KR102282314B1 - 분리 혼합형 냉매 액화 시스템에서 전력을 균형화하는 방법 - Google Patents

분리 혼합형 냉매 액화 시스템에서 전력을 균형화하는 방법 Download PDF

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앤마리 오트 웨이스트
조지프 제라드 웨어맨
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

저압("LP") 및 중압("MP") MR 압축기들은 제 1 가스 터빈 및 프로판 압축기에 의해 구동되며 고압("HP") MR 압축기는 제 2 가스 터빈에 의해 구동되는 분리 혼합형 냉매("MR") 천연 가스 액화 시스템이 개시된다. 분리형 MR 액화 시스템은 시스템의 설계 포인트에 비교하여 보다 적은 전력이 이용 가능할 때 보다 적은 전력을 및 보다 많은 전력이 이용 가능할 때 보다 많은 전력을 요구하도록 HP MR 압축기의 특성들을 조정하기 위해 구성된다. 이러한 조정들은 LNG 생산 효율을 개선하기 위해 프로판 압축기 및 HP MR 압축기 사이에서 전력의 균형을 시프트하는 것을 허용한다.

Description

분리 혼합형 냉매 액화 시스템에서 전력을 균형화하는 방법{BALANCING POWER IN SPLIT MIXED REFRIGERANT LIQUEFACTION SYSTEM}
단일 혼합 냉매("SMR") 사이클, 프로판 사전-냉각 혼합 냉매("C3MR") 사이클, 이중 혼합 냉매("DMR") 사이클, C3MR-질소 하이브리드(AP-X™와 같은) 사이클들, 질소 또는 메탄 팽창기 사이클, 및 캐스케이드 사이클들과 같은, 천연 가스를 냉각시키고, 액화하며, 선택적으로 과냉각시키기 위한 다수의 액화 시스템들이 이 기술분야에 잘 알려져 있다. 통상적으로, 이러한 시스템들에서, 천연 가스는 하나 이상의 냉매들과의 간접적인 열 교환에 의해 냉각되고, 액화되며, 선택적으로 과-냉각된다. 혼합 냉매들, 순수 성분들, 2-상 냉매들, 기체 상 냉매들 등과 같은, 다양한 냉매들이 이용될 수 있다. 질소, 메탄, 에탄/에틸렌, 프로판, 부탄들, 및 펜탄들의 혼합물인, 혼합 냉매들("MR")은 많은 기저-부하 액화 천연 가스("LNG") 발전소들에서 사용되어 왔다. MR 스트림의 조성은 통상적으로 피드 가스 조성 및 동작 조건들에 기초하여 최적화된다.
냉매는 하나 이상의 열 교환기들 및 하나 이상의 냉매 압축 시스템들을 포함하는 냉매 회로에서 순환된다. 냉매 회로는 폐쇄-루프 또는 개방-루프일 수 있다. 천연 가스는 열 교환기들에서 냉매들에 대한 간접적인 열 교환에 의해 냉각되고, 액화되며, 및/또는 과-냉각된다.
Gaumer 외의 미국 특허 번호 제3,763,658호는 2개의 냉매 시스템들을 이용한 C3MR 천연 가스 액화 프로세스를 교시한다: 천연 가스를 예비 냉각시키기 위한 프로판 및 천연 가스를 액화시키고 과냉각시키기 위한 혼합 냉매 시스템. 이러한 프로세스에서, 프로판 압축기는 모든 다단식 압축이 하나의 케이싱에서 행해지도록 허용하는 크기이다. 반대로, MR 압축은 보다 대규모이며 통상적으로 2 내지 3개의 케이싱들을 요구한다. 그 결과, MR 압축기는 프로판 압축기가 요구하는 전력의 양의 대략 두 배를 요구한다.
몇몇 사용자들은 양쪽 압축 시스템들 모두에서 동일한 터빈 구동기를 사용하는 것을 선호한다. 압축 시스템들이 프로판 압축기가 하나의 구동기 상에 있으며 모든 MR 압축이 다른 것 상에 있도록 배열된다면, MR 압축이 프로판 압축의 전력의 대략 두 배를 요구하기 때문에, 프로판 구동기 상에 사용되지 않은 전력 포텐셜이 있을 것이다. 동일한 구동기들을 사용할 때 두 개의 시스템들 사이에서 기계적 부하들에서의 이러한 불균형은 전력 포텐셜이 낭비되는 것을 야기한다. 이에 대응하기 위해, 몇몇 C3MR 천연 가스 액화 프로세스들은 "분리" 배열에서 두 개의 가스 터빈들을 이용하며, 여기에서 저압("LP") 및 중압("MP") MR 압축기들이 하나의 가스 터빈 구동기에 의해 구동되며, 프로판 압축기 및 고압("HP") MR 압축기는 제 2 구동기에 의해 구동된다. 다시 말해서, 프로판 압축기 구동기에 의해 발생된 전력의 일 부분은 MR 압축기로 돌려지거나 또는 "분리되며", 이것은 시스템들 상에서 부하들의 균형을 유지하고 LNG 생산을 최대화하도록 돕는다. 이러한 배열은 그것의 SplitMR® 구동기/압축기 배열로서 Air Products and Chemicals에 의해 상업적으로 제공된다.
분리 배열의 하나의 한계는 두 개의 구동기들 사이에서의 상대적인 전력 사용이 주변 온도에 따라 변한다는 것이다. 설계 주변 온도에서, 프로세스 및 압축기 설계들은 양쪽 구동기들로부터의 전력이 완전히 이용되도록 압축기 전력의 균형을 유지하기 위해 최적화될 수 있다. 그러나 설계보다 따뜻한 주변 온도들에서, 프로판 압축기는 보다 높은 퍼센티지의 전체 전력을 요구하는 반면, 구동기들은 보다 낮은 전력 출력을 가진다. 이것은 프로판 및 HP MR 압축기 구동기가 일반적으로 보다 따뜻한 달들에서 최대 이용 가능한 구동기 전력을 소비하는 것을 야기한다. 그러나, LP 및 MP MR 압축기 구동기는 이용 가능한 전력을 완전히 사용할 수 없다. 따라서, SplitMR® 구성들에 대해, 생산은 이용 가능한 전력이 적으며 모든 이용 가능한 전력이 완전히 이용될 수 없기 때문에 이들 보다 더운 달들 동안 떨어진다. 반대로, 설계보다 추운 주변 온도들에서, LP MR/MP MR 압축기는 일반적으로 최대 구동기 전력을 소비하여, 프로판/HP MR 압축기 스트링 상에서 사용되지 않은 전력을 남긴다. 온대성, 북극성, 또는 US 걸프 해안 기후들에서 발견된 것들과 같은, 큰 온도 범위들을 가진 면적들에서, 효과는 상당할 수 있다.
이러한 문제는 항공-파생형 가스 터빈들이 사용될 때 확대된다. 일반적으로, 항공-파생형 가스 터빈들은 산업용 가스 터빈 구동기들보다 높은 주변 온도에서 보다 큰 전력 감소를 가진다. 또한, 산업용 가스 터빈들이 사용될 때, 헬퍼 모터가 또한 사용될 수 있다. 그러므로, 항공-파생형 가스 터빈 구동기 배열들에 대해, 산업용 가스 터빈 구동기들이 헬퍼 모터들과 함께 사용될 때보다 높은 주변 온도에서 보다 높은 퍼센티지의 전력 감소가 있다.
앞서 말한 것에 기초하여, 광범위한 주변 온도들에 걸친 분리형 MR 압축의 이익들을 완전히 이용할 수 있는 액화 시스템에 대한 요구가 있다.
이러한 요약은 이하에서의 상세한 설명에서 추가로 설명되는 개념들의 선택을 단순화된 형태로 도입하기 위해 제공된다. 이러한 요약은 청구된 주제의 주요 특징들 또는 필수적인 특징들을 식별하도록 의도되지 않으며, 청구된 주제의 범위를 제한하기 위해 사용되도록 의도되지 않는다.
개시된 대표적인 실시예들은, 이하에서 설명되는 바와 같이 및 이어지는 청구항들에 의해 정의된 바와 같이, 분리 혼합형 냉매("MR") 천연 가스 액화 시스템을 제공하며, 여기에서 저압("LP") 및 중압("MP") MR 압축기들이 제 1 구동기(가스 터빈과 같은)에 의해 구동되며 프로판 압축기 및 고압("HP") MR 압축기는 제 2 구동기에 의해 구동된다. 분리형 MR 액화 시스템은 HP MR 압축기의 특성들의 조정이 시스템의 설계 온도에 비교하여 보다 따뜻한 주변 온도들에서 보다 적은 전력을 및 보다 차가운 주변 온도들에서 보다 많은 전력을 요구하도록 허용하기 위해 동작적으로 구성된다. 이러한 조정들은 LNG 생산 효율을 개선하기 위해 프로판 압축기 및 HP MR 압축기 사이에서의 전력의 균형을 시프트하는 것을 허용한다.
또한, 본 발명의 시스템들 및 방법들의 여러 특정 양상들이 이하에서 개괄된다.
양상 1: 탄화수소 유체 액화 시스템을 동작시키는 방법에 있어서, 상기 방법은:
a. 제 1 미리 결정된 범위 내에서의 온도를 가진 예비 냉각된 탄화수소 유체 스트림을 생성하기 위해 예비 냉각 냉매 스트림과의 간접적인 열 교환에 의해 탄화수소 피드 스트림을 예비 냉각시키는 단계;
b. 적어도 하나의 압축 스테이지를 가진 예비 냉각 압축기에서 상기 예비 냉각 냉매 스트림을 압축하는 단계;
c. 제 2 미리 결정된 범위 내에서의 온도를 가진 냉각된 탄화수소 유체 스트림을 생성하기 위해 제 2 냉매 스트림에 대한 간접적인 열 교환에 의해 상기 예비 냉각된 탄화수소 스트림을 추가로 냉각시키고 적어도 부분적으로 액화시키는 단계;
d. 복수의 압축 스테이지들을 포함한 압축 시퀀스에서 상기 제 2 냉매 스트림을 압축하는 단계;
e. 제 1 최대 이용 가능한 전력을 가진 제 1 구동기를 갖고 상기 예비 냉각한 압축기 및 상기 복수의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지를 구동하는 단계;
f. 제 2 최대 이용 가능한 전력을 가진 제 2 구동기를 갖고 상기 복수의 혼합형 냉매 압축 스테이지들 중 다른 제 2 냉매 압축 스테이지들을 구동하는 단계; 및
g. 상기 제 1 및 제 2 구동기들에 의해 이용된 제 1 조합 전력을 야기하는, 제 1 전력 요건에서 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지를 동작시키는 단계;
h. 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건을 제 2 전력 요건으로 조정하는 단계;
i. 상기 제 1 및 제 2 구동기들에 의해 이용된 제 2 조합 전력을 야기하는, 상기 제 2 전력 요건에서 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지를 동작시키는 단계로서, 상기 제 2 조합 전력은 상기 제 1 조합 전력보다 큰, 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지를 동작시키는 단계를 포함한다.
양상 2: 양상 1의 방법으로서, 단계(e)는 상기 제 1 최대 이용 가능한 전력을 가진 상기 제 1 구동기를 갖고 상기 예비 냉각 압축기 및 상기 복수의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지를 구동하는 단계를 포함하며, 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지는 상기 복수의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 임의의 다른 압축 스테이지보다 큰 배출 압력을 갖는다.
양상 3: 양상 1 또는 양상 2 중 어느 하나의 방법으로서, 주변 온도가 미리 결정된 설계 주변 온도 밖에 있는 단계(h)를 수행하는 단계를 추가로 포함한다.
양상 4: 양상 1 내지 양상 3 중 어느 하나의 방법으로서, 주변 온도가 미리 결정된 설계 주변 온도를 넘는 단계(h)를 수행하는 단계를 추가로 포함한다.
양상 5: 양상 4의 방법으로서, 단계(h)는 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건을 감소시키는 것을 포함한다.
양상 6: 양상 1 내지 양상 5 중 어느 하나의 방법으로서, 단계(g)는 상기 제 1 및 제 2 구동기들에 의해 이용된 제 1 조합 전력을 야기하는, 제 1 전력 요건에서 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지를 동작시키는 것을 포함하며, 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지 및 상기 예비 냉각 압축기의 압축 요구들의 결과로서 상기 제 1 및 제 2 구동기들 중 하나는 최대 이용 가능한 전력을 전달하고 상기 제 1 및 제 2 구동기들 중 또 다른 것은 최대 이용 가능한 전력을 전달하지 않는다.
양상 7: 양상 1 내지 양상 6 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건을 제 2 전력 요건으로 조정하는 단계는 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 흡입 측면과 유체 흐름 통신하는 흡입 스로틀 밸브의 위치를 조정하는 단계를 포함한다.
양상 8: 양상 7의 방법으로서, 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건을 제 2 전력 요건으로 조정하는 단계는 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지에 위치된 조정 가능한 입구 안내 날개들의 세트의 위치를 변경하는 단계를 포함한다.
양상 9: 양상 1 내지 양상 8 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건을 제 2 전력 요건으로 조정하는 단계는 상기 제 1 구동기의 구동 샤프트 상에서 상기 예비 냉각 압축기 및 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지 사이에 위치된 가변 속도 기어박스의 기어비를 변경하는 단계를 포함한다.
양상 10: 양상 1 내지 양상 9 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 제 2 냉매는 혼합형 냉매를 포함한다.
양상 11: 양상 1 내지 양상 10 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 예비 냉각 냉매는 프로판으로 이루어진다.
양상 12: 양상 1 내지 양상 11 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 예비 냉각 냉매 스트림은 혼합형 냉매로 이루어진다.
양상 13: 시스템에 있어서:
적어도 하나의 제 1 냉매 압축 스테이지를 가진 예비 냉각 압축기 및 적어도 하나의 예비 냉각 열 교환기를 가진 예비 냉각 서브시스템으로서, 상기 예비 냉각 서브시스템은 예비 냉각된 탄화수소 유체 스트림을 생성하기 위해 제 1 냉매 스트림에 대한 간접적인 열 교환에 의해 탄화수소 피드 스트림을 냉각시키도록 적응되는, 상기 예비 냉각 서브시스템;
복수의 제 2 냉매 압축 스테이지들 및 적어도 하나의 액화 열 교환기를 가진 액화 서브시스템으로서, 상기 액화 시스템은 냉각된 탄화수소 유체 스트림을 생성하기 위해 제 2 냉매 스트림에 대한 간접적인 열 교환에 의해 상기 예비 냉각된 탄화수소 스트림을 적어도 부분적으로 액화시키도록 적응되는, 상기 액화 서브시스템;
상기 예비 냉각 압축기 및 상기 복수의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지를 구동하는 제 1 구동기;
상기 복수의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 다른 제 2 냉매 압축 스테이지들을 구동하는 제 2 구동기;
상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건을 변경하기 위한 수단; 및
상기 제 1 구동기의 제 1 전력 상태 및 상기 제 2 구동기의 제 2 전력 상태를 측정하며 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건, 상기 제 1 구동기의 제 1 전력 상태, 상기 제 2 구동기의 제 2 전력 상태, 및 상기 탄화수소 피드 스트림 및 상기 예비 냉각된 탄화수소 스트림의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 유량을 제어하도록 적응된 제어기를 포함한다.
양상 14: 양상 13의 시스템으로서, 상기 제어기는 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건을 변경하기 위한 수단들을 조정함으로써 상기 제 1 전력 상태 및 상기 제 2 전력 상태 사이에서의 차이를 감소시키도록 프로그램된다.
양상 15: 양상 13 또는 양상 14 중 어느 하나의 시스템으로서, 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지는 상기 복수의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 임의의 다른 제 2 냉매 압축 스테이지들보다 큰 배출 압력을 가진다.
양상 16: 양상 13 내지 양상 15 중 어느 하나의 시스템으로서, 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건을 변경하기 위한 수단은 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 흡입 측과 유체 흐름 통신하는 흡입 스로틀 밸브를 포함한다.
양상 17: 양상 13 내지 양상 16 중 어느 하나의 시스템으로서, 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건을 변경하기 위한 수단은 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 흡입 측과 유체 흐름 통신하는 조정 가능한 안내 날개들의 세트를 포함한다.
양상 18: 양상 13 내지 양상 17 중 어느 하나의 시스템으로서, 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건을 변경하기 위한 수단은 상기 제 1 구동기의 구동 샤프트 상에서 상기 예비 냉각 압축기 및 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지 사이에 위치된 가변 속도 기어박스를 포함한다.
양상 19: 양상 13 내지 양상 18 중 어느 하나의 시스템으로서, 상기 제 1 구동기에 병렬로 배열된 적어도 두 개의 구동기들을 포함한다.
양상 20: 양상 13 내지 양상 19 중 어느 하나의 시스템으로서, 상기 제 2 구동기는 병렬로 배열된 적어도 두 개의 구동기들을 포함한다.
양상 21: 양상 13 내지 양상 20 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 제 2 냉매 스트림은 혼합형 냉매를 포함한다.
양상 22: 양상 13 내지 양상 21 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 제 1 냉매 스트림은 프로판으로 이루어진다.
양상 23: 양상 13 내지 양상 22 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 예비 냉각 냉매 스트림은 혼합형 냉매로 이루어진다.
양상 24: 탄화수소 유체 액화 시스템을 동작시키는 방법에 있어서, 상기 방법은:
a. 예비 냉각 냉매 스트림 및 제 1 미리 결정된 범위 내에서의 온도를 가진 예비 냉각된 탄화수소 유체 스트림과의 간접적인 열 교환에 의해, 제 1 유량으로 공급되는, 탄화수소 피드 스트림을 예비 냉각시키는 단계;
b. 적어도 하나의 압축 스테이지를 가진 예비 냉각 압축기에서 상기 예비 냉각 냉매 스트림을 압축하는 단계;
c. 제 2 미리 결정된 범위 내에서의 온도를 가진 냉각된 탄화수소 유체 스트림을 생성하기 위해 제 2 냉매 스트림에 대한 간접적인 열 교환에 의해 상기 예비 냉각된 탄화수소 스트림을 추가로 냉각시키고 적어도 부분적으로 액화시키는 단계;
d. 복수의 제 2 냉매 압축 스테이지들을 포함한 압축 시퀀스에서 상기 제 2 냉매 스트림을 압축하는 단계로서, 상기 복수의 제 2 냉매 압축 스테이지들은 제 1 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들 및 제 2 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들로 이루어지는, 상기 제 2 냉매 스트림을 압축하는 단계;
e. 제 1 구동기를 갖고 상기 예비 냉각 압축기 및 상기 제 1 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들을 구동하는 단계;
f. 제 2 구동기를 갖고 상기 제 2 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들을 구동하는 단계;
g. 상기 제 1 구동기 및 제 2 구동기 사이에서의 제 1 전력 차이를 야기하는 제 1 전력 요건에서 상기 제 1 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 적어도 하나를 동작시키는 단계;
h. 상기 제 1 구동기 및 상기 제 2 구동기 사이에서 제 2 전력 차이를 야기하는, 상기 제 1 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 적어도 하나의 상기 압축 전력 요건을 조정하는 단계로서, 상기 제 2 전력 차이는 상기 제 1 전력 차이보다 작은, 상기 압축 전력 요건을 조정하는 단계; 및
i. 상기 제 1 미리 결정된 범위 내에서 상기 예비 냉각된 탄화수소 유체 스트림의 온도를 및 상기 제 2 미리 결정된 범위 내에서 상기 냉각된 탄화수소 유체 스트림의 온도를 유지하면서, 동시에 또는 단계(h)를 수행한 후, 상기 탄화수소 피드 스트림의 제 1 유량을 제 2 유량으로 증가시키는 단계를 포함한다.
양상 25: 양상 24의 방법으로서, 단계(e)는 제 1 구동기를 갖고 상기 예비 냉각 압축기 및 상기 제 1 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들을 구동하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들은 상기 제 2 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 임의의 것보다 큰 배출 압력을 가진 스테이지로 이루어진다.
양상 26: 양상 24 또는 양상 25 중 어느 하나의 방법으로서, 주변 온도가 미리 결정된 설계 주변 온도 밖에 있는 단계(h)를 수행하는 단계를 추가로 포함한다.
단계 27: 양상 24 내지 양상 26 중 어느 하나의 방법으로서, 주변 온도가 미리 결정된 설계 주변 온도를 넘는 단계(h)를 수행하는 단계를 추가로 포함한다.
양상 28: 양상 27의 방법으로서, 단계(h)는 상기 제 1 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 적어도 하나의 전력 요건을 감소시키는 단계를 포함한다.
양상 29: 양상 24 내지 양상 28 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 제 1 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 적어도 하나의 압축 전력 요건을 조정하는 단계는 상기 제 1 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 적어도 하나의 흡입 측과 유체 흐름 통신하는 흡입 스로틀 밸브의 위치를 조정하는 단계를 포함한다.
양상 30: 양상 24 내지 양상 29 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 제 1 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 적어도 하나의 압축 전력 요건을 조정하는 단계는 상기 제 1 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 적어도 하나에 위치된 조정 가능한 입구 안내 날개들의 세트의 위치를 변경하는 단계를 포함한다.
양상 31: 양상 24 내지 양상 30 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 제 1 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 적어도 하나의 압축 전력 요건을 조정하는 단계는 상기 제 1 구동기의 구동 샤프트 상에서 상기 예비 냉각 압축기 및 상기 제 1 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 적어도 하나 사이에 위치된 가변 속도 기어박스의 기어비를 변경하는 단계를 포함한다.
양상 32: 양상 24 내지 양상 31 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 제 2 냉매 스트림은 혼합형 냉매를 포함한다.
양상 33: 양상 24 내지 양상 32 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 예비 냉각 냉매 스트림은 프로판으로 이루어진다.
양상 34: 양상 24 내지 양상 33 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 예비 냉각 냉매 스트림은 혼합형 냉매로 이루어진다.
청구된 발명의 보다 완전한 이해를 위해, 참조가 수반하는 도면들과 함께 고려된 실시예에 대한 다음의 상세한 설명에 대해 이루어진다.
도 1은 종래 기술에 따른 C3MR 프로세스의 개략적인 흐름도이다;
도 2는 제 1 대표적인 실시예에 따른 분리 혼합형 냉매 천연 가스 액화 시스템의 개략적인 흐름도이다;
도 3은 제 2 대표적인 실시예에 따른 분리 혼합형 냉매 천연 가스 액화 시스템의 개략적인 흐름도이다;
도 4a는 도 3에 도시된 분리 혼합형 냉매 천연 가스 액화 시스템과 관련되어 사용될 조정 가능한 입구 안내 날개의 투시도이며, 조정 가능한 입구 안내 날개는 보다 덜한 흐름-제한 위치(즉, 더 개방된)에 구성된다.
도 4b는 도 4a의 조정 가능한 입구 안내 날개의 투시도이며, 조정 가능한 입구 안내 날개는 보다 흐름-제한적인 위치(즉, 더 폐쇄된)에 구성된다.
도 5는 입구 안내 날개들을 가진 압축기 스테이지에 대한 대표적인 헤드/흐름 차트이다;
도 6은 제 3 대표적인 실시예에 따른 분리 혼합형 냉매 천연 가스 액화 시스템의 개략적인 흐름도이다.
뒤이은 상세한 설명은 단지 바람직한 대표적인 실시예들만을 제공하며, 청구된 발명의 범위, 적용 가능성, 또는 구성을 제한하도록 의도되지 않는다. 오히려, 바람직한 대표적인 실시예들의 뒤이은 상세한 설명은 청구된 발명의 바람직한 대표적인 실시예들을 구현하기 위한 실시 가능한 설명을 이 기술분야의 숙련자들에게 제공할 것이다. 다양한 변화들이 청구된 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 요소들의 기능 및 배열에서 이루어질 수 있다.
도면 도와 연관되어 명세서에 도입되는 참조 번호들은 다른 특징들에 대한 맥락을 제공하기 위해 명세서에서 부가적인 설명 없이 하나 이상의 뒤이은 도면들에서 반복될 수 있다.
청구항들에서, 문자들은 청구된 단계들(예로서, (a), (b), 및 (c))을 식별하기 위해 사용된다. 이들 문자들은 방법 단계들을 참조하는 것을 돕기 위해 사용되며, 이러한 순서가 구체적으로 청구항들에서 나열되지 않는다면 및 그 범위까지만, 청구된 단계들이 수행되는 순서를 나타내도록 의도되지 않는다.
방향 용어들은 명세서에서 사용될 수 있으며 본 발명의 부분들(예로서, 상부, 하부, 좌측, 우측 등)을 설명하기 위해 주장한다. 이들 방향 용어들은 단지 대표적인 실시예들을 설명하는 것을 돕도록 의도되며, 청구된 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 여기에서 사용된 바와 같이, 용어("업스트림")는 기준 점으로부터 도관에서 유체의 흐름의 방향의 반대인 방향으로를 의미하도록 의도된다. 유사하게, 용어("다운스트림")는 기준 점으로부터 도관에서 유체의 흐름의 방향과 동일한 방향으로를 의미하도록 의도된다.
여기에서 달리 서술되지 않는다면, 명세서, 도면들 및 청구항들에서 식별된 임의의 및 모든 퍼센티지들은 중량 퍼센티지 기반에 있는 것으로 이해되어야 한다. 여기에서 달리 서술되지 않는다면, 명세서, 도면들 및 청구항들에서 식별된 임의의 및 모든 압력들은 게이지 압력을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 및 청구항들에서 사용된 바와 같이, 용어("유체 흐름 통신")는 직접 또는 간접적으로 제어된 방식으로(즉, 누출 없이) 액체들, 증기들, 및/또는 2-상 혼합물들이 구성요소들 사이에서 수송될 수 있게 하는 둘 이상의 구성요소들 사이에서의 연결성의 특징을 나타낸다. 그것들이 서로 유체 흐름 통신하도록 둘 이상의 구성요소들을 결합하는 것은, 용접들, 플랜지형 도관들, 개스킷들, 및 볼트들의 사용으로와 같은, 이 기술분야에 알려진 임의의 적절한 방법을 수반할 수 있다. 둘 이상의 구성요소들은 또한 그것들을 분리할 수 있는 시스템의 다른 구성요소들, 예를 들면, 밸브들, 게이트들, 또는 유체 흐름을 선택적으로 제한하거나 또는 지향시킬 수 있는 다른 디바이스들을 통해 함께 결합될 수 있다.
명세서 및 청구항들에서 사용된 바와 같이, 용어("도관")는 유체들이 시스템의 둘 이상의 구성요소들 사이에서 수송될 수 있는 하나 이상의 구조들을 나타낸다. 예를 들면, 도관들은 액체들, 증기들, 및/또는 기체들을 수송하는 파이프들, 덕트들, 통로들, 및 그것의 조합들을 포함할 수 있다.
명세서 및 청구항들에서 사용된 바와 같이, 용어("천연 가스")는 주로 메탄으로 이루어진 탄화수소 가스 혼합물을 의미한다.
명세서 및 청구항들에서 사용된 바와 같이, 용어들("탄화수소 가스" 또는 "탄화수소 유체")은 적어도 하나의 탄화수소를 포함하며, 탄화수소들이 가스/유체의 전체 조성의 적어도 80%, 및 보다 바람직하게는 적어도 90%를 포함하는 가스/유체를 의미한다.
명세서 및 청구항들에서 사용된 바와 같이, 용어("혼합형 냉매")("MR"로 약칭되는)는 적어도 두 개의 탄화수소들을 포함하며 탄화수소들이 냉매의 전체 조성의 적어도 80%를 포함하는 유체를 의미한다.
용어들("번들" 및 "튜브 번들")은 본 출원 내에서 상호 교환 가능하게 사용되며 동의어인 것으로 의도된다.
명세서 및 청구항들에서 사용된 바와 같이, 용어("주변 유체")는 주변 압력 및 온도에서 또는 그것에 가깝게 시스템에 제공되는 유체를 의미한다.
용어("압축 회로")는 여기에서 서로 유체 통신하며 제 1 압축기 또는 압축 스테이지로부터 업스트림으로 시작하여 마지막 압축기 또는 압축기 스테이지로부터 다운스트림으로 끝나는, 직렬로 배열된(이후" 직렬 유체 흐름 통신") 구성요소들 및 도관들을 나타내기 위해 사용된다. 용어("압축 시퀀스")는 연관된 압축 회로를 포함하는 구성요소들 및 도관들에 의해 수행된 단계들을 나타내도록 의도된다.
용어("흡입 측")는 여기에서 압축 스테이지의 더 낮은 압력 측(또는 입구)을 나타내기 위해 사용된다. 유사하게, 용어("배출 측")는 여기에서 압축 스테이지의 보다 높은 압력 측(또는 출구)을 나타내기 위해 사용된다. 용어("출구 압력")는 압축 스테이지의 배출 측 상에서의 게이지 압력을 나타내도록 의도된다.
여기에서 사용된 바와 같이, 압축 스테이지의 "용량"은 특정한 동작 상태에서 상기 압축 스테이지를 통한 유체의 유량을 나타내도록 의도된다. 예를 들면, 동적 압축기 스테이지의 경우에, 그것의 용량은 유체가 압축기에서의 구동기 샤프트의 특정한 회전 속도로 및 특정한 흡입 및 배출 조건들에서 압축기를 통해 흐르는 레이트를 의미하도록 의도된다.
여기에서 사용된 바와 같이, 압축 스테이지와 관련되어 사용될 때, 용어("전력 요건")는 특정한 동작 상태(즉, 유체 유량 및 압력 증가)에서 상기 압축 스테이지를 동작시키기 위한 전력의 양을 나타내도록 의도된다.
명세서 및 청구항들에서 사용된 바와 같이, 용어들("고-고", "고", "중", 및 "저")은 이들 용어들이 사용되는 요소들의 속성에 대한 상대적인 값들을 표현하도록 의도된다. 예를 들면, 고-고 압력 스트림은 본 출원에서 설명되거나 또는 주장된 대응하는 고압 스트림 또는 중압 스트림 또는 저압 스트림보다 높은 압력을 가진 스트림을 나타내도록 의도된다. 유사하게, 고압 스트림은 명세서 또는 청구항들에서 설명된 대응하는 중압 스트림 또는 저압 스트림보다 높은 압력을 갖지만, 본 출원에서 설명되거나 또는 주장된 대응하는 고-고 압력 스트림보다 낮은 스트림을 나타내도록 의도된다. 유사하게, 중압 스트림은 명세서 또는 청구항들에서 설명된 대응하는 저압 스트림보다 높은 압력을 갖지만, 본 출원에서 설명되거나 또는 주장된 대응하는 고압 스트림보다 낮은 스트림을 나타내도록 의도된다.
여기에서 사용된 바와 같이, 용어("한제" 또는 "극저온 유체")는 섭씨 -70도 미만의 온도를 가진 액체, 기체, 또는 혼합 상 유체를 의미하도록 의도된다. 한제들의 예들은 액체 질소(LIN), 액화 천연 가스(LNG), 액체 헬륨, 액체 이산화탄소 및 가압된, 혼합 상 한제들(예로서, LIN 및 기체 질소의 혼합물)을 포함한다. 여기에서 사용된 바와 같이, 용어("극저온 온도")는 섭씨 -70도 미만의 온도를 의미하도록 의도된다.
표 1은 설명된 실시예들을 이해하기 위한 도움으로서 명세서 및 도면들 전체에 걸쳐 이용된 두문자어들의 리스트를 정의한다.
Figure 112019077278320-pat00001
설명된 실시예들은 탄화수소 유체의 액화를 위한 효율적인 프로세스를 제공하며 특히 천연 가스의 액화에 적용 가능하다. 도 1을 참조하면, 종래 기술의 통상적인 천연 가스 액화 시스템이 도시된다. 바람직하게는 천연 가스인, 피드 스트림(100)은 물, CO2 및 H2S와 같은 산 가스들, 및 수은과 같은 다른 오염물들을 제거하기 위해 사전-처리 섹션(90)에서 알려진 방법들에 의해 세정되고 건조되어, 사전-처리된 피드 스트림(101)을 야기한다. 본질적으로 물이 없는 사전-처리된 피드 스트림(101)은 예비-냉각된 천연 가스 스트림(105)을 생성하기 위해 예비-냉각 시스템(118)에서 예비 냉각되며 LNG 스트림(106)을 생성하기 위해 MCHE(108)에서 추가로 냉각되고, 액화되며, 및/또는 과-냉각된다. LNG 스트림(106)은 통상적으로 밸브 또는 터빈(도시되지 않음)을 통해 그것을 통과함으로써 압력을 내리며 그 후 LNG 저장 탱크(109)로 전송된다. 탱크에서 압력 강하 및/또는 증발 동안 생성된 임의의 플래시 증기는 스트림(107)에 의해 나타내어지며, 이것은 발전소에서 연료로서 사용되고 공급하기 위해 다시 이용되거나, 또는 통기된다.
사전-처리된 피드 스트림(101)은 섭씨 10도 미만, 바람직하게는 섭씨 약 0도 미만, 및 보다 바람직하게는 섭씨 약 -30도의 온도로 예비-냉각된다. 예비-냉각된 천연 가스 스트림(105)은 섭씨 약 -150도 내지 섭씨 약 -70도 사이, 바람직하게는 섭씨 약 -145도 내지 섭씨 약 -100도 사이에서의 온도로 액화되며, 그 다음에 섭씨 약 -170도 내지 섭씨 약 -120도 사이, 바람직하게는 섭씨 약 -170도 내지 섭씨 약 -140도 사이에서의 온도로 과-냉각된다. 도 1에 도시된 MCHE(108)는 3개의 번들들을 가진 코일이 감긴 열 교환기이다. 그러나, 임의의 수의 번들들 및 임의의 교환기 유형이 이용될 수 있다.
용어("본질적으로 물이 없는")는 사전-처리된 피드 스트림(101)에서 임의의 잔여 물이 다운스트림 냉각 및 액화 프로세스에서 물 축출과 연관된 동작 이슈들을 방지하기 위해 충분히 낮은 농도로 존재하는 것을 의미한다. 여기에서 설명된 실시예들에서, 물 농도는 바람직하게는 1.0 ppm보다 많지 않으며, 보다 바람직하게는 0.1 ppm 내지 0.5 ppm 사이에 있다.
C3MR 프로세스에서 사용된 예비-냉각 냉매는 프로판이다. 도 1에 예시된 바와 같이, 프로판 냉매(110)는 따뜻한 저압 프로판 스트림(114)을 생성하기 위해 사전-처리된 피드 스트림(101)에 대해 데워진다. 따뜻한 저압 프로판 스트림(114)은 4개의 압축 스테이지들을 포함할 수 있는 하나 이상의 프로판 압축기들(116)에서 압축된다. 중간 압력 레벨들에서의 3개의 사이드 스트림들(111, 112, 및 113)은 각각 프로판 압축기(116)의 최종, 제 3, 및 제 2 스테이지들의 흡입 측에서 프로판 압축기들(116)에 들어간다. 압축된 프로판 스트림(115)은 예비-냉각 시스템(118)에서 사전-처리된 피드 스트림(101)을 냉각시키기 위해 요구된 냉각 듀티를 제공하는 프로판 냉매(110)를 생성하기 위해 압력이 감소되는(도시되지 않은 밸브를 내린다) 차가운 고압 스트림을 생성하기 위해 콘덴서(117)에서 응결된다. 프로판 액체는 그것이 전압 프로판 증기 스트림(114)을 생성하기 위해 스트림(101)을 냉각시킬 때 증발한다. 콘덴서(117)는 통상적으로 공기 또는 물과 같은 주변 유체에 대해 열을 교환한다.
도면은 4개의 스테이지들의 프로판 압축을 도시하지만, 임의의 수의 압축 스테이지들이 이용될 수 있다. 다수의 압축 스테이지들이 설명되거나 또는 주장될 때, 이러한 다수의 압축 스테이지들은 단일 다단식 압축기, 다수의 압축기들, 또는 그것의 조합을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 압축기들은 단일 케이싱 또는 다수의 케이싱들에 있을 수 있다. 프로판 냉매를 압축하는 프로세스는 일반적으로 여기에서 프로판 압축 시퀀스로서 불리운다. 프로판 압축 시퀀스는 미국 특허 출원 공개 번호 2017/0089637 A1로서 공개된 미국 특허 출원 일련 번호 제14/870,557호에서 보다 상세하게 설명되며, 그것의 개시는 여기에서 전체적으로 참조로서 통합된다.
MCHE(108)에서, 냉장의 적어도 일 부분, 및 바람직하게는 그것의 모두는 밸브들 또는 터빈들에 걸친 압력 감소 후 냉매 스트림들의 적어도 일 부분을 증발시킴으로써 제공된다.
저압 가스 MR 스트림(130)은 임의의 혼입된 액적들이 압축기(151)에 들어가는 것을 방지하기 위해 저압 흡입 드럼(150)을 통해 전송된, MCHE(108)의 셸 측의 따뜻한 단부로부터 빼내어지며 증기 스트림(131)은 중압 MR 스트림(132)을 생성하기 위해 저압(LP) 압축기(151)에서 압축된다. 저압 가스 MR 스트림(130)은 통상적으로 프로판 예비-냉각 온도에서 또는 그것에 가까운 및 바람직하게는 섭씨 약 -30도의 온도에서 및 10 bara(145 psia) 미만의 압력에서 빼내어진다. 중압 MR 스트림(132)은 임의의 혼입된 액적들이 중압(MP) 압축기(154)에서 추가로 압축되는 중압 증기 스트림(134)을 생성하기 위해 중압 흡입 드럼(153)에서 선택적으로 제거될 수 있는 냉각된 중압 MR 스트림(133)을 생성하기 위해 저압 애프터쿨러(152)에서 냉각된다. 결과적인 고압 MR 스트림(135)은 냉각된 고압 MR 스트림(136)을 생성하기 위해 중압 애프터쿨러(155)에서 냉각된다. 냉각된 고압 MR 스트림(136)은 임의의 혼입된 액적들을 제거하기 위해 고압 흡입 드럼(156)으로 선택적으로 전송된다. 결과적인 고압 증기 스트림(137)은 냉각된 고-고 압력 MR 스트림(139)을 생성하기 위해 고압 애프터쿨러(158)에서 냉각되는 고-고 압력 MR 스트림(138)을 생성하기 위해 고압(HP) 압축기(157)에서 추가로 압축된다. 냉각된 고-고 압력 MR 스트림(139)은 그 후 2-상 MR 스트림(140)을 생성하기 위해 예비-냉각 시스템(118)에서 프로판을 증발시키는 것에 대해 냉각된다. 2-상 MR 스트림(140)은 그 후 MRL 스트림(141) 및 MRV 스트림(143)이 획득되는 증기-액체 분리기(159)로 전송되며, 이것은 추가로 냉각되도록 MCHE(108)로 되돌려 보내진다. 그 뒤에 액화된 후에도, 상 분리기를 떠난 액체 스트림은 산업에서 MRL로서 불리우며 상 분리기를 떠난 증기 스트림은 산업에서 MRV로 불리운다. 그것이 MCH(108)의 최하부로부터 빼내어지며, 그 후 다수의 스트림들로서 MCHE(108)의 튜브 측으로 복귀된 후 MR을 압축하고 냉각시키는 프로세스는, 일반적으로 여기에서 MR 압축 시퀀스로서 불리운다.
양쪽 MRL 스트림(141) 및 MRV 스트림(143) 모두는, MCHE(108)의 두 개의 별개의 회로들에서 냉각된다. MRL 스트림(141)은 MCHE(108)의 첫 두 개의 번들들에서 과냉각되어, MCHE의 첫 두 개의 번들들에서 요구된 냉장을 제공하기 위해 MCHE(108)의 셸-측으로 되돌려 보내지는 차가운 2-상 스트림(142)을 생성하기 위해 압력이 감소되는 차가운 스트림을 야기한다. MRV 스트림(143)은 MCHE(108)의 제 1, 제 2, 및 제 3 번들들에서 냉각되고, 액화되며 과냉각되고, 차가운 고압력 감소 밸브에 걸쳐 압력이 감소되며, 과-냉각, 액화, 및 냉각 단계들에서 냉장을 제공하기 위해 스트림(144)으로서 MCHE(108)로 도입된다. MCHE(108)는 코일이 감긴 열 교환기, 판 및 핀 열 교환기 또는 셸 및 튜브 열 교환기와 같은, 천연 가스 액화에 적합한 임의의 교환기일 수 있다. 코일이 감긴 열 교환기들은 천연 가스 액화를 위한 최신식 교환기들이며 프로세스 및 따뜻한 냉매 스트림들을 흐르게 하기 위한 복수의 나선형으로 감긴 튜브들 및 차가운 냉매 스트림을 흐르게 하기 위한 셸 공간을 포함한 적어도 하나의 튜브 번들을 포함한다.
도 2는 제 1 대표적인 실시예를 예시한다. 이 실시예에서, 도 1의 시스템(시스템 100)과 공유된 요소들은 100의 배수들만큼 증가된 참조 번호들에 의해 표현된다. 예를 들면, 도 1에서 프로판 압축기들(116)은 도 2에서 프로판 압축기들에 대응한다. 명료성을 위해, 제 2 실시예와 공유되는 이 실시예의 몇몇 특징들은 도 2에서 넘버링되지만, 명세서에서 반복되지 않는다. 참조 번호가 이 실시예에서 제공되며 명세서에서 논의되지 않는다면, 도 1에 도시된 시스템의 대응 요소와 동일한 것으로 이해되어야 한다. 이들 동일한 원리들은 뒤이은 대표적인 실시예들의 각각에 적용한다.
도 2는 도 1의 시스템(100)의 요소들을 포함하지만, C3MR 프로세스 및 MR 프로세스의 압축기들이 어떻게 구동되는지에서 상이한, SplitMR® 천연 가스 액화 시스템(200)을 예시한다. 시스템(200)은 프로판 압축기(216) 및 HP MR 압축기(257)(MR 압축기들(251, 254, 257) 모두 중 최고 출구 압력을 갖는)를 기계적으로 구동하는 제 1 가스 터빈(260)을 포함한다. 시스템(200)은 또한 LP MR 압축기(251) 및 MP MR 압축기(254)를 기계적으로 구동하는 제 2 가스 터빈(262)을 포함한다. 선택적으로, 이들 압축 스트링들 각각은, 각각 헬퍼/시동 모터(264, 266)를 포함할 수 있다.
설계 온도(시스템(200)이 동작하도록 설계되는 주변 온도)에서 또는 그 가까이에서, 3개의 MR 압축 스테이지들(즉, LP, MP, 및 HP MR 압축기들(251, 254, 및 257)) 및 프로판 압축기(216)의 전력 요건들은 각각 양쪽 가스 터빈들(260, 262) 모두가 시스템(200)의 전체 생산율이 용량에 가깝게 동작될 때 용량 가까이 동작하도록 설정된다.
설계 온도보다 상당히 더 따뜻한 주변 온도들에서, 프로판 압축기(216)에 대한 전력 요건들은 증가하는 반면, 제 1 가스 터빈(260)으로부터 이용 가능한 전력은 감소한다. 이러한 상황들에서, 프로판 압축기(216)의 배출 압력은 프로판이 콘덴서에서 응결할 수 있도록 증가해야 한다. 헤드(즉, 하나의 압력 레벨로부터 또 다른 것으로 일 파운드의 주어진 가스를 폴리트로프식으로 압축 및 전달하기 위해 요구된 풋-파운드들에서의 일 또는 에너지)에서의 이러한 증가는 설계 조건들에 비교하여 제 1 가스 터빈(260)으로부터 이용 가능한 전력의 보다 큰 부분을 사용하도록 프로판 압축기(216)에 요구한다. 그러나, HP MR 압축기(257)의 특성들을 독립적으로 변경하는 임의의 수단들 없이, 제 1 가스 터빈(260)의 속도를 변경하거나 또는 MR JT 밸브들의 개방과 같은, 통상의 제어들을 통해 프로판 압축기(216)로 시프트될 수 있는 제한된 양의 전력이 있다. 결과적으로, 프로판 압축기(216)로부터의 프로판 흐름은 제 1 가스 터빈(260)이 최대 이용 가능한 전력에서 동작되기 때문에 이들 보다 따뜻한 주변 온도들에서 생산을 위한 병목 현상이 된다. LP 및 MP MR 압축기들(251, 254)을 구동하는 제 2 가스 터빈(262) 상에 이용 가능한 전력이 있지만(즉, 그것은 최대 이용 가능한 전력에서 동작하지 않는다), 이러한 전력은 MR 순환 흐름에서의 임의의 증가가 이러한 부가적인 MR 냉매를 예비 냉각시키기 위한 프로판 흐름에서의 증가를 요구하며 HP MR 압축기(257)에 대한 전력 요건을 증가시키기 때문에 사용될 수 없다. 본 출원에서 사용된 바와 같이, "최대 이용 가능한 전력"은 현재 동작 조건들하에서 구동기에 이용 가능한 연료 및 공기 공급의 최대 이용을 나타내도록 의도된다. 상기 주지된 바와 같이, 구동기에 대한 최대 이용 가능한 전력은 주변 온도가 올라감에 따라 감소한다.
이러한 주변 온도들에서 전력 효율을 증가시키기 위해, 분리형 MR 액화 시스템(200)은 설계 온도에 비교하여 보다 따뜻한 주변 온도들에서 보다 적은 전력을 및 보다 차가운 주변 온도들에서 보다 많은 전력을 요구하도록 HP MR 압축기(257)의 특성들을 조정하기 위해 구성된다. 이러한 조정들은 프로판 압축기(216) 및 HP MR 압축기(257) 사이에서 전력의 균형을 시프트하는 것을 허용한다.
압축기에 대한 전력 요건의 조정을 가능하게 하기 위해 제공될 수 있는 다수의 수단들이 있다. 예를 들면, SplitMR® 액화 시스템(200)은 HP MR 압축기(257) 및 MP MR 압축기(254)에 연결된 MP 애프터쿨러(255)로부터 수신된 냉각된 HP MR 스트림(236) 사이에 연결된 흡입 스로틀 밸브(268)를 통합한다. 흡입 스로틀 밸브(268)의 개방은 HP MR 압축기(257)에 들어가는 유체의 흡입 압력 및 유체의 밀도를 변경하도록 조정될 수 있어서, HP MR 압축기(257)가 효율적으로 수행하기 위해 요구하는 전력의 양을 변경한다.
주변 온도가 MR 액화 시스템(200)에 대한 설계 온도보다 높을 때, 흡입 스로틀 밸브(257)는 보다 폐쇄된 위치로 조정된다. 이러한 조정은 제 1 가스 터빈(260)으로부터의 보다 많은 전력이 프로판 압축기(216)에 전념되도록 허용하여, 프로판 흐름의 보다 큰 순환을 허용한다. 프로판 흐름을 증가시키는 것은 또한 전체 MR 흐름에서의 증가를 허용하여, 제 1 및 제 2 가스 터빈들(260, 262) 모두로부터의 전력의 보다 효율적인 사용을 야기한다. 대체로, 흡입 스로틀 밸브(268)를 통해 냉각된 HP MR 유체의 밀도를 조절함으로써, 제 1 및 제 2 가스 터빈들(260, 262) 양쪽 모두로부터의 보다 많은 총 이용 가능한 전력은 보다 많은 냉매를 순환시키기 위해 사용될 수 있어서, 보다 높은, 보다 효율적인 LNG 생산을 야기한다.
반대로, 설계보다 차가운 주변 온도들에서, 프로판 압축기(216)에 대한 전력 요건들이 감소하는 반면, 제 1 가스 터빈(260)으로부터 이용 가능한 전력은 증가한다. 동일한 구동기 샤프트 상에 있는 프로판 압축기(216)에 대해 HP MR 압축기(257)로 보다 많은 전력을 제공하기 위해, 흡입 스로틀 밸브(268)는 보다 개방 위치로 조정될 수 있다. 이것은 HP MR 압축기(257)로 보다 많은 전력을 시프트하여, 분리형 MR 액화 시스템(200)이 연결되는 C3MR 프로세스가 설계보다 차가운 주변 온도들에서 LNG 생산을 증가시키도록 허용하는 이익을 가진다.
이들 개념들을 표현하는 또 다른 방식은 주변 온도들이 설계 범위 밖에 있을 때, 구동기들(260, 262) 사이에서의 "전력 요건 차이"는 설계 주변 조건들에서보다 크다는 것이다. 이것은 통상적으로 구동기들(260, 262) 중 하나가 1.0에 가까운 "전력 비"에서 동작하지만 다른 구동기는 그렇지 않음을 의미한다. 본 출원의 목적들을 위해, 용어("전력 비")는 상기 구동기에 대한 최대 이용 가능한 전력에 대한 상기 구동기에 의해 전달되는 전력의 비를 의미한다. 용어("전력 차이")는 제 1 구동기의 전력 비 및 제 2 구동기의 전력 비 사이에서의 차이이다.
이러한 대표적인 실시예에서, 흡입 스로틀 밸브(268)의 위치 및 터빈들(260, 262)의 전력 상태는 제어기(274)에 의해 모니터링되고 제어된다. 바람직하게는, 제어기(274)는 가스 터빈 구동기들 상에서 주변 온도 및 이용 가능한 전력을 측정하기 위한(또는 그 외 결정하기 위한) 능력을 포함하며 주변 온도에 기초하여 흡입 스로틀 밸브(268)의 위치 및 터빈들(260, 262)의 전력 상태를 자동으로 조정하도록 프로그램된다. 제어기(274)는 도 3 또는 도 6에서 도시되지 않으며 그 안에 묘사된 대표적인 실시예들 중 어느 하나와 관련되어 사용될 수 있다.
이제 도 3 및 도 4a와 도 4b로 가면, HP MR 압축기(357)의 특성들을 독립적으로 변경하기 위한 상이한 방법을 통합하는 분리형 MR 액화 시스템(300)의 제 2 실시예가 도시된다. 보다 특히, 분리형 MR 액화 시스템(300)은 냉각된 HP MR 스트림(336)을 수신하는 HP MR 압축기(357)의 입구 상에 조정 가능한 입구 안내 날개들(370)의 세트를 포함한다. 설계보다 따뜻한 온도들에서, 입구 안내 날개들(370)은 도 4b에서 예시된 바와 같이, HP MR 압축기(357)에 의해 체적 유량당 적은 동적 헤드를 부여하도록 조정될 수 있으며, 따라서 HP MR 압축기(357)는 냉각된 HP MR 스트림(336)으로부터의 입구 체적 유량당 적은 동적 헤드를 부여하며, 그에 따라 HP MR 압축기(357)에 대한 전력 요건을 낮추고 프로판 압축기(316)를 위해 이용 가능한 전력을 증가시킨다. 설계보다 차가운 주변 온도들에서, HP MR 압축기(357) 상에서 입구 안내 날개들(370)은, 체적 유량당 보다 많은 동적 헤드를 부여하고 HP MR 압축기(357)의 전력 소비를 증가시키기 위해, 도 4a에 예시된 바와 같이, 개방될 수 있다. 도 3에 도시된 입구 안내 날개들(370)은 입구 안내 날개들(370)이 HP MR 압축기(257)의 흡입을 스로틀링하는 것과 연관된 손실들을 피한다는 점에서 도 2에 도시된 흡입 스로틀 밸브(268)에 비해 유리할 수 있다.
또 다른 대표적인 실시예에서, 조정 가능한 확산기 날개들은 조정 가능한 입구 안내 날개들(370) 대신에 HP MR 압축기(357)의 전력 요건을 조정하기 위해 사용될 수 있다. 압축 스테이지의 입구(흡입 측)에 위치되는 대신에, 확산기 날개들이 출구 측 상에 위치된다. 이러한 방법은 입구 안내 날개들과 상이한 방식으로 압축기의 동적 헤드 및 흐름 특성들을 변경할 것이다.
도 5는 압축기 스테이지에 대한 대표적인 헤드/흐름 차트를 도시한다. 입구 안내 날개들이 개방됨에 따라, 압축기의 용량은 증가하며 체적 유량당 많은 헤드를 전달하며, 이것은 결국 구동기로부터 보다 많은 전력을 흡수할 것이다. 반대로, 입구 안내 날개들을 폐쇄하는 것은 압축기의 용량을 감소시키며 체적 유량당 적은 헤드를 전달하고, 이것은 결국 구동기로부터 보다 적은 전력을 흡수할 것이다.
도 6은 프로판 압축기(416)로/로부터 전력을 시프트하기 위해 HP MR 압축기(457)의 특성들을 변경하도록 구성되는 분리형 MR 액화 시스템의 제 3 실시예를 예시한다. 이 실시예에서, 분리형 MR 액화 시스템은 프로판 압축기(416) 및 HP MR 압축기(257) 사이에 설치된 가변 속도 기어박스(472)를 사용하여 HP MR 압축기(257)의 속도를 조절한다. 가변 속도 기어박스(472)는 HP MR 압축기(247)가 프로판 압축기(416)의 최적의 속도보다 높거나 또는 낮을 수 있는 최적의 속도에서 동작할 수 있게 한다. 뿐만 아니라, 가변 속도 기어박스(472)는 분리형 MR 액화 시스템(400)의 주변 온도에 대한 변화들에 따라 HP MR 압축기에 대한 동작의 속도를 조정하도록 구성된다.
분리형 MR 액화 시스템들(200, 300, 및 400)에 대한 많은 부가적인 수정들이 본 발명의 의도된 사상으로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에서, 가스 터빈들(즉, 제 1 및 제 2 가스 터빈들(260, 262, 360 및 362, 및 460 및 462)은 증기 터빈들, 항공-파생형 터빈들, 또는 전기 모터들로 대체될 수 있다. 모든 다른 이러한 수정들은 본 발명의 범위 내에서 고려되도록 의도된다. 본 발명은 단지 첨부된 청구항들의 항들에 의해서만 제한된다는 것이 의도된다.

Claims (34)

  1. 탄화수소 유체 액화 시스템을 동작시키는 방법에 있어서,
    a. 제 1 미리 결정된 범위 내의 온도를 가진 예비 냉각된 탄화수소 유체 스트림을 생성하기 위해, 예비 냉각 냉매 스트림과의 간접적인 열 교환에 의해 탄화수소 피드 스트림을 예비 냉각시키는 단계;
    b. 적어도 하나의 압축 스테이지를 가진 예비 냉각 압축기에서 상기 예비 냉각 냉매 스트림을 압축하는 단계;
    c. 제 2 미리 결정된 범위 내의 온도를 가진 냉각된 탄화수소 유체 스트림을 생성하기 위해, 제 2 냉매 스트림에 대한 간접적인 열 교환에 의해 상기 예비 냉각된 탄화수소 스트림을 추가로 냉각시키며 적어도 부분적으로 액화시키는 단계;
    d. 복수의 압축 스테이지들을 포함한 압축 시퀀스에서 상기 제 2 냉매 스트림을 압축하는 단계;
    e. 제 1 최대 이용 가능한 전력을 가진 제 1 구동기로, 상기 예비 냉각 압축기 및 상기 복수의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지를 구동하는 단계;
    f. 제 2 최대 이용 가능한 전력을 가진 제 2 구동기로, 상기 복수의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 나머지 제 2 냉매 압축 스테이지를 구동하는 단계; 및
    g. 상기 제 1 및 제 2 구동기들에 의해 이용된 제 1 조합 전력을 야기하는 제 1 전력 요건에서, 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지를 동작시키는 단계;
    h. 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 특성들을 독립적으로 변경하여, 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건을 제 2 전력 요건으로 조정하는 단계;
    i. 상기 제 1 및 제 2 구동기들에 의해 이용된 제 2 조합 전력을 야기하는 상기 제 2 전력 요건에서, 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지를 동작시키는 단계로서, 상기 제 2 조합 전력은 상기 제 1 조합 전력보다 큰 것인, 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지를 동작시키는 단계
    를 포함하는, 탄화수소 유체 액화 시스템을 동작시키는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    단계(e)는 상기 제 1 최대 이용 가능한 전력을 가진 상기 제 1 구동기로 상기 예비 냉각 압축기 및 상기 복수의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지를 구동하는 단계를 포함하며, 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지는 상기 복수의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 임의의 나머지 압축 스테이지보다 큰 배출 압력을 갖는 것인, 탄화수소 유체 액화 시스템을 동작시키는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    주변 온도가 미리 결정된 설계 주변 온도 밖에 있는 단계(h)를 수행하는 단계를 더 포함하는, 탄화수소 유체 액화 시스템을 동작시키는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    주변 온도가 미리 결정된 설계 주변 온도를 넘는 단계(h)를 수행하는 단계를 더 포함하는, 탄화수소 유체 액화 시스템을 동작시키는 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    단계(h)는 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건을 감소시키는 단계를 포함하는, 탄화수소 유체 액화 시스템을 동작시키는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    단계(g)는, 상기 제 1 및 제 2 구동기들에 의해 이용된 제 1 조합 전력을 야기하는 제 1 전력 요건에서 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지를 동작시키는 단계를 포함하며, 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지 및 상기 예비 냉각 압축기의 압축 요구들의 결과로서, 상기 제 1 및 제 2 구동기들 중 하나의 구동기는 최대 이용 가능한 전력을 전달하고 상기 제 1 및 제 2 구동기들 중 나머지 구동기는 최대 이용 가능한 전력을 전달하지 않는 것인, 탄화수소 유체 액화 시스템을 동작시키는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    단계(h)에서, 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건은 상기 나머지 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건과는 독립적으로 조정되는 것인, 탄화수소 유체 액화 시스템을 동작시키는 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건을 제 2 전력 요건으로 조정하는 단계는, 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 흡입 측과 유체 연통하는 흡입 스로틀 밸브의 위치를 조정하는 단계를 포함하는 것인, 탄화수소 유체 액화 시스템을 동작시키는 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건을 제 2 전력 요건으로 조정하는 단계는, 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지에 위치된 조정 가능한 입구 안내 날개들의 세트의 위치를 변경하는 단계를 포함하는 것인, 탄화수소 유체 액화 시스템을 동작시키는 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건을 제 2 전력 요건으로 조정하는 단계는, 상기 제 1 구동기의 구동 샤프트 상에서 상기 예비 냉각 압축기 및 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지 사이에 위치된 가변 속도 기어박스의 기어 비를 변경하는 단계를 포함하는 것인, 탄화수소 유체 액화 시스템을 동작시키는 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 냉매는 혼합형 냉매를 포함하는 것인, 탄화수소 유체 액화 시스템을 동작시키는 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 예비 냉각 냉매는 프로판으로 이루어지는 것인, 탄화수소 유체 액화 시스템을 동작시키는 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 예비 냉각 냉매 스트림은 혼합형 냉매로 이루어지는 것인, 탄화수소 유체 액화 시스템을 동작시키는 방법.
  14. 시스템에 있어서,
    적어도 하나의 제 1 냉매 압축 스테이지를 가진 예비 냉각 압축기 및 적어도 하나의 예비 냉각 열 교환기를 가진 예비 냉각 서브시스템으로서, 상기 예비 냉각 서브시스템은 예비 냉각된 탄화수소 유체 스트림을 생성하기 위해 제 1 냉매 스트림에 대한 간접적인 열 교환에 의해 탄화수소 피드 스트림을 냉각시키도록 구성되는 것인, 예비 냉각 서브시스템;
    복수의 제 2 냉매 압축 스테이지들 및 적어도 하나의 액화 열 교환기를 가진 액화 서브시스템으로서, 상기 액화 서브시스템은 냉각된 탄화수소 유체 스트림을 생성하기 위해 제 2 냉매 스트림에 대한 간접적인 열 교환에 의해 상기 예비 냉각된 탄화수소 스트림을 적어도 부분적으로 액화시키도록 구성되는 것인, 액화 서브시스템;
    상기 예비 냉각 압축기 및 상기 복수의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지를 구동하는 제 1 구동기;
    상기 복수의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 나머지 제 2 냉매 압축 스테이지를 구동하는 제 2 구동기;
    상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 특성들을 독립적으로 변경함으로써 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건을 변경하기 위한 수단; 및
    상기 제 1 구동기의 제 1 전력 상태 및 상기 제 2 구동기의 제 2 전력 상태를 측정하도록, 그리고 상기 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 전력 요건, 상기 제 1 구동기의 제 1 전력 상태, 상기 제 2 구동기의 제 2 전력 상태, 및 상기 탄화수소 피드 스트림 및 상기 예비 냉각된 탄화수소 스트림의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 유량을 제어하도록 구성된 제어기
    를 포함하는, 시스템.
  15. 탄화수소 유체 액화 시스템을 동작시키는 방법에 있어서,
    a. 제 1 미리 결정된 범위 내의 온도를 가진 예비 냉각된 탄화수소 유체 스트림을 생성하기 위해, 예비 냉각 냉매 스트림과의 간접적인 열 교환에 의해 제 1 유량으로 공급되는 탄화수소 피드 스트림을 예비 냉각시키는 단계;
    b. 적어도 하나의 압축 스테이지를 가진 예비 냉각 압축기에서 상기 예비 냉각 냉매 스트림을 압축하는 단계;
    c. 제 2 미리 결정된 범위 내의 온도를 가진 냉각된 탄화수소 유체 스트림을 생성하기 위해, 제 2 냉매 스트림에 대한 간접적인 열 교환에 의해 상기 예비 냉각된 탄화수소 스트림을 추가로 냉각시키고 적어도 부분적으로 액화시키는 단계;
    d. 복수의 제 2 냉매 압축 스테이지들을 포함한 압축 시퀀스에서 상기 제 2 냉매 스트림을 압축하는 단계로서, 상기 복수의 제 2 냉매 압축 스테이지들은 제 1 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들 및 제 2 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들로 이루어지는, 상기 제 2 냉매 스트림을 압축하는 단계;
    e. 제 1 구동기로 상기 예비 냉각 압축기 및 상기 제 1 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들을 구동하는 단계;
    f. 제 2 구동기로 상기 제 2 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들을 구동하는 단계;
    g. 상기 제 1 구동기 및 제 2 구동기 사이에 제 1 전력 차이를 야기하는 제 1 전력 요건에서 상기 제 1 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지를 동작시키는 단계;
    h. 상기 제 1 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 특성들을 독립적으로 변경하여, 상기 제 1 세트의 제 2 냉매 압축 스테이지들 중 적어도 하나의 제 2 냉매 압축 스테이지의 압축 전력 요건을 조정하는 단계로서, 상기 조정은 상기 제 1 구동기 및 상기 제 2 구동기 사이에 제 2 전력 차이를 야기하고, 상기 제 2 전력 차이는 상기 제 1 전력 차이보다 작은 것인, 압축 전력 요건을 조정하는 단계; 및
    i. 상기 제 1 미리 결정된 범위 내에서 상기 예비 냉각된 탄화수소 유체 스트림의 온도 및 상기 제 2 미리 결정된 범위 내에서 상기 냉각된 탄화수소 유체 스트림의 온도를 유지하면서, 동시에 또는 단계(h)를 수행한 후, 상기 탄화수소 피드 스트림의 제 1 유량을 제 2 유량으로 증가시키는 단계를 포함하는, 탄화수소 유체 액화 시스템을 동작시키는 방법.
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