시스템(136)에 보내진다. 이러한 배열의 주요 이점은 종래 기술의 공정보다 높은 공정 효율을 갖는 컴팩트 시스템을 초래한다는 것이다. 더욱이 예냉 및 액화 공정을 보다 효율적이게 함으로써, (액화 열 교환기 섹션(198B)으로부터의 액화된 천연 가스 스트림이 플래시되어 저온 LNG 생성물을 제공하는 경우 보다 적은 플래시 가스가 생성되는 것으로 인해)보다 작은 플래시 가스 열 교환기 섹션(126)을 사용하여, 또한 전체 자본금을 감소시키는 것이 결과적으로 또한 가능할 수 있다.
이 실시형태에서, 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림(171)은 "저온 압축"되거나 또는 보다 저온에서 압축된다. 그럼에도 불구하고, 이 배열은 여전히 동일한 장비 카운트에 대해 종래 기술에 비해 보다 높은 공정 효율을 초래한다.
도 3은 도 2의 변형 및 제 2 실시형태를 도시한다. MCHE(198)는 본 실시형태에서, 예냉된 제 1 천연 가스 공급물 스트림이 액화되는 제 2 열 교환기 섹션(198B)(도 1 및 도 2의 MCHE의 저온 섹션과 동일함)만을 포함한다. 제 2 의 가온 섹션(198A)도 포함하는 MCHE(198) 대신에, 본 실시형태에서 제 1 천연 가스 공급물 스트림이 예냉되는 제 1 열 교환기 섹션(197)은 별도의 유닛에 위치하고, 그리고 플레이트 및 핀 열 교환기 섹션(도시된 바와 같음)이거나 또는 열 교환기 섹션을 통과하는 복수의 별도의 통로를 정의하는 저온측을 갖는 당업계에 공지된 임의의 다른 적합한 유형의 열 교환기 섹션이어서, 하나 초과의 냉매 스트림이 혼합되지 않고 상기 섹션의 저온측을 별도로 통과하게 한다. 제 1 열 교환기 섹션(197)의 입구 및 출구는 가온 단부, 저온 단부 및/또는 섹션의 임의의 중간 위치에 위치될 수 있다.
이전 실시형태에서와 같이, 제 1 천연 가스 스트림(195)(리사이클된 플래시 가스도 포함함)은 제 1 열 교환기 섹션(197)의 가온측에 통과 및 냉각되어 예냉된 제 1 천연 가스 스트림(105)을 생산하고, 예냉된 제 1 천연 가스 스트림(105)은 그후 제 2 열 교환기 섹션(198B)의 가온측에 통과되고 더욱 냉각 및 액화되어 제 1 액화된 천연 가스 스트림(106)을 생산한다.
또한 이전의 실시형태에서와 같이, 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림(174)은, 예냉된 제 1 냉각된 천연 가스 공급물 스트림(105)을 액화하기 위한 냉동 및 냉각 듀티를 제공하도록 가온되는 제 2 열 교환기 섹션(198B)의 저온측에 통과되어 제 1 액화된 천연 가스 스트림(106)을 생산한다. 하지만, 본 실시형태에서, 제 2 열 교환기 섹션(198B)의 저온측을 빠져나가는 팽창된 저온 냉매의 결과적으로 가온된 제 2 스트림(171)은 압축 시스템(136)로 보내져 압축 시스템(136)에서 압축되는 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림을 곧바로 형성하지 않는다.
오히려, 본 실시형태에서, 제 2 열 교환기 섹션(198B)의 저온측의 가온 단부로부터 인출되는 팽창된 저온 냉매의 결과적으로 가온된 제 2 스트림(171)은, 다음에 제 1 천연 가스 공급물 스트림(104)을 예냉하고 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림(160)을 냉각하기 위한 냉동 및 냉각 듀티를 제공하도록 더욱 가온되는 제 1 열 교환기 섹션(197)의 저온측에 통과된다. 제 1 열 교환기 섹션(197)의 저온측에서 인출된 팽창된 저온 냉매의 결과적으로 더욱 가온된 제 2 스트림은 그후 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림(173)을 형성한다. 이전에 기재된 바와 같이, 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림(173)은 그후, (오버헤드 스트림(134)으로서 상기 녹 아웃 드럼을 떠나는)가온된 가스 냉매의 제 2 스트림이 냉매 압축 시스템(136)에 전송되고 압축되기 이전에, 존재할 수 있는 임의의 액체를 녹 아웃하기 위해 녹아웃 드럼(132)으로 전송될 수 있다.
팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림(166)은 또한, 제 1 천연 가스 공급물 스트림(104)을 예냉하고 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림(160)을 냉각하기 위한 냉동 및 냉각 듀티를 제공하도록 또한 가온되는, 제 1 열 교환기 섹션(197)의 저온측에 통과된다. 하지만, 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림(166)은 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림(171)이 통과되는 저온측의 통로와 분리된 제 1 열 교환기 섹션(197)의 저온측의 통로에 통과되어, 2개의 스트림이 상기 열 교환기 섹션의 저온측에서 혼합되지 않게 한다. 제 1 열 교환기 섹션(197)의 저온측에서 빠져나가는 팽창된 저온 냉매의 결과적으로 가온된 제 1 스트림은 이전과 같이 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림(131)을 형성하고, 이는 그후 이전에 기재된 바와 같이 냉매 압축 시스템(136)으로 보내지고 냉매 압축 시스템(136)에서 압축된다.
종래 기술에 비해 도 3에 도시된 실시형태의 주요 이점은 또, 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림(166) 및 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림(174)의 압력이 상당히 달라, 공정의 액화 및 예냉 부분에 대해 상이한 압력에서 냉각을 제공하여, 결과적으로 전체 효율을 보다 높게 한다는 것이다. 도 2에 도시된 실시형태에서와 같이, 제 2 열 교환기 섹션(액화 섹션)(198B)에 대해 코일 권취된 열 교환기 섹션이 여전히 사용되어, 컴팩트화 및 효율성 면에서 추가 혜택을 제공할 수 있다. 하지만, 도 2에 도시된 실시형태에 비해, 본 실시형태에서, 섹션을 관통하는 복수의 별도의 통로를 정의하는 저온측을 갖는 제 1 열 교환기 섹션(예냉 섹션)(197)이 사용되며, 이로써 제 2 열 교환기 섹션(198B)의 저온측을 빠져나가는 팽창된 저온 냉매의 가온된 제 2 스트림(171)이 제 1 열 교환기 섹션(197)의 저온측에서 더욱 가온될 수 있게 한다. 이것은, 도 2에 도시된 실시형태와 비교하여, 본 실시형태에서는 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림(171)으로부터 추가 냉동이 리커버될 수 있고, 가온된 가스 냉매의 결과적으로 형성된 제 2 스트림(173)은 저온 압축될 필요가 없으며, 그 결과 공정의 효율이 더욱 더 개선된다.
도 4는 제 3 실시형태 및 도 2의 다른 변형예를 도시한다. 도 2에 도시된 배열과 비교하여, 본 실시형태에서, 제 2 열 교환기 섹션(198B)의 저온측을 빠져나가는 팽창된 저온 냉매(171)의 결과적으로 가온된 제 2 스트림은 압축 시스템(136)로 보내져 압축 시스템(136)에서 압축되는 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림을 곧바로 형성하지 않으며, 이로 인해 저온 압축되지 않는다. 대신에, 본 실시형태에서, 냉동 회로는 제 3 열 교환기 섹션(196)을 더 포함하고, 그리고 제 3 열 교환기 섹션(196)의 저온측에 팽창된 저온 냉매의 가온된 제 2 스트림(171)을 통과시키고 더욱 가온시킴으로써 팽창된 저온 냉매의 가온된 제 2 스트림(171)로부터 추가 냉동이 추출되어, 이후 이전에 기재된 바와 같이 (선택적으로 녹 아웃 드럼을 통해)압축 시스템(136)으로 보내지는 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림(173)을 생산한다. 제 3 열 교환기 섹션(196)은 임의의 적합한 열 교환기 유형의 열 교환기 섹션일 수 있고, 예를 들어 코일 권취된 섹션, 플레이트 및 핀 섹션(도 2에 도시된 바와 같음) 또는 쉘 및 튜브 섹션일 수 있다.
도 4에 도시된 배열에서, 제 3 열 교환기 섹션(196)에서 팽창된 저온 냉매의 가온된 제 2 스트림(171)으로부터 추출된 추가 냉동은 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림(160)의 일 부분(107)을 예냉하기 위한 냉각 듀티를 제공하는데 사용된다. 보다 구체적으로, 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림(160)은 2개의 부분, 즉 제 1 부분(161) 및 제 2 부분(107)으로 분할된다. 제 1 부분(161)은 제 1 열 교환기 섹션(198A)의 가온측에 통과 및 냉각되어 냉각된 가스 냉매의 더욱 냉각된 제 2 스트림의 제 1 부분(168)을 생산하며, 제 1 열 교환기 섹션(198A)에서의 냉동 및 냉각 듀티는 제 1 열 교환기 섹션(198A)의 저온측에서 가온되는 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림(166)에 의해 제공되어 이전에 기재된 바와 같이 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림(131)을 생산한다.
냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림의 제 2 부분(107)은 제 3 열 교환기 섹션(196)의 가온측에 통과 및 냉각되어 냉각된 가스 냉매의 더욱 냉각된 제 2 스트림의 제 2 부분(111)을 생산하며, 이전에 기재된 바와 같이, 이 제 2 부분(111)은 그후 제 1 부분(168)과 조합되어 냉각된 가스 냉매의 더욱 냉각된 제 2 스트림을 제공하고, 이 냉각된 가스 냉매의 더욱 냉각된 제 2 스트림은 그후 제 2 터보-익스팬더(172)에서 팽창되어 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림(174)을 제공한다. 바람직한 실시형태에서, 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림의 제 2 부분(107)은 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림(160)의 약 50 몰% 내지 95 몰%이다.
대안의 실시형태에서, 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림의 부분(107)을 냉각하는데 사용되는 대신에, 제 3 열 교환기 섹션(196)은 천연 가스 스트림을 냉각하기 위해 대신 사용될 수 있다. 예를 들어, 제 1 천연 가스 공급물 스트림(195)은 2개의 스트림으로 분할될 수 있고, 제 1 스트림은 이전에 기재된 바와 같이 제 1 열 교환기 섹션(198A)의 가온측에 통과 및 냉각되고, 그리고 제 2 스트림은 제 3 열 교환기 섹션(196)의 가온측에 통과 및 냉각되고, 제 1 및 제 3 열 교환기 섹션을 빠져나가는 예냉된 천연 가스 스트림은 재조합 및 혼합되어 이전에 기재한 바와 같이 제 2 열 교환기 섹션(198B)에서 그후 더욱 냉각 및 액화되는 예냉된 제 1 천연 가스 스트림(105)을 형성한다. 또 다른 변형예에서, 제 3 열 교환기 섹션은 섹션을 통과하는 2 이상의 별도의 통로를 정의하는 가온측을 가질 수 있고, 그리고 천연 가스 스트림 및 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림의 부분(107) 양자를 냉각하는데 사용될 수 있다.
도 4에 도시된 실시형태는 도 3에 도시된 실시형태의 모든 혜택을 가지며, 이는 종래 기술보다 높은 공정 효율을 포함한다. 또한, 냉매의 하나의 스트림(팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림(166))만이 제 1 열 교환기 섹션(198A)의 저온측에 통과되기 때문에, 이 섹션을 위해 코일 권취된 열 교환기가 사용될 수 있다. 하지만, 이 배열은 제 3 열 교환기 섹션(196)의 형태로 장비의 추가 피스의 사용을 요구한다.
도 5는 제 4 실시형태 및 도 4의 변형예를 도시한다. 본 실시형태에 있어서 제 1 열 교환기 섹션(198A) 및 제 2 열 교환기 섹션(198B)은 또 바람직하게, 본 실시형태에서 MCHE(198)의 동일한 공유 쉘 케이싱에 포함되는 코일 권취된 열 교환기 섹션이며, 예를 들어 MCHE의 가온 섹션(튜브 번들)을 나타내는 제 1 열 교환기 섹션(198A) 및 예를 들어 MCHE의 저온 섹션(튜브 번들)을 나타내는 제 2 열 교환기 섹션(198B)이다. 하지만, 본 실시형태에서 MCHE(198)는 제 1 열 교환기 섹션(198A)의 저온측(쉘측)을 제 2 열 교환기 섹션(198B)의 저온측(쉘측)으로부터 분리하는 헤드(118)를 더 이상 포함하지 않으며, 그리고 제 1 열 교환기 섹션(198A)에 대한 냉동은 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림(166)에 의해 더 이상 제공되지 않는다. 대신에, 제 2 열 교환기 섹션(198B)의 저온측(쉘측)의 가온 단부를 빠져 나가는 팽창된 저온 냉매의 가온된 제 2 스트림은 제 1 열 교환기 섹션(198A)의 저온측(쉘측)에 통과 및 더욱 가온되어 제 1 열 교환기 섹션(198A)에서 냉각 듀티를 제공하고, 팽창된 저온 냉매의 가온된 제 2 스트림은 상기 섹션(198A)에서 더욱 가온되어, 이전에 기재된 바와 같이 그후 압축 시스템(136)으로 (선택적으로 녹 아웃 드럼을 통해)전송되는 가온된 가스 냉매(173)의 제 2 스트림을 생산한다.
마찬가지로, 도 5에 도시된 실시형태에서, 제 3 열 교환기 섹션(196)에 대한 냉동은 제 2 열 교환기 섹션(198B)의 저온측(쉘측)의 가온 단부를 빠져 나가는 팽창된 저온 냉매의 가온된 제 2 스트림에 의해 더 이상 제공되지 않는다. 대신, 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림(166)은 제 3 열 교환기 섹션(196)의 저온측에 통과 및 가온되어 제 3 열 교환기 섹션(196)에서 냉각 듀티를 제공하며, 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림(166)은 상기 섹션(196)에서 가온되어 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림(131)을 생산하며, 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림(131)은 그후 이전에 기재된 바와 같이 냉매 압축 시스템(136)으로 보내져 냉매 압축 시스템(136)에서 압축된다.
도 5에 따른 바람직한 실시형태에서, 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림의 제 2 부분(107)은 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림(160)의 약 20 몰% 내지 60 몰%이다.
대안으로, 또한 도 4와 관련하여 상술한 바와 같이, 도 5에 도시된 실시형태의 변형예에서, 제 3 열 교환기 섹션(196)은, 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림의 부분(107)을 냉각하는데 사용되는 대신에 천연 가스 스트림을 냉각하는데 사용될 수 있다. 또 다른 변형예에서(또한 도 4와 관련하여 상술한 바와 같이), 제 3 열 교환기 섹션(196)은 섹션을 통과하는 2 이상의 별도의 통로를 정의하는 가온측을 가질 수 있고, 그리고 천연 가스 스트림 및 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림의 부분(107) 양자를 냉각하는데 사용될 수 있다.
도 5에 도시된 실시형태는 도 3에 도시된 실시형태의 모든 혜택을 가지며, 이는 종래 기술보다 높은 공정 효율을 포함한다. 또한, 냉매의 하나의 스트림(팽창된 저온 냉매의 가온된 제 2 스트림)만이 제 1 열 교환기 섹션(198A)의 저온측에 통과되기 때문에, 이 섹션을 위해 코일 권취된 열 교환기가 사용될 수 있다. 하지만, 이 배열은 제 3 열 교환기 섹션(196)의 형태로 장비의 추가 피스의 사용을 요구한다. 도 4에 도시된 실시형태와 비교하여, 헤드(118)가 요구되지 않으며 냉매의 어떠한 스트림도 제 2 열 교환기 섹션(198B)의 가온 단부에서 MCHE(198)의 쉘측으로부터 추출될 필요가 없어, 열 교환기 설계가 보다 간단해지기 때문에, 도 5의 실시형태는 보다 더 간단하다.
도 2-도 5가 (제 1 및 제 2 터보-익스팬더를 통한)순환 냉매의 2레벨의 팽창 이용 및 제 1 액화된 천연 가스 스트림(106)을 플래싱하기 위한 하나의 플래시 스테이지(J-T 밸브(108) 및 엔드플래시 드럼(120))를 도시하고 있지만, 추가 레벨의 팽창은 추가 터보-익스팬더를 추가함으로써 채택될 수 있고, 그리고/또는 추가 플래시 스테이지는 LNG 스트림(124)을 더욱 강하시키고 하나 이상의 추가 플래시 가스 스트림을 추가 감압 레벨에서 생성함으로써 채택될 수 있다(결과적으로 형성된 추가 플래시 가스 스트림은 기존의 플래시 가스 열 교환기 섹션 및/또는 하나 이상의 추가 플래시 가스 열 교환기 섹션에서 가온됨). 추가 플래시 스테이지는 증가된 자본금 및 복잡성으로 공정 효율성을 개선한다.
도 2-도 5가 폐루프 냉동 시스템의 사용을 도시하고 있지만, 개루프 시스템이 또한 사용될 수 있고, 여기서 냉매는 공급물 천연 가스 또는 플래시 가스로부터 얻어진다.
본원에 제시된 상술한 실시형태에서, 천연 가스를 액화 및 과냉하기 위한 모든 냉각 듀티는 메탄을 포함하는 냉매에 의해 제공되어, 천연 가스 공급물 스트림 형태로 현장에서 이용가능하기 때문에, 외부 냉매에 대한 필요성이 최소화될 수 있다. 추가 개선 효율을 위해서 냉매에 일부 질소가 또한 존재하게 하는 것이 바람직한 경우, 이러한 질소는 이미 존재하므로 천연 가스 공급물 스트림 형태로 현장에서 이용가능하며, 그리고/또는 현장에서 공기로부터 생성될 수도 있다.
효율을 더욱 향상시키기 위해, 상술된 냉동 사이클은 또한 상이한 압력에서 냉매의 다수의 저온 스트림을 채택하며, 여기서 제 1 터보-팽창기에 의해 생산된 제 1 저온 가스(또는 주로 가스)인 냉매 스트림은 천연 가스를 예냉하기 위한 냉동을 제공하는데 사용되고, 그리고 제 2 터보-팽창기에 의해 생산된 제 2 저온 가스(또는 주로 가스)인 냉매 스트림은 천연 가스를 액화하기 위한 냉동을 제공하는데 사용된다. 결과적으로 액화된 천연가스는 그후 엔드플래시 시스템에서 플래시되고, 엔드플래시 시스템은 요구되는 온도에서 LNG 생성물을 생산하기 위해 적어도 하나의 감압 디바이스 및 (현장에서 LNG 생성물을 일시적으로 저장하는데 사용되는 임의의 최종 LNG 저장 탱크에 부가하는 것이 바람직한)적어도 하나의 기액 분리기, 그리고 천연 가스 공급물로 다시 리사이클되는 플래시 가스를 포함한다. 이 배열은 또한 냉매의 2상 흐름을 최소화하거나 또는 제거하고 2상 냉매의 분리에 대한 필요성을 회피한다.
본원에 제시된 모든 실시형태에서, 열 교환기 섹션으로부터 입구 및 출구 스트림은 냉각 또는 가열 프로세스를 통해 도중에 인출되는 사이드 스트림일 수 있다. 이를 테면, 도 3에서, 팽창된 저온 냉매 스트림의 가온된 제 2 스트림(171) 및/또는 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림(166)은 제 1 열 교환기 섹션(197)에서 사이드 스트림일 수 있다. 또한, 본원에 제시된 모든 실시형태에서, 임의의 수의 기상 팽창 스테이지가 채용될 수 있다.
본원에 기재된 액화 시스템의 임의의 컴포넌트 및 모든 컴포넌트는 종래의 기술에 의해 또는 추가 제조를 통해 제조될 수 있다.
예 1
이 예에서, 도 3에 기재 및 도시된 천연 가스 공급물 스트림을 액화시키는 방법이 시뮬레이션되었다. 그 결과는 표 1에 나타내지며 도 3의 도면 부호가 사용된다.
Figure 112019041776335-pat00001
이 예에서, 냉매의 압축 및 냉각된 가스 스트림(158)은 메탄이다. 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림(166)의 압력은 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림(174)의 압력보다 높다. 비교하면, 도 1에 도시된 종래 기술의 배열에 대해, 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림(166) 및 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림(174)은 약 19 bara(279 psia)의 유사한 압력에 있다. 도 3의 실시형태에서의 이 압력 변화는 도 1(종래 기술)의 효율에 비해 약 5%만큼 도 3의 실시형태의 공정 효율을 증가시키며, 양자 모두는 냉매로서 순수 메탄을 사용한다.
이 예는 또한 도 4 및 도 5의 실시형태에 적용가능하다. 도 4의 실시형태를 참조하면, 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림의 제 2 부분(107)은 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림(160)의 약 85%이다. 도 5의 실시형태를 참조하면, 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림의 제 2 부분(107)은 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림(160)의 약 50%이다.
본 발명은 바람직한 실시형태를 참조하여 상술한 상세에 제한되지 않지만, 다음의 청구항에서 정의된 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고도 다수의 수정 및 변형이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (18)

  1. 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하는 방법으로서,
    (a) 제 1 천연 가스 공급물 스트림을 예냉 및 액화하도록 복수의 열 교환기 섹션들 중 일부 또는 전부의 열 교환기 섹션의 가온측에 상기 제 1 천연 가스 공급물 스트림을 통과시키고 상기 제 1 천연 가스 공급물 스트림을 냉각시키는 단계로서, 상기 복수의 열 교환기 섹션들은 천연 가스 스트림이 예냉되는 제 1 열 교환기 섹션 및 상기 제 1 열 교환기 섹션으로부터의 예냉된 상기 천연 가스 스트림이 액화되어 제 1 액화된 천연 가스 스트림을 형성하는 제 2 열 교환기 섹션을 포함하는 단계;
    (b) 상기 제 2 열 교환기 섹션으로부터 인출된 상기 제 1 액화된 천연 가스 스트림을 플래싱하여 플래시 가스 및 LNG 생성물을 형성하고, 상기 LNG 생성물로부터 상기 플래시 가스를 분리하여 플래시 가스 스트림 및 LNG 생성물 스트림을 형성하는 단계;
    (c) 상기 플래시 가스 스트림을 압축하고 압축된 상기 플래시 가스를 상기 제 1 천연 가스 공급물 스트림으로 다시 리사이클하는 단계;
    (d) 메탄을 포함하는 냉매를, 상기 복수의 열 교환기 섹션들, 복수의 압축기들 및/또는 압축 스테이지들 및 하나 이상의 인터쿨러들 및/또는 애프터쿨러들을 포함하는 압축기 트레인, 제 1 터보-익스팬더 및 제 2 터보-익스팬더를 포함하는 냉동 회로에서 순환시키는 단계로서, 순환 냉매는 상기 복수의 열 교환기 섹션들 각각에 냉동(refrigeration)을 제공하고 이로써 상기 제 1 천연 가스 공급물 스트림을 예냉 및 액화하기 위한 냉각 듀티를 제공하는 단계를 포함하고, 그리고 상기 냉매를 상기 냉동 회로에 순환시키는 단계는:
    (i) 상기 냉매의 압축 및 냉각된 가스 스트림을 분할하여 냉각된 가스 냉매의 제 1 스트림 및 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림을 형성하는 단계;
    (ii) 상기 냉각된 가스 냉매의 제 1 스트림을 상기 제 1 터보-익스팬더에서 제 1 압력으로 팽창시켜 제 1 온도 및 상기 제 1 압력에서 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림을 형성하는 단계로서, 상기 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림은 상기 제 1 터보-익스팬더를 빠져 나올 때 0.8 이상의 증기 분율을 가지는 단계;
    (iii) 상기 복수의 열 교환기 섹션들 중 적어도 하나의 열 교환기 섹션의 가온측에 상기 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림을 통과시키고 상기 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림을 냉각시키는 단계로서, 상기 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림을 더욱 냉각시키도록 하는 단계;
    (iv) 냉각된 가스 냉매의 더욱 냉각된 제 2 스트림을 상기 제 2 터보-익스팬더에서 제 2 압력으로 팽창시켜 제 2 온도 및 상기 제 2 압력에서 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림을 형성하는 단계로서, 상기 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림은 상기 제 2 터보-익스팬더를 빠져 나올 때 0.8 이상의 증기 분율을 가지고, 상기 제 2 압력은 상기 제 1 압력보다 낮고 상기 제 2 온도는 상기 제 1 온도보다 낮은 단계;
    (v) 상기 제 1 열 교환기 섹션 및/또는 상기 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림의 전부 또는 일부가 냉각되는 열 교환기 섹션을 적어도 포함하는, 상기 복수의 열 교환기 섹션들 중 적어도 하나의 열 교환기 섹션의 저온측에 상기 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림을 통과시키고 상기 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림을 가온시키고, 그리고 상기 제 2 열 교환기 섹션을 적어도 포함하는, 상기 복수의 열 교환기 섹션들 중 적어도 하나의 열 교환기 섹션의 저온측에 상기 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림을 통과시키고 상기 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림을 가온시키는 단계로서, 상기 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림 및 제 2 스트림은 별도로 유지되고 상기 복수의 열 교환기 섹션들 중 임의의 열 교환기 섹션의 저온측들에서 혼합되지 않으며, 상기 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림은 가온되어 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림을 형성하고, 그리고 상기 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림은 가온되어 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림을 형성하는 단계; 및
    (vi) 상기 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림과 상기 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림을 상기 압축기 트레인 안으로 도입함으로써, 상기 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림이 상기 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림과는 상이한, 보다 낮은 압력 위치의 압축기 트레인에서 상기 압축기 트레인 안으로 도입되고, 그리고 상기 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림 및 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림을 압축, 냉각 및 혼합하여 단계 (i)에서 분할되는 상기 냉매의 압축 및 냉각된 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉매는 적어도 85 몰% 메탄을 포함하는, 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하는 방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 압력 대 상기 제 2 압력의 압력비는 1.5:1 내지 2.5:1 인, 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 액화된 천연 가스 스트림은 -100 내지 -145 ℃의 온도에서 상기 제 2 열 교환기로부터 인출되는, 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 액화된 천연 가스 스트림은 -110 내지 -145 ℃의 온도에서 상기 제 2 열 교환기로부터 인출되는, 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉동 회로는 폐루프 냉동 회로인, 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하는 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 방법은 상기 플래시 가스 스트림을 압축하고 압축된 상기 플래시 가스를 리사이클하기 이전에, 플래시 가스 열 교환기 섹션의 저온측에서 상기 플래시 가스 스트림을 통과시키고 상기 플래시 가스 스트림을 가온시킴으로써, 상기 플래시 가스 스트림으로부터 저온을 리커버하는 단계를 더 포함하는, 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하는 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 플래시 가스 열 교환기 섹션은 상기 순환 냉매에 의해 냉동이 제공되는 상기 냉동 회로의 상기 복수의 열 교환기 섹션들 중 하나가 아닌, 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하는 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 방법은:
    (e) 상기 플래시 가스 열 교환기 섹션의 가온측에서 제 2 천연 가스 공급물 스트림을 통과시키고 상기 제 2 천연 가스 공급물 스트림을 냉각 및 액화시켜 제 2 액화된 천연 가스 스트림을 형성하게 하는 단계; 및
    (f) 상기 플래시 가스 열 교환기 섹션으로부터 인출된 상기 제 2 액화된 천연 가스 스트림을 플래싱하여 추가 플래시 가스 및 추가 LNG 생성물을 형성하고, 상기 추가 LNG 생성물로부터 상기 추가 플래시 가스를 분리하여 상기 플래시 가스 스트림을 위한 추가 플래시 가스 및 상기 LNG 생성물 스트림을 위한 추가 LNG 생성물을 형성하게 하는 단계를 더 포함하는, 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하는 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    단계 (b) 및 단계 (f)에서, 상기 LNG 생성물 및 추가 LNG 생성물로부터 상기 플래시 가스 및 추가 플래시 가스를 분리하는 것은 스트림들이 함께 증기 오버헤드 및 액체 버텀들로 분리되는 기액 분리기 안으로 플래시된 제 1 액화된 천연 가스 스트림 및 플래시된 제 2 액화된 천연 가스 스트림을 도입함으로써 발생하고, 상기 증기 오버헤드는 상기 플래시 가스 스트림을 형성하기 위해 인출되고 상기 액체 버텀들은 상기 LNG 생성물 스트림을 형성하기 위해 인출되는, 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하는 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 열 교환기 섹션은 튜브측 및 쉘측을 갖는 튜브 번들을 포함하는 코일 권취된 열 교환기 섹션인, 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하는 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 열 교환기 섹션은 상기 열 교환기 섹션을 통한 복수의 별도의 통로들을 정의하는 저온측을 가지며, 그리고 상기 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림은 상기 제 1 열 교환기 섹션을 통한 상기 통로들 중 적어도 하나의 통로에 통과 및 가온되어 상기 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림을 형성하고, 그리고 상기 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림은 상기 제 2 열 교환기 섹션의 저온측에 통과 및 가온된 다음, 제 1 열 교환기 섹션을 통한 상기 통로들 중 적어도 하나 이상의 다른 통로에 통과 및 더욱 가온되어 상기 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림을 형성하는, 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하는 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 열 교환기 섹션은 튜브측 및 쉘측을 갖는 튜브 번들을 포함하는 코일 권취된 열 교환기 섹션이고, 상기 복수의 열 교환기 섹션들은 천연 가스 스트림이 예냉되고 및/또는 상기 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림의 전부 또는 일부가 냉각되는 제 3 열 교환기 섹션을 더 포함하고, 상기 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림은 상기 제 1 열 교환기 섹션 및 제 3 열 교환기 섹션 중 하나의 열 교환기 섹션의 저온측에 통과 및 가온되어 상기 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림을 형성하고, 그리고 상기 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림은 상기 제 2 열 교환기 섹션의 저온측에 통과 및 가온된 다음 제 3 열 교환기 섹션 및 제 1 열 교환기 섹션 중 다른 열 교환기 섹션의 저온측에 통과 및 더욱 가온되어 상기 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림을 형성하는, 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하는 방법.
  15. 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은:
    (a) 복수의 열 교환기 섹션들의 각각에 냉동을 제공하고 이로써 제 1 천연 가스 공급물 스트림을 예냉 및 액화하기 위한 냉각 듀티를 제공하는 냉매를 순환시키기 위한 냉동 회로로서, 상기 냉동 회로는:
    상기 복수의 열 교환기 섹션들로서, 상기 열 교환기 섹션들의 각각은 가온측 및 저온측을 갖고, 상기 복수의 열 교환기 섹션들은 제 1 열 교환기 섹션 및 제 2 열 교환기 섹션을 포함하고, 상기 제 1 열 교환기의 가온측은 천연 가스 스트림을 수용 및 예냉하기 위한 적어도 하나의 통로를 정의하고, 상기 제 2 열 교환기 섹션의 가온측은 제 1 액화된 천연 가스 스트림을 형성하도록 상기 제 1 열 교환기 섹션으로부터의 예냉된 상기 천연 가스 스트림을 수용 및 액화하기 위한 적어도 하나의 통로를 정의하고, 그리고 상기 복수의 열 교환기 섹션들의 각각의 열 교환기 섹션의 저온측은 상기 순환 냉매의 팽창된 스트림을 수용 및 가온하기 위한 적어도 하나의 통로를 정의하는, 상기 복수의 열 교환기 섹션들;
    복수의 압축기들 및/또는 압축 스테이지들 및 하나 이상의 인터쿨러들 및/또는 애프터쿨러들을 포함하는, 상기 순환 냉매를 압축 및 냉각하기 위한 압축기 트레인으로서, 상기 냉동 회로는 상기 압축기 트레인이 상기 복수의 열 교환기 섹션들로부터 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림 및 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림을 수용하도록 구성되고, 상기 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림은 상기 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림과는 상이한, 보다 낮은 압력 위치의 압축기 트레인에서 수용되고 그 안으로 도입되며, 상기 압축기 트레인은 상기 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림 및 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림을 압축, 냉각 및 혼합하여 상기 냉매의 압축 및 냉각된 가스 스트림을 형성하도록 구성되는, 상기 압축기 트레인;
    냉각된 가스 냉매의 제 1 스트림을 수용하고 제 1 압력으로 팽창시켜 제 1 온도 및 상기 제 1 압력에서 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림을 형성하도록 구성된 제 1 터보-익스팬더;
    냉각된 가스 냉매의 더욱 냉각된 제 2 스트림을 수용하고 제 2 압력으로 팽창시켜 제 2 온도 및 상기 제 2 압력에서 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림을 형성하도록 구성된 제 2 터보-익스팬더로서, 상기 제 2 압력은 상기 제 1 압력보다 낮고 상기 제 2 온도는 상기 제 1 온도보다 낮은, 상기 제 2 터보-익스팬더를 포함하고;
    상기 냉동 회로는 또한:
    상기 압축기 트레인으로부터의 상기 냉매의 압축 및 냉각된 가스 스트림을 분할하여 상기 냉각된 가스 냉매의 제 1 스트림 및 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림을 형성하고;
    상기 복수의 열 교환기 섹션들 중 적어도 하나의 열 교환기 섹션의 가온측에 상기 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림을 통과시키고 상기 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림을 냉각시켜, 냉각된 가스 냉매의 더욱 냉각된 제 2 스트림을 형성하게 하고; 그리고
    상기 제 1 열 교환기 섹션 및/또는 냉각된 가스 냉매의 제 2 스트림의 전부 또는 일부가 냉각되는 열 교환기 섹션을 적어도 포함하는, 상기 복수의 열 교환기 섹션들 중 적어도 하나의 열 교환기 섹션의 저온측에 상기 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림을 통과시키고 상기 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림을 가온시키고, 그리고 상기 복수의 열 교환기 섹션들 중 적어도 하나의 열 교환기 섹션의 저온측에 상기 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림을 통과시키고 상기 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림을 가온시키고, 여기서 상기 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림 및 제 2 스트림은 별도로 유지되고 상기 복수의 열 교환기 섹션들 중 임의의 열 교환기 섹션의 저온측들에서 혼합되지 않으며, 상기 팽창된 저온 냉매의 제 1 스트림은 가온되어 가온된 가스 냉매의 제 1 스트림을 형성하고 상기 팽창된 저온 냉매의 제 2 스트림은 가온되어 상기 가온된 가스 냉매의 제 2 스트림을 형성하도록
    구성되는, 상기 냉동 회로;
    (b) 상기 복수의 열 교환기 섹션들의 상기 제 2 열 교환기 섹션으로부터 상기 제 1 액화된 천연 가스 스트림을 수용하고 상기 제 1 액화된 천연 가스 스트림을 플래시하여 플래시 가스 및 LNG 생성물을 형성하도록 구성된 감압 디바이스;
    (c) 상기 LNG 생성물로부터 상기 플래시 가스를 분리하여 플래시 가스 스트림 및 LNG 생성물 스트림을 형성하게 하도록 구성된 기액 분리기; 및
    (d) 상기 플래시 가스 스트림을 수용 및 압축하고 압축된 플래시 가스를 상기 제 1 천연 가스 공급물 스트림으로 다시 리사이클하기 위한 플래시 가스 압축기를 포함하는, 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하기 위한 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 시스템은:
    (e) 상기 플래시 가스 스트림이 상기 플래시 가스 압축기에 의해 수용 및 압축되기 이전에, 상기 플래시 가스 스트림으로부터 저온을 리커버하기 위한 플래시 가스 열 교환기 섹션을 더 포함하고, 상기 플래시 가스 열 교환기 섹션은 가온측 및 저온측을 가지며, 상기 저온측은 상기 플래시 가스 스트림을 수용 및 가온하기 위한 하나 이상의 통로들을 정의하는, 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하기 위한 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 플래시 가스 열 교환기의 가온측은 제 2 천연 가스 공급물 스트림을 수용, 냉각 및 액화하기 위한 하나 이상의 통로들을 정의하여 제 2 액화된 천연 가스 스트림을 형성하게 하는, 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하기 위한 시스템.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 시스템은:
    (e) 상기 플래시 가스 열 교환기로부터 상기 제 2 액화된 천연 가스 스트림을 수용하고 상기 제 2 액화된 천연 가스 스트림을 플래시하여 추가 플래시 가스 및 추가 LNG 생성물을 형성하도록 구성된 감압 디바이스를 더 포함하고; 그리고
    상기 기액 분리기는 상기 추가 LNG 생성물로부터 상기 추가 플래시 가스를 또한 분리하여 상기 플래시 가스 스트림을 위한 추가 플래시 가스 및 상기 LNG 생성물 스트림을 위한 추가 LNG 생성물을 제공하게 하도록 구성되는, 천연 가스 공급물 스트림을 액화하여 LNG 생성물을 생산하기 위한 시스템.
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