KR20100093074A - 탄화수소 스트림을 냉각 및 액화시키기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

탄화수소 스트림을 냉각 및 액화시키기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

탄화수소 냉각 프로세스에서 2 이상의 냉매 압축기를 구동하는 방법. 그러한 탄화수소 냉각 프로세스에서, 탄화수소 공급 스트림 (10) 은 일부 증발된 냉매 스트림에 대하여 통과될 수 있다. 적어도 일부 증발된 냉매 스트림 (35a, 37b) 은 냉매 압축기 (34, 36) 를 통해 압축된다. 1 이상의 가스 터빈 (54) 이 구동되어, 전력 (56) 및 고온 가스를 제공한다. 고온 가스 (57) 는 1 이상의 증기 열교환기 (58) 를 통해 통과되어, 증기 동력을 제공하고, 이 증기 동력은 1 이상의 증기 터빈 (82) 을 구동하는데 이용되어, 냉매 압축기 (34) 중 적어도 하나를 구동한다. 전력은 냉매 압축기 (36) 중 적어도 다른 하나를 구동하기 위해 (76) 이용된다.

Description

탄화수소 스트림을 냉각 및 액화시키기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR COOLING AND LIQUEFYING A HYDROCARBON STREAM}
본 발명은, 탄화수소 스트림을 냉각 및 액화시키기 위한 장치를 포함하는 플로팅 베슬 (floating vessel) 또는 해상 (off-shore) 플랫폼 (platform), 및 플로팅 베슬 또는 해상 플랫폼에서 행해지는 탄화수소 스트림의 냉각 및 액화 방법에 관한 것이다.
냉각 및/또는 액화되는 통상적인 탄화수소 스트림은 천연 가스를 포함하거나 또는 본질적으로 천연가스로 구성된다.
천연 가스 스트림을 액화시켜 액화된 천연 가스 (LNG) 를 획득하는 여러 방법이 공지되어 있다. 천연 가스 스트림을 액화시키는 것이 여러 이유로 바람직하다. 일례로, 천연 가스는, 더 작은 부피를 차지하고 고압으로 저장될 필요가 없기 때문에, 기체 형태보다 액체로서 먼 거리에 걸쳐 더 용이하게 저장 및 운송될 수 있다.
US 4,041,721 에는, 천연 가스 액화 능력을 갖는 베슬 (vessel) 이 개시되어 있다. 이는 각각이 개별 액화 구획 내에 배치되어 있는 다수의 자급형 (self-contained) 액화 조립체로 형성된다. 액화 조립체는 가스 터빈이 압축기의 바로 근처에 있는 압축기-드라이버 조립체를 포함한다. 따라서, 가스 터빈이 예컨대 냉매와 같은 탄화수소 인벤토리 (inventory) 근처에서 점화원 (ignition source) 을 형성한다.
본 발명은 중요한 탄화수소 인벤토리 부근에서 가스 터빈을 없애거나 또는 적어도 가스 터빈의 개수를 줄이려는 것이다.
본 발명은, 플로팅 베슬 또는 해상 플렛폼에서 탄화수소 스트림을 냉각 및 액화시키는 방법으로서, 적어도,
(a) 2 이상의 냉매 스트림에 대하여 탄화수소 공급 스트림을 통과시켜, 냉각되고 액화된 탄화수소 스트림, 및 2 이상의 적어도 일부 증발된 냉매 스트림을 제공하는 단계;
(b) 적어도 1 이상의 제 1 냉매 압축기를 통해, 적어도 일부 증발된 냉매 스트림 중 적어도 하나를 압축하는 단계;
(c) 적어도 1 이상의 제 2 냉매 압축기를 통해, 적어도 일부 증발된 냉매 스트림 중 적어도 다른 하나를 압축하는 단계;
(d) 1 이상의 가스 터빈을 구동하여, (ⅰ) 전력 및 (ⅱ) 고온 가스를 제공하는 단계;
(e) 단계 (d) 의 고온 가스 (ⅱ) 를 1 이상의 증기 열교환기에 통과시켜, 증기 동력 (steam power) 을 제공하는 단계;
(f) 상기 전력을 이용하여, 제 2 냉매 압축기 중 적어도 하나를 구동하는 단계; 및
(g) 1 이상의 증기 터빈을 구동하는데 상기 증기 동력을 이용하여, 제 1 냉매 압축기 중 적어도 하나를 구동하는 단계를 포함하고,
상기 방법은, 액화된 탄화수소용 1 이상의 저장 탱크 및/또는 냉매용 부품을 포함하는 플로팅 베슬 또는 해상 플랫폼에서 행해지고, 1 이상의 가스 터빈은 플로팅 베슬이나 해상 플랫폼 상에 또는 그 내부에서 제 1 및 제 2 냉매 압축기로부터 그리고 1 이상의 저장 탱크로부터 멀리 떨어져 위치되는 터빈-조립체 영역 내에서 구동되는, 탄화수소 스트림의 냉각 및 액화 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 플로팅 베슬 상에 또는 그 내부에서 탄화수소 스트림을 냉각 및 액화시키기 위한 장치를 포함하는 플로팅 베슬 또는 해상 플랫폼으로서, 상기 장치는
2 이상의 냉매 스트림에 대하여 탄화수소 공급 스트림을 통과시켜, 냉각되고 액화된 탄화수소 스트림, 및 2 이상의 적어도 일부 증발된 냉매 스트림을 제공하는 2 이상의 냉각 과정;
적어도 일부 증발된 냉매 스트림 중 적어도 하나를 압축하기 위한 1 이상의 제 1 냉매 압축기;
적어도 일부 증발된 냉매 스트림 중 적어도 다른 하나를 압축하기 위한 1 이상의 제 2 냉매 압축기;
(ⅰ) 제 2 냉매 압축기 중 적어도 하나를 구동하기 위한 전력, 및 (ⅱ) 고온 가스를 제공하기 위한 1 이상의 가스 터빈;
상기 고온 가스로부터 증기 동력을 제공하기 위한 1 이상의 증기 열교환기;
제 1 냉매 압축기 중 적어도 하나를 구동하기 위해 증기 동력에 의해 구동되는 1 이상의 증기 터빈;
액화된 탄화수소용 1 이상의 저장 탱크 및/또는 냉매용 부품을 포함하고,
상기 1 이상의 가스 터빈은 제 1 및 제 2 냉매 압축기로부터 그리고 1 이상의 저장 탱크로부터 멀리 떨어져 위치되는 터빈-조립체 영역 내에 위치되는, 플로팅 베슬 또는 해상 플랫폼을 제공한다.
이하에서, 단지 예로서 비제한적인 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다.
도 1 은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 탄화수소 냉각 프로세스의 제 1 구성도이다.
도 2 는, 탄화수소 냉각 프로세스의 강화된 구성도이다.
도 3 은, 도 1 및 도 2 와 설비되는 본 발명의 다양한 실시형태를 보여주는 더 상세한 구성도이다.
도 4 는, 본 발명의 다른 실시형태를 보여주는 개략적인 플로팅 베슬이다.
본 설명을 위해, 라인뿐만 아니라 그 라인에서 운반되는 스트림에 단일 도면부호가 부여될 것이다. 동일한 도면부호는 유사한 부품을 가리킨다.
도 1 은 탄화수소 냉각 프로세스를 위한 일반적인 구성도 (1) 로서, 일반적으로 천연 가스와 같은 탄화수소 스트림을 냉각시키는 것을 포함한다.
여기서 개시되는 방법 및 장치는 탄화수소 냉각 프로세스에서 2 이상의 냉매 압축기를 구동하기 위한 방법 및/또는 장치를 포함한다. 특히, 본 방법은, 적어도,
- 1 이상의 가스 터빈을 구동하여, (ⅰ) 전력 및 (ⅱ) 고온 가스를 제공하는 단계;
- 상기 고온 가스를 1 이상의 증기 열교환기에 통과시켜, 증기 동력을 제공하는 단계;
- 상기 전력을 이용하여, 냉매 압축기 중 적어도 하나를 구동하는 단계; 및
- 1 이상의 증기 터빈을 구동하는데 상기 증기 동력을 이용하여, 냉매 압축기 중 적어도 하나의 다른 냉매 압축기를 구동하는 단계를 포함한다.
이들 단계는, 해안 (on-shore) 플랜트에서 또는 해상의 플로팅 베슬이나 플랫폼에서, 탄화수소 스트림을 냉각 및 액화시키는 방법의 일부로서 행해질 수 있다. 그러나, 액화 탄화수소용 1 이상의 저장 탱크 및/또는 냉매용 부품을 포함하는 플로팅 베슬 또는 해상 플랫폼에서 행해지는 때, 본 방법에 따르면, 유리하게는, 플로팅 베슬 또는 해상 플랫폼상에 또는 그 내부에 그리고 제 1 및 제 2 냉매 압축기와 1 이상의 저장 탱크로부터 멀리 떨어져 위치되는 터빈-조립체 영역에서 1 이상의 가스 터빈을 구동할 수 있다.
이로써, 가스 터빈이 LNG 와 냉매와 같은, 압축기 및 저장 탱크 내에 존재하는 탄화수소 인벤토리의 바로 근처의 바깥에 위치될 수 있으므로, 프로세스가 현저히 더 안전해진다.
본 발명의 선택적인 이점은 프로세스에 요구되는 공간이 절약될 수 있다는 것이다.
더욱이, 여기서 개시되는 실시형태는 천연 가스와 같은 탄화수소 스트림을 냉각시키기 위한 향상된 방법 및 장치로서, 동력 요구조건에 있어 매우 큰 유연성을 갖는 방법 및 장치를 보여준다.
US 6,691,531 Bl 에는, 제 1 및 제 2 프로판 및 에틸렌 압축기에 동력을 공급하기 위해, 2 개의 제 1 및 제 2 가스 터빈 (그 문헌의 도 1 에서 도면부호 700 및 702) 을 이용하는 천연 가스 액화 시스템이 개시되어 있다. 가스 터빈에서 나오는 고온 배기 가스가 간접 열교환기 (802) 로 안내되고, 도관 (804) 에 흐르는 물/증기 스트림이 메탄 압축기에 동력을 공급하는 제 1 및 제 2 증기 터빈 (704, 706) 으로 안내된다. 이 시스템은 가스 터빈에서 나오는 고온 배기 가스를 이용함에도 불구하고, 다수의 프로판 및 에틸렌 압축기에 바로 근접해 있는 2 개의 가스 터빈을 여전히 갖고, 본 발명이 회피하려고 하는 고유의 안전 위험을 갖는다.
가스 터빈은 본 기술분야에서 공지되어 있으며, 개조형 (aeroderivative-type) 터빈을 포함한다. 그러한 가스 터빈은 공기 압축 시스템을 일반적으로 포함하고, 경질 탄화수소 가스, 통상적으로 메탄, 에탄, 프로판 등의 1 이상을 연료로서 공급받는다.
가스 터빈에 의해 생성되는 고온 가스로부터 증기 동력을 제공하기 위한 증기 열교환기도 또한 본 기술분야에서 잘 알려져 있다. 증기 열교환기는 고온 가스의 열에너지를 회수할 수 있고, 폐열 회수 유닛과 같은 임의의 종류나 형태의 증기 발생기 (steam creator) 를 포함한다.
본 발명의 방법의 단계 (a) 의 2 이상의 냉매 스트림은 개별 냉매 회로에 있거나, 또는 WO 96/33379 Al 기재된 것과 같은 단일 냉매 회로의 개별 분획 (fraction) 또는 부분일 수 있다.
제 1 및 제 2 냉매 압축기는 개별 냉매 회로에 있거나, 또는 위에서 언급한 단일 냉매 회로와 같은 동일한 냉매 회로에 있을 수 있다. 제 1 및 제 2 냉매 압축기가 동일한 회로에 있는 경우, 2 이상의 적어도 일부 증발된 스트림이 1 이상의 동일한 냉매 압축기를 통과할 수 있다.
본 발명은 2 이상의 냉각 과정을 포함할 수 있고, 여기서의 각 과정은 1 이상의 단계, 부분 등을 갖는다. 예컨대, 각 냉각 과정은 1 ∼ 5 개의 열교환기, 예컨대 2 또는 3 개의 열교환기를 포함할 수 있다. 각각의 열교환기는 관련된 냉매 압축기를 가질 수 있다. 선택적으로는, 각 냉각 과정은, 선택적으로 동일한 또는 개별 냉매 회로의 일부로서, 1 이상의 냉매 스트림 및 1 이상의 냉매 압축기를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 탄화수소 냉각 프로세스는 2 또는 3 개의 냉각 과정을 포함한다. 제 1 냉각 과정은 바람직하게는 탄화수소 공급 스트림의 온도를 0 ℃ 미만, 통상적으로 -20 ℃ ∼ -70 ℃ 로 낮추려는 것이다. 그러한 제 1 냉각 과정은 때때로 '예비냉각' 과정이라고 불린다.
제 2 냉각 과정은 바람직하게는 제 1 냉각 과정과 분리된다. 즉, 제 2 냉매 스트림의 냉매가 제 1 냉각 과정의 1 이상의 열교환기, 바람직하게는 제 1 냉각 과정의 모든 열교환기를 통과할 수는 있지만, 제 2 냉각 과정은 제 2 냉매 회로에서 순환하는 제 2 냉매를 이용하는 1 이상의 열교환기를 포함한다. 그러한 제 2 냉각 과정은 때때로 '메인 냉각' 과정이라고 불린다.
바람직하게는, 제 2 과정의 냉매 압축기의 적어도 하나가 극저온 냉매 압축기이고, 이 압축기는 가스 터빈(들)에 의해 제공되는 전력에 의해 구동되는 것이 더 바람직하다.
바람직하게는, 제 1 과정의 냉매 압축기의 적어도 하나가 예비냉각 냉매 압축기이고, 이 압축기는 (가스 터빈(들)에서 나오는 고온 가스로부터 제공되는 증기 동력에 의해 동력을 공급받는) 증기 터빈(들)에 의해 구동되는 것이 더 바람직하다. 2 이상의 제 1 냉매 압축기가 존재한다면, 모든 제 1 냉매 압축기가 예비냉각 냉매 압축기인 것이 바람직하다. 바람직하게는, 제 1 과정의 모든 냉매 압축기가 예비냉각 냉매 압축기이다.
따라서, 냉각 및 액화된 탄화수소 스트림 및 2 이상의 적어도 일부 증발된 냉매 스트림을 제공하기 위해, 단계 (a) 에서 2 이상의 냉매 스트림에 대한 탄화수소 공급 스트림의 통과는, 바람직하게는 제 1 냉각 과정 및 그 제 1 냉각 과정과는 분리된 제 2 냉각 과정을 포함하고, 제 1 냉각 과정에서는, 탄화수소 공급 스트림은 1 이상의 제 1 냉매 스트림에 대해 예비냉각되어, 냉각된 탄화수소 스트림, 및 증기 터빈(들)에 의해 구동되는 제 1 냉매 압축기(들)를 이용하여 압축되는 1 이상의 적어도 일부 증발된 제 1 냉매 스트림을 제공하며, 제 2 냉각 과정에서는, 냉각된 탄화수소 스트림의 온도가 1 이상의 제 2 냉매 스트림에 대해 낮아져서, 액화된 탄화수소 스트림, 및 전력에 의해 구동되는 제 2 냉매 압축기에 의해 압축되는 1 이상의 적어도 일부 증발된 제 2 냉매 스트림을 제공한다.
심지어 해상의 플로팅 베슬 또는 플랫폼이 아니라 해안 플랜트에 적용되는 때에도, 제 2 냉각 과정을 위한 전기 구동 압축기 및 제 1 냉각 과정을 위한 증기 구동 압축기의 이러한 이용은, 일반적으로 제 1 냉각 과정이 제 2 냉각 과정 전에 시작될 필요가 있고 전력을 생성하기 위해 가스 터빈이 완전히 시동되기 전에 보조 증기 생성 수단 (예컨대, 다수의 보일러) 을 이용하여 증기가 더 용이하게 제공되기 때문에, 제 2 압축기가 증기에 의해 구동되고 제 1 압축기가 전력에 의해 구동되는 프로세스에 비해, 프로세스의 더욱 용이하고 효과적인 시작을 촉진한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 특히 예외적인 또는 최고 수요의 경우 또는 유지나 다른 목적을 위한 가스 터빈이나 증기 터빈의 1 이상의 축소 또는 셧다운 (shut down) 이 존재하는 경우, 1 이상의 냉매 압축기에 구동력을 더 제공하기 위해, 증기 동력 또는 전력 또는 양자의 1 이상의 다른 공급기 (provider) 가 제공될 수 있다. 그러한 부가적인 다른 공급기로 인해, 가능한 한 오래동안 탄화수소 냉각 프로세스를 연속 작동시킬 수 있다.
본 발명은, 자립형 프로세스로서, 또는 1 이상의 전처리 프로세스, 후-액화 프로세스, 및/또는 1 이상의 저장 탱크를 필요로 하는 액화된 탄화수소 스트림의 저장을 포함하는 것과 같은 더 큰 프로세스나 플랜트의 일부로서, 탄화수소 냉각 프로세스를 위해 이용가능한 공간에 제한이 존재하는 경우에 특히 적합하다.
따라서, 본 발명은 플로팅 베슬, 해안 플랫폼 또는 케이슨 (caisson) 에 위치되기에 특히 적합하다. 플로팅 베슬은 일반적으로 적어도 선체 (hull) 를 갖는 임의의 가동 또는 영구히 정박된 베슬일 수 있고, 통상적으로 '유조선 (tanker)' 과 같은 배 (ship) 의 형태이다.
그러한 플로팅 베슬은 임의의 치수를 가질 수 있지만, 통상적으로 기다랗다. 플로팅 베슬의 치수는 바다에서 제한되지 않지만, 플로팅 베슬의 건조 (building) 및 유지 설비로 인해 그 치수가 제한될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시형태에서, 플로팅 베슬 또는 해상 플랫폼은, 기존 배-건조 및 유지 설비에 수용될 수 있도록, 길이 600 m 미만, 바람직하게는 길이 550 m 미만, 예컨대 500 m 이하이고, 100 m 미만, 일반적으로 85 m 의 빔을 갖는다.
해상 플랫폼도 또한 이동가능할 수 있지만, 일반적으로 플로팅 베슬보다 더 영구히 위치설정될 수 있다. 해상 플랫폼도 또한 떠 있을 수 있으며, 또한 임의의 적절한 치수를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 냉각 방법 및/또는 탄화수소 냉각 프로세스는 액화 천연 가스와 같은 액화된 탄화수소 스트림을 제공하는 액화 프로세스이거나 액화 프로세스의 일부이다. 바람직하게는, 액화된 탄화수소 스트림은 1 이상의 저장 탱크에 저장되며, 이 저장 탱크는 임의의 플로팅 베슬 또는 해상 플랫폼상에 또는 그 안에 위치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 또는 각각의 가스 터빈이 제 1 및 제 2 냉매 압축기로부터 적어도 50 m, 바람직하게는 적어도 100 m 에 위치된다. 본 발명에서 사용되는 가스 터빈(들)을 냉매 압축기로부터 적어도 50 m, 바람직하게는 적어도 100 m 에 위치시킴으로써, 가스 터빈(들)과 관련한 임의의 바람직하지 않은 작용이나 상황이 냉매 압축기, 및 프로세스 인벤토리의 임의의 다른 관련 부분 (어큐뮬레이터, 베슬, 스토어 (store) 등과 같은 일반적으로 탄화수소 내용물을 갖는 임의의 유닛, 장비, 장치임) 으로부터 적어도 어느 정도의 거리에 있게 된다.
특히, 플로팅 베슬 또는 해상 플랫폼에서와 같이 공간 제한이 존재하지 않는 통상적인 경우보다 서로 더 가까이 위치될 필요가 있는 경우 가스 터빈(들)과 냉매 압축기 사이에 거리를 유지하는 것이 바람직하다. 플로팅 LNG 플랜트의 레이아웃의 안전 드라이버가 2003 AIChE Spring National Meeting: LNG & Gas Transportation Sessions 에 제출된 동일한 이름의 논문에서 논의되고 있다.
본 발명은 바람직하게는 한 해에 1 ∼ 10 백만 (계량) 톤 (MTPA, millions tonnes per annum) 의 액화된 탄화수소 스트림의 공칭 능력 (nominal capacity) (또는 명판) 을 제공한다. 용어 "규격 용량" 은 1년 중 플랜트 가동일 수 곱하기 플랜트의 1일 생산 능력으로 규정된다. 예컨대, 몇몇의 LNG 플랜트는 1년 중 평균 345 일 동안 가동된다. 바람직하게는, 본 발명의 탄화수소 냉각 프로세스의 공칭 능력은 3.5 ∼ 7 MTPA 이다.
탄화수소 공급 스트림은 냉각, 바람직하게는 액화되는 임의의 적절한 가스 스트림일 수 있지만, 통상적으로 천연 가스 또는 석유 저장소 (reservoir) 로부터 획득되는 천연 가스 스트림이다. 대안적으로, 천연 가스 스트림은 Fischer-Tropsch 프로세스와 같은 합성 근원을 포함하는 다른 근원으로부터 획득될 수도 있다.
통상적으로 천연 가스 스트림은 실질적으로 메탄으로 구성된다. 바람직하게는, 탄화수소 공급 스트림은 적어도 50 몰% 메탄, 더 바람직하게는 적어도 80 몰% 메탄을 포함한다.
근원에 따라서, 천연 가스는 메탄보다 더 무거운 탄화수소, 예컨대 에탄, 프로판, 부탄 및 펜탄뿐만 아니라 일부 방향족 탄화수소를 다양한 양으로 포함할 수 있다. 조성은 가스의 종류와 위치에 따라 변한다. 일반적으로 메탄보다 더 무거운 탄화수소는, 메탄 액화 플랜트의 부품을 막히게 할 수 있는 곤란한 동결 또는 액화 온도를 갖는 등 여러 이유로 인해 천연 가스로부터 제거될 필요가 있다. C2-4 탄화수소는 천연 가스 액체의 근원으로서 이용될 수 있다.
또한, 천연 가스 스트림은 H2O, N2, CO2, Hg, H2S 및 다른 황 화합물과 같은 비탄화수소 (non-hydrocarbon) 을 포함할 수 있다.
원한다면, 천연 가스를 포함하는 탄화수소 공급 스트림은, 탄화수소 냉각 프로세스의 일부로서 또는 개별적으로, 사용 전에 전처리될 수 있다. 이 전처리는 CO2 및 H2S 와 같은 비탄화수소의 감소 및/또는 제거, 또는 조기 냉각, 예비가압 (pre-pressurizing) 과 같은 다른 단계를 포함할 수 있다. 이러한 단계는 본 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있으므로, 그 메커니즘에 대해서는 여기서 더 논의하지 않는다.
따라서, 용어 "공급 스트림" 은 세척, 탈수 및/또는 스크러빙 (scrubbing) 을 포함하는 임의의 처리 전의 조성물뿐만 아니라, 1 이상의 화합물 또는 물질 (황, 황 화합물, 이산화탄소, 물 및 C2+ 탄화수소를 포함하지만, 이들로 제한되지 않음) 의 감소 및/또는 제거를 위해 부분적으로, 실질적으로 또는 완전히 처리된 임의의 조성물을 또한 포함한다.
바람직하게는, 본 발명에서 사용되는 탄화수소 공급 스트림은 탄화수소 스트림을 실질적으로 액화시키는데 요구되는 적어도 최소한의 전처리를 거친다. 천연 가스를 액화시키기 위한 그러한 요구는 본 기술분야에서 공지되어 있다.
임의의 전처리가 본 발명의 방법 근처나 다음으로 행해지거나 또는 그로부터 멀리 떨어져서 행해질 수 있다. 그로부터 멀리 떨어져서라는 것은 해안/해상 분리 또는 2 개의 상이한 해상 위치를 포함한다.
본 발명에서 이용되는 각 냉매 스트림은 프로판 또는 질소와 같은 단일 성분으로 형성되거나, 또는 질소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 펜탄 등을 포함하는 군에서 선택되는 2 이상의 성분의 혼합물로부터 형성되는 혼합 냉매일 수 있다.
탄화수소 냉각 프로세스의 임의의 부분의 다른 과정, 구역 또는 단계는 본 기술분야의 당업자에게 공지된 방식으로 동일한 또는 다른 종류의 냉매를 포함할 수 있고, 그러므로 이로 인해 본 발명이 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제 1 냉매 및 제 2 냉매의 적어도 하나는 혼합 냉매이다. 제 1 및 제 2 냉매 모두가 선택적으로 다른 혼합물 비 및/또는 조성을 포함하는 혼합 냉매인 것이 바람직하다.
용어 "냉매 압축기" 는 냉매 스트림의 압력을 증가시킬 수 있는 임의의 유닛, 장치 또는 기구를 포함한다. 이는 단일 압축 프로세스 또는 단계를 갖는 냉매 압축기, 또는 다단 압축 또는 단계를 갖는 냉매 압축기, 더 구체적으로는 단일 케이싱 또는 셸 (shell) 내의 다단 냉매 압축기를 포함한다. 압축되는 증발된 냉매 스트림이 다른 압력에서 냉매 압축기에 제공될 수 있다. 탄화수소 냉각 프로세스의 몇몇의 과정 또는 단계는 병렬, 직렬 또는 쌍방의 2 이상의 냉매 압축기를 포함할 수 있다. 본 발명은, 특히 임의의 냉매 회로에서의 냉매 압축기 또는 냉매 압축기들의 종류 또는 배치 또는 레이아웃에 의해 제한되지 않는다.
임의의 전처리 전 또는 임의의 주된 냉각 과정 전 또는 쌍방의 탄화수소 공급 스트림을 포함하는 것이 또한 바람직할 수 있다. 냉매 압축기 이외의 압축기가 전술한 1 이상의 전처리 프로세스 또는 단계의 일부로서 통상적으로 사용된다.
따라서, 본 발명은, 1 이상의 다른 압축기를 구동하기 위해, 특히 그러한 다른 압축기가 탄화수소 냉각 프로세스의 일부인 경우, 1 이상의 가스 터빈으로부터 유래하는 전력 또는 증기 동력 또는 전력과 증기 동력의 이용까지 확장된다. 탄화수소 냉각 프로세스는 냉매 스트림 중 적어도 하나에 대해 탄화수소 스트림을 통과시키기 전에 냉각되는 가스 스트림의 임의의 처리까지 확장될 수 있다. 이는 전술한 것처럼 비탄화수소의 감소 및/또는 제거를 포함하며, 특히 산성 가스 제거 유닛을 포함한다. 임의의 주된 냉각 과정 또는 단계 전에 메탄보다 더 무거운 탄화수소의 감소 및/또는 제거를 또한 포함한다.
그리고, 냉매 압축기 이외의 1 이상의 압축기는, 예컨대 저장 탱크로부터의 보일오프 (boil-off) 가스의 압축, 엔드플래시 (end-flash) 용기로부터의 임의의 엔드플래시 가스의 압축, 또는 메탄, 질소 등과 같은 가스의 임의의 다른 후-냉각 (post-cooling) 압축 또는 재압축을 위해, 냉각된 탄화수소 스트림을 이용하는 1 이상의 단계에서 이용될 수 있다.
따라서, 그러한 다른 압축기의 1 이상은 메탄이 풍부한 (methane-rich) 가스로 제한되지 않는 임의의 가스 또는 가스들의 조합을 포함할 수 있다. 그러한 가스는 질소, 이산화탄소 등을 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 증기 동력은 그러한 다른 압축기의 1 이상, 바람직하게는 50 % 초과, 선택적으로는 전부를 위해 이용된다. 냉각 및/또는 액화 프로세스 또는 플랜트에서, 그러한 다른 압축기는 일반적으로 다양한 압축기 크기를 갖고, 따라서 다양한 동력-요건을 가지며, 증기 동력은 압축기의 크기 또는 동력-요건에 무관하게 효과적이라는 이점을 갖는다.
도면을 참조해보면, 도 1 에서는, 탄화수소 공급 스트림 (10) 이, 제 1 냉매 회로 (35) 에서 순환되는 제 1 냉매 스트림 (35) 을 이용하는 제 1 냉각 과정 (12) 을 통과하여, 냉각된 탄화수소 스트림 (20) 이 얻어지는 것을 볼 수 있다.
도 1 에 나타낸 구성도에서, 제 1 냉매 스트림 (35) 은 바람직하게는 질소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 펜탄 등의 2 이상을 포함하는 임의의 적절한 성분 또는 성분들의 혼합물일 수 있다.
제 1 냉각 과정 (12) 은 탄화수소 공급 스트림 (10) 이 통과하는 병렬, 직렬 또는 쌍방의 1 이상의 열교환기를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 제 1 냉각 과정 (12) 은, 일반적으로 제 1 냉각 과정 프로세스의 종류에 따라, 공급 스트림 (10) 을 바람직하게는 0 ℃ 미만, 예컨대 -20 ℃ ∼ -70 ℃, 더 바람직하게는 -20 ℃ ∼ -45 ℃ 또는 -40 ℃ ∼ -70 ℃ 로 냉각시킨다.
적어도 일부 (통상적으로 완전히) 증발된 제 1 냉매 스트림 (35a) 은, 재이용을 위한 준비에서, 제 1 냉각 과정 (12) 으로부터 1 이상의 제 1 냉매 압축기 (34), 1 이상의 제 1 주변 냉각기 (ambient cooler) (42a), 예컨대 물 및/또는 공기 냉각기, 그리고 1 이상의 제 1 팽창 밸브 (44a) 를 통과한다.
그리고, 제 1 냉각 과정 (12) 으로부터의 냉각된 탄화수소 스트림 (20) 은 제 2 냉매 회로 (37) 에서 순환하는 제 2 냉매 스트림 (37), 바람직하게는 전술한 것처럼 혼합 냉매를 이용하는 제 2 냉각 과정 (14) 으로 보내진다.
냉각된 탄화수소 스트림 (20), 및 제 2 냉각 과정 (14) 에서의 제 2 냉매 회로 (37) 에 대한 다양한 배치가 존재할 수 있다. 그러한 배치는 본 기술분야에서 공지되어 있다. 그러한 배치는, 선택적으로는 메인 극저온 열교환기와 같은 하나의 베슬 내에 그리고 선택적으로는 다른 압력 레벨에서 1 이상의 단계를 포함할 수 있다.
제 2 냉각 과정 (14) 은 냉각된 탄화수소 스트림 (20) 의 온도를 낮춰서, 약 -130 ℃ 또는 그 미만의 온도의 LNG 와 같은 액화된 탄화수소 스트림 (30) 을 제공할 수 있다.
도 1 에 나타낸 단순화된 형태에 있어서, 제 2 냉매 회로 (37) 에서, 증발된 제 2 냉매 출구 스트림 (37a) 은, 재이용을 위한 준비에서, 1 이상의 제 2 냉매 압축기 (36), 1 이상의 제 2 주변 냉각기 (42b), 예컨대 물 및/또는 공기 냉각기, 그리고 1 이상의 제 2 팽창 밸브 (44b) 를 통과하게 된다. 선택적으로는, 제 2 냉매 냉매 스트림 (37) 은 도 1 에 나타낸 바와 같이 제 1 냉각 과정 (12) 을 통과함으로써 적어도 부분적으로 냉각된다.
도 1 은 제 1 및 제 2 냉매 압축기 (34, 36) 를 구동하는 방법을 보여준다.
도 1 에는, 탄화수소 냉각 프로세스와는 별도로 위치된 1 이상의 가스 터빈 (54) 이 존재한다. 1 이상의 가스 터빈 (54) 은 본 기술분야에서 공지된 방식으로 제 1 발전기 (56) 를 통해 전력을 제공한다. 더욱이, 1 이상의 가스 터빈 (54) 으로부터의 고온 가스는, 본 기술분야에서 공지된 방식으로 그로부터 열을 회수하기 위해, 연료 라인 (57) 을 거쳐 1 이상의 증기 열교환기 (58) 를 통과한다. 물 라인 (59) 을 통해 증기 열교환기 (58) 에 물이 제공되어, 저온 연도 가스 (61) 및 증기 스트림 (72) 이 제공되며, 이 증기 스트림은 본 기술분야에서 공지된 방식으로 1 이상의 증기 터빈을 구동하는 증기 동력을 갖는다.
도 1 에 나타낸 구성도에 있어서, 제 1 발전기 (56) 로부터의 전력은 제 2 냉매 압축기 (36) 를 구동하는 제 1 전동기 (76) 에 동력을 공급하기 위해 동력 라인 (74) 을 통해 전달된다.
증기 라인 (72) 의 증기 동력은 제 1 증기 터빈 (82) 에 전달되어, 제 1 냉매 압축기 (34) 를 직접 구동하는데 이용된다. 이를 위해, 증기 터빈 (82) 은 냉매 압축기 (34) 에 기계적으로, 예컨대 샤프트 (85) 를 통해 커플링된다.
본 발명의 일 이점은, 전력을 이용하여 제 1 냉매 압축기(들)를 구동하고 가스 터빈(들)로부터의 고온 가스로부터 증기 동력을 이용하는 증기 터빈에 의해 제 2 냉매 압축기(들)를 구동함으로써, 냉매 압축기를 위한 동력 요건의 전달에 있어 유연성이 증가된다는 것이다.
본 발명의 다른 이점은, 전력을 동력으로 공급받는 모든 장비의 이용에 의존하는 것을 회피함으로써, 어느 정도 공간이 절약되어, 본 발명을 이용하는 프로세스 또는 플랜트가 더 공간효율적으로 배치 또는 설계될 수 있다는 것이다.
본 발명의 또다른 이점은, 제한된 공간 또는 장소, 예컨대 해상에서 본 발명을 이용하는 프로세스 또는 플랜트에 있어서 안전성을 증가시키고 위험 인자를 감소시킨다는 것이다.
증기 터빈 (82) 은 임의의 적절한 종류일 수 있다. 예컨대, 플랜트에서 또는 플랜트 주위에서 프로세스 내 또는 주위 다른 곳에서 열 요건 (heat requirement) 를 충족시키도록 이용될 수 있는 저압 증기 스트림을 일반적으로 생성하는 배압 (back pressure) 증기 터빈일 수 있다.
그러나, 대안적으로, 콘덴싱 (condensing) 증기 터빈이 채용될 수 있다. 예컨대 저압 증기 대신에 핫오일 (hot oil) 을 채용함으로써, 플랜트의 열 요건이 적어도 일부 충족될 수 있다. 콘덴싱 증기 터빈의 이용의 일 이점은 콘덴싱 증기 터빈에서의 비 (specific) 동력 생성이 비교적 높다는 것이다. 일반적으로 배압 증기 터빈의 2 배일 수 있다. 따라서, 기계적 및/또는 전기적 동력의 동일한 출력을 제공하는데 더 적은 증기가 요구된다. 이는, 예컨대 담수화 설비에 의해 처리된 해수로부터 증기가 생성되는 해상 및/또는 플로팅 프로세스 플랜트에서와 같이 담수가 부족한 경우에 특히 유리하다. 따라서, 콘덴싱 증기 터빈에 의해, 더 작은 담수화 설비가 허용되고, 이로써 공간 및 자본 지출이 절감된다.
또한, 증기 터빈 (82) 을 구동한 후 증기 터빈 (82) 으로부터 배출된 증기 및/또는 물로부터 생성되는 물의 적어도 일부를 재활용함으로써, 증기를 생성하기 위한 물의 필요가 감소될 수 있다.
도 2 는, 일반적으로 천연 가스와 같은 탄화수소 스트림을 냉각시키는 것을 포함하는 탄화수소 냉각 프로세스를 위한 강화된 구성도 (2) 를 보여준다.
탄화수소 냉각 프로세스의 일부로서, 그리고 처리되는 스트림의 임의의 주된 냉각 전에, 천연 가스를 포함하는 초기 탄화수소 스트림은 전처리되어, 산성 가스를 포함 (산성 가스로 국한되지 않음) 하여 적어도 몇몇의 무거운 탄화수소 및 비탄화수소 불순물, 예컨대 이산화탄소, 물, 수은, 황과 황 화합물을 분리할 수 있다.
예컨대, 도 2 는, 본 기술분야에서 공지된 방식으로 웰 또는 웰헤드 (well-head) 로부터 파이프라인에 의해 공급되는 초기 탄화수소 스트림 (5) 이, 먼저 유닛 (6) 에서 입구 분리를 거치고, 선택적으로 공급 압축기 (13) 를 통해 압축을 거친 후, 산성가스 제거 유닛 (AGRU) (11) 을 통해 불순물의 감소 및/또는 제거를 거쳐, 감소된 불순물의 스트림 (90) 을 제공하는 것을 보여준다. AGRU (11) 로부터의 다른 스트림, 예컨대 CO2 는 라인 (115) 을 따라 전달되고, 제 2 압축기 (32) 에 의해 압축되어, 예컨대 압축된 CO2 스트림 (120) 을 제공할 수 있다.
그리고, 감소된 불순물의 스트림 (90) 은 1 이상의 분리기, 통상적으로 1 이상의 NGL 분류기 (26) 를 통해 NGL-추출을 거쳐, 메탄이 풍부한 공급 스트림 (100) 을 제공한다. 또한, 메탄이 풍부한 스트림 (100) 은, 이후 냉각 프로세스를 위해 탄화수소 공급 스트림 (10) 의 압력을 높이는 것이 바람직하거나 필요하다면, 다른 압축기 (28) 를 통해 압축을 거칠 수 있다. NGL 스트림(들)으로부터 회수되는 임의의 잔류 메탄은 라인 (110) 을 따라 전달될 수 있고, 공급 스트림 (10) 의 일부로서 주된 냉각 프로세스로의 재도입을 위해, 다른 제 2 압축기 (33) 에 의해 압축될 수 있다.
그렇게 형성된 탄화수소 공급 스트림 (10) 은 전술한 것처럼 제 1 냉매 회로 (35) 에서 순환되는 제 1 냉매 스트림 (35) 을 이용하는 제 1 냉각 과정 (12) 을 통해 전달된다. 도 2 는 제 1 냉매 회로 (35) 에서의 2 개의 제 1 냉매 압축기 (34a, 34b) 의 이용의 일례를 보여준다. 도 2 를 단순화하게 하기 위해, 제 1 냉매 회로 (35) 의 다른 부품은 도시하지 않았다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제 1 냉각 과정 (12) 의 각각의 열교환기는 다른 제 1 냉매 압력을 포함한다. 각 압력 과정으로부터의 팽창된 냉매는 1 이상의 제 1 냉매 압축기에서, 예컨대 다른 냉매 입구 압력에 대해 다른 냉매 압축기를 이용하여, 압축될 수 있다.
그리고, 제 1 냉각 과정 (12) 으로부터의 냉각된 탄화수소 스트림 (20) 은, 전술한 것처럼 제 2 냉매 회로 (37) 에서 순환하는 제 2 냉매 스트림 (37), 바람직하게는 전술한 것처럼 혼합 냉매를 이용하는 제 2 냉각 과정 (14) 으로 보내진다. 제 2 냉매 회로 (37) 에서, 증발된 제 2 냉매 출구 스트림 (37a) 은 예컨대 2 개의 제 2 냉매 압축기 (36a, 36b) 를 통과하고, 제 2 냉매 스트림 (37) 은 제 1 냉각 과정 (12) 에 의해 적어도 일부 냉각된다.
선택적으로는 전술한 것처럼 탄화수소 스트림을 액화하기 위한 방법 및/또는 장치의 다른 부분과 연결되어, 제 1 및 제 2 냉각 과정에 의한 냉각 외에, 탄화수소 공급 스트림, 냉각 및/또는 액화된 탄화수소 스트림 및/또는 냉매 스트림의 부가적인 냉각이 1 이상의 다른 냉매, 또는 냉매 사이클에 의해 제공될 수 있다.
그리고, 예컨대, 액화된 스트림 (30) 은 제 3 냉각 과정 (16) (점선으로 나타냄), 바람직하게는 과냉 (sub-cooling) 을 거쳐, 선택적으로 과냉된 스트림 (40) 을 제공할 수 있다. 과냉은, 액화된 스트림 (30) 을, 1 이상의 과냉 열교환기를 이용하는 1 이상의 단계에 통과시킴으로써, 제공될 수 있다. 과냉의 상기 또는 각각의 열교환기에, 바람직하게는, 다른 냉매 압축기 (38) 에 의해 압축된 제 3 냉매에 의한 냉각이 공급된다.
또한, 본 기술분야의 당업자는, 액화 후, 원한다면 액화된 천연 가스를 더 처리할 수 있음을 용이하게 이해할 것이다. 일례로, 획득된 LNG 는 Joule-Thomson 밸브에 의해 또는 극저온 터보 익스팬더에 의해 감압될 수 있다.
예컨대, 도 2 의 구성도 (2) 는, 선택적으로 과냉된 스트림 (40) 이 최종 가스/액체 분리기, 예컨대 엔드플래시 용기 (18) 내로 전달되어, 메탄이 풍부한 액체 저부 스트림 (50) (저장 탱크 (22) 로 전달될 수 있음) 및 오버헤드 가스 스트림 (60) 이 제공됨을 보여준다. 또한, 저장 탱크 (22) 로부터의 임의의 보일오프 가스 (70) 가 엔드플래시 용기 (18) 에 부가될 수 있다. 오버헤드 가스 스트림 (60) 은, 본 기술분야에서 공지된 방식으로, 다른 압축기 (24) 에 의해 압축되어, 연료 스트림, 생성물 스트림 등으로서 사용되기 위한 스트림 (80) 을 생성할 수 있다.
도 2 의 구성도 (2) 는, 제 1 냉매 압축기 (34a, 34b) 및 제 2 냉매 압축기 (36a, 36b) 뿐만 아니라, 선택적으로 다른 냉매 압축기, 예컨대 과냉 냉매 압축기 (38), 및 선택적으로 다른 비냉매 압축기, 예컨대 위에서 논의한 압축기 (13, 24, 28, 32, 33) 를 포함하고 있다.
본 발명은 탄화수소 스트림을 냉각시키는 방법, 탄화수소 냉각 프로세스, 또는 전처리 및 후액화 처리 (여기서 논의되지 않음) 를 포함하는 임의의 관련 프로세스에 수반, 관련 또는 연관될 수 있는 임의의 다른 압축기의 포함까지 확장된다.
도 3 은, 본 발명의 다른 실시형태뿐만 아니라, 도 1 및 도 2 에 나타낸 구성도 (1, 2) 의 냉매 압축기 (34, 36) 를 구동하는 방법에 대한 세부내용을 보여준다.
도 3 에 있어서, 터빈-조립체 영역 (52) 내에 위치된 1 이상의 가스 터빈 (54) 이 존재하고, 터빈-조립체 영역은 바람직하게는 도 1 및 도 2 에 나타낸 것과 같은 탄화수소 냉각 프로세스와는 분리되어 있다. 터빈 조립체 영역 (52) 에 있어서, 1 이상의 가스 터빈 (54) 에는 공기 입구 (53) 로부터 공기가 제공될 수 있다. 공기는 먼저 압축되고, 연료, 예컨대 메탄 또는 다른 경질 탄화수소 가스와 혼합된 후, 점화된다.
1 이상의 가스 터빈 (54) 은 본 기술분야에서 공지된 방식으로 제 1 발전기 (56) 를 통해 전력을 제공한다. 더욱이, 1 이상의 가스 터빈 (54) 으로부터의 고온 가스는, 연도 라인 (57) (선택적으로는 연료 라인 (57a) 에 의해 추가 연료 가스로 풍부하게 될 수 있음) 을 통해, 본 기술분야에서 공지된 방식으로 증기 열교환기 (58) 로 전달된다. 물 라인 (59) 을 통해 물, 통상적으로는 고압의 물이 증기 열교환기 (58) 내로 제공되어, 저온 연도 가스 (61) 및 통상적으로 고압인 증기 스트림 (72) 을 제공하며, 여기서의 증기 스트림은 본 기술분야에서 공지된 방식으로 1 이상의 증기 터빈을 구동하는 증기 동력을 갖는다.
도 3 에 나타낸 배치에서, 발전기 (56) 로부터의 전력이 동력 라인 (74) 을 통해 1 이상의 전동기에 공급되어, 적어도 1 이상의 냉매 압축기를 구동한다. 예컨대, 도 3 은, 도 2 에 나타낸 제 2 냉매 압축기 (36a, 36b) 의 일방 또는 쌍방과 같은 제 2 냉매 압축기 (36) 를 구동하는 제 1 전동기 (76) 까지 연장된 라인 (74) 을 보여준다. 라인 (74) 에서의 전력은, 특히 플로팅 베슬이나 해상 플랫폼과 같은 원격 또는 자족형 (self-sufficient) 위치 또는 환경에서, 예컨대 펌프, 팬 및 다른 전기적 서비스에 동력을 공급하기 위해, 1 이상의 다른 전동기 (78) 또는 다른 전기 장치를 구동하는데 이용될 수 있다.
증기 라인 (72) 의 증기 동력은, 도 2 에 나타낸 2 개의 제 1 냉매 압축기 (34a, 34b) 와 같은 적어도 제 1 냉매 압축기 (34) 를 구동하는데 이용되는 적어도 제 1 증기 터빈 (82) 에 전달된다. 증기 라인 (72) 의 증기 동력의 일부는, 도 2 에 나타낸 1 이상의 압축기 (13, 24, 28, 32, 33, 38) 와 같은 1 이상의 다른 압축기를 구동하기 위해, 제 2 증기 터빈 (84) 처럼 도 3 에 나타낸 1 이상의 다른 증기 터빈으로 보내질 수 있다. 또한, 증기 라인 (72) 의 증기 동력의 일부는, 예컨대 제 2 발전기 (88) 를 구동하여 라인 (89) 에 의해 전력 라인 (74) 에 공급될 수 있는 전력을 제공하기 위해, 도 3 에서 제 3 증기 터빈 (86) 으로 나타낸 1 이상의 다른 증기 터빈으로 보내질 수 있다.
제 2 발전기 (88) 는 본 발명에서 전력의 다른 공급기의 일례이다.
또한, 도 3 에는, 연료 라인 (64) 으로부터의 연료 가스를 이용하여, 라인 (72) 의 증기 동력과 조합되는 부가적인 증기 동력을 위한 증기를 제공할 수 있는 개별 보일러 (62) 가 도시되어 있다.
따라서, 본 발명은 1 이상의 가스 터빈 (54) 을 보조하기 위한 증기 동력 또는 전력 또는 쌍방의 1 이상의 다른 공급기의 이용을 제공한다.
또한, 도 3 의 보일러 (62) 와 같은 1 이상의 개별 보일러로부터의 부가적인 증기 동력의 이용은, 예비냉각, 특히 제 1 냉매 압축기 (34a, 34b) 를 위한 도움이 먼저 요구되는 경우, 탄화수소 냉각 프로세스의 시동을 보조한다.
본 발명은 탄화수소 냉각 프로세스 및 선택적으로는 초기 탄화수소 스트림 및/또는 액화된 생성물 스트림의 처리의 다른 포괄적인 또는 개별적인 부분에서의 전력 및 증기 동력 쌍방의 이용에서 유연성을 제공한다. 이런 식으로, 다양한 가스 터빈, 증기 터빈 및 발전기의 크기, 디자인 및 인터유스 (inter-use) 가 탄화수소 냉각 프로세스 및 부가적인 프로세스, 단계 또는 과정의 요건을 제공하기 위해 가장 효과적인 방식으로 이용될 수 있다. 본 발명은 동력의 어느 근원이 어느 냉매 압축기 또는 압축기들을 구동하는지에 의해 제한되지 않는다.
도 2 에 나타낸 것과 같은 다른 압축기는, 통상적으로 더 큰 냉매 압축기의 요건을 1 이상의 가스 터빈 (54) 의 동력 출력과 균형잡음으로써, 용이하게 동력을 공급받을 수 있다. 통상적으로, 1 이상의 가스 터빈 (54) 으로부터 에너지를 최대로 활용하기 위해 (그렇지 않다면 에너지는 버려지게 됨), 그로부터의 열 (heat) 로부터 제공되는 증기 동력을 가능한 한 많이 또는 전부 이용하는 것이 바람직하다.
이런 식으로, 본 발명은 플로팅 베슬 또는 해안 플랫폼에서와 같이 공간이 제한된 플랜트 또는 프로세스에서 그러한 유연성이 요구되는 경우에 특히 적합하다. 예컨대, 플로팅 LNG 베슬은 탄화수소 냉각 프로세스를 위한 제한된 공간을 갖고, 불순물 및/또는 무거운 탄화수소 생성 및 제거 과정과 같은 부가적인 처리가 존재하는 경우 훨씬 더 제한된 공간을 갖는다. 공간이 제한된 상황에서 매우 세심한 디자인이 요구된다는 것은 본 기술분야에서 알려져 있으며, 본 발명은, 1 이상의 가스 터빈으로부터 이용가능한 동력의 이용에서의 증가된 유연성과 함께, 1 이상의 가스 터빈 (54) 의 원격 위치에 의해 증가된 안전성을 제공한다.
도 4 는, 전술한 것처럼 적어도 제 1 냉각 과정 (12) 및 제 2 냉각 과정 (14) 을 포함하는 액화 플랜트 (2a) 가 존재하는 플로팅 베슬 (7) 의 일례를 보여준다. 1 이상의 가스 터빈이 액화 프로세스로부터 멀리, 바람직하게는 적어도 50 m 또는 바람직하게는 적어도 100 m 의 거리만큼 떨어져 위치되는 터빈-조립체 영역 (52) 내에 위치된다. 탄화수소 공급 스트림 (10) 은 제 1 및 제 2 냉각 과정 (12, 14) 에 의해 냉각되어, 저장 탱크 (22) 내로 전달되는 액화된 탄화수소 스트림 (50) 을 (직접 또는 더 처리된 후) 제공한다. LPG 와 같은 생성물 스트림의 저장 또는 액화 프로세스에서 요구되는 성분, 예컨대 냉매 프로세스의 냉매를 위한 성분의 저장을 위해, 프로판과 같은 다른 성분을 저장하기 위한 다른 탱크 (23) 가 플로팅 베슬 (7) 에 제공될 수도 있다. 터빈-조립체 영역 (52) 과 그러한 1 이상의 저장 탱크 (22, 23) 사이에 거리를 갖는 것이 또한 바람직하다.
도 4 에 나타낸 배치는 본 발명의 다른 이점을 보여준다. 본 발명은, 탄화수소 냉각 프로세스를 위한 동력 발생 (일반적으로 1 이상의 가스 터빈임) 을, 동력의 주된 이용 (일반적으로 냉매 압축기이고, 이 냉매 압축기는 일반적으로 요구되는 사용 근처 또는 옆에 위치됨), 특히 다른 유닛 또는 탄화수소보다 더 큰 위험 인자를 갖는 것으로 알려진 유닛 또는 탄화수소, 예컨대 프로판으로부터, 바람직하게는 디자인 제약 내에서 가능한 한 멀리 분리시킴으로써, 안전성을 증가시키고 위험 인자를 줄일 수 있다. 이는 특히 해상 플랫폼 또는 플로팅 베슬에서와 같이 공간 제약 또는 제한이 존재하는 경우에 그러하다.
US 7,114,351 B2 에는, 전력을 공급받는 모든 장비를 이용하여 천연 가스를 액화하기 위한 시스템이 기재되어 있다. 이 문헌에 따르면, 액화 프로세스의 작동을 위해 충분한 전력을 생성하는데 상기 시스템 및 방법이 효과적이다.
그러나, 액화 프로세스의 모든 작동을 위한 전력의 이용에는, 매우 많은 개수의 관련 변압기, 스위치 기어 및 다른 전기 유닛과 장치가 요구되며, 이들 모두는 매우 큰 공간을 필요로 한다. 따라서, US 7,114,351 의 시스템 및 방법은 공간이 제한된 프로세스 및 작동에 적합하지 않다. 더욱이, US 7,114,351 의 시스템은 전력을 공급받는 장비만의 이용으로 제한되고, 다른 동력을 공급받는 장비의 이용에 대한 유연성이 없다.
표 1 은, 도 1 에 나타낸 것과 같은 탄화수소 냉각 프로세스에 동력을 공급하기 위한 3 개의 다른 시스템에 대한 상대 비교 데이터를 보여준다. 표 1 의 데이터는, 탄화수소 공급 가스에 대한 동일한 발열량 (Heating Value)을 냉각시키기 위해 그리고 각 시스템에 의한 동일한 양의 LNG 의 제조를 위해 동일한 개수, 종류 및 배치의 냉매 압축기를 구동하는 것에 기초한다. 값은 하이브리드 시스템을 "100 %" 로 한 상대적인 값이다.
"전기" 시스템은, US 7,114,351 B2 에 기재된 것처럼, 공급 가스를 냉각시키기 위한 전력을 공급받는 모든 장비의 이용에 기초한다. "모든 증기" 시스템은 증기 동력을 공급받는 모든 장비의 이용에 기초한다. "하이브리드" 시스템은 다른 냉매 압축기를 구동하기 위해 전력 및 증기 동력 쌍방을 채용하는 본 발명에 기초한다.
전기 장비 공간 % 연료 가스 % 이산화탄소 %
하이브리드 100 100 100
전기 130 91 91
모든 증기 60 133 133
표 1 의 제 1 열은 3 개의 시스템에 필요한 모든 전기 장비를 위치시키는데 요구되는 공간의 상대 비교를 제공한다. 예측된 바와 같이, 전기 시스템이 가장 많은 공간을 요구하는 반면, 모든 증기 시스템은 발전기, 변압기 등이 필요없으므로 가장 적은 공간을 요구한다.
제 2 열은, 3 개의 시스템을 운행하기 위해 가스 터빈(들)을 구동하는데 요구되는 연료 가스의 양의 상대 비교를 제공한다. 전기 시스템에 요구되는 연료 가스가 가장 적은 반면, 모든 증기 시스템을 이용하여 동일한 양의 LNG 를 제공하는데 요구되는 연료 가스는 본 발명의 하이브리드 시스템의 경우보다 1/3 더 크다는 것을 알 수 있다.
표 1 의 제 3 열에서는, 동일한 양의 LNG 가 생성될 때, 각 시스템에 의해 생성되는 이산화탄소의 양을 확인할 수 있다. 따라서, 전기 시스템은 가장 적은 양의 이산화탄소를 생성하는 반면, 모든 증기 시스템은 가장 많은 양의 이산화탄소를 생성한다.
표 2 의 데이터는 본 발명이 공간 요건, 연료 가스 요건 및 생성되는 이산화탄소 요건 사이에 적절한 밸런스를 제공함을 보여준다. 이들 인자는 탄화수소 냉각 프로세스, 특히 천연 가스 액화 플랜트에 대한 CAPEX 및/또는 OPEX 사이의 밸런스, 및 그러한 프로세스 및/또는 플랜트의 효율, 특히 공간이 제한된 위치에서의 효율을 고려하는데 이용될 수 있다.
본 기술분야의 당업자는 본 발명이 첨부된 청구범위에서 벗어나지 않으면서 많은 다양한 방식으로 행해질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (15)

  1. 플로팅 베슬 또는 해상 플렛폼에서 탄화수소 스트림을 냉각 및 액화시키는 방법으로서, 적어도,
    (a) 2 이상의 냉매 스트림에 대하여 탄화수소 공급 스트림을 통과시켜, 냉각되고 액화된 탄화수소 스트림, 및 2 이상의 적어도 일부 증발된 냉매 스트림을 제공하는 단계;
    (b) 적어도 1 이상의 제 1 냉매 압축기를 통해, 적어도 일부 증발된 냉매 스트림 중 적어도 하나를 압축하는 단계;
    (c) 적어도 1 이상의 제 2 냉매 압축기를 통해, 적어도 일부 증발된 냉매 스트림 중 적어도 다른 하나를 압축하는 단계;
    (d) 1 이상의 가스 터빈을 구동하여, (ⅰ) 전력 및 (ⅱ) 고온 가스를 제공하는 단계;
    (e) 단계 (d) 의 고온 가스 (ⅱ) 를 1 이상의 증기 열교환기에 통과시켜, 증기 동력을 제공하는 단계;
    (f) 상기 전력을 이용하여, 제 2 냉매 압축기 중 적어도 하나를 구동하는 단계; 및
    (g) 1 이상의 증기 터빈을 구동하는데 상기 증기 동력을 이용하여, 제 1 냉매 압축기 중 적어도 하나를 구동하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은, 액화된 탄화수소용 1 이상의 저장 탱크 및/또는 냉매용 부품을 포함하는 플로팅 베슬 또는 해상 플랫폼에서 행해지고, 1 이상의 가스 터빈은 플로팅 베슬이나 해상 플랫폼 상에 또는 그 내부에서 제 1 및 제 2 냉매 압축기로부터 그리고 1 이상의 저장 탱크로부터 멀리 떨어져 위치되는 터빈-조립체 영역 내에서 구동되는, 탄화수소 스트림의 냉각 및 액화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 냉매 압축기 중 적어도 하나가 극저온 냉매 압축기인, 탄화수소 스트림의 냉각 및 액화 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 냉매 압축기 중 적어도 하나가 예비냉각 냉매 압축기인, 탄화수소 스트림의 냉각 및 액화 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은, 단계 (a) 전에 탄화수소 공급 스트림, 또는 단계 (a) 의 냉각된 탄화수소 스트림, 또는 두 스트림 쌍방의 1 이상의 다른 처리 단계를 더 포함하며, 그러한 다른 처리 단계에는 1 이상의 다른 압축기가 포함되며, 전력 또는 증기 동력 또는 전력과 증기 동력 쌍방이 상기 다른 압축기 중 적어도 하나를 구동하는, 탄화수소 스트림의 냉각 및 액화 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 다른 압축기 중 적어도 하나가 단계 (b) 및 단계 (c) 의 적어도 일부 증발된 냉매 스트림 이외의 1 이상의 스트림을 압축하기 위한 것인, 탄화수소 스트림의 냉각 및 액화 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 증기 동력 또는 전력의 1 이상의 다른 공급기를 더 포함하는, 탄화수소 스트림의 냉각 및 액화 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 "멀리 떨어져" 는 적어도 50 m, 또는 바람직하게는 적어도 100 m 의 거리를 의미하는, 탄화수소 스트림의 냉각 및 액화 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액화된 탄화수소 스트림은 1 ∼ 10 MTPA, 바람직하게는 3.5 ∼ 7 MTPA 의 공칭 능력을 갖는, 탄화수소 스트림의 냉각 및 액화 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 제 1 냉각 과정 및 제 2 냉각 과정을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 냉각 과정을 위한 냉매 스트림이 혼합 냉매인, 탄화수소 스트림의 냉각 및 액화 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1 이상의 증기 터빈 중 적어도 하나가 콘덴싱 증기 터빈인, 탄화수소 스트림의 냉각 및 액화 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플로팅 베슬 또는 해상 플랫폼은 600 m 미만의 길이 및 100 m 의 폭을 갖는, 탄화수소 스트림의 냉각 및 액화 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 (a) 는 제 1 냉각 과정 및 그 제 1 냉각 과정과는 분리된 제 2 냉각 과정을 포함하고, 상기 제 1 냉각 과정에서는, 탄화수소 공급 스트림은 1 이상의 제 1 냉매 스트림에 대해 예비냉각되어, 냉각된 탄화수소 스트림, 및 단계 (b) 에서 압축되는 1 이상의 적어도 일부 증발된 제 1 냉매 스트림을 제공하며, 상기 제 2 냉각 과정에서는, 냉각된 탄화수소 스트림의 온도가 1 이상의 제 2 냉매 스트림에 대해 낮아져서, 액화된 탄화수소 스트림, 및 단계 (c) 에서 압축되는 1 이상의 적어도 일부 증발된 제 2 냉매 스트림을 제공하는, 탄화수소 스트림의 냉각 및 액화 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄화수소 스트림은 천연 가스를 포함하거나 또는 본질적으로 천연가스로 이루어지는, 탄화수소 스트림의 냉각 및 액화 방법.
  14. 플로팅 베슬 상에 또는 그 내부에서 탄화수소 스트림을 냉각 및 액화시키기 위한 장치를 포함하는 플로팅 베슬 또는 해상 플랫폼으로서, 상기 장치는
    2 이상의 냉매 스트림에 대하여 탄화수소 공급 스트림을 통과시켜, 냉각되고 액화된 탄화수소 스트림, 및 2 이상의 적어도 일부 증발된 냉매 스트림을 제공하는 2 이상의 냉각 과정;
    적어도 일부 증발된 냉매 스트림 중 적어도 하나를 압축하기 위한 1 이상의 제 1 냉매 압축기;
    적어도 일부 증발된 냉매 스트림 중 적어도 다른 하나를 압축하기 위한 1 이상의 제 2 냉매 압축기;
    (ⅰ) 제 2 냉매 압축기 중 적어도 하나를 구동하기 위한 전력, 및 (ⅱ) 고온 가스를 제공하기 위한 1 이상의 가스 터빈;
    상기 고온 가스로부터 증기 동력을 제공하기 위한 1 이상의 증기 열교환기;
    제 1 냉매 압축기 중 적어도 하나를 구동하기 위해 증기 동력에 의해 구동되는 1 이상의 증기 터빈;
    액화된 탄화수소용 1 이상의 저장 탱크 및/또는 냉매용 부품을 포함하고,
    상기 1 이상의 가스 터빈은 제 1 및 제 2 냉매 압축기로부터 그리고 1 이상의 저장 탱크로부터 멀리 떨어져 위치되는 터빈-조립체 영역 내에 위치되는, 플로팅 베슬 또는 해상 플랫폼.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 "멀리 떨어져" 는 적어도 50 m, 또는 바람직하게는 적어도 100 m 의 거리를 의미하는, 플로팅 베슬 또는 해상 플랫폼
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