KR940001382B1 - 처리과정부하식 팽창기를 사용하여 천연가스를 액화시키는 방법 - Google Patents

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마이클 헤론 돈
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에어프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
윌리암 에프. 마쉬
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Abstract

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Description

처리과정부하식 팽창기를 사용하여 천연가스를 액화시키는 방법
제1도는 하나의 펌프 및 2개의 압축기와 3개의 처리 팽창기를 병합한 본 발명의 처리과정에 대한 개략적인 흐름도이다.
본 발명은 처리과정부하식 액체 터보 팽창기(process-loaded liquid turboexp
ander)를 사용하여 처리효율을 향상시키는, 천연가스를 액화시키는 방법에 관한 것이다.
천연가스의 액화는, 용이하면서 경제적으로 운반 및 저장될 수 있는 형태로 가스를 전환시키는 중요하고 상용되는 기술이다. 가스를 액화시키는데 소요되는 에너지를 최소화함으로써, 가스 필드로부터 최종 사용자에게로 가스를 생산 및 운반하는 비용을 효율적으로 해야한다. 액화비용을 절감시킬 경우, 최종 사용자에게 권장되는 가스 생산물의 가격도 절감된다.
천연가스를 액화시키기 위한 처리 사이클에서는 통상적으로 가스를 액화시키는데 요구되는 냉각처리를 위해 등엔트로피 팽창밸브, 또는 주울-톰슨(J-T) 밸브를 사용하였다. 이러한 목적을 위해 팽창밸브를 사용하는 통상적인 처리 사이클은 미합중국 특허 제3,763,658호, 제4,065,276호, 제4,404,008호, 제4,445,916호, 제4,445,917호, 및 제4,504,296호에 기재되어 있다.
처리 유체가 상기 밸브를 통과할때 발생되는 팽창 일량은 거의 손실된다. 이들 처리 유체가 팽창함에 따라 발생된 일량의 최소한 일부를 회복하기 위해, 왕복 팽창기 또는 터보 팽창기와 같은 팽창기를 사용할 수 있다. 그러한 팽창기에 의한 축운동 일량은 전력을 발생시켜 다른 처리 유체를 압축 또는 펌핑하는데 사용될 수 있거나, 또는 다른 목적으로 사용될 수 있다. 포화 또는 준 냉각된 액체 처리 스트림을 팽창시키는데 그러한 괭창기를 사용할 경우, 선택된 조건하에서의 전체 처리 효율이 향상될 수 있다.“팽창기”라는 용어는 일반적으로 터보 팽창기 또는 왕복 팽창기를 지칭하는데 사용된다. 천연가스의 액화 분야에서는, “팽창기”라는 용어가 일반적으로 터보팽창기를 칭하는데 사용되며, 본문에서도 그러한 의미로 사용된다.
미합중국 특허 제3,205, 191호에는, 펠튼 수차(Pelton wheel)를 포함한 수력원동기를 사용하여 준냉각된 액화 천연가스 스트림을 팽창시킨 후 밸브를 통해 등엔트로피적 팽창시키는 방법이 개시되어 있다. 수력 원동기 팽창기내에서 기화가 일어나지 않도록 조건을 조절한다. 팽창기의 일량은 개시된 액화처리과정상의 하나 또는 그 이상의 압축기를 작동시키는데 사용될 수 있다.
미합중국 특허 제3,400,547호에는, 냉동 탱커를 통해 전달 위치로 운반하기 위한 필드위치에서 액체 질소 또는 액체 공기를 냉각시킴으로써 천연가스를 액화시키는 방법이 개시되어 있다. 전달 위치에서는, 액화된 천연가스가 기화되고 이로인한 냉각효과를 이용하여 질소 또는 공기가 액화되고, 이것은 탱커에 의해 필드위치로 전환되어 이곳에서 기화됨으로써 냉각효과를 냄에따라 또 다른 탱커의 천연가스 부하물이 액화된다. 필드 위치에서는, 준 냉각된 액화 천연가스가 팽창되고, 이 팽창 일량은 탱커로부터 액체 질소 또는 공기를 펌핑하는데 사용된다. 전달 위치에서는, 압축된 액체 질소 또는 공기가 팽창되고, 이 팽창 일량은 탱커로부터 액화된 천연가스를 펌핑하는데 사용된다.
액화된 천연가스의 기화로인한 냉각효과를 이용하여 액체 공기를 제조하는 방법은 일본국 특허 공고 제54(1976)-86479호에 개시되어 있다. 상기 방법에서는 팽창 터빈내에서 포화된 액체 공기를 팽창시키고, 이 팽창 일량은 1차 액화를 위해 공급 공기를 압축하는데 사용된다.
미합중국 특허 제 4,334,902호에는, 저온 열 교환기내에서 기화성 다성분 냉각제와의 간접적인 열 교환을 통해 압축된 천연가스 스트림을 액화시키는 방법이 개시되어 있다. 예비냉각된 2상 냉각제는 액체스트림과 기체 스트림으로 분리되고 ; 그 액체는 저온 열 교환기에서 더욱 냉각되어, 터보 팽창기내에서 팽창된 후, 교환기내로 유입되어 이곳에서 기화되어 냉각효과를 내고 ; 기체 스트림은 교환기내에서 더욱 냉각 및 액화 되어, 터보 팽창기에서 팽창된후 교환기내로 유입되어 이곳에서 기화되어 부가의 냉각작용을 한다. 45바의 천연가스는 교환기를 통과하여, 간접적인 열 교환에 의해 액화된후, 터보 팽창기내에서 약 3바로 팽창됨으로써 액화된 천연가스 생산물이 수득된다. 액체 터보 팽창기의 팽창 일량은 전력을 발생시키는데 사용되거나, 또는 다른 불특정 목적에 사용된다. 상기 거론된 냉각제를 예비 냉각시키기 위한 부가의 냉각사이클이 개시되어 있으며, 이 사이클에도 또한 액체 팽창기가 사용되는데 여기에서는 팽창일력이 발전 또는 다른 불특정목적에 사용된다.
최종 플래시 (flash)단계 이전에 액화된 천연가스 스트림을 팽창시키기 위한 터보 팽창기의 사용방법은 미합중국 특허 제4,456,459호에 개시되어 있다. 플래시 단계 이전에 팽창시킴에 따라 액화된 천연가스 생성물의 수율이 증가하며 플래시 가스의 양이 감소된다. 터보 팽창기에 의해 얻어진 일량은 장치내에서 적당한 축-결합된 압축기, 펌프, 또는 발전기를 통해 다양한 전력-구동 부재를 작동시키는데 유용하게 사용될 수 있다.
미합중국 특허 제4,778,497호에는, 가스를 압축 및 냉각시켜, 냉각시킬 고압유체를 생성시킨후 다시 냉각시켜 냉각된 초임계 유체를 수득하는 가스 액화방법이 개시되어 있다. 냉각된 고압 유체의 일부가 팽창됨으로써 더욱 냉각시킬 수 있으며, 그 팽창 일량은 가스의 냉각 이전에 가스를 압축하는데 있어서 일부 압축작업을 위해 사용된다. 냉각된 초임계 유체는 다시 냉각된후, 기화 없이 팽창기내에서 팽창됨으로써 최종 액체 생성물이 수득된다. 이러한 액체생성물의 일부는 플래시처리됨으로써 냉각된 초임계 유체의 추가 냉각을 위한 냉각효과를 제공한다.
동일한 처리과정에서 냉각 또는 가스액화처리시의 괭창일량을 사용하여 펌프 또는 압축기를 구동시킬 경우 처리효율이 향상될 수 있다. 팽창 일량과 압축 일량을 적정 통합하여 제시된 가스액화처리의 작동비용 및 자본비를 전체적으로 절감시키는 것은 여러요소의 영향을 받는다. 이러한 요소중에는, 압축기, 펌프, 팽창기 및 파이프와 관련된 기계적인 디자인 요소뿐만 아니라 관련 처리스트림의 열역학 특성 및 조성이 있다. 이하에 기재된 바와같이 본 발명에서는 천연가스의 액화처리과정에서 팽창 일량을 효율적으로 이용한다.
본 발명은 천연가스와 같은 압축된 가스상 공급스트림을 액화시키는 방법에 관한 것으로서, 이때 일부냉각은 적어도 하나의 액체 처리 스트림을 팽창시키고 여기서 수득된 팽창 일량을 사용하여 동일한 처리 스트림을 압축 또는 펌핑한후 냉각 및 팽창시킴으로써 이루어진다. 이러한 방식으로 팽창 일량을 사용할 경우, 액화의 최소 일량이 감소되며 처리과정의 액화 용량이 증가한다.
하나 또는 그 이상의 기화성 다성분 냉각 스트림과의 간접적인 열 교환을 통해 저온 열 교환기내에서 압축된 공급 스트림을 액화시키는 천연가스 액화처리 방법에서는, 본 발명의 팽창기내에서 몇개의 액체스트림이 임의로 팽창되므로써 액화 효율이 향상된다. 이들 스트림중 첫번째는 압축 천연가스 공급스트림으로서, 이것은 저온 열 교환기내에서 압축, 냉각 및 액화된후, 팽창되어 최종 액화생성물을 제공한다. 팽창기로부터 발생된 팽창 일량은 압축기를 구동시키며 ; 팽창기 및 압축기는 하나의 콤팬터(compander) 단위에 의해 기계적으로 결합된다. 또한, 다성분 액체 냉각제 스트림은 임의로 팽창된후, 저온 열 교환기내에서 기화됨으로써 대부분을 냉각시키고, 그 팽창일량은 동일한 냉각제 스트림을 압축시키는데 사용되며, 상기 냉각제 스트림은 액화 및 팽창 이전에는 원래 기체상태이다. 팽창기와 압축기는 하나의 콤팬더 단위에 의해 기계적으로 결합된다. 제2의 다성분 액체 냉각제 스트림은 임의로 팽창한 후, 저온 열 교환기내에서 기화됨으로써 또 다른 부분을 대부분 냉각시키고, 그 팽창 일량은 동일한 액체 냉각제 스트림이 준 냉각 및 팽창되기 이전에 이것을 펌핑하는데 사용된다. 팽창기와 펌프는 하나의 팽창기/펌프 단위에 의해 기계적으로 결합되어 있다.
수직 용기내에 다수의 코일 권선 튜브가 있고, 하향유동되어 튜브의 외면상에서 기화되는 액체 냉각제를 분배시키기 위한 수단을 포함하는 저온 열교환기에서, 처리 공급스트림 및 냉각제 스트림은 팽창되기전에 기화성 냉각제 스트림과의 간접적인 열교환을 통해 냉각 및 액화된다. 교환기에서 배출된 기화된 냉각제는 외부 냉각 시스템에 의해 압축, 냉각 및 부분적으로 액화된후 귀환되어 기체 냉각제 스트림과 액체 냉각 스트림을 제공하는데, 상기 기체 냉각제는 압축되고 액체 냉각 스트림은 이전에 설명된 바와같이 펌핑된다.
본 발명을 수행함에 따라, 효율이 향상되고 가스 액화 처리과정의 전력소모가 감소되거나, 또는 일정한 전력소모하에서의 액화 용량이 증가하게 된다.
본 발명의 특징은, 직접적인 기계적 결합을 통해 각 팽창기의 팽창 일량을 사용함으로써 액화 처리 사이클의 일부이기도 한 액체 펌프 또는 가스 압축기를 구동시키는 것이다. 각 팽창기는 처리 효율 및 신뢰도를 향상시키고 자본비를 절감시키기 위해 연결된 기계에서와 동일하게 처리 스트림을 처리한다.
천연가스의 액화를 위한 본 발명의 방법에 따라 압축기 및 펌프와 결합된 액체 팽창기를 사용함으로써, 처리과정중에 부하된 액체 팽창기 대신에 등엔드로피의 팽창 밸브를 사용하는 유사한 처리방법에 비해 전체 처리과정상의 압축전력을 6.3% 절감시킬 수 있다. 바꾸어 말하면, 동일한 압축전력하에서, 본 발명은 등엔드로피의 팽창 밸브만을 사용하는 처리방법에 비해 액화용량이 6.3% 증가할 수 있다. 팽창일량을 사용하여 본 발명의 펌프 및 압축기를 구동시킬 경우, 전력 발생과 같은 다른 목적을 위해 팽창 일량을 사용했을때에 비해 액화 용량이 1.5% 증가한다.
액화 천연가스(LNG)는 통상적으로 약 60 내지 약 90몰%의 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 및 일부 고분자량의 탄화수소와 같은 중탄화수소와 질소로 구성된 메탄-함유 공급 스트림으로 제조된다. 메탄-함유 공급 스트림은 공지된 방법, 예를들면 미합중국 특허 제4,065,278호(이들 명세서 내용은 본문에 참고인용됨)에 개시된 바와같이 압축, 건조 및 예비 냉각된다. 이러한 압축, 건조, 및 예비 냉각된 가스는 본 발명의 방법에 적당한 천연가스 공급 스트림을 포함한다.
제1도를 참조하여 설명하면, 약 400 내지 1,200psig 이내의 압력과 약 -6.7℃ (20℉) 내지 -34℃ (-30℉)의 온도에서 예비 냉각, 건조, 및 압축된 천연가스 공급 스트림 (1)은 세정기 컬럼(180)을 통과하여, 메탄보다 무거운 탄화수소가 스트림 (3)으로 제거된다. 메탄함량이 높은 스트림(2)은 열 교환부(121)를 통과하여 부분적으로 응축된다. 기체와 액체를 함유한 스트림 (4)은 분리기(181)를 통과하여 액체 스트림 (5)이 분리되고 세정기 컬럼 (180)으로 환류된다. 그러한 세정기 컬럼에 의한 중탄화수소의 제거방법은 당해 기술분야에 공지되어 있으며, 예를들어 상기 인용된 미합중국 특허 제4,065,278호에 기재되어 있다. 공급물 조성과 처리 조건에 따라 다른 세정기 컬럼 배열을 사용할 수 있다. 공급스트림(1)중의 중탄화수소 농도가 충분히 낮은 경우에는, 세정기 컬럼 (180)이 필요치 않다. 약 630psig와 -43℃(-45℉) 상태의 메탄함량이 약 93몰%인 스트림(6)은 압축기(132)내에서 약 675psig로 압축됨에 따라 천연 가스공급 스트림 (8)이 수득된다. 이 스트림은 중간부(110)중의 열 교환부(111)와 냉각부(101)중의 부재(102)를 통과함으로써, 약 580psig 및 약 -159℃(-255℉)상태의 준 냉각된 액화 천연가스 스트림(10)이 수득된다. 스트림 (10)은 팽창기(131)내에서 팽창되어 그 압력이 약 580psig에서 약 0psig로 감소된후, 스트림(12)으로서 최종 LNG 생성물(20)로 보내진다. 팽창기(131)는 압축기(132)를 구동시키며, 이들은 콤팬더(130)에 의해 기계적으로 연결된다.
약 300 내지 400psig 압력하의 부가의 메탄-함유 스트림(16)이 임의로 열교환부(122, 112, 103)를 통과하여 액화됨으로써 약 200 내지 300psig 및 약 -159℃(-255℉)의 부가의 액화된 천연가스 스트림(18)이 수득될 수 있다. 스트림(18)은 밸브(170)를 통해서 팽창되어 스트림(22)과 합성됨으로써 최종생성물(20)을 형성하다. 이러한 부가의 공급물은 처리 사이클의 어디에서도 얻을 수 있거나, 또는 외부 원으로부터 얻을 수 있다.
상술한 바와같이, 천연가스를 액화시키기 위한 냉각은 저온 열 교환기 (100)의 외곽측상에서 소량의 다성분 냉각제(LL MCR)를 기화시킴으로써 이루어진다. LL MCR 스트림(21)은 이전에 인용된 미합중국 특허 제4,065,278호에 개시된 것과 같은 외부의 밀폐된 고리 냉각 시스템(190)에서 기화된 MCR을 압축 및 냉각시킴으로써 제공된다. 외부 MCR 회로를 냉각시키기 위한 냉각 효과는 상기 특허에 기재된 바와같이 제2의 고온 밀폐 고리 냉각 시스템에 의해 제공된다. 여기서, 부분 액화된 LL MCR 스트림 (21)은 통상적으로 약 565psig와 약 -6.7℃(20℉) 내지 -40℃(-4O℉) 이내에 분리기(160)를 통과한다. MCR 기체 스트림 (22)은 압축기 (142)내에서 약 595psig로 압축되고, -1℃(30℉) 내지 -34℃(-30℉) 이내의 압축된 스트림(24)은 저온 열 교환기 (100)내로 유입된다. 스트림은 열 교환기부(123,113,104)를 통과하여, 통상적으로 약 465psig와 -159℃(-255℉)의 액체 스트림 (26)으로서 배출된다. 액체 스트림 (26)은 팽창기 (141)내에서 약 30psig와 -165℃(-265℉)로 팽창되며, 생성된 스트림 (8)중의 기체함량은 6% 이하이다 팽창기 (141)와 압축기 (142)는 콤팬더(140)를 통해 기계적으로 결합되며, 팽창기 (14)에 의한 팽창 일량에 의해 압축기 (142)가 구동된다. 냉각된 MCR 스트림(28)은 분배기(126)를 통해 저온 열교환기 (100)내로 유입된후, 냉각부(101), 중간부(110), 및 가온부(120)에서 기화되면서 열 교환부의 외면상에서 유동된다. 분리기 (160)로부터 배출된 액체 MCR 스트림 (30)은 펌프(152)에 의해 약 975psig로 펌핑되고, 생성된 스트림 (36)은 열교환부(124, 114)를 통해서 저온 열 교환기 (100)로 유입된다.
여기서, 약 865psig와 -129℃(-200℉)의 액화된 MCR 스트림 (38)은 괭창기 (151)내에서 약 30psig로 팽창된후, 약 -132℃ (-205℉)로 냉각된다. 팽창기 (151)와, 펌프(152)는 팽창기/펌프단위 (150)에 의해 기계적으로 연결되며, 팽창기(151)에서 발생된 팽창 일량에 의해 펌프(152)가 구동된다. 팽창된 MCR 스트림(40)은 저온 열 교환기(100)로 유입되어 분배기 (128)에 의하여 열 교환부 전체에 분배된다. 액체 MCR은 기화를 통해 내부의 스트림을 냉각시키면서 중간부(11)와 가온부(120)의 열 교환부에 걸쳐 아래 방향으로 흐른다. 기화된 MCR 스트림(42)은 밀폐된-고리 냉각 시스템(190)으로 되돌려져 상기된 바와같이 압축 및 냉각된다.
저온 열 교환기(100)의 통상적인 외곽면 온도는, 냉각부(101)의 상위부가 -171℃(-275℉) 내지 -l57℃(-250℉)이고, 중간부(110)의 상위부는 -140℃(-220℉) 내지 -124℃(-l90℉)이내이며, 가온부(120)의 상위부는 -73℃(-l00℉) 내지 -40℃(-40℉)이다. 저온 열 교환기(100)의 외곽면을 냉각시키기 위해 사용되는 다셩분 냉각제(MCR)는 질소, 메탄, 에탄, 및 프로판의 혼합물로 구성된다. 본 발명의 실시태양에서는, 5.8몰%의 질소, 35.8몰%의 메탄, 44.0몰%의 에탄, 및 13.4몰%의 프로판으로 이루어진 특정 혼합물이 사용된다. 액화 과정에 영향을 미치는 다른 요인 및 천연가스 공급 스트림 조성에 따라, 상기 조성 및 이들 성분을 변형시킬 수 있다.
천연가스를 액화시키기 위한 종래 기술에 비해 본 발명이 우수한점은, LNG 생성물의 최종압력 저하를 위해 등엔트로피 팽창 밸브를 팽창기로 대체함으로써 저온 열 교환기(100)에서 냉각이 이루어지며, 액화된 스트림을 팽창기(141)에서 팽창시켜 수득된 팽창 일량을 사용하여 냉각 및 액화시키기 이전에 압축기(142)에서 다성분 냉각제기체를 다시 압축시키는 점이다. 또한, 팽창기(151)에서 상기 준 냉각된 액체의 팽창에 의해 얻어진 팽창 일량을 사용하여 준 냉각시키기 이전에 액체 다성분 냉각제를 펌프(152)에서 펌핑하는 것도 개선점일 수 있다. 본 발명의 또다른 주요 특징은 저온 열 교환기(100)로 유입되기 전에 압축기 (132)에서 냉각 기체 공급물을 압축시키기 위해 팽창기(131)내에서 LNG 생성물의 최종 압력을 저하시키므로써 발생되는 팽창입력을 사용한다는 점이다. 등엔트로피 팽창 밸브를 팽창기로 대체함으로써, 부가의 냉각이 이루어질 수 있으며 액화 용량이 증가된다. 본 발명에서는, 가온된 처리 스트림을 압축 또는 펌핑하는데 팽창일량을 사용함으로써, 최소 액화 일량을 감소시킬 수 있고 또한 액화 용량도 더욱 증가된다.
[실시예]
본 발명의 잇점을 평가하기 위해 전체 LNG 처리 사이클의 비교용 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 사이클에는 전술된 다량 및 소량의 다성분 냉각고리 뿐만 아니라 제1도에 제시된 저온 열 교환기 회로가 포함된다. 기본 상태는, 제1도의 팽창기 (131,141,151) 대신 등엔트로피 팽창 밸브가 이용되고, 압축기 (132,142) 및 펌프(152)가 이용되지 않는 것으로 하였다. 팽창기 케이스는, 압축기(132,142), 및 펌프(152)없이 팽창기(131,141,151)만이 사용되도록 시뮬레이션 하였다. 이들 경우를 제1도에 제시된, 본 발명의 처리 사이클과 각각 비교하였다. 예상용량이 1일당 320×106입방피트인 실제 시판되는 LNG 시설물의 공급 및 처리 조건을 비교 시뮬레이션에 사용하였다.
상기 3가지 경우에 요구되는 전력을 비교하여 표 1에 요약하였다.
[표 1]
Figure kpo00001
표 1에 나타난 바와같이, 팽창 밸브 대신 괭창기 (131,141 및 151)를 사용한 경우, 처리 압축전력이 4.8% 감소하거나, 또는 동일한 압축전력에서 LNG 생산이 4.8% 증가하였다. 본 발명에서는, 압축기 (132,142)와 펌프(152)를 구동시키는데 있어서 처리과정중의 팽창기를 사용하여 전력을 1.5% 감소시키거나 또는 일정한 전력하에서 LNG 생산을 1.5% 더 증가시켰다. 이러한 추가적인 1.5% 증가는 2가지 방식으로 이룰 수 있다. 첫째로, 각 팽창기의 홉입 압력이 높고, 이에따라 팽창비가 보다 높기 때문에, 팽창기만을 사용했을때 보다 냉각이 보다 잘 이루어질 수 있다. 이는 본 발명의 다성분 냉각 팽창기(151)를 사용한 본 실시예에서 가장 명백히 나타나며, 펌프(152)가 사용되지 않은 팽창기 케이스에서보다 냉각 효과가 87% 높다. 이는 팽창 밸브의 경우 스트림이 455psig에서 약 30psig로 팽창되는 것에 비해, 펌프(152)는 스트림(38)의 압력을 약 565psig에서 975psig까지 증가시키고, 스트림은 865psig에서 약 30psig까지 팽창하는 것에 기인한다. 둘째로, 2개 스트림 (24,36)이 응축되어 팽창기 케이스에서 보다 더 높은 압력하의 저온 열 교환기 (100)내에서 준-냉각되기 때문에, 최소 액화 일량이 감소된다. 따라서, 다성분 냉각 압력이 상승되어 냉각제 압축기의 흡입 압력이 상숭되며, 이로써 비동력이 저하된다. 달리 말하면, 표 1에 요약된 실시예에서의 일정한 처리 압축기 전력하에서 LNG 액화 생성물의 용량이 증가할 수 있다.
본 발명에서, 각 팽창기는 제1도에 도시된 바와같이 콤팬더 (130,140), 및 팽창기/펌프(150)에 의해 펌프 또는 압축기를 구동시킨다. 앞에서 지적한 바와같이, 본 발명의 독특한 특징은 각 팽창기가 동일한 유체를 처리하고 ; 팽창기(131) 및 압축기(132)가 모두 천연가스 공급물/생산물을 처리하며, 팽창기 (141) 및 압축기(142)가 모두 다성분 냉각제 기체/응축물을 처리하며, 팽창기(151) 및 펌프(152)가 모두 다성분 냉각액을 처리한다는 것이다. 표 1을 통해, 팽창기 (141)가 276HP를 발생시키고, 이중(기계의 비능률후) 258HP는 압축기 (142)내에서 스트림(22)을 압축하는데에 이용됨을 알 수 있다. 팽창기(141) 대신 팽창밸브를 사용할 경우, 이와같은 작업량은 손실되었다. 마찬가지로, 팽창기(131, 151) 대신 팽창밸브를 사용할 경우에는 펌프(152)를 구동하는 1462HP 및 콤프레서 (132)를 구동하는 723HP중 1/2이 손실되었다.
팽창기만을 사용할 경우 팽창기 (131, 142 및 151)에 의해 발생된 일량이 발전에 이용됨에 따라, 표 1의 기본상태에서 손실된 대부분의 일량이 회복된다. 그러나, 통상적으로 본 발명에서와 같이 팽창기(131, 141,151)로부터의 일량을 합성된 처리 기계에 직접 사용함으로써 주어진 압축기 및 전력하에서 LNG 생산을 증가시키는 것이 바람직하다. 그 이유는 통상적인 원거리 LNG 시설 지역에서, 시설내 사용 또는 송출을 위해 추가 전력을 사용하는 것보다 LNG를 추가생산하는 것이 경제적으로 바람직하기 때문이다.
이와같은 처리과정중에 부하된 팽창기에서 발생된 일량은 작업 효율과 자본이 최적의 균형을 이루도록 이용된다. 이와같은 균형은, 팽창기 (131, 141, 151)에 의해 발생된 팽창기 일량을 사용하기 위한 다양한 처리 옵션의 추가 컴퓨터 시뮬레이션을 수행함으로써 측정하였다. 이러한 시뮬레이션을 통해, 이들 팽창기로부터 발생된 일량을 사용하여 공급물 건조 및 예비냉각 단계의 주요 천연가스 공급 압축기 상류를 구동시킬 경우에 가장 큰 전력의 절약이 이루어짐을 알수 있었다. 그러나, 이와같은 접근에도 몇가지 단점이 있다 : 즉 (1) 3개의 팽창기와 압축기를 하나의 기계로 병합하기 위한 수단이 복잡하고 자본이 많이든다 ; (2) 천연가스 공급 라인이 공급물 건조기로부터 교환기(100)를 통과한후 공급물 예비 냉각 시스템으로 되돌려져야 한다. 이와같은 배열과 관련된 압력의 강하와 열의 누출은 수득된 임의의 처리 효율로 인한 이득과 상쇄될 것으로 여겨진다. 따라서 본 발명의 처리과정중에 부하된 팽창기 배열은, 천연가스 액화 처리과정의 전체 효율을 개선시키기 위해 팽창력을 이용하는 가장 비용-효율적 수단으로서 선택된 것이다.

Claims (12)

  1. (a) 압축된 가스 공급 스트림을 제1압축기에서 압축시키는 단계 ; (b) 저온 열 교환기내에서 제1및 제2기화성 다성분 냉각제와의 간접적인 열 교환을 통해 상기 압축된 공급 스트림을 냉각 및 액화시키는 단계 ; (c) 상기 액화된 공급 스트림을 제1팽창기에서 팽창시키고 상기 제1팽창기로부터의 팽창일량(work)이 상기 제1압축기를 구동시키는 단계 ; 및 (d) 상기 제1팽창기로부터 회수된 액화된 가스 생성물을 회수하는 단계로 이루어지며 ; 상기 제1팽창기로부터 발생된 팽창일량을 사용하여 상기 제1압축기를 구동시킴으로써 액화의 최소일량이 감소되고 상기 처리방법의 액화 용량이 증가하는, 압축된 가스 공급 스트림을 액화시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, (1) 가스상 다성분 냉각제 혼합물을 압축, 냉각, 및 부분 액화시키는 단계 ; (2)상기 부분 액화된 냉각제를 기체 스트림과 액체 스트림으로 분리하는 단계 ; (3) 상기 기체 스트림을 제2압축기에서 압축시키는 단계 ; (4) 상기 저온 열 교환기에서 상기 제1 및 제2기화성 냉각제 스트림과의 간접적인 열 교환을 통해 상기 압축된 기체 스트림을 냉각 및 액화시키는 단계 ; 및 (5) 상기 단계(4)의 액화된 스트림을 제2팽창기에서 팽창시킨후 팽창된 스트림을 상기 저온 열 교환기내로 유입시켜서 상기 제2기화성 다성분 냉각제 스트림을 제공하고, 상기 제2팽창기로부터 발생된 팽창일량이 상기 압축기를 구동시키는 단계에 의해 상기 제1기화성 다성분 냉각제 스트림이 제공되며 ; 상기 제2팽창기의 팽창일량을 사용하여 상기 제2압축기를 구동시킴으로써 액화의 최소일량이 감소되고 상기 처리과정의 액화 용량이 증가하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, (6) 상기 단계(2)의 액체 스트림을 펌프에서 펌핑하고 펌핑된 스트림을 상기 저온 열 교환기에서 상기 제1 및 제2기화성 냉각제 스트림과의 간접적인 열 교환을 통해 냉각시키는 단계 ; (7)상기 단계 (6)의 펌핑된 액체 스트림을 제3팽창기에서 팽창시키고 팽창된 스트림을 상기 저온 열 교환기내로 유입시킴으로써 상기 제1기화성 다성분 냉각제 스트림을 제공하며, 상기 제3팽창기로부터 발생된 팽창 일량이 상기 펌프를 구동시키는 단계 ; 및 (8) 상기 저온 열 교환기에서 생성된 기화된 다성분 냉각제를 회수한후 단계(1)을 반복하는 단계의 부가의 단계들에 의해 상기 제2기화성 다성분 냉각 스트림을 제공하고 ; 상기 제3팽창기의 팽창일량을 사용하여 상기 펌프를 구동시킴으로써 액화의 최소일량이 감소되고 상기 처리과정의 액화용량이 증가하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 예비 냉각, 건조 및 압축된 천연가스 스트림으로부터 C2및 그 이상의 중탄화수소를 제거하는 단계 ; 상기 저온 열 교환기(100)에서 상기 기화성 냉각제와의 간접적인 열 교환을 통해 메탄 함량이 높은 생성된 스트림을 냉각하여 부분적으로 액화시키는 단계 ; 생성된 2-상 스트림을 상기 압축된 가스 공급 스트림과 액체 스트림으로 분리시키는 단계에 의해 압축된 가스 공급 스트림을 수득하며 ; 상기 액화된 가스 생성물은 액체 메탄을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 저온 열 교환기에서 상기 제1 및 제2기화성 다성분 냉각제 스트림과의 간접적인 열 교환을 통해 메탄-함유의 압축 가스 스트림을 액화시키는 단계 ; 및 생성된 액화 스트림을 팽창시킴으로써 상기 제1팽창기의 생성물과 합성될 부가의 액체 메탄 생성물을 제공하는 단계를 부가로 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 다성분 냉각제가 질소, 메탄, 에탄, 및 프로판을 포함하는 방법.
  7. (a) 가스상 다성분 냉각제 혼합물을 압축, 냉각, 및 부분 액화시키는 단계 , (b) 상기 부분 액화된 냉각제를 기체 스트림과 액체 스트림으로 분리하는 단계 ; (c) 상기 기체 스트림을 압축시키는 단계 ; (d)저온 열 교환기에서 상기 제1 및 제2기화성 냉각제 스트림과의 간접적인 열 교환을 통해 상기 압축된 기체 스트림을 냉각 및 액화시키는 단계 ; (e) 상기 단계 (d)의 액화 스트림을 팽창시킨 후 팽창된 스트림을 상기 저온 열 교환기내로 유입시켜서 상기 제2기화성 다성분 냉각제를 제공하고, 팽창일량을 상기 단계 (c)의 기체 스트림의 압축에 이용하는 단계 ; (f) 상기 단계 (b)의 액체스트림을 펌핑한후, 상기 저온 열 교환기에서 상기 제1 및 제2기화성 냉각제 스트림과의 간접적인 열 교환을 통해 냉각시키는 단계 ; (g) 상기 단계 (f)의 펌핑 및 냉각된 기체 스트림을 팽창시킨후 팽창된 스트림을 저온 열 교환기내로 유입시켜서 상기 제1기화성 다성분 냉각제 스트림을 제공하고, 팽창일량을 상기 단계 (f)의 액체 스트림의 펌핑에 사용하는 단계 ; 및 (h) 상기 저온 열 교환기로부터 기화된 다성분 냉각제를 회수한후 단계 (a)를 반복하는 단계로 이루어지며 ; 상기 저온 열 교환기에서 상기 기화성 다성분 냉각제 스트림에 의해 제공된 일부 냉각효과는 상기 열 교환기내에서 간접적 열 교환을 통해 상기 가스 공급 스트림을 액화시키는데 이용하고 ; 상기 팽창일량을 사용하여 상기 기체 스트림을 액화시키고 상기 액체 스트림을 펌핑함으로써 상기 처리과정에서 주어진 전력소모에 대해 발생된 냉각량이 증가하는, 가스 공급 스트림의 액화를 위한 냉각-제공의 밀폐 고리형 처리 방법.
  8. (a) 최상단과 기저단이 있는 수직 용기내에 다수의 코일 권선 튜브가 있고, 상기 용기의 외곽과 통하는 상기 튜브의 입구와 출구를 위한 수단을 포함하는 열 교환수단 ; (b) 상기 용기의 최상단에 제1액체 다성분 냉각제 스트림을 분배함으로써, 상기 제1액체 냉각제 스트림이 상기 튜브의 외면상에서 하향 유동되어 기화됨으로써 상기 튜브내에 흐르는 액체를 냉각시키는 수단 ; (c) 상기 용기의 최상단과 기저단의 중간위치에서 제2액체 다성분 냉각제 스트림을 분배함으로써, 상기 제2액체 냉각제 스트림이 상기 튜브의 일부 외면상에서 하향 유동되어 기화됨으로써 상기 튜브내에 흐르는 액체를 부가로 냉각시키는 수단 ; 및 (d) 제1터보 팽창기에 기계적으로 결합되어 있으며, 상기 압축된 가스상 공급 스트림을 더욱 압축하고, 상기 제1군의 코일 권선 튜브내에서 냉각을 통해 액화시킨후 상기 제1터보 팽창기에서 팽창시켜 액화된 가스 생성물을 제공하고, 이로써 상기 제1터보팽창기로부터 발생된 팽창일량은 상기 압축기를 구동시키는 제1원심 압축기를 포함하는, 기화성 다성분 냉각제와의 간접적인 열 교환을 통해 압축된 가스 공급 스트림을 액화시키는 시스템.
  9. 제8항에 있어서, (e) 상기 용기의 기저부로부터 기화된 다성분 냉각제를 전달하기 위한 수단 ; (f) 상기 기화된 다성분 냉각제를 부분적으로 액화시키는 압축 및 냉각수단 ; (g) 상기 부분 액화된 냉각제를 기체 스트림 및 액체 스트림으로 분리하는 분리수단 ; 및 (h) 제2터보팽창기에 기계적으로 결합되어 있으며, 상기 기체스트림을 압축하고, 상기 제2군의 코일 권선 튜브내에서의 냉각에 의한 액화후 제2터보팽창기에서 팽창시켜 상기 제1액체 다성분 냉각제 스트림을 제공하고, 이로써 상기 제2터보팽창기로부터 발생된 팽창일량은 상기 압축기를 구동시키는 제2원심 압축기를 부가로 포함하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서, ( i ) 제3터보 팽창기에 기계적으로 결합되어 있으며, 상기 액체 스트림을 펌핑하고, 상기 제3군의 코일 권선 튜브내에서의 추가 냉각후 상기 제3터보 팽창기에서 팽창시켜 상기 제2액체다성분 냉각스트림을 제공하고, 이로써, 상기 제3터보 팽창기로부터 발생된 팽창일량이 상기 펌프를 구동시키는 제1 원심 압축기를 부가로 포함하는 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 상기 열 교환수단(100)이 튜브(103,112,122)를 포함하는 제4군의 코일 권선 튜브와 팽창밸브(170)를 포함하며, 별도의 압축된 가스 공급 스트림이 상기 열 교환수단(100)내에서 액화된 후 팽창됨으로써 부가의 액화된 가스 생성물이 생성되는 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 예비 냉각, 건조 및 압축된 천연가스 스트림으로부터 C2와 그이상의 중탄화수소를 제거하기 위한 증류 시스템(180), 및 상기 시스템(180)에서 생성된 기체 스트림을 부분적으로 액화시켜 상기 증류 시스템에 환류시키기 위한, 상기 열 교환 수단(100)내의 제5군의 코일 권선 튜브(121)를 부가로 포함하며 ; 상기 증류 시스템에서 생성된 증기 생성물에 의해 상기 압축된 가스 공급 스트림이 상기 제1 압축기(132)로 공급되는 시스템.
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KR101064575B1 (ko) * 2008-02-11 2011-09-15 대우조선해양 주식회사 탄화수소 액화가스를 운반하기 위한 선박

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