KR20180087185A - 하나의 원심형 압축기를 포함하는 압축 트레인 및 lng 플랜트 - Google Patents

하나의 원심형 압축기를 포함하는 압축 트레인 및 lng 플랜트 Download PDF

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KR20180087185A
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안젤로 그리말디
기우세페 사싸넬리
마르코 포르미치니
안토니오 크리스탈로
다비데 베체루찌
다리오 마티나
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누보 피그노네 테크놀로지 에스알엘
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Abstract

천연가스 액화 프로세스를 위한 압축 트레인. 압축 트레인은, 구동 기계 및, 상기 구동 기계에 의해 회전 구동되는 단지 하나의 원심형 압축기를 포함하고; 압축기는, 30 g/mol 미만의 분자량을 갖는 냉매 가스를 흡입 압력으로부터 토출 압력까지 압축하도록 구성되며; 토출 압력과 흡입 압력 사이의 비율은, 10 초과, 바람직하게 12 초과, 더욱 바람직하게 15 초과이다.
LNG 플랜트는 본 발명에 따른 압축 트레인을 하나 이상 포함한다.

Description

하나의 원심형 압축기를 포함하는 압축 트레인 및 LNG 플랜트{COMPRESSION TRAIN INCLUDING ONE CENTRIFUGAL COMPRESSOR AND LNG PLANT}
본 명세서에 개시되는 대상의 실시예들은, 단일 원심형 압축기를 포함하는 압축 트레인 및 상기 압축 트레인을 포함하는 LNG(액화천연가스) 플랜트에 관한 것이다.
"원유 및 가스"의, 즉 원유 및/또는 가스의 탐사, 생산, 저장, 정제 및 물류의 분야에서, 항상 개선된 해법들에 대한 연구가 존재한다.
개선들은, 예를 들어 기계들의 구조 및/또는 작동, 기계들의 연결, 또는 기계들의 조합[예를 들어, 기계들의 트레인(train)]으로부터 유도될 수 있을 것이다.
개선들은, 예를 들어, 증가된 효율 및/또는 감소된 손실, 증가된 생산 및/또는 감소된 폐기물, 증가된 기능, 감소된 비용, 감소된 크기 및/또는 점유면적으로 이루어질 수 있을 것이다.
대형 LNG 플랜트들을 위한 여러 액화 프로세스가 당해 기술분야에 공지된다:
에어프로턱트 앤 케미컬사(Air Products & Chemicals, Inc.)에 의해 설계된 AP-C3MR®(APCI);
코노코필립스사(ConocoPhillips)에 의해 설계된 캐스케이드;
에어프로턱트 앤 케미컬사에 의해 설계된 AP-X®(APCI);
쉘(Shell)의 DMR(이중 혼합 냉매);
SMR(단일 혼합 냉매);
린데사(Linde)에 의해 설계된 MFC®(혼합된 유체 캐스케이드);
블랙 앤 비치사(Black & Veatch)에 의해 설계된 PRICO® (SMR);
에어리퀴데사(Air Liquide)에 의해 설계된 Liquefin®.
이러한 공지의 프로세스들은 이미, 프로세스의 관점에서 최적화되었지만, 특히 LNG 플랜트에서 사용되는 기계들의 개수 및/또는 기계들의 점유면적의 관점에서의, 개선들이, 여전히 추구된다.
AP-C3MR®(또한, "C3MR"로도 지칭됨) 프로세스는, 순수 냉매("C3"), 즉 프로판, 및 혼합 냉매("MR"), 즉 전형적으로 프로판, 에틸렌, 및 메탄의 혼합물을 사용하며; 이러한 프로세스는, (하나는) 순수 냉매 그리고 (하나는) 혼합 냉매인, 2-사이클 액화 기술이다.
도 1은, 에어프로덕트 앤 케미칼사에 의해 설계된, AP-C3MR®(이하, 단순히 "C3MR"로 지칭됨)에 따른 LNG 플랜트의 개략도를 도시한다. C3MR은, 널리 확산된 LNG 프로세스이다. C3MR 프로세스, 천연가스를 냉각시키기 위한 프로판-냉동(C3) 사이클, 및 천연가스 스트림을 액화시키기 위한 혼합 냉매(MR) 사이클인, 2 가지 냉동 사이클로 구성된다.
프로판 냉동 사이클에서, 프로판은, 구동 기계(105)에 의해 구동되는 단일 압축기(106)에 의해 압축된다.
압축된 프로판은, 냉각기(111)에서 냉각되며, 그리고 이어서, 배관(113)을 경유하여, 천연가스 및 혼합 냉매 스트림으로부터 열을 흡수하기 위해 열교환기(107)를 통과한다. 열교환기(107) 이전에, 압축된 프로판의 팽창이 일어난다.
혼합 냉매 사이클에서, 혼합 냉매는, 구동 기계(104)에 의해 회전 구동되는, 직렬로 배열되는 3개의 압축기(103, 102, 101)를 포함하는 압축 트레인(100)을 통해 압축된다. 때때로, 프로판 사이클의 구동 기계(105)는, 혼합 냉매 사이클의 3개의 압축기 중의 하나를 구동하도록 구성될 수 있다.
압축된 혼합 냉매는, 냉각기(110) 내에서 냉각되며, 그리고 이어서, 배관(114)을 경유하여, 냉매가 예비 냉각되는, 열교환기(107)를 통과한다. 열교환기(107) 이전에, 압축된 프로판의 팽창이 일어난다.
저압의 따듯한 메인 액화 혼합 냉매는, 중간 냉각 압축기들(103, 102, 101)의 연속체로 보내지며, 여기서, 고압 유체로서 나오기 위해, 압축기(103) 내에서 처음 압축되고, 중간 냉각기(115)에서 냉각되며, 압축기(102) 내에서 추가로 압축되고, 중간 냉각기(109)에서 냉각되며, 압축기(101) 내에서 추가로 압축되고, 이어서 후 냉각기(110)에서 추가로 냉각된다.
냉각된 고압 혼합 냉매 스트림은, 예비 냉각된 스트림을 생성하도록, 열교환기(107)를 사용하여 예비 냉각될 수 있다. 예비 냉각된 스트림은, 분리기(112) 내에서 더 가벼운 냉매 스트림과 더 무거운 냉매 스트림으로 분리될 수 있을 것이다. 더 가벼운 냉매 스트림은 이어서, 메인 액화 열교환기(108) 내에서, 응축될 수 있으며 그리고 과냉각될 수 있을 것이다. 더 무거운 냉매 액체 스트림 또한, 메인 액화 열교환기(108) 내에서, 과냉각될 수 있을 것이다.
천연가스의 예비 냉각된 스트림은 이어서, LNG 제품 스트림을 형성하도록 증기 스트림을 완전히 응축시키고 과냉각시키기 위해, 플랜트의 극저온 섹션으로, 그에 따라 메인 액화 열교환기(108)로, 보내진다.
코노코필립스사에 의해 설계된 캐스케이드(이하, 단순히 "캐스케이드"로 지칭됨) 프로세스는, 3 가지 순수 냉매, 즉 전형적으로, 프로판, 에틸렌 또는 에탄, 및 메탄을 사용하고; 이러한 프로세스는, 3-사이클 (3 가지) 순수 냉매 액화 기술이다.
표현 "순수 냉매"는 실제로, 하나의 물질이 냉매 내에서 지배적임(예를 들어, 적어도 90% 또는 95% 또는 98%)을 의미하며; 물질은, 화학적 화합물(예를 들어, 프로판, 에탄, 에틸렌, 메탄)일 수 있다는 것을 알아야 한다.
도 3은, 캐스케이드 프로세스에 따른, LNG 플랜트의 개략도를 도시한다. 캐스케이드 프로세스는, C3MR과 마찬가지로, 널리 확산되어 있다.
캐스케이드 프로세스는, 3개의 냉동 사이클: 즉, 천연가스 스트림을 예비 냉각하기 위한 프로판 냉동 사이클, 예비 냉각된 천연가스 스트림을 냉각하기 위한 에틸렌 냉동 사이클, 및 냉각된 천연가스 스트림을 액화하기 위한 메탄 냉동 사이클로 이루어진다.
프로판 냉동 사이클에서, 프로판은, 2개의 압축기(312, 313) 및 압축기들을 구동하도록 구성되는 구동 기계(306)를 포함하는, 압축 트레인(303)에 의해 압축된다.
압축된 프로판은, 냉각기(316)에서 냉각되며, 그리고 이어서, 천연가스, 에틸렌, 및 메탄 스트림으로부터 열을 흡수하기 위해 열교환기(317)를 통과한다. 열교환기(317) 이전에, 압축된 프로판의 팽창이 일어난다.
에틸렌 냉동 사이클에서, 에틸렌은, 2개의 압축기(310, 311) 및 압축기들을 구동하도록 구성되는 구동 기계(305)를 포함하는, 압축 트레인(302)에 의해 압축된다.
압축된 에틸렌은, 냉각기(315)에서 그리고 열교환기(317) 내에서 냉각된다. 이어서, 압축된 에틸렌은, 천연가스 및 메탄 스트림으로부터 열을 흡수하기 위해 열교환기(318)를 통과한다. 열교환기(318) 이전에, 압축된 에틸렌의 팽창이 일어난다.
열교환기(318)는 또한, 천연가스의 더 무거운 성분들로부터 분리기(320) 내에서 분리되는 천연가스의 증기들을 냉각하기 위해 사용될 수 있을 것이다. 더 무거운 성분들은, 액화천연가스와 상이한, 액화된 천연가스를 형성한다.
메탄 냉동 사이클에서, 메탄은, 3개의 압축기(307, 308, 309) 및 압축기들을 구동하도록 구성되는 구동 기계(304)를 포함하는, 압축 트레인(301)에 의해 압축된다.
압축된 메탄은, 냉각기(314)에서 그리고 열교환기들(317, 318) 내에서 냉각된다. 이어서, 압축된 메탄은, 액화천연가스를 형성하기 위해 열교환기(319)를 통과한다. 열교환기(319) 이전에, 압축된 메탄의 팽창이 일어난다.
압축기들의 영역에서, 압축비는 동일한 경계 조건 하에서 공정 기체의 분자량에 비례한다고 일반적으로 공지된다.
더 많은 가스가 더 가벼우면, 단일 케이스 내에서 가스를 압축하기에 더 어려우며, 그리고 여러 압축기가 높은 압축비를 달성하기 위해 요구된다. 이러한 문제점은, 개별적으로, 혼합 냉매, 에틸렌 및 메탄을 동반하는, C3MR 프로세스 및 캐스케이드 프로세스 양자 모두에서 일어난다.
당해 기술분야의 현황에서, 가벼운 기체들을 중규모-대규모 LNG 플랜트에서 높은 압축비를 갖도록 압축할 수 있는 기계들을 구비하는 압축 트레인이 알려져 있지 않다.
특히, 단일 케이스 내에서, 그에 따라 2개 이상 대신에 단일의 압축기를 사용하여, 가벼운 냉매 가스들을 높은 압축비로 압축할 수 있는 기계가 여전히 추구되고 있다.
LNG에서, 혼합 냉매, 에틸렌, 또는 메탄과 같은, 가벼운 기체들을, 이러한 기체들의 낮은 분자량으로 인해, 2개 이상의 압축기를 통해, 압축하는 것이, 일반적으로 공지된다. 결과적으로, LNG 압축 트레인은 일반적으로, 공정 기체가 작은 분자량을 구비할 때, 콤팩트하지 않다.
종래기술의 이상에서 확인된 단점들이 이제, 압축 트레인 및 LNG 플랜트에 관련되는 본 발명의 제1 및 제2 범위에 의해, 극복된다.
천연가스 액화 프로세스를 위한 압축 트레인은, 구동 기계 및 상기 구동 기계에 의해 회전 구동되는 단지 하나의 원심형 압축기를 포함할 수 있다. 압축기는, 30 g/mol 미만의 분자량을 갖는 냉매 가스를 흡입 압력으로부터 토출 압력까지 압축하도록 구성될 수 있다. 토출 압력과 흡입 압력 사이의 비율은, 10 초과, 바람직하게 12 초과, 더욱 바람직하게 15 초과일 수 있다.
LNG 플랜트는, 본 발명에 따른 압축 트레인을 하나 이상 포함할 수 있다.
특징부들 및 실시예들이, 이하에 개시되며 그리고, 본 설명의 일체형 부분을 형성하는, 첨부되는 청구항들에 추가로 기술된다. 이상의 간단한 설명은, 뒤따르는 상세한 설명이 더욱 양호하게 이해될 수 있도록 그리고 당해 기술분야에 대한 본 발명의 기여가 더욱 잘 인식될 수 있도록, 본 발명의 다양한 실시예들의 특징적 구성들을 기술한다. 물론, 이하에 설명될 그리고 첨부되는 청구항들에 기술될, 본 발명의 다른 특징적 구성들이 존재한다. 이러한 관점에서, 본 발명의 여러 실시예들을 상세하게 설명하기 이전에, 본 발명의 다양한 실시예들은, 뒤따르는 설명에 기술되거나 뒤따르는 도면에 도시되는, 구성에 대한 세부 사항 및 구성요소들의 배열로 그 자체의 적용이 제한되지 않는다는 것이 이해된다. 본 발명은, 다른 실시예들을 가능하게 하며 그리고 다양한 방식으로 실행 및 수행될 수 있다. 또한, 여기에서 사용되는 어법 및 전문용어는 설명의 목적을 위한 것이며 그리고 제한하는 것으로서 간주되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다.
그에 따라, 당업자는, 본 개시가 기초하게 되는 개념이, 본 발명의 여러 목적을 수행하기 위한, 다른 구조물들, 방법들, 및 시스템들을 설계하기 위한 기초로서 쉽게 활용될 수 있다는 것을, 인식할 것이다. 따라서, 청구항들이, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 한, 그러한 균등 구성들을 포함하는 것으로 간주된다는 것이, 중요하다.
본 발명의 개시된 실시예들에 대한 더욱 완전한 인식 및 본 발명의 부수적 이점들 중 많은 부분이, 첨부되는 도면과 관련하여 고려될 때 뒤따르는 상세한 설명을 참조함에 의해 더욱 양호하게 이해됨에 따라, 쉽게 획득될 것이다:
도 1은, AP-C3MR® 프로세스에 따른, 종래기술의 LNG 플랜트의 개략도를 도시하고;
도 2는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 LNG 플랜트의 개략도를 도시하며;
도 3은, 캐스케이드 프로세스에 따른, 종래기술의 LNG 플랜트의 개략도를 도시하고;
도 4는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 LNG 플랜트의 개략도를 도시하며;
도 5는 본 발명에 따른 고 압축비 압축기의 개략도를 도시한다.
대표적인 실시예들에 대한 뒤따르는 설명은, 첨부 도면들을 참조한다.
뒤따르는 설명은, 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부 특허청구범위에 의해 한정된다.
"일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 명세서 전체에 걸친 참조는, 실시예와 연관되어 설명되는 특정 특징, 구조, 또는 특성이, 개시된 대상의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 명세서 전체에 걸친 여러 개소들에서의 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"와 같은 문구들의 출현은, 반드시 동일한 실시예를 참조하는 것은 아니다. 나아가, 특정 특정적 구성들, 구조들 또는 특성들이, 하나 이상의 실시예에서 임의의 적당한 방식으로 조합될 수 있을 것이다.
이하에서(그리고 그의 수학적 의미에 따르면), 용어 "세트"는, 하나 이상의 물품의 그룹을 의미한다.
도 2를 참조하면, 제1 실시예의 압축 트레인을 포함하는, 앞서 설명된 바와 같은, C3MR 프로세스에 따른 LNG 플랜트가 도시된다.
프로판 냉동 사이클에서, 프로판은, 구동 기계(205)에 의해 구동되는 단일 압축기(206)에 의해 압축된다. 구동 기계(205)는, 전기 모터 또는 가스 터빈일 수 있다.
압축된 프로판은, 냉각기(211)에서 냉각되며, 그리고 이어서, 배관(213)을 경유하여, 천연가스 및 혼합 냉매 스트림으로부터 열을 흡수하기 위해 열교환기(207)를 통과한다. 열교환기(207) 이전에, 압축된 프로판의 팽창이, 바람직하게 줄-톰슨 밸브(미도시)에 의해, 일어난다.
혼합 냉매 사이클에서, 혼합 냉매는, 단일의 압축기(201) 및 구동 기계(204)를 포함하는, 압축 트레인(200)에 의해 압축된다. 구동 기계(204)는, 전기 모터 또는 가스 터빈일 수 있다.
구동 기계(204)는, 단일의 압축기(201)에 직접적으로 결합될 수 있다.
특정 실시예에서, 압축 트레인(200)은 또한, 구동 기계(204)의 회전 속도를 증가시키도록 구성되는, 구동 기계(204)와 단일의 압축기(201) 사이에 배열되는, 기어박스(미도시)를 포함할 수 있다. 기어박스는, 구동 기계(204)에 기계적으로 결합되는 입력 샤프트 및 단일의 압축기(201)에, 구체적으로 압축기 샤프트에, 기계적으로 결합되는 출력 샤프트를 포함할 수 있다.
단일의 압축기(201) 내에서의 압축 이후에, 압축된 혼합 냉매는, 냉각기(210) 내에서 냉각되며, 그리고 이어서, 배관(214)을 경유하여, 냉매가 예비 냉각되는, 열교환기(207)를 통과한다. 열교환기(207) 이전에, 압축된 프로판의 팽창이, 바람직하게 줄-톰슨 밸브(미도시)에 의해, 일어난다.
단일의 압축기(201)는, 고압에서 혼합 냉매를 출력하는 중간 냉각기들(202, 203)을 통해 중간 냉각될 수 있다.
C3MR 프로세스에 의해 요청되는 요구되는 압축비를 달성하기 위해, 뒤따르는 설명을 읽을 때 더욱 분명하게 이해될 것으로서, 특정 유형의 단일 압축기가 사용된다.
냉각된 고압 혼합 냉매 스트림은 이어서, 예비 냉각된 스트림을 생성하도록, 열교환기(207)를 사용하여 예비 냉각된다. 예비 냉각된 스트림은, 분리기(212) 내에서 더 가벼운 냉매 스트림과 더 무거운 냉매 스트림으로 분리될 수 있을 것이다. 더 가벼운 냉매 스트림은 이어서, 메인 액화 열교환기(208) 내에서, 응축될 수 있으며 그리고 과냉각될 수 있을 것이다. 더 무거운 냉매 액체 스트림 또한, 메인 액화 열교환기(208) 내에서, 과냉각될 수 있을 것이다.
천연가스의 예비 냉각된 스트림은 이어서, 증기 스트림을 완전히 응축시키고 과냉각시키기 위해, 그리고 LNG 제품 스트림을 형성하기 위해, 플랜트의 극저온 섹션으로, 그에 따라 메인 액화 열교환기(208)로, 보내진다.
에어프로덕트 앤 케미칼사에 의해 설계된 잘 알려진 SplitMR® 장비에 따르면, 프로판의 압축 트레인은, 혼합 냉매의 3개의 압축기 중의 하나를 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 혼합 냉매가 본 발명에 따른 압축 트레인에 의해 압축되며, 그리고 프로판의 압축 트레인은, 구동 기계, 프로판을 압축하도록 구성되는 압축기 및 구동 기계에 의해 생성되는 이용 가능한 여분의 출력을 전력으로 변환하도록 구성되는 발전기를 포함하는, 기존의 SplitMR® LNG 플랜트의 개조 방법이, 제공된다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압축 트레인들을 포함하는, 캐스케이드 프로세스에 따른 LNG 플랜트가 도시된다.
프로판 냉동 사이클에서, 프로판은, 2개의 압축기(410, 411) 및 압축기들을 구동하도록 구성되는 구동 기계(406)를 포함하는, 압축 트레인(403)에 의해 압축된다. 구동 기계(406)는, 전기 모터 또는 가스 터빈일 수 있다.
압축된 프로판은, 냉각기(414)에서 냉각되며, 그리고 이어서, 천연가스, 에틸렌, 및 메탄 스트림으로부터 열을 흡수하기 위해 제1 열교환기(415)를 통과한다. 열교환기(415) 이전에, 압축된 프로판의 팽창이, 바람직하게 줄-톰슨 밸브(미도시)에 의해, 일어난다.
에틸렌 냉동 사이클에서, 에틸렌은, 제1 단일의 압축기(409) 및 단일의 압축기(409)를 회전 구동하도록 구성되는 제1 구동 기계(405)를 포함하는, 제1 압축 트레인(402)에 의해 압축된다. 구동 기계(405)는, 전기 모터 또는 가스 터빈일 수 있다.
구동 기계(405)는, 직접적 연결을 통해, 제1 압축기(409)에 직접적으로 연결된다. 직접적 연결은, 구체적인 작동 맥락에 의존하여, 가요성 유형 또는 강성 유형의 것일 수 있다.
압축된 에틸렌은, 냉각기(413)에서 그리고 제1 열교환기(415) 내에서 냉각된다. 이어서, 에틸렌 스트림은, 천연가스 및 메탄 스트림으로부터 열을 흡수하기 위해 제2 열교환기(416)를 통과한다. 제2 열교환기(416) 이전에, 압축된 에틸렌의 팽창이, 바람직하게 줄-톰슨 밸브(미도시)에 의해, 일어난다.
제2 열교환기(416)는 또한, 분리기(418) 내에서 천연가스의 더 무거운 성분들로부터 분리되는 천연가스의 증기를 냉각시키기 위해 사용될 수 있을 것이다. 더 무거운 성분들은, 액화된 천연가스를 형성한다.
메탄 냉동 사이클에서, 메탄은, 제2 단일의 압축기(408) 및 제2 단일의 압축기(408)를 회전 구동하도록 구성되는 제2 구동 기계(404)를 포함하는, 제2 압축 트레인(401)에 의해 압축된다. 제2 구동 기계(404)는, 전기 모터 또는 가스 터빈일 수 있다.
제2 구동 기계(404) 및 제2 단일의 압축기(408)는, 제2 구동 기계(404)의 회전 속도를 증가시키도록 구성되는, 기어박스(407)를 통해 기계적으로 연결된다. 기어박스(407)는, 제2 구동 기계(404)에 기계적으로 결합되는 입력 샤프트 및 제2 단일의 압축기(408)에 기계적으로 결합되는 출력 샤프트를 포함할 수 있다.
압축된 메탄은, 냉각기(412)에서 그리고 제1 및 제 2 열교환기(415, 416) 내에서 냉각된다. 이어서, 메탄은, 냉각된 천연가스로부터 열을 흡수하기 위해, 제3 열교환기(417)를 통과한다. 천연가스의 스트림은 따라서, 완전히 응축되며, 그리고 LNG 제품 스트림이 획득된다. 열교환기(417) 이전에, 압축된 메탄의 팽창이 일어난다.
제1 및 제2 실시예를 참조하면, 상기 압축 트레인(200), 제1 압축 트레인(402) 및 제2 압축 트레인(401)의 압축기는, 이하에 설명되는 유형의 것일 수 있다.
도 5를 추가로 참조하면, 원심형 압축기(500)는, 메인 흡입구(519)에서의 흡입 압력으로부터 메인 토출구(520)에서의 토출 압력으로 냉매 가스를 압축한다. 압축기(500)는, 10 초과의, 바람직하게 12 초과의, 더욱 바람직하게 15 초과의, 상기 토출 압력과 흡입 압력 사이의 비율을 갖도록, 냉매 가스를 압축하도록 구성된다. 본 발명에서, 용어 "고 압축비"는, 이상에 설명된 바와 같은 출구 압력과 입구 압력 사이의 비율을 의미한다.
특히 가벼운 기체 냉매를 압축하도록 단일 압축기에 의해 실행될 때, C3MR 프로세스 및 캐스케이드 프로세스에 의해 요구되는 압축비는, 고 압축비로서 간주된다.
압축기(500)는, 따라서, 30 g/mol 미만의 분자량을 구비하는 냉매 가스들을 압축하도록 구성된다.
본 발명에서, 용어들 "가벼운 냉매(들)", "가벼운 기체(들)", "저 분자량 기체들"은, 30 g/mol 미만의 분자량을 구비하는, 모든 냉매 가스를, 그에 따라 냉동 프로세스에 사용되는 모든 기체를 지칭한다.
압축기(500)는, 원심형 압축기이며 그리고, 가벼운 냉매들을 고 압축비로 압축하기 위해, 2개 또는 3개의, 심지어 4개의, 압축 섹션을 포함할 수 있다. 각각의 압축 섹션은, 하나 이상의 압축 스테이지를 포함할 수 있다. 각각의 압축 스테이지는, 원심형 임펠러, 확산기 및 복귀 채널을 포함할 수 있다. 확산기 및/또는 복귀 채널은, 압축기의 고정형 부분의 부분이며, 그리고 베인들을 포함할 수 있다. 모든 임펠러는, 로터를 형성하기 위해 함께 연결된다.
로터의 일부가, 샤프트(531)일 수 있다. 대안적으로, 샤프트(531)는, 로터에 확고하게 연결될 수 있다. 샤프트(531)는, (도 5에 도시되지 않는) 구동 기계에 기계적으로 연결된다.
각 압축 섹션은, 그 자체의 입구 및 출구를 구비한다. 따라서, 압축기는, 2개 이상의 입구, 즉 하나의 메인 입구 및 하나 이상의 보조 입구를, 그리고 2개 이상의 출구, 즉 하나의 메인 출구 및 하나 이상의 보조 출구를 포함할 수 있다. 도 5를 참조하면, 직렬로 배열되는 2개의 압축 섹션(523, 524)을 구비하는, 압축기(500)가 도시된다. 제1 압축 섹션은, 입구(519) 및 출구(521) 그리고, 각각 하나의 임펠러(507, 508)를 포함하는, 2개의 압축 스테이지(525, 526)를 포함한다. 제2 압축 섹션은, 입구(522) 및 출구(520) 그리고, 각각 하나의 임펠러(509, 510, 511)를 포함하는, 3개의 압축 스테이지(527, 528, 529)를 포함한다. 냉매 가스는, 메인 흡입구(519)를 통해 (화살표(502) 방향으로) 진입하고, 제1 압축 섹션(523)에 의해 압축되며, 그리고 보조 출구(521)로부터 (화살표(504) 방향으로) 빠져 나온다. 중간 냉각 단계 이후에, 압축되고 냉각된 냉매 가스는, 보조 입구(522)를 통해, 다시 압축기 내에 진입한다. 냉매 가스는 이어서, 제2 압축 섹션(524) 내에서 압축되며 그리고 메인 토출구(520)를 통해 종국적으로 빠져 나온다.
각 압축 섹션은, 특정 조건 하에서, 예를 들어 중간 냉각 스테이지 사이에서 특정 입구 압력으로부터 특정 출구 압력으로, 냉매 가스를 압축하도록 구성된다.
보조 입구(들) 및/또는 보조 출구(들)는, 압축기가 더욱 유연해지는 것을 그리고 압축기가 사용되는 프로세스에 대해 기계의 작동 조건을 맞추는 것을, 가능하게 한다. 예를 들어, 보조 입구(들) 및 보조 출구(들)는, 압축기로부터 작동 유체를 추출하기 위해 그리고 재분사되기 이전에 작동 유체를 냉각하기 위해, 사용될 수 있을 것이다.
예를 들어, 도 4를 참조하면, 에틸렌 압축기, 그에 따라 제1 압축 트레인(402)의 제1 단일의 압축기(409)는, 도 5의 압축기(500)의 것과 마찬가지로, 2개의 유입 스트림을 포함한다. 제1 압축 섹션의 출구(521)와 제2 압축 섹션의 입구(522) 사이에서, 냉매 가스는, 중간 냉각된다(중간 냉각은 도시 안됨).
각 압축 섹션은, 압축의 관점에서, 도 3에 참조 부호 '310' 및 '311'로 지시된 것과 같은 독립적인 압축기와 닮았다. 하나의 중요한 기술적 차이는, 모든 압축 섹션이, 단일 케이스를 구비하는 공통 압축기 내에 배열된다는 점이다.
원심형 압축기(500)의 모든 압축 섹션(523, 524)은, 단일의 공통 케이스(530) 내에 제거 가능하게 삽입되도록 구성되는, 공통 다발(common bundle)(501) 내에 배열된다. 로터 및 고정형 부분들은, 케이스(530) 내에 케이스(530)의 일단부를 통해 축방향으로 가역적으로 삽입되도록 구성되는, 카트리지와 같은, 원통형 다발 내에 함께 조립된다. 구동 기계에 대한 압축기의 반대 측부는, 일반적으로 장애물로부터 자유로우며, 그리고 결과적으로 유지보수 활동을 위한 다발의 추출이 용이하게 된다.
압축 섹션의 출구는, 하류에 배열되는 압축 섹션의 입구에 직접적으로 또는 간접적으로, 유동적으로 연결된다.
모든 압축 섹션은, 동일한 유형의 냉매 가스를 압축하도록 배열된다.
압축 섹션이, 도 5의 압축기에서와 같이, 2개인 경우, 제1 압축 섹션(523)의 출구(521)는, 더 하류의 압축 섹션의 입구(522)에, 그에 따라 제2 압축 섹션(524)에, 유동적으로 연결된다.
후속 압축 섹션의 입구 및 출구는, 더 상류의 섹션에 의해 압축된 냉매 가스가 후속 섹션 내로의 재진입 이전에 냉각되는, 중간 냉각 섹션을 통해 유동적으로 연결될 수 있다.
동일한 개념이, 압축 섹션이 2개 대신 3개일 때, 적용된다. 따라서, 제3 섹션이 제2 섹션 하류에 배열될 때, 제3 섹션은 결국 제1 섹션의 하류에 배열되며 그리고, 제1 섹션의 출구는 제2 압축 섹션의 입구에 직접적으로 또는 간접적으로 유동적으로 연결되며 그리고 제2 섹션의 출구는 제3 섹션의 입구에 직접적으로 또는 간접적으로 유동적으로 연결된다.
적어도 하나의 압축 섹션은, 연속적으로 배열될 수 있다. 이러한 경우에, 2개의 인접한 섹션의 출구는 서로 나란하게 배열된다.
인접한 압축 섹션은, 하나의 섹션으로부터 다른 섹션으로의 누출을 제한하기 위해, 라비린스 시일 또는 마모가능한 시일에 의해 분리된다.
특히, 이러한 시일들의 축방향 길이는, 상기 인접한 압축 섹션의 임펠러들의 평균 직경의, 30% 내지 40% 사이에 포함될 수 있으며, 바람직하게 약 35%일 수 있다. 이러한 값 범위는, 누출이 고도로 감소되는 것을 보장한다.
압축기(500)의 로터는, 앞서 설명된 바와 같은 복수의 압축 섹션 내에 배열되는, 복수의 임펠러를 포함하며, 그리고 임펠러들은, 일정한 또는 감소하는 직경을 구비하는 가운데, 마지막 임펠러는 항상 첫번째 임펠러보다 더 작다. 예를 들어, 제1 임펠러(507)는, 결국 제3 임펠러(509)의 직경보다 더 큰 직경을 구비하는, 제2 임펠러(508)의 직경과 동등한 직경을 구비할 수 있는 가운데; 제3 임펠러, 제4 임펠러 및 제5 임펠러(509, 510, 511)는, 점진적으로 감소하는 직경들을 구비한다.
모든 임펠러는, 로터를 형성하기 위해 하나가 다른 하나 상에 적층될 수 있다. 공통 타이 로드(506)가, 함께 그룹화된 모든 임펠러(507, 508, 509, 510, 511)를 유지하도록, 배열되고 구성될 수 있다. 인접한 임펠러들의 상대적 미끄러짐이, 허스 연결부들(Hirth connections)(512, 513, 514, 515)에 의해 회피된다. 임펠러들의 대향하는 축방향 단부들이, 허스 조인트들을 포함한다. 적층되고 연결된 임펠러들은, 타이로드에 의해 함께 조여진다. 이러한 방식으로, 매우 안정적이며 그리고 신뢰할 수 있는 기계적 연결이 달성된다. 타이 로드는, 임펠러들을 압축하기 위해 축방향으로 예압을 받을 수 있다. 각 임펠러(507, 508, 509, 510, 511)는, 자체의 회전축에 통공을 구비할 수 있으며, 그리고 타이 로드가 그를 통과할 수 있도록 구성될 수 있다.
본 발명의 원심형 압축기의 임펠러들은, 1.1 미만의, 바람직하게 1 미만의, 그에 따라 아음속의, 원주 방향 마하수(peripheral Mach number)를 구비하도록 구성된다.
마하수(Ma)는 일반적으로, 뒤따르는 공식에 의해 계산된다:
Ma = ( π · RPM · 팁 직경)/(60 · C) (1)
여기서, RPM은 임펠러의 분당 회전수이고, π = 3.14159이며, 팁 직경은 팁에서의 임펠러의 직경이며, 그리고 C는, 이상 기체 방정식을 사용하여 뒤따르는 공식에 의해 계산되는 바와 같은 것일 수 있는, 음속이다:
C = √(γ · R · T · Z/MW) (2)
여기서, γ는, 저 분자량 기체의 단열 지수(Adiabatic exponent)이고, R은, 이상 기체 상수(8.314 J/Mol K)이며, Z는, 압축성 계수이고, T는, 압축기 내부의 임의의 지점에서의 저 분자량 기체의 온도이며, 그리고 MW는, 저 분자량 기체의 분자량이다.
음속(C)은, 유체의 분자량의 제곱근에 반비례하여 변한다. 따라서, 저 분자량 냉매들이 높은 음속을 일으킨다.
본 원심형 압축기는, C3MR 프로세스의 혼합 냉매 또는 캐스케이드 프로세스의 에틸렌 및 메탄과 같은, 저 분자량 기체를 단일 케이스 내에서 처리하도록 구성되고; C3MR의 혼합 냉매는 약 26 g/mol의 분자량을 구비하고, 에틸렌은 28 g/mol의 분자량을 구비하며, 그리고 메탄은 16 g/mol의 분자량을 구비한다.
본 압축기는, 처리되는 냉매 가스의 분자량이 30 g/mol 미만일 때, 높은 회전 속도에서, 바람직하게 3,600 내지 8,000 rpm 사이에서, 회전하도록 구성된다. 이러한 특징은, 아음속 작동 조건 내에 임펠러들을 유지하는 것을 허용한다.
원심형 압축기의 적어도 하나의 임펠러는, 300 m/s 초과의, 바람직하게 380 m/s 초과의, 원주 속도를 구비한다.
바람직하게, 가장 상류의 임펠러(들)는, 슈라우드 없음을 의미하는, 개방 타입의 것일 수 있다. 대조적으로, 다른 임펠러들, 따라서 개방 타입 임펠러(들)의 제1 그룹 하류에 배열되는 임펠러들은, 슈라우드들(516, 517, 518)을 포함할 수 있다.
가장 상류의 임펠러(들)는, 다른 임펠러들에 대해 높은 원주 속도(들) 그리고 결과적으로 더 큰 직경(들)을 구비한다. 이러한 이유로, 가장 상류의 임펠러들은, 기계적 응력을 회피하기 위해, 슈라우드를 구비하지 않을 수 있다. 첫번째 2개의 임펠러의 평균 직경은, 다른 임펠러들의 평균 직경의 1.2배를 초과할 수 있다. 슈라우드를 구비하지 않는 임펠러들은, 슈라우드의 부재로 인해, 슈라우드를 구비하는 임펠러들보다 더 빠르게 회전할 수 있으며; 사실, 임펠러가 회전할 때, 슈라우드는, 자체에 작용하는 원심력에 의해 외측으로 당겨지며 그리고 특정 회전 속도 위에서 슈라우드는 임펠러를 끌어당길 위험이 있다.
이상에 한정된 압축기의 로터 구성 덕분에, 임펠러는, 전통적인 원심형 압축기들보다 더 빠르게 회전할 수 있으며, 그에 따라 더 큰 압축비를 달성할 수 있다.
일 실시예에서, 유입구 및/또는 배출구 둘레에 배열되는 케이스의 부분은, 고압에 의해 폭 넓게 응력을 받는 압축기의 구역에서, 압축기의 케이스를 강화하기 위해, 케이스의 나머지 부분의 평균 두께에 대해 더 큰 두께를 구비한다.
본 발명의 임의의 실시예에 따른 압축 트레인의 구동 기계는, 단일-샤프트 가스 터빈, 복수-샤프트 가스 터빈, 또는 증기 터빈일 수 있다. 다른 바람직한 실시예에서, 구동 기계는, 가변-속도 구동(variable-speed drive: VSD) 전기 모터, 또는 고정-속도 전기 모터일 수 있다.
본 원심형 압축기의 기술적 특징으로 인해, 캐스케이드 프로세스에서 에틸렌을 압축하기 위해 사용되는 전통적인 원심형 압축기(310, 311)의 쌍은, 이제, 앞서 설명된 바와 같은, 단일의 압축기(409)에 의해 대체될 수 있다.
동일한 이유로 인해, 캐스케이드 프로세스에서 메탄을 압축하기 위해 사용되는 3개의 전통적인 원심형 압축기(307, 308, 309)가, 이제, 앞서 설명된 바와 같은, 다른 단일의 압축기(408)에 의해 대체될 수 있다.
더불어, 동일한 개시된 기술적 이유로, C3MR 프로세스에서 혼합 냉매를 압축하기 위해 사용되는 3개의 전통적인 원심형 압축기(101, 102, 103)가, 이제, 앞서 설명된 바와 같은, 단일의 압축기(201)에 의해 대체될 수 있다.
하나 초과의 압축기들에 의해 이전에 실행되는 압축은 이제, 전체 성능을 타협하지 않는 가운데, 본 발명에 따른 단일의 압축기와 더불어 실행될 수 있다. 명백한 이점들이 그에 따라 달성된다.
그에 따라 제공되는 압축 트레인은, 구동 기계에 직접적으로/간접적으로 연결되는 어떤 추가적 압축기를 요구하지 않는다.
본 발명에 따른 압축기(들)를 갖는 압축 트레인(들)을 사용함에 의해, 더 높은 LNG 생산량이, 더 작은 공간에서 및/또는 더 작은 점유 면적 내에서 그리고 더 적은 수의 기계들과 더불어, 달성될 수 있을 것이다.
2개 이상의 케이스 대신에 단지 하나의 케이스를 구비하는 것이 많은 관점에서 유리하다는 것을 알아야 한다:
이는, 설치 및 유지보수를 단순화하고,
이는, 유지보수 시간을 감소시키며,
이는, 신뢰성을 증가시키고(적은 구성요소 및 적은 파손 가능성),
이는, 기계들의 점유 면적 및 중량을 감소시키며,
이는, 가스의 누출을 감소시키고,
이는, 윤활유 시스템의 복잡성 및 크기를 감소시킨다.
본 압축 트레인은, C3MR 프로세스 및 캐스케이드 프로세스에 대해 맞춰지고 설명되었지만, 본 압축 트레인은, 다른 LNG 프로세스들을 위해 용이하게 맞춰지고 사용될 수 있다.
여기에서 설명되는 대상의 개시된 실시예들이 도면에 도시되며 그리고 여러 예시적인 실시예들에 관해 구체적으로 그리고 상세하게 이상에서 완전히 설명되었지만, 많은 수정, 변경 및 생략이, 여기에 기술되는 신규의 교시, 원리 및 개념, 그리고 첨부 청구항들에 인용되는 대상의 이점들로부터 실질적으로 벗어남 없이, 가능하다는 것이, 당업자에게 명백하게 될 것이다. 따라서, 개시된 혁신의 적절한 범위는, 모든 그러한 수정, 변경 및 생략을 포괄하도록, 첨부 청구항들의 가장 넓은 해석에 의해서만 결정되어야 한다. 부가적으로, 임의의 프로세스 또는 방법 단계들의 순서 또는 순차는, 대안적인 실시예들에 따라 변화되거나 또는 순서 재설정될 수 있을 것이다.
본 발명의 최종적 범위가, 뒤따르는 번호 부여된 항목들에 의해 한정되는 압축 트레인이다:
1. 엔진 및 엔진에 의해 구동되는 고속 압축기를 포함하는 압축 트레인으로서; 고속 압축기는, 원심형 압축기이며 그리고 제1 세트의 임펠러들 및 제1 세트의 임펠러들의 하류 또는 상류에 배열되는 제2 세트의 임펠러들을 포함하고; 제1 세트의 임펠러들은 원심형이며 슈라우드를 구비하지 않으며; 제2 세트의 임펠러들은 원심형이며 슈라우드를 구비하고; 적어도 제1 세트의 그리고 제2 세트의 임펠러들은 하나의 공통 케이스 내부에 수용되며; 제1 세트의 그리고 제2 세트의 임펠러들은, 기계적 연결을 통해 서로 결합되는 것인, 압축 트레인.
2. 항목 1에 있어서, 엔진은, 전기 모터 또는 증기 터빈 또는 가스 터빈, 특히 공기유도형 가스 터빈(aeroderivative gas turbine)인 것인, 압축 트레인.
3. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 엔진 및 고속 압축기는, 직접적으로 또는 기어박스를 통해 연결되는 것인, 압축 트레인.
4. 항목 1 내지 항목 3 중 어느 한 항목에 있어서, 엔진과 고속 압축기 사이에 배열되는 추가적 원심형 압축기를 포함하는 것인, 압축 트레인.
5. 항목 3을 인용하는 항목 4에 있어서, 기어박스는, 고속 압축기와 추가적 압축기 사이에 배열되는 것인, 압축 트레인.
6. 항목 1 내지 항목 5 중 어느 한 항목에 있어서, 압축 트레인은, 압축기(들)에 의해 흡수되는 동력이 사전 결정된 임계치를 초과할 때, 메인 엔진을 지원하도록 구성되는 지원 모터를 포함하는 것인, 압축 트레인.

Claims (20)

  1. 천연가스 액화 프로세스를 위한 압축 트레인으로서:
    구동 기계;
    상기 구동 기계에 의해 회전 구동되는 단지 하나의 원심형 압축기
    를 포함하고;
    상기 압축기는, 30 g/mol 미만의 분자량을 갖는 냉매 가스를 흡입 압력으로부터 토출 압력까지 압축하도록 구성되며;
    토출 압력과 흡입 압력 사이의 비율은, 10 초과, 바람직하게 12 초과, 더욱 바람직하게 15 초과인 것인, 압축 트레인.
  2. 제 1항에 있어서,
    구동 기계 및 압축기는, 서로 기계적으로 직접 연결되는 것인, 압축 트레인.
  3. 제 1항에 있어서,
    구동 기계 및 압축기는, 기어박스에 의해 서로 연결되는 것인, 압축 트레인.
  4. 제 1항에 있어서,
    압축기는, 2개 또는 3개의 압축 섹션으로 나뉘는, 복수의 압축 스테이지를 포함하는 것인, 압축 트레인.
  5. 제 4항에 있어서,
    압축기는, 원통형(barrel-type)이며, 그리고 2개 이상의 압축 섹션이, 공통 케이스 내부에 제거 가능하게 삽입 가능한 공통 다발 내에 배열되는 것인, 압축 트레인.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    압축기는, 각 압축 섹션을 위한 입구 및 출구를 포함하는 것인, 압축 트레인.
  7. 제 6항에 있어서,
    압축 섹션은 2개이고, 제2 섹션은 제1 섹션의 하류에 배열되며, 그리고 제1 섹션의 출구는, 제2 섹션의 입구에 직접적으로 또는 간접적으로 유동적으로 연결되는 것인, 압축 트레인.
  8. 제 6항에 있어서,
    압축 섹션은 3개이고, 제3 섹션은, 결국 제1 섹션의 하류에 배열되는, 제2 섹션 하류에 배열되며, 제1 섹션의 출구는 제2 압축 섹션의 입구에 직접적으로 또는 간접적으로 유동적으로 연결되며, 그리고 제2 섹션의 출구는 제3 압축 섹션의 입구에 직접적으로 또는 간접적으로 유동적으로 연결되는 것인, 압축 트레인.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    구동 기계는, 단일-샤프트 가스 터빈 또는 복수-샤프트 가스 터빈 또는 전기 모터인 것인, 압축 트레인.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉매 가스는, 혼합 냉매이며, 그리고 천연가스 액화 프로세스는, AP-C3MR® 유형인 것인, 압축 트레인.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉매는, 에틸렌 또는 메탄이며, 그리고 천연가스 액화 프로세스는, 캐스케이드 유형인 것인, 압축 트레인.
  12. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    냉매 가스는, 출구와 후속 입구 사이에서 중간 냉각기를 통과하는 것인, 압축 트레인.
  13. 제 5항에 있어서,
    각 압축 스테이지는 임펠러를 포함하고, 임펠러들은 일정한 또는 감소하는 직경을 구비하며, 그리고 마지막 임펠러는 첫번째 임펠러에 대해 더 작은 직경을 구비하는 것인, 압축 트레인.
  14. 제 13항에 있어서,
    가장 상류의 임펠러(들)는, 개방-유형 임펠러(들)이며, 그리고 다른 임펠러들은, 폐쇄 유형 임펠러들인 것인, 압축 트레인.
  15. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    임펠러들은, 로터를 형성하기 위해 하나가 다른 하나 상에 적층되는 것인, 압축 트레인.
  16. 제 13 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
    임펠러들의 원주 방향 마하수는, 1.1 미만, 바람직하게 1 미만인 것인, 압축 트레인.
  17. 제 13 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 임펠러는, 300 m/s 초과의, 바람직하게 380 m/s 초과의, 원주 속도를 구비하는 것인, 압축 트레인.
  18. 제 13 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서,
    인접한 압축 섹션 사이에, 라비린스 시일 또는 마모가능한 시일이 제공되며, 그리고 상기 시일의 축방향 길이는, 상기 인접한 압축 섹션의 임펠러들의 평균 직경의, 30% 내지 40% 사이, 바람직하게 약 35%인 것인, 압축 트레인.
  19. 제 1 내지 제 18항 중 어느 한 항에 있어서,
    압축기 케이스는, 압축기 유입구 및/또는 배출구 둘레에서, 케이스의 나머지 부분의 평균 두께에 대해, 더 큰 두께를 구비하는 것인, 압축 트레인.
  20. LNG 플랜트로서,
    제 1 내지 제 19항 중 어느 한 항에 따른 압축 트레인을 하나 이상 포함하는 것인, LNG 플랜트.
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