KR20240052668A - 반-개 루프 액화 프로세스 - Google Patents

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마크 줄리안 로버츠
러셀 비 쉬니처
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

본 출원에는 제1 액화 천연 가스 스트림 및 가온된 기체 냉매 스트림을 형성하기 위해 적어도 제1 저온 냉매 스트림과의 간접 열 교환을 통해 천연 가스 공급 스트림을 냉각 및 액화하는 단계; 제1 액화 천연 가스 스트림을 플래싱 및 분리하여 액화 천연 가스 생성물 스트림 및 적어도 제1 플래시 가스 스트림을 형성하는 단계; 제1 플래시 가스 스트림과 가온된 기체 냉매 스트림을 조합하고 압축하여 압축된 냉매 스트림을 형성하는 단계; 압축된 냉매 스트림의 적어도 제1 부분을 팽창시켜 제1 저온 냉매 스트림을 형성하는 단계에 의해 천연 가스를 액화하는 방법 및 시스템이 설명되어 있으며, 여기서, 천연 가스 공급 스트림은 제1 플래시 가스 스트림 또는 압축된 냉매 스트림으로부터 분리되어 유지되고 그 중 어느 것과도 조합되지 않는다.

Description

반-개 루프 액화 프로세스 {SEMI-OPEN LOOP LIQUEFACTION PROCESS}
본 발명은 천연가스 공급 경향이 하나 이상의 냉매 경향과의 간접 열 교환을 통해 냉각 및 액화된 다음, 생성된 액화 천연가스(LNG) 경향이 플래시 및 분리되어 LNG 생성물을 생산하는 천연 가스 액화 방법 및 시스템에 관한 것이다.
천연가스를 액화하기 위한 다양한 방법 및 시스템이 본 기술 분야에 알려졌으며, 그 중 다수가 Roberts, Bunko 및 Mitchell의 2019년 2월 Hydrocarbon Engineering 기사 "An Evolutionary Approach"에 설명되어 있다. 이 기사의 그림 5는 Air Products가 개발한 AP-C1 TMS 액화 프로세스를 보여주며, 이 프로세스는 일본 도쿄에서의 2017 Gas tech Conference & Exhibition에서 부유시 LNG: 설계 및 기술 세션의 일부로서 2017년 4월 6일 오전 9시 40분~10시 05분에 진행된 프레젠테이션과 연관된 Mark J. Roberts,
Figure pat00001
Nuro Saygi-Arslan 박사, Fei Chen 박사 및 Janet F. Mitchell의 "Innovative Liquefaction Technology for Floating LNG"라는 명칭의 논문에도 설명되어 있다.
Air Products는 브레이튼 냉동 사이클 작동 유체로서 메탄의 이점을 활용하기 위해 AP-C1TM 액화 프로세스를 개발했다. AP-C1TM 프로세스에서, 천연 가스 공급 스트림은 폐루프 역-브레이튼 냉동 사이클에서 순환하는 메탄 기반 냉매와의 간접 열 교환을 통해 액화된 다음 최종 LNG 생성물 생산을 위해 플래싱된다.
미국 특허 출원 US 2018/0180354 A1는 개루프 사이클을 사용하여 천연 가스 공급 스트림을 액화하는 방법을 설명한다. 이 방법에서, 냉매 압축기에서 배출되는 압축된 냉매 스트림은 제1 부분과 제2 부분으로 분할되고, 제1 부분은 천연 가스 공급 스트림과 조합된 다음 천연 가스 공급 스트림이 팽창기에서 팽창되고 분리기에서 증기 및 액체 부분으로 분리되며, 증기 부분은 제1 열 교환기에서 가온된 다음 냉매 압축기로 전송된다. 냉매 스트림의 제2 부분은 제1 열 교환기 섹션에서 냉각된 다음 제3 및 제4 부분으로 더 분할되고, 제3 부분은 제2 열 교환기에서 추가로 냉각 및 액화되어 LNG 생성물을 제공하고, 제4 부분은 팽창기에서 팽창되고 분리기에서 증기와 액체 부분으로 분리되며, 증기 부분은 제2 열 교환기에서 가온되고 제1 열 교환기에서 추가로 가온된 다음 냉매 압축기로 전송된다.
본 출원에는 천연 가스 공급 스트림이 하나 이상의 저온 냉매 스트림과의 간접 열 교환을 통해 냉각 및 액화되고, 생성된 LNG 스트림이 그 후 플래시 가스 및 LNG 생성물을 생산하기 위해 플래싱 및 분리되는 천연 가스 액화를 위한 방법 및 시스템(본 출원에서 "준-개루프" 방법 및 시스템이라고도 지칭됨)이 개시되어 있다. 개시된 방법 및 시스템(이 방법 및 시스템은 본 출원에서 "준-개루프" 방법 및 시스템으로도 지칭됨)에서, 플래시 가스 및 가온된 기체 냉매는 조합되고 압축되어 압축된 냉매를 형성하며, 이 압축된 냉매는 그 후, 팽창되어 하나 이상의 저온 냉매 스트림을 제공하는 냉매를 제공하고, 천연 가스 공급 스트림은 플래시 가스 및 압축 냉매 양자 모두로부터 분리되어 유지된다.
본 발명에 따른 방법 및 시스템의 여러 바람직한 양태가 아래에 요약되어 있다.
양태 1: 천연 가스 액화 방법에 있어서, 이 방법은
(a) 제1 액화 천연 가스 스트림 및 가온된 기체 냉매 스트림을 형성하기 위해 적어도 제1 저온 냉매 스트림과의 간접 열 교환을 통해 천연 가스 공급 스트림을 냉각 및 액화하는 단계;
(b) 제1 액화 천연 가스 스트림을 플래싱 및 분리하여 액화 천연 가스 생성물 스트림 및 적어도 제1 플래시 가스 스트림을 형성하는 단계;
(c) 제1 플래시 가스 스트림과 가온된 기체 냉매 스트림을 조합하고 압축하여 압축된 냉매 스트림을 형성하는 단계; 및
(d) 압축된 냉매 스트림의 적어도 제1 부분을 팽창시켜 제1 저온 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함하고;
천연 가스 공급 스트림은 제1 플래시 가스 스트림 또는 압축된 냉매 스트림으로부터 분리되어 유지되고 그 중 어느 것과도 조합되지 않는다.
양태 2: 양태 1에 따른 방법에 있어서, 단계 (a)는 주 코일 권선 열 교환기 유닛 또는 유닛 세트의 하나 이상의 코일 권선 열 교환기 섹션에서 발생한다.
양태 3: 양태 1 또는 2에 따른 방법에 있어서, 단계 (c)는 하나 이상의 플래시 가스 압축 스테이지에서 제1 플래시 가스 스트림을 압축한 다음 제1 플래시 가스 스트림과 가온된 기체 냉매 스트림을 조합하고, 상기 조합된 제1 플래시 가스 스트림과 가온된 기체 냉매 스트림을 하나 이상의 냉매 압축 스테이지에서 압축하여 압축된 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함한다.
양태 4: 양태 1 내지 3 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 방법은
(e) 단계 (a)에서 천연 가스 공급 스트림이 냉각되고 액화되기 전에 천연 가스 공급 스트림으로부터 천연 가스의 제1 보조 스트림을 인출하는 단계; 및
(f) 제1 플래시 가스 스트림과의 간접 열 교환을 통해 제1 보조 천연 가스 스트림을 냉각 및 액화하여 제2 액화 천연 가스 스트림을 형성하는 단계를 더 포함하고;
제1 플래시 가스 스트림은 단계 (c)에서 가온된 기체 냉매 스트림과 압축 및 조합되기 전에 단계 (f)에서 가온되고,
단계 (b)는 제2 액화 천연 가스 스트림과 제1 액화 천연 가스 스트림을 조합, 플래싱 및 분리하여 액화 천연 가스 생성물 스트림 및 적어도 제1 플래시 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함한다.
양태 5: 양태 4에 따른 방법에서, 단계 (f)는 제1 플래시 가스 열 교환기 유닛 또는 유닛 세트의 하나 이상의 코일 권선 열 교환기 섹션에서 발생한다.
양태 6: 양태 5에 따른 방법에 있어서, 제1 플래시 가스 열 교환기 유닛은 상 분리기 섹션 위에 위치된 하나 이상의 코일 권선 열 교환기 섹션을 수용하는 쉘 케이싱을 포함하는 통합된 열 교환기 및 상 분리기이고, 및 상기 상 분리기 섹션은 단계 (b)에서 제1 및 제2 액화 천연 가스 스트림으로부터 제1 플래시 가스 스트림을 분리하는 데 사용된다.
양태 7: 양태 4 내지 6 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 단계 (f)는 제1 플래시 가스 스트림과의 간접 열 교환을 통해 제1 보조 천연 가스 스트림을 예냉, 냉각 및 액화하여 제2 액화 천연 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하고,
방법은 제1 보조 천연 가스 스트림의 예냉 후 및 액화 전에 제1 보조 천연 가스 스트림으로부터 천연 가스의 제1 사이드 스트림을 인출하고, 천연 가스 공급 스트림의 예냉 후 그리고 단계 (a)에서 천연 가스 공급 스트림의 액화 이전에, 천연 가스의 제1 사이드 스트림을 천연 가스 공급 스트림에 도입하는 단계를 더 포함한다.
양태 8: 양태 1 내지 7 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 단계 (b)는 제1 액화 천연 가스 스트림을 플래싱 및 분리하여 액화 천연 가스 생성물 스트림 및 적어도 제1 플래시 가스 스트림 및 제2 플래시 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하고,
단계 (c)는 압축된 냉매 스트림을 형성하기 위해 제2 플래시 가스 스트림, 제1 플래시 가스 스트림 및 가온된 기체 냉매 스트림을 조합하고 압축하는 단계를 포함하고,
천연 가스 공급 스트림은 또한 제2 플래시 가스 스트림으로부터 분리되어 유지되고 그와 조합되지 않는다.
양태 9: 양태 8에 따른 방법에 있어서, 단계 (c)는 하나 이상의 플래시 가스 압축 스테이지에서 제2 플래시 가스 스트림을 압축한 다음 제2 플래시 가스 스트림과 제1 플래시 가스 스트림을 조합하고, 그 후, 하나 이상의 추가 플래시 가스 압축 스테이지에서 조합된 제1 및 제2 플래시 가스 스트림을 압축한 다음 조합된 제1 및 제2 플래시 가스 스트림과 가온된 기체 냉매 스트림을 조합하고, 하나 이상의 냉매 압축 스테이지에서 조합된 제1 및 제2 플래시 가스 스트림과 가온된 기체 냉매 스트림을 압축하여 압축된 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함한다.
양태 10: 양태 8 또는 9에 따른 방법에 있어서, 방법은
(e) 단계 (a)에서 천연 가스 공급 스트림이 냉각 및 액화되기 전에 천연 가스 공급 스트림으로부터 천연 가스의 제1 보조 스트림 및 천연 가스의 제2 보조 스트림을 인출하는 단계;
(f) 제1 플래시 가스 스트림과의 간접 열 교환을 통해 제1 보조 천연 가스 스트림을 냉각 및 액화하여 제2 액화 천연 가스 스트림을 형성하는 단계; 및
(g) 제2 플래시 가스 스트림과의 간접 열 교환을 통해 제2 보조 천연 가스 스트림을 냉각 및 액화하여 제3 액화 천연 가스 스트림을 형성하는 단계를 더 포함하고,
제1 플래시 가스 스트림은 단계 (c)에서 제2 플래시 가스 스트림 및 가온된 기체 냉매 스트림과 압축 및 조합되기 전에 단계 (f)에서 가온되고,
제2 플래시 가스 스트림은 단계 (c)에서 제1 플래시 가스 스트림 및 가온된 기체 냉매 스트림과 압축 및 조합되기 전에 단계 (g)에서 가온되고,
단계 (b)는 제2 액화 천연 가스 스트림과 제1 액화 천연 가스 스트림을 조합, 플래싱 및 분리하여 제4 액화 천연 가스 스트림 및 제1 플래시 가스 스트림을 형성한 다음, 제4 액화 천연 가스 스트림과 제3 액화 천연 가스 스트림을 조합, 플래싱 및 분리하여 액화 천연 가스 생성물 스트림 및 적어도 제2 플래시 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함한다.
양태 11: 양태 10에 따른 방법에 있어서, 단계 (f)는 제1 플래시 가스 열 교환기 유닛 또는 유닛 세트의 하나 이상의 코일 권선 열 교환기 섹션에서 발생하고, 단계 (g)는 제2 플래시 가스 열 교환기 유닛 또는 유닛 세트의 하나 이상의 코일 권선 열 교환기 섹션에서 발생한다.
양태 12: 양태 11에 따른 방법에 있어서, 제1 플래시 가스 열 교환기 유닛은 상 분리기 섹션 위에 위치된 하나 이상의 코일 권선 열 교환기 섹션을 수용하는 쉘 케이싱을 포함하는 통합된 열 교환기 및 상 분리기이고, 상기 상 분리기 섹션은 단계 (b)에서 제1 및 제2 액화 천연 가스 스트림으로부터 제1 플래시 가스 스트림을 분리하기 위해 사용되며,
상기 제2 플래시 가스 열 교환기 유닛은 상 분리기 섹션 위에 위치된 하나 이상의 코일 권선 열 교환기 섹션을 수용하는 쉘 케이싱을 포함하는 통합된 열 교환기 및 상 분리기이고, 상기 상 분리기 섹션은 단계 (b)에서 제3 및 제4 액화 천연 가스 스트림으로부터 제2 플래시 가스 스트림을 분리하는 데 사용된다.
양태 13: 양태 10 내지 12 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 단계 (f)는 제1 플래시 가스 스트림과의 간접 열 교환을 통해 제1 보조 천연 가스 스트림을 예냉, 냉각 및 액화하여 제2 액화 천연 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하고,
단계 (g)는 제2 플래시 가스 스트림과의 간접 열 교환을 통해 제2 보조 천연 가스 스트림을 예냉, 냉각 및 액화하여 제3 액화 천연 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하고,
방법은 제1 보조 천연 가스 스트림의 예냉 후 및 액화 전에 제1 보조 천연 가스 스트림으로부터 천연 가스의 제1 사이드 스트림을 인출하는 단계, 제2 보조 천연 가스 스트림의 예냉 후 및 액화 전에 제2 보조 천연 가스 스트림으로부터 천연 가스의 제2 사이드 스트림을 인출하는 단계 및 천연 가스 공급 스트림의 예냉 후 및 단계 (a)에서의 천연 가스 공급 스트림의 액화 이전에 천연 가스의 제1 사이드 스트림 및 천연 가스의 제2 사이드 스트림을 천연 가스 공급 스트림으로 도입하는 단계를 더 포함한다.
양태 14: 양태 1 내지 13 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 방법은
(h) 액화 천연 가스 생성물 스트림을 액화 천연 가스 저장 탱크에 도입하고 액화 천연 가스 생성물을 저장하는 단계; 및
(i) 액화 천연 가스 저장 탱크로부터 비등 가스 스트림을 인출하는 단계를 더 포함하고;
단계 (c)는 비등 가스 스트림, 제1 플래시 가스 스트림 및 가온된 기체 냉매 스트림을 조합하고 압축하여 압축된 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함하고,
천연 가스 공급 스트림은 또한 비등 가스 스트림으로부터 분리되어 유지되고 그와 조합되지 않는다.
양태 15: 양태 14에 따른 방법에 있어서, 단계(c)는 비등 가스 스트림, 제1 플래시 가스 스트림 및 가온된 기체 냉매 스트림을 조합하기 전에 하나 이상의 비등 가스 압축 스테이지에서 비등 가스 스트림을 압축하고, 하나 이상의 냉매 압축 스테이지에서 상기 조합된 비등 가스 스트림, 제1 플래시 가스 스트림 및 가온된 기체 냉매 스트림을 압축하여 압축된 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함한다.
양태 16: 양태 1 내지 15 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 단계 (d)는 압축된 냉매 스트림의 제1 부분을 팽창시켜 제1 저온 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함하고,
단계 (b)는 제1 액화 천연 가스 스트림과 제2 저온 냉매 스트림을 조합, 플래싱 및 분리하여 액화 천연 가스 생성물 스트림 및 적어도 제1 플래시 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하고,
방법은
(j) 압축된 냉매 스트림의 제2 부분을 제1 저온 냉매 스트림과의 간접 열 교환을 통해 냉각시켜 제2 저온 냉매 스트림을 형성하는 단계를 더 포함한다.
양태 17: 양태 16에 따른 방법에 있어서, 방법은
(k) 압축된 냉매 스트림의 제3 부분을 팽창시켜 제3 저온 냉매 스트림을 형성하는 단계를 더 포함하고; 및
단계 (a)는 제1 및 제3 저온 냉매 스트림과의 간접 열 교환을 통해 천연 가스 공급 스트림을 예냉하고, 제1 저온 냉매 스트림과의 간접 열 교환을 통해 천연 가스 공급 스트림을 추가로 냉각 및 액화하여 천연 가스 공급 스트림으로부터 제1 액화 천연 가스 스트림을 형성하고, 제1 및 제3 저온 냉매 스트림으로부터 가온된 기체 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함한다.
양태 18: 양태 17에 따른 방법에 있어서, 방법은
(l) 압축된 냉매 스트림의 제1 부분이 단계 (d)에서 팽창되기 전에, 그리고, 압축된 냉매의 제2 부분이 단계 (j)에서 추가로 냉각되는 스트림이 되기 전에, 제1 및 제3 저온 냉매 스트림과의 간접 열 교환을 통해 압축된 냉매 스트림의 제1 및 제2 부분을 예냉하는 단계를 더 포함한다.
양태 19: 양태 17 또는 18에 따른 방법에 있어서, 제3 저온 냉매 스트림은 기체 냉매 스트림이다.
양태 20: 양태 1 내지 19 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 제1 저온 냉매 스트림은 기체 냉매 스트림이다.
양태 21: 양태 1 내지 20 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 천연 가스 공급 스트림은 90℃ 내지 115℃의 온도의 제1 액화 천연 가스 스트림을 형성하기 위해 단계 (a)에서 냉각된다.
양태 22: 천연 가스 액화 시스템에 있어서, 시스템은
천연 가스 공급 스트림 및 적어도 제1 저온 냉매 스트림을 수용하고, 적어도 제1 저온 냉매 스트림과의 간접 열 교환을 통해 천연 가스 공급 스트림을 냉각 및 액화하여 제1 액화 천연 가스 스트림 및 가온된 기체 냉매 스트림을 형성하도록 배열 및 구성된 하나 이상의 열 교환기 섹션;
액화 천연 가스 생성물 스트림 및 적어도 제1 플래시 가스 스트림을 형성하기 위해 제1 액화 천연 가스 스트림을 수용, 플래싱 및 분리하도록 배열 및 구성된 하나 이상의 팽창 및 분리 디바이스;
압축된 냉매 스트림을 형성하기 위해 제1 플래시 가스 스트림과 가온된 기체 냉매 스트림을 수용, 조합 및 압축하도록 배열 및 구성된 하나 이상의 도관 및 냉매 압축 스테이지; 및
압축된 냉매 스트림의 적어도 제1 부분을 수용하고 팽창시켜 제1 저온 냉매 스트림을 형성하도록 배열 및 구성된 팽창 디바이스를 포함하고;
시스템은 천연 가스 공급 스트림이 제1 플래시 가스 스트림 또는 압축된 냉매 스트림으로부터 분리되어 유지되고 그 중 어느 것과도 조합되지 않도록 배열 및 구성된다.
도 1은 본 발명에 따른 것이 아닌 천연 가스를 냉각 및 액화하기 위한 비교 방법 및 시스템을 도시하는 개략적인 흐름도이다.
도 2는 천연 가스를 냉각 및 액화하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 방법 및 시스템을 도시하는 개략적인 흐름도이다.
도 2a는 도 2의 방법 및 시스템에서 사용될 수 있는 통합된 열 교환기 및 상 분리기를 나타내는 개략적인 흐름도이다.
본 출원에서는 천연 가스 공급 스트림이 하나 이상의 냉매 스트림과의 간접 열 교환을 통해 냉각 및 액화된 다음, 생성된 LNG 스트림이 플래싱 및 분리되어 LNG 생성물을 생산하는 천연 가스 액화 방법 및 시스템이 설명된다.
본 출원에 사용되는 바와 같이, 달리 나타내지 않는 한, 관사("a" 및 "an")는 명세서 및 청구범위에 설명된 본 발명의 실시예의 임의의 특징에 적용될 때 하나 이상을 의미한다. 관사("a" 및 "an")의 사용은 이러한 제한이 구체적으로 언급되지 않는 한, 단일 특징으로 의미를 제한하지 않는다. 단수 또는 복수 명사 또는 명사구에 선행하는 관사("the")는 특정한 명시된 특징 또는 특정한 명시된 특징들을 나타내며 사용되는 문맥에 따라 단수 또는 복수 의미를 가질 수 있다.
본 출원에서 방법의 인용된 단계를 식별하기 위해 문자가 사용되는 경우(예를 들어, (a), (b) 및 (c)), 이러한 문자는 단지 방법 단계를 참조하는 것을 돕기 위해서만 사용되며, 이러한 순서가 구체적으로 언급되지 않는 한, 청구된 단계가 수행되는 특정 순서를 나타내기 위한 것이 아니다.
방법 또는 시스템의 언급된 특징을 식별하기 위해 본 출원에 사용되는 경우, "제1", "제2", "제3" 등의 용어는 단지 관련 특징을 참조하고 그들 사이의 구별을 돕기 위해서만 사용되며 이러한 순서가 구체적으로 언급되지 않는 한 해당 특징들의 임의의 특정 순서를 나타내기를 의도하지 않는다.
본 출원에 사용될 때, 용어 "천연 가스"는 또한 합성 및/또는 대체 천연 가스도 포함한다. 천연 가스의 주요 성분은 메탄(전형적으로 공급 스트림의 적어도 85몰%, 더 자주는 적어도 90몰%, 평균적으로 약 95몰%를 포함함)이다. 더 적은 양으로 존재할 수 있는 미가공 천연 가스의 다른 전형적인 성분에는 질소, 헬륨 및 수소와 같은 하나 이상의 "경질 성분"(즉, 메탄보다 비등점이 낮은 성분) 및/또는 하나 이상의 "중질 성분"(즉, 메탄보다 비등점이 높은 성분), 예컨대, 이산화탄소 및 기타 산성 가스, 습기, 수은 및 중탄화수소, 예컨대, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄 등을 포함한다. 그러나, 액화되기 전에 미가공 천연 가스 공급 스트림은 존재할 수 있는 임의의 중질 성분의 수준을 열 교환기 섹션 또는 천연 가스가 냉각되고 액화되는 섹션에서 결빙 또는 기타 작동 문제를 방지하는 데 필요한 수준으로 낮추기 위해 필요에 따라 처리된다.
본 출원에 사용되는 "액화 천연 가스"라는 용어는 액체 상에 있는 천연 가스를 의미하거나, 그 임계점을 초과한 온도 및 압력에 있는 천연 가스(즉, 초임계 유체)에 관련하여, 그 임계점 밀도를 초과한 밀도의 천연 가스를 의미한다. 마찬가지로, 천연 가스의 "액화"에 대한 언급은 천연 가스의 증기에서 액체로(즉, 기체로부터 액체 상으로)의 변환(전형적으로 냉각에 의함) 또는 그 임계점을 초과한 온도와 압력에 있는 천연 가스에 관련하여, 천연 가스의 밀도를 그 임계점 밀도를 초과한 밀도로 증가시키는 행위(전형적으로 냉각에 의함)를 의미한다.
본 출원에 사용될 때, "간접 열 교환"이라는 용어는 2개의 유체가 소정 형태의 물리적 장벽에 의해 서로 분리되어 유지되는 2개의 유체 사이의 열 교환을 의미한다.
본 출원에 사용될 때, "열 교환기 섹션"이라는 용어는 열 교환기 섹션의 저온측 통해 유동하는 유체의 하나 이상의 스트림과 열 교환기 섹션의 고온측 통해 유동하는 유체의 하나 이상의 스트림 사이에서 간접 열 교환이 발생하는 유닛 또는 유닛의 부분을 의미하며, 저온측을 통해 유동하는 유체의 스트림(들)은 그에 의해 가온되고, 고온측을 유동하는 유체의 스트림(들)은 그에 의해 냉각된다(용어 "고온측" 및 "저온측"은 순수히 상대적임). 달리 나타내지 않는 한, 열 교환기 섹션은 쉘 및 튜브의 열 교환기 섹션, 코일 권선 또는 플레이트 및 핀 유형의 열 교환기와 같은, 그러나, 이에 제한되지 않는, 임의의 적절한 유형의 열 교환기 섹션일 수 있다.
본 출원에 사용될 때, "코일 권선 열 교환기" 및 "코일 권선 열 교환기 유닛"이라는 용어는 쉘 케이싱에 수납된 하나 이상의 튜브 번들을 포함하는 본 기술 분야에 알려진 유형의 열 교환기를 지칭한다. "코일 권선 열 교환기 섹션"은 하나 이상의 상기 튜브 번들, 상기 번들(들)의 "튜브측", 즉, 전형적으로 상기 섹션의 고온측을 나타내며 섹션을 통한 하나 이상의 통로(또한, 튜브 회로라고도 지칭됨)를 형성하는, 번들(들) 내의 튜브의 내부와 상기 번들(들)의 "쉘측", 즉, 전형적으로 상기 섹션의 저온측을 나타내고 섹션을 통한 단일 통로를 형성하는, 쉘 케이싱의 내부와 튜브의 외부 사이에서 그들에 의해 형성된 공간을 포함한다. 쉘측은 거의 항상 섹션의 저온측으로 사용되며, 따라서, 섹션에 냉각 듀티를 제공하는 냉매가 쉘측을 통과하고, 그 이유는 쉘측이 튜브측보다 매우 더 낮은 유동 저항을 제공하고, 매우 더 큰 압력 강하를 허용하며, 이로 인해, 쉘측을 통한 저온 냉매의 팽창된 스트림을 훨씬 더 효과적이고 효율적으로 통과시키기 때문이다. 코일 권선 열 교환기는 그 견고성, 안전성 및 열 전달 효율로 잘 알려진 소형 설계의 열 교환기이며, 따라서, 그 설치 공간에 비하여 매우 효율적인 수준의 열 교환을 제공하는 이점이 있다. 그러나, 쉘측은 열 교환기 섹션을 통해 단일 통로만을 형성하기 때문에 상기 열 교환기 섹션의 쉘측에서의 냉매 스트림의 혼합 없이는 코일 권선 열 교환기 섹션의 쉘측에서 2개 이상의 이러한 냉매 스트림을 사용할 수 없다.
본 출원에 사용되는 용어 "플래싱"(본 기술 분야에서 "플래시 증발"이라고도 지칭됨)은 스트림을 냉각하고 액체의 일부를 증발시켜 증기와 액체의 더 저온의, 더 낮은 압력의 2상 혼합물을 생성하기 위해 액체(또는 초임계 또는 2상) 스트림의 압력을 감소시키는 프로세스를 의미하며, 이 혼합물에 존재하는 증기는 또한 "플래시 가스"라고 지칭된다. 본 출원에 사용되는 "플래싱 및 분리"라는 어구는 스트림을 플래싱하고 나머지 액체로부터 플래시 가스를 분리하는 프로세스를 의미한다.
본 출원에 사용될 때, "냉매의 기체 스트림" 및 "기체 냉매 스트림"이라는 어구는 실질적으로 모든, 더욱 바람직하게는 모든 스트림이 증기인(즉, 기체 상인) 냉매의 스트림을 지칭한다. 바람직하게는 스트림은 적어도 80몰% 증기(즉, 적어도 0.8의 증기 부분을 가짐), 더욱 바람직하게는 스트림은 적어도 90몰%, 적어도 95몰% 또는 적어도 99몰% 증기이다.
본 출원에 사용될 때, "팽창 디바이스"라는 용어는 팽창에 적절한 임의의 디바이스 또는 디바이스 집합을 지칭하며 이에 의해 유체의 압력을 낮춘다. 유체를 팽창시키기 위한 적절한 유형의 팽창 디바이스는 팽창기(즉, 터보 팽창기 또는 유압 터빈)와 같은 "등엔트로피" 팽창 디바이스- 유체가 팽창되고 유체의 압력과 온도는 이에 의해 실질적으로 등엔트로피 방식으로(즉, 일을 생성하는 방식으로) 낮아짐 -; 및 밸브 또는 기타 스로틀링 디바이스와 같은 "등엔탈피" 팽창 디바이스- 유체가 팽창되고, 이에 의해, 일을 생성하지 않고 유체의 압력과 온도가 낮아짐 -를 포함한다.
본 출원에 사용되는 용어 "분리 디바이스"는 2상(증기 및 액체) 스트림 또는 혼합물을 별개의 증기(가스) 및 액체 스트림으로 분리하기에 적절한 임의의 디바이스 또는 디바이스 집합을 의미한다. 분리 디바이스의 예는 상 분리기 및 증류 컬럼을 포함한다. "증류 컬럼"이라는 용어는 하나 이상의 분리 스테이지를 수용하는 컬럼을 지칭하며, 분리 스테이지는 패킹 또는 트레이와 같은 디바이스로 구성되어, 컬럼에서 배출되는 액체 및 증기 스트림이 평형 상태가 아니도록(상향 상승 증기에서 고휘발성 성분의 농도가 증가하고, 하향 유동 액체에서 저휘발성 성분의 농도가 증가함) 컬럼 내부의 상향 상승 증기와 하향 유동 액체 사이의 접촉을 증가시켜 물질 전달을 개선시킨다. "상 분리기"라는 용어는 2상 스트림이 그 구성 증기 및 액체 상으로 분리될 수 있는 드럼 또는 다른 용기 형태를 지칭하며, 여기서, 용기로부터 배출되는 액체와 증기 스트림은 평형을 이룬다(상 분리기 내부에는 어떠한 분리 스테이지도 없음).
단지 예로서, 이제 본 발명의 예시적인 실시예를 도면을 참조하여 설명할 것이다. 도면에서, 특징이 2개 이상의 도면에서 공통적인 경우, 이러한 특징에는 동일한 참조 번호가 할당된다. 특징이 도면에 도시된 다른 실시예와 다른 것으로 구체적으로 설명되지 않는 한, 그 특징은 그것이 설명되는 실시예에서 대응하는 특징과 동일한 구조 및 특징을 갖는 것으로 가정될 수 있다. 또한, 그 특징이 이후에 설명되는 실시예에서 상이한 구조 또는 기능을 갖지 않는다면, 명세서에서 구체적으로 언급되지 않을 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따르지 않는 천연 가스를 액화하기 위한 비교 방법 및 시스템이 도시되어 있다. 도 1에 도시된 방법 및 시스템은 2017 Gastech Conference & Exhibition과 연관된 Roberts 등의 논문 "Innovative Liquefaction Technology for Floating LNG" 및 Roberts 등의 2019년 2월 Hydrocarbon Engineering 기사 "An Evolutionary Approach"에 설명된 AP-C1TM 방법 및 시스템과 유사하다.
천연 가스 공급 스트림(100, 122)은 예냉 열 교환기 섹션(124) 및 액화 열 교환기 섹션(130)을 포함하는 주 열 교환기로 전송된다. 천연 가스의 2개의 보조 스트림(102, 112)은 천연 가스 공급 스트림(122)이 주 열 교환기로 도입되기 전에 천연 가스 공급 스트림(100)으로부터 인출된다. 천연 가스 공급 스트림(122)은 예냉 열 교환기 섹션(124)에서 예냉되고, 결과적인 예냉된 천연 가스 공급 스트림(126, 128)은 이어서 추가로 냉각되고 액화 열 교환기 섹션(130)에서 액화되어 제1 LNG 스트림(132)을 형성한다.
제1 보조 천연 가스 스트림(112)은 예냉 열 교환기 섹션 및 액화 열 교환기 섹션을 포함하는 제1 플래시 가스 열 교환기(114)로 전송된다. 제1 보조 천연 가스 스트림(112)은 제1 플래시 가스 열 교환기(114)의 예냉 열 교환기 섹션에서 예냉되어 예냉된 제1 보조 천연 가스 스트림을 형성하고, 그 후, 예냉된 제1 보조 천연 가스 스트림은 제1 플래시 가스 열 교환기(114)의 액화 열 교환기 섹션에서 더 냉각되고 액화되어 제2 LNG 스트림(116)을 형성한다.
제2 보조 천연 가스 스트림(102)은 예냉 열 교환기 섹션 및 액화 열 교환기 섹션을 포함하는 제2 플래시 가스 열 교환기(104)로 전송된다. 제2 보조 천연 가스 스트림(102)은 제2 플래시 가스 열 교환기(104)의 예냉 열 교환기 섹션에서 예냉되어 예냉된 제2 보조 천연 가스 스트림을 형성하고, 그 후, 예냉된 제2 보조 천연 가스 스트림은 제2 플래시 가스 열 교환기(104)의 액화 열 교환기 섹션에서 더 냉각되고 액화되어 제3 LNG 스트림(106)을 형성한다.
천연 가스의 제1 사이드 스트림(119)은 제1 플래시 가스 열 교환기(114)의 액화 열 교환기 섹션에서 예냉된 제1 보조 천연 가스 스트림의 추가 냉각 및 액화 이전에 예냉된 제1 보조 천연 가스 스트림으로부터 인출되고, 천연 가스의 제2 사이드 스트림(109)은 제2 플래시 가스 열 교환기(104)의 액화 열 교환기 섹션에서 예냉된 제2 보조 천연 가스 스트림의 추가 냉각 및 액화 이전에 예냉된 제2 보조 천연 가스 스트림으로부터 인출된다. 천연 가스의 제1 및 제2 사이드 스트림(119, 109)은 예냉된 천연 가스 공급 스트림(128)이 추가로 냉각되고 주 열 교환기의 액화 열 교환기 섹션(230)에서 액화되기 전에 예냉된 천연 가스 공급 스트림(126)으로 도입되어 조합된다.
제1 LNG 스트림(132)은 J-T 밸브(135)에 걸쳐 플래싱되기 전에 LNG 유압 터빈(133)에서 팽창되고, 그리고 제2 LNG 스트림(116)은 J-T 밸브(117)에 걸쳐 플래싱되며, 2개의 스트림은 그 후 조합되어 고압(HP) 플래시 드럼(136)으로 도입되며, 여기서 이들은 액체 상과 증기 상으로 분리된다. 증기 상 및 액체 상이 각각 HP 플래시 드럼(136)으로부터 인출되어 제1 플래시 가스 스트림(137) 및 제4 LNG 스트림(141)을 형성한다.
제3 LNG 스트림(106) 및 제4 LNG 스트림(141)은 조합되기 전에 J-T 밸브(107, 142)에 걸쳐 플래싱되고 저압(LP) 플래시 드럼(144)으로 도입되며, 여기서 이들은 액체 상 및 증기 상으로 분리된다. 증기 상 및 액체 상은 각각 LP 플래시 드럼(144)으로부터 인출되어 제2 플래시 가스 스트림(147) 및 LNG 생성물 스트림(145)을 형성한다. LNG 생성물 스트림(145)은 저장을 위해 LNG 저장 탱크(193)로 전송된다.
제1 플래시 가스 스트림(137)은 제1 플래시 가스 열 교환기(114)의 저온측으로 전송되고, 여기서, 이는 제1 보조 천연 가스 스트림(112)을 예냉, 냉각 및 액화하기 위한 냉각 듀티를 제공한다. 제1 플래시 가스 스트림(137)은 제1 플래시 가스 열 교환기(114)의 저온측에서 가온되어, 가온된 제1 플래시 가스 스트림(139)을 형성한다.
제2 플래시 가스 스트림(147)은 제2 플래시 가스 열 교환기(104)의 저온측으로 전송되고, 여기서, 이는 제2 보조 천연 가스 스트림(102)을 예냉, 냉각 및 액화하기 위한 냉각 듀티를 제공한다. 제2 플래시 가스 스트림(147)은 제2 플래시 가스 열 교환기(104)의 저온측에서 가온되어, 가온된 제2 플래시 가스 스트림(148)을 형성한다.
그 후, 가온된 제1 플래시 가스 스트림(139) 및 가온된 제2 플래시 가스 스트림(148)은 압축되고 다단 플래시 가스 압축기(149)에서 조합되어 압축된 플래시 가스 스트림(151)을 형성하며, 이는 그 후 애프터쿨러(153)에서 냉각된다. LNG 저장 탱크(293)의 상부 공간에 축적된 증기는 LNG 저장 탱크(193)로부터 BOG 압축기(195)로 전송되는 비등 가스(BOG) 스트림(194)으로서 LNG 저장 탱크(193)로부터 인출된다. BOG 압축기(195)에서 압축된 후, BOG 스트림은 BOG 애프터쿨러(197)에서 냉각된다. 애프터쿨러(153)에서 배출되는 압축된 플래시 가스 스트림(155)은 BOG 애프터쿨러(197)에서 배출되는 압축된 BOG 스트림(199)과 조합되고 천연 가스 공급 스트림(122)이 주 열 교환기로 도입되기 전에 천연 가스 공급 스트림(100)으로 도입된다.
주 열 교환기를 위한 냉동은 폐루프 역 브레이튼 냉동 사이클에서 순환하는 메탄 기반 냉매(전형적으로 소량의 질소와 천연 가스로 구성됨)에 의해 제공된다. 요약하면, 주 열 교환기의 예냉 섹션(124)의 저온측으로부터 배출되는 가온된 기체 냉매(189)는 인터쿨러(161) 및 애프터쿨러(168)를 갖는 제1 압축 스테이지(158) 및 제2 압축 스테이지(165)를 포함하는 다단 냉매 압축기에서 압축된다. 그 후, 애프터쿨러에서 배출되는 압축된 냉매 스트림(170)은 이후 2개의 스트림(171 및 174)으로 분할된다. 스트림(171)은 고온 컴팬더(172)의 압축기 부분에서 더 압축되어 스트림(173)을 형성하고, 스트림(174)은 저온 컴팬더(175)의 압축기 부분에서 더 압축되어 스트림(176)을 형성한다. 스트림(173, 176)은 재조합된 다음 애프터쿨러(178)에서 냉각되어 추가로 압축된 냉매 스트림(179)을 형성한다.
그 후, 추가로 압축된 냉매 스트림(179)은 다시 2개의 스트림, 즉, 압축된 냉매의 제1 부분으로 구성된 스트림(181) 및 압축된 냉매의 제2 부분으로 구성된 스트림(180)으로 분할된다. 스트림(181)은 주 열 교환기의 예냉 열 교환기 섹션(124)에서 예냉되고, 그 후, 생성된 예냉 스트림(184)은 제1 저온 냉매 스트림(185)을 형성하기 위해 저온 컴팬더(175)의 팽창기 부분에서 팽창된다. 스트림(180)은 고온 컴팬더(172)의 팽창기 부분에서 팽창되어 제2 저온 냉매 스트림(187)을 형성한다.
제1 저온 냉매 스트림(185)은 액화 섹션(130)의 저온측으로 전송되고, 거기서, 예냉된 천연 가스 공급 증기(128)를 더 냉각하고 액화하기 위한 냉각 듀티를 제공하도록 가온된다. 액화 섹션(130)으로부터 배출되는 제1 저온 냉매 스트림(186) 및 제2 저온 냉매 스트림(187)은 그 후 조합되어 예냉 섹션(124)의 저온측으로 도입되고, 거기서, 이들은 천연 가스 공급 증기(122)를 예냉하기 위한 냉각 듀티 및 압축된 냉매 스트림의 제1 부분으로 구성된 스트림(181)을 제공하도록 가온된다. 예냉 섹션(124)으로부터 배출되는 조합된 제1 저온 냉매 스트림 및 제2 저온 냉매 스트림은 그 후 앞서 설명한 바와 같이 다단 냉매 압축기(158/165)에서 압축되는 가온된 기체 냉매 스트림(289)을 형성한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 천연 가스 액화 방법 및 시스템이 도시되어 있다.
전형적으로, 주위 온도 및 고압, 전형적으로 20 내지 100 bara에 있는 천연 가스 공급 스트림(200, 222)은 천연 가스 공급 스트림(222)을 냉각 및 액화하기 위한 하나 이상의 열 교환기 섹션을 포함하는 주 열 교환기로 전송된다. 바람직하게는, 천연 가스 공급 스트림(200)은 천연 가스 액체(C2-C5+탄화수소), 중탄화수소(C6+ 탄화수소) 및 방향족 탄화수소(예를 들어, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 및 자일렌)가 적어도 실질적으로 없다. 전형적으로, 천연 가스 공급 스트림(200)은 전처리 섹션(도시되지 않음)에서 이미 전처리되었을 것이다. 천연 가스 공급의 조성에 따라, 상기 전처리는 H2S 및 CO2 불순물을 제거하기 위해 산성 가스 제거 유닛, 물 제거를 위한 탈수 유닛 및/또는 수은 제거 유닛에서 천연 가스 공급 스트림을 처리하는 것을 포함할 수 있다.
천연 가스의 2개의 보조 스트림(202, 212)은 천연 가스 공급 스트림(222)이 주 열 교환기로 도입되기 전에 천연 가스 공급 스트림(200)으로부터 인출된다. 더 구체적으로, 초기 천연 가스 공급 스트림(200)은 세 부분으로 분할된다. 초기 천연 가스 공급 스트림(200)의 유동의 5 내지 40%, 바람직하게는 15 내지 30%를 구성하는 제1 부분은 인출되어 제1 보조 천연 가스 스트림(212)을 형성한다. 초기 천연 가스 공급 스트림(200)의 유동의 5 내지 30%, 바람직하게는 10 내지 20%를 구성하는 제2 부분은 인출되어 제2 보조 천연 가스 스트림(202)을 형성한다. 마지막으로, 초기 천연 가스 공급 스트림(200)의 유동의 잔여 부분을 구성하는 제3(그리고 전형적으로 주요) 부분은 천연 가스 스트림(222)을 형성하고, 이는 그 후 냉각 및 액화를 위해 주 열 교환기로 전송되고 도입된다.
예시된 실시예에서, 주 열 교환기는 2개의 열 교환기 섹션(224, 230), 즉, 예냉 섹션(224) 및 액화 섹션(230)으로 구성된다. 예시된 실시예에서, 예냉 섹션(224) 및 액화 섹션(230)은 양자 모두 별개의 유닛에 수용된 코일 권선 열 교환기 섹션이다. 그러나, 다른 실시예에서, 두 섹션은 단일 유닛(예컨대, 두 섹션이 동일한 쉘 케이싱에 수용되는 코일 권선 열 교환기 유닛)에 수용될 수 있고/있거나 다른 유형의 열 교환기 섹션, 예컨대, 쉘 및 튜브 또는 플레이트 핀 유형의 열 교환기 섹션일 수 있지만, 코일 권선 열 교환기 섹션이 바람직하다. 단지 2개의 열 교환기 섹션을 갖는 대신에, 주 열 교환기는 또한 단지 하나의 열 교환기 섹션 또는 직렬 및/또는 병렬로 배열된 3개 이상의 열 교환기 섹션으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 예냉 섹션(224)은 병렬로 배열되고 양자 모두 액화 섹션(230)에 직렬로 연결되는 2개 이상의 예냉 섹션으로 분할될 수 있으며, 예냉 섹션에서 가온되고 냉각되는 스트림은 재조합되기 전에 예냉 섹션 사이에서 분할된다.
천연 가스 공급 스트림(222)은 아래에서 더 구체적으로 설명될 제1 및 제3 저온 냉매 스트림(286, 287)과의 간접 열 교환을 통해 예냉 열 교환기 섹션(224)에서 -45℃와 -25℃ 사이, 더욱 바람직하게는 -40℃와 -30℃ 사이로 예냉된다. 그 후, 생성된 예냉된 천연 가스 공급 스트림(226, 228)은 -115℃와 -90℃ 사이, 더욱 바람직하게는 -110℃와 -95℃ 사이의 온도에서 액화 열 교환기 섹션(230)으로부터 인출되는 제1 LNG 스트림(232)을 형성하기 위해 제1 저온 냉매 스트림(285)과의 간접 열 교환을 통해 액화 열 교환기 섹션(230)에서 추가로 냉각 및 액화된다.
제1 보조 천연 가스 스트림(212)은 냉각 및 액화를 위해 제1 플래시 가스 열 교환기(214)로 전송되며, 제2 보조 천연 가스 스트림(202)은 냉각 및 액화를 위해 제2 플래시 가스 열 교환기(204)로 전송된다.
예시된 실시예에서, 제1 및 제2 플래시 가스 열 교환기(214, 204)는 각각 예냉 섹션 및 액화 섹션 형태의 2개의 열 교환기 섹션으로 구성된다. 예시된 실시예에서, 제1 플래시 가스 열 교환기(214)의 예냉 및 액화 섹션은 단일 유닛(즉, 동일한 쉘 케이싱 내에)에 수용된 코일 권선 열 교환기 섹션이고, 제2 플래시 가스 열 교환기(204)의 예냉 및 액화 섹션은 단일 유닛(즉, 동일한 쉘 케이싱 내에)에 수용된 코일 권선된 열 교환기 섹션이다. 그러나, 다른 실시예에서, 각각의 열 교환기의 두 섹션은 별개의 유닛(예컨대, 별개의 쉘 케이싱)에 수용될 수 있고/있거나 다른 유형의 열 교환기 섹션, 예컨대, 쉘 및 튜브 또는 플레이트 핀 유형의 열 교환기 섹션일 수 있지만, 코일 권선 열 교환기 섹션이 바람직하다. 각각의 플래시 가스 열 교환기는 또한 더 많거나 더 적은 열 교환기 섹션으로 구성될 수 있다.
제1 보조 천연 가스 스트림(212)은 제1 플래시 가스 열 교환기(214)의 예냉 열 교환기 섹션에서 -25℃ 내지 -5℃, 바람직하게는 -20℃ 내지 -10℃로 예냉되어 예냉된 제1 보조 천연 가스 스트림을 형성한다. 예냉된 제1 보조 천연 가스 스트림은 그 후 제1 플래시 가스 열 교환기(214)의 액화 열 교환기 섹션에서 추가로 냉각 및 액화되어 -135℃와 -115℃ 사이, 더욱 바람직하게는 -130℃와 -120℃ 사이의 온도에서 액화 열 교환기 섹션으로부터 인출되는 제2 LNG 스트림(216)을 형성한다. 제1 플래시 가스 열 교환기(214)에서 제1 보조 천연 가스 스트림(212)의 예냉, 냉각 및 액화는 아래에서 더 구체적으로 설명될 제1 플래시 가스 스트림(237)과의 간접 열 교환을 통해 달성된다.
제2 보조 천연 가스 스트림(202)은 제2 플래시 가스 열 교환기(204)의 예냉 열 교환기 섹션에서 -25℃ 내지 -5℃, 바람직하게는 -20℃ 내지 -10℃로 예냉되어 예냉된 제2 보조 천연 가스 스트림을 형성한다. 예냉된 제2 보조 천연 가스 스트림은 그 후 제2 플래시 가스 열 교환기(204)의 액화 열 교환기 섹션에서 더 냉각 및 액화되어 -155℃와 -135℃ 사이, 더욱 바람직하게는 -150℃와 -140℃ 사이의 온도에서 액화 열 교환기 섹션으로부터 인출되는 제3 LNG 스트림(206)을 형성한다. 제2 플래시 가스 열 교환기(204)에서 제2 보조 천연 가스 스트림(202)의 예냉, 냉각 및 액화는 아래에서 더 구체적으로 설명될 제2 플래시 가스 스트림(247)과의 간접 열 교환을 통해 달성된다.
예시된 실시예에서, 천연 가스의 제1 사이드 스트림(219)은 제1 플래시 가스 열 교환기(214)의 액화 열 교환기 섹션에서 예냉된 제1 보조 천연 가스 스트림의 추가 냉각 및 액화 전에 예냉된 제1 보조 천연 가스 스트림으로부터 인출되고, 천연 가스의 제2 사이드 스트림(209)은 제2 플래시 가스 열 교환기(204)의 액화 열 교환기 섹션에서 예냉된 제2 보조 천연 가스 스트림의 추가 냉각 및 액화 이전에 예냉된 제2 보조 천연 가스 스트림으로부터 인출된다. 천연 가스의 제1 및 제2 사이드 스트림(219, 209)은 예냉된 천연 가스 공급 스트림(228)이 추가로 냉각되고 주 열 교환기의 액화 열 교환기 섹션(230)에서 액화되기 전에 예냉된 천연 가스 공급 스트림(226)으로 도입되어 조합된다. 이는 다양한 열 교환기 섹션 사이의 냉각 듀티를 더 잘 균형화하기 위해 수행된다. 제1 사이드 스트림(219)은 -25℃ 내지 -5℃, 더욱 바람직하게는 -20℃ 내지 -10℃의 온도에서 인출되고, 제1 보조 천연 가스 스트림(212)의 유량의 10 내지 50%, 더욱 바람직하게는 20 내지 40%의 유량을 갖는다. 제2 사이드 스트림(209)은 -25℃ 내지 -5℃, 더욱 바람직하게는 -20℃ 내지 -10℃의 온도에서 인출되고, 제2 보조 천연 가스 스트림(202)의 유량의 10 내지 50%, 더욱 바람직하게는 20 내지 40%의 유량을 갖는다.
주 열 교환기의 액화 섹션(230)으로부터 인출된 제1 LNG 스트림(232), 제1 플래시 가스 열 교환기(214)의 액화 열 교환기 섹션으로부터 인출된 제2 LNG 스트림(216), 및 아래에서 더 구체적으로 설명되는 주 열 교환기의 액화 섹션(230)으로부터 인출된 제2 저온 냉매 스트림(290)은 조합, 플래싱 및 분리되어 제4 LNG 스트림(241) 및 제1 플래시 가스 스트림(237)을 형성한다.
예시된 실시예에서, 제1 LNG 스트림(232)은 J-T 밸브(235)에 걸쳐 플래싱되기 전에 스트림의 압력을 감소시킴으로써(이에 의해 액화 효율을 증가시킴) 일이 추출되는 LNG 유압 터빈(233)에서 팽창된다. 제2 저온 냉매 스트림(290)의 압력이 제1 LNG 스트림(232)의 압력 이상인지(이 경우 증기는 유압 터빈(233)의 상류에서 조합됨) 또는 제1 LNG 스트림(232)의 압력 미만인지(이 경우 스트림은 J-T 밸브(235)의 하류에서 조합됨)에 따라, 제2 저온 냉매 스트림(290)은 유동 제어 밸브(291)를 통과하고(필요에 따라 그를 통해 팽창됨) 유압 터빈(233)의 상류에서 제1 LNG 스트림(232)과 조합되거나, 또는 유동 제어 밸브(291A)를 통과하고 그를 통해 플래싱되며 J-T 밸브(235) 하류의 제1 LNG 스트림(232)과 조합된다. 제2 LNG 스트림(216)은 J-T 밸브(217)에 걸쳐 플래싱되고, 제1 LNG 스트림(232) 및 제2 저온 냉매 스트림(290)(J-T 밸브(235)의 하류)과 조합되며, 조합된 스트림은 그 후 고압(HP) 플래시 드럼(236) 형태의 상 분리기에 도입되고, 여기서, 이들은 액체 상과 증기 상으로 분리된다. HP 플래시 드럼(236)은 20 내지 5bara의 압력에서 동작한다. 증기 상 및 액체 상은 각각 HP 플래시 드럼(236)으로부터 인출되어 제1 플래시 가스 스트림(237) 및 제4 LNG 스트림(241)을 형성한다.
그러나, 제1 LNG 스트림(232), 제2 LNG 스트림(216) 및 제2 저온 냉매 스트림(290)을 조합, 플래싱 및 분리하기 위한 임의의 적절한 배열이 사용될 수 있음에 유의해야 한다. LNG 유압 터빈(233)은 생략될 수 있다. 제1 LNG 스트림(232) 및 제2 LNG 스트림(216)은 본질적으로 동일한 압력에서 획득되는 경우, 조합될 수 있고 그 후 함께 플래싱될 수 있다. 제1 LNG 스트림(232), 제2 저온 냉매 스트림(290) 및 제2 LNG 스트림(216) 중 하나 또는 이들 각각이 HP 플래시 드럼(236)으로 개별적으로 도입된 다음 거기서 이 스트림들이 조합될 수 있거나; 또는 제1 LNG 스트림(232), 제2 저온 냉매 스트림(290) 및 제2 LNG 스트림(216) 중 하나 또는 이들 각각이 그 자신의 상 분리기에서 플래싱 및 분리된 다음 상 분리기의 증기 상이 조합되어 제1 플래시 가스 스트림(237)을 형성하고, 그 다음, 상 분리기의 액체 상들이 조합되어 제4 LNG 스트림(241)을 형성할 수 있다.
제2 플래시 가스 열 교환기(204)의 액화 열 교환기 섹션으로부터 인출된 제3 LNG 스트림(206)과 제4 LNG 스트림(241)은 이어서 조합, 플래싱 및 분리되어 LNG 생성물 스트림(245) 및 제2 플래시 가스 스트림(247)을 형성한다.
예시된 실시예에서, 제3 LNG 스트림(206) 및 제4 LNG 스트림(241)은 조합되기 전에 J-T 밸브(207, 242)에 걸쳐 플래싱되고 저압(LP) 플래시 드럼(244)의 형태로 상 분리기로 도입되고, 여기서, 이들은 액체 상과 증기 상으로 분리된다. LP 플래시 드럼(244)은 10 내지 1 bara의 압력으로 동작한다. 증기 상 및 액체 상은 각각 LP 플래시 드럼(244)으로부터 인출되어 제2 플래시 가스 스트림(247) 및 LNG 생성물 스트림(245)을 형성한다.
그러나, 제3 LNG 스트림(206)과 제4 LNG 스트림(241)을 조합, 플래싱 및 분리하기 위한 임의의 적절한 배열이 사용될 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 제3 LNG 스트림(206) 및 제4 LNG 스트림(241)이 LP 플래시 드럼(244)으로 개별적으로 도입된 다음 거기서 2개의 스트림이 조합될 수 있거나; 또는 제3 LNG 스트림(206) 및 제4 LNG 스트림(241)이 각각 자신의 상 분리기에서 분리되어 플래싱된 다음 상 분리기의 증기 상이 조합되어 제2 플래시 가스 스트림(247)을 형성하고, 그 다음, 상 분리기의 액체 상들이 함께 조합되어, LNG 생성물 스트림(245)을 형성할 수 있다.
제1 플래시 가스 스트림(237)은 제1 플래시 가스 열 교환기(214)의 저온측으로 전송되고, 여기서, 이는 앞서 설명한 바와 같이 제1 보조 천연 가스 스트림(212)을 예냉, 냉각 및 액화하기 위한 냉각 듀티를 제공한다. 제1 플래시 가스 스트림(237)은 제1 플래시 가스 열 교환기(214)의 저온측에서 (천연 가스 공급 스트림(200)으로부터 인출된 제1 보조 천연 가스 스트림(212)과의 간접 열 교환을 통해) 천연 가스 공급 스트림(200)의 온도의 섭씨 몇 도 이내로 가온되어 가온된 제1 플래시 가스 스트림(239)을 형성한다.
제2 플래시 가스 스트림(247)은 제2 플래시 가스 열 교환기(204)의 저온측으로 전송되고, 여기서, 이는 앞서 설명한 바와 같이 제2 보조 천연 가스 스트림(202)을 예냉, 냉각 및 액화하기 위한 냉각 듀티를 제공한다. 제2 플래시 가스 스트림(247)은 제2 플래시 가스 열 교환기(204)의 저온측에서 (천연 가스 공급 스트림(200)으로부터 인출된 제2 보조 천연 가스 스트림(202)과의 간접 열 교환을 통해) 천연 가스 공급 스트림(200)의 온도의 섭씨 몇 도 이내로 가온되어 가온된 제2 플래시 가스 스트림(248)을 형성한다.
이어서, 가온된 제1 플래시 가스 스트림(239) 및 가온된 제2 플래시 가스 스트림(248)은 압축되고 조합되어 압축된 플래시 가스 스트림(255)을 형성한다. 예시된 실시예에서, 가온된 제1 및 제2 플래시 가스 스트림(239 및 248)은 효율을 개선하기 위해 예를 들어 인터쿨링(하나 이상의 인터쿨러 형태)을 가질 수 있는 다단 플래시 가스 압축기(249)에서 조합 및 압축되고, 가온된 제2 플래시 가스 스트림(248)은 플래시 가스 압축기(249)의 입구로 전송되고, 가온된 제1 플래시 가스 스트림(239)은 플래시 가스 압축기(249)의 중간 스테이지로 전송된다. 이 배열에서, 플래시 가스 압축기(249)를 가로지르는 전양정은 예를 들어 25,000 내지 40,000미터의 양정일 수 있다. 플래시 가스 압축기(249)로부터 배출되는 압축된 플래시 가스 스트림(251)은 그 후 예를 들어 주위 온도에서 압축된 플래시 가스 스트림(255)을 형성하기 위해 예를 들어 물과 같은 주위 온도 유체에 대해 애프터쿨러(253)에서 냉각된다. 다른 실시예에서, 다단 플래시 가스 압축기(249)는 예를 들어 직렬로(예를 들어, 다단 플래시 가스 압축기와 유사한 방식으로) 또는 병렬로(예를 들어, 가온된 제1 플래시 가스 스트림(239) 및 가온된 제2 플래시 가스 스트림(248)이 개별적으로 압축된 다음 조합됨) 동작하는 별개의 압축기로 대체될 수 있다.
예시된 실시예에서, LNG 생성물 스트림(245)은 저장을 위해 LNG 저장 탱크(293)로 전송된다. 예를 들어 탱크 플래시, 비등 가스 및 증기 치환으로 구성되는, LNG 저장 탱크(293)의 상부 공간에 축적되는 증기는 비등 가스(BOG) 스트림(294)으로서 LNG 저장 탱크(293)로부터 인출된다. BOG 스트림(294)은 LNG 저장 탱크(293)로부터 BOG 압축기(295)로 전송된다. BOG 압축기(295)에서 압축 후, BOG 스트림은 BOG 애프터쿨러(297)에서 예를 들어 물과 같은 주위 온도 유체에 대해 냉각되어 예를 들어 주위 온도에서 압축된 BOG 스트림(299)을 형성한다. 대안적으로, 바람직한 동작에 따라 LNG 저장 탱크(293)는 기포점에서 동작될 수 있다. 이 경우에, BOG 스트림(294) 및 연관된 BOG 압축기(295) 및 BOG 애프터쿨러(297)가 제거될 수 있거나, BOG 스트림(294)은 증기 치환으로만 구성될 수 있고, 그에 따라 BOG 압축기(295) 및 BOG 애프터쿨러(297)가 크기 조절된다.
압축된 플래시 가스 스트림(255)은 주 열 교환기의 예냉 섹션(224)의 저온측으로부터 배출되는 가온된 기체 냉매 증기(289)와 조합되고, 존재하는 경우 압축된 BOG 스트림(299)과 조합되고 압축되어 압축된 냉매 스트림(270)을 형성한다. 예시된 실시예에서, 압축된 플래시 가스 스트림(255), 가온된 기체 냉매 스트림(289) 및 압축된 BOG 스트림(299)은 인터쿨러 및 애프터쿨러가 있는 다단 냉매 압축기에서 조합되고 압축된다. 압축된 플래시 가스, 가온된 기체 냉매 및 압축된 BOG 스트림의 조합된 스트림(257)은 냉매 압축기의 제1 압축 스테이지(258)에서 압축되어 냉매 스트림(260)을 형성하며, 이는 그 후 (예를 들어, 물과 같은 주위 온도 유체에 대해) 인터쿨러(261)에서 냉각된다. 인터쿨러(261)에서 배출되는 냉매 스트림(263)은 그 후 냉매 압축기의 제2 압축 스테이지 265에서 더 압축되고, (예를 들어, 물과 같은 주위 온도 유체에 대해) 애프터쿨러(268)에서 냉각되어 압축된 냉매 스트림(270)을 형성한다.
그 후, 압축된 냉매 스트림(270)은 2개의 컴팬더(272, 275)의 압축 스테이지(압축기 부분) 사이에 유동을 분배하기 위해 2개의 스트림(271, 274)으로 분할된다. 압축된 냉매 스트림(270)의 유동의 40 내지 80%, 더욱 바람직하게는 50 내지 70%를 구성하는 스트림(271)은 고온 컴팬더(272)의 압축기 부분에서 더 압축되어 스트림(273)을 형성하고, 스트림(274)은 저온 컴팬더(275)의 압축기 부분에서 더 압축되어 스트림(276)을 형성한다. 그 후, 스트림(273, 276)은 추가로 압축된 냉매 스트림(279)을 형성하기 위해 (예를 들어, 물과 같은 주위 온도 유체에 대해) 애프터쿨러(278)에서 재조합 및 냉각된다. 대안적인 배열에서, 스트림(273 및 276)은 재조합되기 전에 별개의 애프터쿨러에서 냉각될 수 있다.
그 후, 추가로 압축된 냉매 스트림(279)은 다시 2개의 스트림, 즉, 압축된 냉매 스트림의 제1 부분과 제2 부분(아래에 더 설명됨)으로 구성되는 스트림(281)- 이는 압축된 냉매 스트림(279)의 유동의 40 내지 80%, 더욱 바람직하게는 50 내지 70%를 구성함 -, 및 압축된 냉매 스트림(279)의 제3 부분으로 구성된 스트림(280)으로 분할된다.
압축된 냉매 스트림의 제1 및 제2 부분으로 구성된 스트림(281)은 주 열 교환기의 예냉 열 교환기 섹션(224)에서 제1 및 제3 저온 냉매 스트림(286, 287)과의 간접 열 교환을 통해 -45℃ 내지 -25℃, 더욱 바람직하게는 -40℃ 내지 -30℃로 예냉되고, 스트림(281)은 예냉 열 교환기 섹션(224)의 고온측에서, 천연 가스 공급 스트림(222)이 통과하여 예냉된 천연 가스 공급 스트림(226)과 유사한 온도로 예냉되는 회로(즉, 하나 이상의 통로)와는 별개의 회로(즉, 하나 이상의 통로)를 통해 전송된다. 그 후, 결과적인 예냉된 스트림(282)은 압축된 냉매 스트림의 제1 부분으로 구성된 스트림(284) 및 압축된 냉매 스트림의 제2 부분으로 구성된 스트림(283)으로 더 분할된다.
그 후, 압축된 냉매 스트림의 제2 부분으로 구성되고 스트림(282)의 유동의 5 내지 35%, 더욱 바람직하게는 10 내지 20%를 구성하는 스트림(283)은 주 열 교환기의 액화 열 교환기의 액화 열 교환기 섹션(230)에서 제1 저온 냉매 스트림(285)과의 간접 열 교환을 통해 추가로 냉각(및 액화)되어 제2 저온 냉매 스트림(290)을 형성하고, 이는 -115℃ 내지 -90℃, 더욱 바람직하게는 -110℃ 내지 -95℃의 온도에서 액화 열 교환기 섹션(230)으로부터 인출되고, 그 후, 앞서 설명한 바와 같이 제1 LNG 스트림(232)과 조합, 플래싱 및 분리되며; 스트림(283)은, 액화 열 교환기 섹션(230)의 고온측에서, 예냉된 천연 가스 공급 스트림(228)이 통과하여 제1 LNG 스트림(232)과 유사한 온도로 냉각되는 회로와는 별개의 회로를 통해 전송된다.
압축된 냉매 스트림의 제3 부분으로 구성된 스트림(280)은 고온 컴팬더(272)의 팽창기 부분에서 팽창되어 제3 저온 냉매 스트림(287)을 형성하고, 이는 주 열 교환기의 예냉 섹션(224)의 저온측으로 전송되며, 여기서, 이는 앞서 설명한 바와 같이 압축된 냉매 스트림의 제1 및 제2 부분으로 구성된 스트림(281) 및 천연 가스 공급 스트림(222)을 예냉하기 위한 냉각 듀티를 (제1 저온 냉매 스트림과 함께) 제공한다. 압축된 냉매 스트림의 제3 부분은 바람직하게는 제3 저온 냉매 스트림(287)이 기체 냉매 스트림으로 형성되도록 고온 컴팬더(272)의 팽창기 부분에서 팽창될 때 기체 상태로 유지된다.
압축된 냉매 스트림의 제1 부분으로 구성된 스트림(284)은 저온 컴팬더(275)의 팽창기 부분에서 팽창되어 제1 저온 냉매 스트림(285)을 형성하고, 이는 주 열 교환기의 액화 섹션(230)의 저온측으로 전송되며, 여기서 이는 앞서 설명한 바와 같이 압축된 냉매 스트림의 제2 부분으로 구성된 스트림(283) 및 예냉된 천연 가스 공급 스트림(228)을 추가로 냉각 및 액화하기 위한 냉각 듀티를 제공한다. 압축된 냉매 스트림의 제1 부분은 바람직하게는 제1 저온 냉매 스트림(285)이 기체 냉매 스트림으로 형성되도록 저온 컴팬더(275)의 팽창기 부분에서 팽창될 때 기체 상태로 유지된다.
더 구체적으로, 액화 섹션(230)의 저온측으로 제1 저온 냉매 스트림이 도입되어 가온되고, 여기서, 이는 예냉된 천연 가스 공급 증기(228) 및 압축된 냉매 스트림의 제2 부분으로 구성된 스트림(283)과의 간접 열 교환을 통해 가온된다. (액화 섹션(230)으로 진입하는 예냉된 천연 가스 공급 스트림(228)의 온도의 섭씨 몇 도 이내로 가온된) 액화 섹션(230)으로부터 배출되는 제1 저온 냉매 스트림(286)은 그 후 제3 저온 냉매 스트림(287)과 함께 예냉 섹션(224)의 저온측을 통과하고, 여기서, 제1 저온 냉매 스트림(286)은 추가로 가온되고 제3 저온 냉매 스트림(287)은 천연 가스 공급 증기(222) 및 압축된 냉매 스트림의 제1 및 제2 부분으로 구성된 스트림(281)과의 간접 열 교환을 통해 가온된다. (예냉 섹션(224)에 진입하는 천연 가스 공급 스트림(222)의 온도의 섭씨 몇 도 이내로 가온된) 예냉 섹션(224)으로부터 배출되는 조합된 제1 저온 냉매 스트림 및 제3 저온 냉매 스트림은 가온된 기체 냉매 스트림(289)을 형성하고, 이는 그 후, 앞서 설명한 바와 같이 압축된 플래시 가스 스트림(255) 및 압축된 BOG 스트림(299)- 존재하는 경우 -과 조합된다.
예시된 실시예에서, 액화 섹션(230)으로부터 배출되는 제1 저온 냉매 스트림(286)은 조합 스트림(288)이 예냉 섹션(224)의 저온측으로 도입되어 가온되기 전에 제3 저온 냉매 스트림(287)과 조합된다. 그러나, 대안 실시예에서, 액화 섹션(230)으로부터 배출되는 제1 저온 냉매 스트림(285) 및 제3 저온 냉매 스트림(287)은 예냉 섹션(224)의 저온측으로 개별적으로 도입되어 조합될 수 있거나, 또는 (특히 예냉 섹션(224)이 플레이트 핀 유형의 열 교환기 섹션인 경우) 액화 섹션(230)으로부터 배출되는 제1 저온 냉매 스트림(285) 및 제3 저온 냉매 스트림(287)이 예냉 섹션(224)의 저온측에 있는 별개의 통로를 통과하고 가온된 다음 예냉 섹션(224)으로부터 인출된 후에 조합될 수 있다.
플래시 가스 압축기(249), 냉매 압축기(258, 265) 및 (존재하는 경우) BOG 압축기(295)는 임의의 적절한 수단을 통해 동력을 공급받을 수 있다. 예시된 실시예에서, 압축된 플래시 가스 스트림(255)의 일부는 (압축된 플래시 가스 스트림(255)이 가온된 기체 냉매 스트림(289) 및 압축된 BOG 스트림(299)- 존재하는 경우 -과 조합되기 전에) 연료 스트림(256)으로서 인출되고, 이 연료 스트림은 상기 압축기를 직접 구동하는 데 사용되는 가스 터빈에 동력을 공급하고/거나 상기 압축기를 구동하는 데 사용되는 전기를 생성하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 외부로부터(예컨대, 예를 들어, 전기 그리드로부터) 전력이 이용 가능한 경우, 이를 사용하여 압축기에 동력을 공급할 수 있으며, 이 경우 추가 연료가 필요하지 않을 수 있고 연료 스트림(256)이 제거될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 별개의 플래시 가스 열 교환기(214/204) 및 상 분리기(236/244)를 사용하는 대신, 도 2a에 도시된 바와 같이, 이들을 통합 열 교환기 및 상 분리기로 대체할 수 있다.
이 배열에서, 제1 플래시 가스 열 교환기 유닛(214) 및 제2 플래시 가스 열 교환기 유닛(204)은 각각 코일 권선 열 교환기 유닛이고, 각각의 유닛은 예냉 및 액화 섹션(즉, 이 경우 둘 모두 코일 권선 열 교환기 섹션임)과 예냉 및 액화 섹션 아래에 위치한 상 분리기 섹션을 모두 수용하는 쉘 케이싱을 포함한다.
LNG 유압 터빈(233)으로부터 배출되는 제1 LNG 스트림(234), 제2 저온 냉매 스트림(290) 및 제2 LNG 스트림(216)은 J-T 밸브에 걸쳐 플래싱되고 조합되어 제1 플래시 가스 열 교환기 유닛(214)의 상 분리기 섹션으로 도입되며, 여기서 이들은 액체 상과 증기 상으로 분리되고, 액체 상은 제1 플래시 가스 열 교환기 유닛(214)의 하단에서 인출되어 제4 LNG 스트림(241)을 형성하고, 증기 상은 제1 플래시 가스 스트림을 형성하며, 이는 제1 플래시 가스 열 교환기 유닛(214)의 액화 및 예냉 섹션의 쉘측을 통해 상승하여 제1 보조 천연 가스 스트림(212)을 예냉, 냉각 및 액화하기 위한 냉각 듀티를 제공한다.
제3 LNG 스트림(206) 및 제4 LNG 스트림(241)은 J-T 밸브에 걸쳐 플래싱되고 조합되어 제2 플래시 가스 열 교환기 유닛(204)의 상 분리기 섹션으로 도입되고, 여기서, 이들은 액체 상과 증기 상으로 분리되며, 액체 상은 제2 플래시 가스 열 교환기 유닛(204)의 하단으로부터 인출되어 LNG 생성물 스트림(245)을 형성하고, 증기 상은 제2 플래시 가스 스트림을 형성하고, 이는 제2 플래시 가스 열 교환기 유닛(204)의 액화 및 예냉 섹션의 쉘측을 통해 상승하여 제2 보조 천연 가스 스트림(202)을 예냉, 냉각 및 액화하기 위한 냉각 듀티를 제공한다.
종래 기술에 설명된 폐루프 AP-C1TM 방법 및 시스템 및 마찬가지로 도 1에 도시된 폐루프 방법 및 시스템과 비교하면, 도 2의 "반-개루프" 방법 및 시스템은 개선된 작동성과 감소된 장비 복잡성을 제공한다. 특히, 도 2의 방법 및 시스템에서 플래시 가스 압축기(249)의 출구는 천연 가스 공급 스트림에 연결(액화 효율을 위해 상대적으로 높은 압력이 필요함)되는 대신, 냉매 압축기(258/265)의 입구로 전송된다. 이는 플래시 가스 압축기에서 냉매 압축기로 냉동 동력을 이동시켜, 압축 스테이지 수를 감소시킴으로써 플래시 가스 압축기를 크게 단순화할 수 있게 한다. 예를 들어, 5단 플래시 가스 압축기가 필요한 폐루프 AP-C1TM 방법 및 시스템과 비교하여, 도 2의 방법은 단지 3단 압축기만이 필요할 수 있고, 이는 또한 압축기 케이싱이 하나 더 적어지게 할 것이다.
US 2018/0180354 A1에 설명되고 도시된 개루프 방법 및 시스템과 비교할 때, 도 2의 "반-개루프" 방법 및 시스템은 특히 턴다운 중에 더 효율적으로 동작할 수 있다. 특히, US 2018/0180354 A1의 방법 및 시스템에서, 냉매 압축기로부터 배출되는 냉매의 일부는 천연 가스 공급으로 직접 전송되고, 따라서, 냉매 압축기는 냉매 압축기의 출구 압력이 천연 가스 공급 압력(앞서 설명한 바와 같이 액화 효율을 위해 상대적으로 높은 압력에 있어야함)과 일치하도록 동작되어야 한다. 반대로, 도 2의 방법 및 시스템에서 압축된 냉매는 천연 가스 공급 스트림으로부터 분리되어 유지되고 천연 가스 공급 스트림과 조합되지 않으므로 천연 가스 공급 압력으로부터 냉매 압축기의 출구 압력이 분리된다. 이는 차례로 냉매 루프의 냉매 압력을 낮추는 동시에 천연 가스 공급 스트림을 더 높고 액화를 위한 더 효율적인 압력에서 계속 동작할 수 있게 하며, 따라서, 더 많은 자유도를 제공하고 다양한 동작 조건에서 더 높은 수준의 프로세스 최적화를 가능하게 한다.
예 1
이 예에서는 Aspen Technologies, Inc.로부터 입수할 수 있는 Aspen 시뮬레이션 소프트웨어 버전 10을 사용하여 도 2에 묘사된 천연 가스를 냉각 및 액화하는 방법 및 시스템을 시뮬레이션했다.
표 1은 시뮬레이션된 예의 데이터를 도시한다. 이 예에서, 2단 냉매 압축기(258/265)는 약 124.6MW의 가스 마력을 가지고; 다단 플래시 가스 압축기(249)(이 예에서는 2개의 인터쿨러를 포함함) 및 BOG 압축기(295)는 각각 약 14.0MW 및 5.0MW의 가스 마력을 갖고; 제2 저온 냉매 스트림(290)은 유압 터빈(233)의 상류에서 제1 LNG 스트림(232)과 조합되었다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 앞서 설명된 세부사항으로 제한되지 않고, 다음 청구범위에 정의된 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 수많은 수정 및 변형이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 천연 가스 액화 방법에 있어서,
    (a) 제1 액화 천연 가스 스트림 및 가온된 기체 냉매 스트림을 형성하기 위해 적어도 제1 저온 냉매 스트림과의 간접 열 교환을 통해 천연 가스 공급 스트림을 냉각 및 액화하는 단계;
    (b) 상기 제1 액화 천연 가스 스트림을 플래싱 및 분리하여 액화 천연 가스 생성물 스트림 및 적어도 제1 플래시 가스 스트림을 형성하는 단계;
    (c) 상기 제1 플래시 가스 스트림과 상기 가온된 기체 냉매 스트림을 조합하고 압축하여 압축된 냉매 스트림을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 압축된 냉매 스트림의 적어도 제1 부분을 팽창시켜 상기 제1 저온 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함하고;
    상기 천연 가스 공급 스트림은 상기 제1 플래시 가스 스트림 또는 상기 압축된 냉매 스트림으로부터 분리되어 유지되고 그 중 어느 것과도 조합되지 않는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 단계 (a)는 주 코일 권선 열 교환기 유닛 또는 유닛 세트의 하나 이상의 코일 권선 열 교환기 섹션에서 발생하는, 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 단계 (c)는 하나 이상의 플래시 가스 압축 스테이지에서 상기 제1 플래시 가스 스트림을 압축한 다음 상기 제1 플래시 가스 스트림과 상기 가온된 기체 냉매 스트림을 조합하고, 상기 조합된 제1 플래시 가스 스트림과 가온된 기체 냉매 스트림을 하나 이상의 냉매 압축 스테이지에서 압축하여 압축된 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 방법은
    (e) 단계 (a)에서 상기 천연 가스 공급 스트림이 냉각되고 액화되기 전에 상기 천연 가스 공급 스트림으로부터 천연 가스의 제1 보조 스트림을 인출하는 단계; 및
    (f) 상기 제1 플래시 가스 스트림과의 간접 열 교환을 통해 상기 제1 보조 천연 가스 스트림을 냉각 및 액화하여 제2 액화 천연 가스 스트림을 형성하는 단계를 더 포함하고;
    상기 제1 플래시 가스 스트림은 단계 (c)에서 가온된 기체 냉매 스트림과 압축 및 조합되기 전에 단계 (f)에서 가온되고,
    단계 (b)는 상기 제2 액화 천연 가스 스트림과 상기 제1 액화 천연 가스 스트림을 조합, 플래싱 및 분리하여 상기 액화 천연 가스 생성물 스트림 및 적어도 상기 제1 플래시 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 단계 (f)는 제1 플래시 가스 열 교환기 유닛 또는 유닛 세트의 하나 이상의 코일 권선 열 교환기 섹션에서 발생하는, 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 제1 플래시 가스 열 교환기 유닛은 상 분리기 섹션 위에 위치된 하나 이상의 코일 권선 열 교환기 섹션을 수용하는 쉘 케이싱을 포함하는 통합 열 교환기 및 상 분리기이고, 및 상기 상 분리기 섹션은 단계 (b)에서 상기 제1 및 제2 액화 천연 가스 스트림으로부터 제1 플래시 가스 스트림을 분리하는 데 사용되는, 방법.
  7. 청구항 4에 있어서, 단계 (f)는 상기 제1 플래시 가스 스트림과의 간접 열 교환을 통해 상기 제1 보조 천연 가스 스트림을 예냉, 냉각 및 액화하여 제2 액화 천연 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은 상기 제1 보조 천연 가스 스트림의 예냉 후 및 액화 전에 상기 제1 보조 천연 가스 스트림으로부터 천연 가스의 제1 사이드 스트림을 인출하고, 상기 천연 가스 공급 스트림의 예냉 후 그리고 단계 (a)에서 상기 천연 가스 공급 스트림의 액화 이전에, 상기 천연 가스의 상기 제1 사이드 스트림을 상기 천연 가스 공급 스트림에 도입하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 단계 (b)는 상기 제1 액화 천연 가스 스트림을 플래싱 및 분리하여 상기 액화 천연 가스 생성물 스트림 및 적어도 상기 제1 플래시 가스 스트림 및 제2 플래시 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하고,
    단계 (c)는 압축된 냉매 스트림을 형성하기 위해 상기 제2 플래시 가스 스트림, 상기 제1 플래시 가스 스트림 및 상기 가온된 기체 냉매 스트림을 조합하고 압축하는 단계를 포함하고,
    상기 천연 가스 공급 스트림은 또한 상기 제2 플래시 가스 스트림으로부터 분리되어 유지되고 그와 조합되지 않는, 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 단계 (c)는 하나 이상의 플래시 가스 압축 스테이지에서 상기 제2 플래시 가스 스트림을 압축한 다음 상기 제2 플래시 가스 스트림과 상기 제1 플래시 가스 스트림을 조합하고, 그 후, 하나 이상의 추가 플래시 가스 압축 스테이지에서 상기 조합된 제1 및 제2 플래시 가스 스트림을 압축한 다음 상기 조합된 제1 및 제2 플래시 가스 스트림과 상기 가온된 기체 냉매 스트림을 조합하고, 하나 이상의 냉매 압축 스테이지에서 상기 조합된 제1 및 제2 플래시 가스 스트림과 가온된 기체 냉매 스트림을 압축하여 상기 압축된 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 방법은
    (e) 단계 (a)에서 상기 천연 가스 공급 스트림이 냉각 및 액화되기 전에 상기 천연 가스 공급 스트림으로부터 천연 가스의 제1 보조 스트림 및 천연 가스의 제2 보조 스트림을 인출하는 단계;
    (f) 상기 제1 플래시 가스 스트림과의 간접 열 교환을 통해 상기 제1 보조 천연 가스 스트림을 냉각 및 액화하여 제2 액화 천연 가스 스트림을 형성하는 단계; 및
    (g) 상기 제2 플래시 가스 스트림과의 간접 열 교환을 통해 상기 제2 보조 천연 가스 스트림을 냉각 및 액화하여 제3 액화 천연 가스 스트림을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제1 플래시 가스 스트림은 단계 (c)에서 제2 플래시 가스 스트림 및 가온된 기체 냉매 스트림과 압축 및 조합되기 전에 단계 (f)에서 가온되고,
    상기 제2 플래시 가스 스트림은 단계 (c)에서 제1 플래시 가스 스트림 및 가온된 기체 냉매 스트림과 압축 및 조합되기 전에 단계 (g)에서 가온되고,
    단계 (b)는 상기 제2 액화 천연 가스 스트림과 상기 제1 액화 천연 가스 스트림을 조합, 플래싱 및 분리하여 제4 액화 천연 가스 스트림 및 상기 제1 플래시 가스 스트림을 형성한 다음, 상기 제4 액화 천연 가스 스트림과 상기 제3 액화 천연 가스 스트림을 조합, 플래싱 및 분리하여 상기 액화 천연 가스 생성물 스트림 및 적어도 상기 제2 플래시 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 단계 (f)는 제1 플래시 가스 열 교환기 유닛 또는 유닛 세트의 하나 이상의 코일 권선 열 교환기 섹션에서 발생하고, 단계 (g)는 제2 플래시 가스 열 교환기 유닛 또는 유닛 세트의 하나 이상의 코일 권선 열 교환기 섹션에서 발생하는, 방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 제1 플래시 가스 열 교환기 유닛은 상 분리기 섹션 위에 위치된 하나 이상의 코일 권선 열 교환기 섹션을 수용하는 쉘 케이싱을 포함하는 통합 열 교환기 및 상 분리기이고, 상기 상 분리기 섹션은 단계 (b)에서 제1 및 제2 액화 천연 가스 스트림으로부터 제1 플래시 가스 스트림을 분리하기 위해 사용되며,
    상기 제2 플래시 가스 열 교환기 유닛은 상 분리기 섹션 위에 위치된 하나 이상의 코일 권선 열 교환기 섹션을 수용하는 쉘 케이싱을 포함하는 통합된 열 교환기 및 상 분리기이고, 상기 상 분리기 섹션은 단계 (b)에서 상기 제3 및 제4 액화 천연 가스 스트림으로부터 상기 제2 플래시 가스 스트림을 분리하는 데 사용되는, 방법.
  13. 청구항 10에 있어서, 단계 (f)는 상기 제1 플래시 가스 스트림과의 간접 열 교환을 통해 상기 제1 보조 천연 가스 스트림을 예냉, 냉각 및 액화하여 제2 액화 천연 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하고,
    단계 (g)는 상기 제2 플래시 가스 스트림과의 간접 열 교환을 통해 상기 제2 보조 천연 가스 스트림을 예냉, 냉각 및 액화하여 제3 액화 천연 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하고,
    방법은 상기 제1 보조 천연 가스 스트림의 예냉 후 및 액화 전에 상기 제1 보조 천연 가스 스트림으로부터 천연 가스의 제1 사이드 스트림을 인출하는 단계, 상기 제2 보조 천연 가스 스트림의 예냉 후 및 액화 전에 상기 제2 보조 천연 가스 스트림으로부터 천연 가스의 제2 사이드 스트림을 인출하는 단계 및 상기 천연 가스 공급 스트림의 예냉 후 및 단계 (a)에서의 상기 천연 가스 공급 스트림의 액화 이전에 상기 천연 가스의 제1 사이드 스트림 및 상기 천연 가스의 제2 사이드 스트림을 상기 천연 가스 공급 스트림으로 도입하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 방법은
    (h) 상기 액화 천연 가스 생성물 스트림을 액화 천연 가스 저장 탱크에 도입하고 액화 천연 가스 생성물을 저장하는 단계; 및
    (i) 상기 액화 천연 가스 저장 탱크로부터 비등 가스 스트림을 인출하는 단계를 더 포함하고;
    단계 (c)는 상기 비등 가스 스트림, 상기 제1 플래시 가스 스트림 및 상기 가온된 기체 냉매 스트림을 조합하고 압축하여 압축된 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 천연 가스 공급 스트림은 또한 상기 비등 가스 스트림으로부터 분리되어 유지되고 그와 조합되지 않는, 방법.
  15. 청구항 14에 있어서, 단계(c)는 상기 비등 가스 스트림, 상기 제1 플래시 가스 스트림 및 상기 가온된 기체 냉매 스트림을 조합하기 전에 하나 이상의 비등 가스 압축 스테이지에서 상기 비등 가스 스트림을 압축하고, 하나 이상의 냉매 압축 스테이지에서 상기 조합된 비등 가스 스트림, 제1 플래시 가스 스트림 및 가온된 기체 냉매 스트림을 압축하여 상기 압축된 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 청구항 1에 있어서, 단계 (d)는 상기 압축된 냉매 스트림의 제1 부분을 팽창시켜 상기 제1 저온 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함하고,
    단계 (b)는 상기 제1 액화 천연 가스 스트림과 제2 저온 냉매 스트림을 조합, 플래싱 및 분리하여 상기 액화 천연 가스 생성물 스트림 및 적어도 상기 제1 플래시 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하고,
    방법은
    (j) 상기 압축된 냉매 스트림의 제2 부분을 상기 제1 저온 냉매 스트림과의 간접 열 교환을 통해 냉각시켜 상기 제2 저온 냉매 스트림을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 방법은
    (k) 상기 압축된 냉매 스트림의 제3 부분을 팽창시켜 제3 저온 냉매 스트림을 형성하는 단계를 더 포함하고;
    단계 (a)는 상기 제1 및 제3 저온 냉매 스트림과의 간접 열 교환을 통해 상기 천연 가스 공급 스트림을 예냉하고, 상기 제1 저온 냉매 스트림과의 간접 열 교환을 통해 상기 천연 가스 공급 스트림을 추가로 냉각 및 액화하여 상기 천연 가스 공급 스트림으로부터 상기 제1 액화 천연 가스 스트림을 형성하고, 상기 제1 및 제3 저온 냉매 스트림으로부터 가온된 기체 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 방법은
    (l) 상기 압축된 냉매 스트림의 제1 부분이 단계 (d)에서 팽창되기 전에, 그리고, 상기 압축된 냉매의 제2 부분이 단계 (j)에서 추가로 냉각되는 스트림이 되기 전에, 상기 제1 및 제3 저온 냉매 스트림과의 간접 열 교환을 통해 상기 압축된 냉매 스트림의 제1 및 제2 부분을 예냉하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  19. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 저온 냉매 스트림은 기체 냉매 스트림인, 방법.
  20. 천연 가스 액화 시스템에 있어서, 시스템은
    천연 가스 공급 스트림 및 적어도 제1 저온 냉매 스트림을 수용하고, 적어도 상기 제1 저온 냉매 스트림과의 간접 열 교환을 통해 상기 천연 가스 공급 스트림을 냉각 및 액화하여 제1 액화 천연 가스 스트림 및 가온된 기체 냉매 스트림을 형성하도록 배열 및 구성된 하나 이상의 열 교환기 섹션;
    상기 액화 천연 가스 생성물 스트림 및 적어도 제1 플래시 가스 스트림을 형성하기 위해 상기 제1 액화 천연 가스 스트림을 수용, 플래싱 및 분리하도록 배열 및 구성된 하나 이상의 팽창 및 분리 디바이스;
    압축된 냉매 스트림을 형성하기 위해 상기 제1 플래시 가스 스트림과 상기 가온된 기체 냉매 스트림을 수용, 조합 및 압축하도록 배열 및 구성된 하나 이상의 도관 및 냉매 압축 스테이지; 및
    상기 압축된 냉매 스트림의 적어도 제1 부분을 수용하고 팽창시켜 상기 제1 저온 냉매 스트림을 형성하도록 배열 및 구성된 팽창 디바이스를 포함하고;
    상기 시스템은 상기 천연 가스 공급 스트림이 상기 제1 플래시 가스 스트림 또는 상기 압축된 냉매 스트림으로부터 분리되어 유지되고 그 중 어느 것과도 조합되지 않도록 배열 및 구성되는, 천연 가스 액화 시스템.
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