TW201040253A - Pre-cooled liquefaction process - Google Patents

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201040253 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用於使天然氣流液化的系紙 方 法0 【先前技術】 以前揭示預冷的天然氣液化方法是為了用在浮式生 產儲油卸油平台（FPSO’s) ’其使用C〇2使天然氣進料流預 Ο 冷同時使用混合冷凍劑的烴混合物（HMR)使該預冷的物节 進一步冷卻以提供液化天然氣（LNG)產物。在這些方法中’ 該天然氣進料流靠C〇2於一或更多壓力位準沸騰而預冷。 該C〇2蒸發同時使該天然氣進料流預冷至大約_35〇c的溫 度。然後把該C〇2蒸氣壓縮，冷卻及凝聚以形成被再循環 回該程序的液態co2冷凍劑。 然而，利用C〇2當作藉由FPSO將LNG液化的預冷劑 0有幾個缺點。首先，co2具有乾冰形成開始發生的喊之 冰點。為了防止在液化設備中形成乾冰相關的操作性問 題，有人提出高壓c〇2最好不要冷卻至低於_4〇〇c。假設將 該高壓c〇2冷卻至-4(rc加上至少3〇c的溫差，利用c〇2 田作預冷劑時無法將天然氣進料冷卻至低於PC。然而， 此天然氣經常必須被預冷至低於_370C以凝聚及除去重質 烴類及芳香族烴類而達到降低該LNG產物的熱值之目標及 /或預防該LNG產物中的雜質諸如苯的凍析。因此，應用 C〇2可排除在預冷段中除去必需量的此類雜質。 201040253 不管壓力為何高於該溫 ’其意指在3 1 · 1°C以上 其次，coz的臨界溫度（亦即， 度流體將無法被凝聚）為將近3 1 j t ⑶2將無法被凝聚。然@，預冷循環需要凝聚的冷束劑， 其靠填充流㈣騰供應冷;東作用。傳統上Fps〇,4用海水 當作冷卻劑供應至I縮器的中間冷卻器及後冷卻器。因 此，若此海水為溫暖的，舉例來說，2rc，其係熱帶區域 典型的表層水溫，並且假設該冷凝器中為典型❸looc溫 差，該co2將無法利用此溫暖的海水予以凝聚，藉以降低 了效率並且限制以CQ2為主的循環適用於海水低於將近 2〇°C的緯度。 此外’c〇2通常能被壓縮至高於將近52巴的壓力以使 其能有效地被凝聚，該壓縮器必需應用特殊的高壓罐型護 罩。應用特殊的高壓罐型護罩藉以提高資金成本。再者， 整個預冷迴路於比Μ或氫氟碳化合物為主的預冷卻猶環 尚出許多的壓力之下作t。因此，整個系統必須搭配高麼 ：壓力釋放裝置等等予以設計，其提高資金成本並且 =氣壓安全的重要性，尤其是在設備與員工之間距離比 6又在陸地上的設備小許多的近海平台上。 也曾有人揭示用於FPS〇，s㈣冷的天然氣液化系統 及方法，其利用丙烷（c^8)使天然氣進料流預冷，而π合 2劑的煙混合物’其本身含有丙燒，進—步使該預二 Α冷郃以提供液化天然氣產物。此類型的方法習稱為經 丙烷預冷的混合冷束劑’或C3MR方法，而且係用以製： 世界所生產的該預冷迴路中’利用焦^ 201040253 湯木生（j-t)閥使液態丙烷膨脹至不同壓力。 丨1T叩沛騰丙 烧靠該天然氣進料流蒸發以使該天然氣進料流預冷。將所 得的丙烧蒸氣饋至-丙烧壓縮器，其將該等蒸氣流壓縮至 高壓。從該壓縮器排出的高壓丙烷靠海水予以冷卻並且再 循環回該預冷程序。由於丙烷（96.6°C )對比於c〇2 (31 Kc ) 的高臨界溫度，與C〇2相比丙烷對於每百萬瓦所供應的壓 縮功率將提供高的冷凍能率（refrigerati〇n duties)。在典型 設在陸地上的設備中，丙烷也可用於該混合烴冷凍劑中以 〇 在該程序的液化部分中提供有效的冷凍作用。 儘管丙烧已經被廣泛用於設在陸地上的設備中當作 預冷卻冷凍劑，利用丙烷也具有用在LNG FPS0s的缺點。 丙烷可能從氣體壓縮器密封物、丙烷蒸發器及該系統的其 他點洩漏出來，其可能導致該FPS0表面處或附近的危險 性爆炸情況。丙烷由於其數個獨特性質而表現出這些危險 性爆炸情況。舉例來說，丙烷具有_42.rc的正常沸點，其 ❹意指當丙烷從任何設備洩漏出來時，其依然是蒸氣。丙烷 的蒸氣密度於15C時為1.91 Kg/m3對比於空氣的密度1.20 Kg/m3。丙烷的蒸氣密度造成洩漏的蒸氣沉積於該Fps〇平 台的表面附近。該蒸氣具有低於95體積％的低可燃性極限 而且美國運輸部把丙烷列為可燃性氣體，而歐洲委員會將 丙烷標識為F+或極度可燃性。因為丙烷蒸氣沉積於該Fps〇 平台的地板或表面而且因為丙烷為極度可燃性，所以丙烷 ”雲"出現在該FPS0平台上將會具有極度的危險性。 再者’ FPS0在空間上受侷限而且設備與員工或住所 201040253 之間的平均距離比設在陸地上的設備小相當多。若丙烷洩 漏發生在FPSO上，該可燃性丙烷蒸氣可能會在短時間内 傳送到該FPSO所有主要的區域，使該設備暴露於爆炸及/ 或著火的風險。 此潛在的危險性在Piper Alpha真實上演，其係於北海 中處理丙烷凝結物的油氣平台。在1988年7月6曰，據稱 正在修護當中的備用丙烷凝結物泵忽然起動，導致丙烷排 放到該平台表面正上方的空氣中。所產生的洩漏丙烷忽然 點燃並且造成兩起非常大的爆炸，其立即捲入控制室及大 部分的船體内。此意外事件造成167個人死亡及該平台熔 解。 因此’用丙院當作冷凍劑可能會極度危險，尤其是自 從那件事之後不僅該預冷段，而且連儲存及萃取丙烷的脫 丙烷塔中也都需要清點丙烷。對照之下，其他烴類沒有像 丙烷那麼大的威脅性。舉例來說，曱烷（CH4)比空氣輕，於 15C時具有典型的蒸氣密度〇·68 Kg/m3。若甲烷洩漏到 FPSO平台上，该曱烷將迅速驅散到空氣中。同樣地，乙烷 (C2H6)於15C時具有1.28 Kg/m3的密度，其仍算是接近空 氣的密度，因此，降低了可燃性蒸氣集中在靠近該Fps〇 表面之處的危險性。 丁烷（C4H1())經常具有與丙烷相關的類似問題。舉例來 說，正丁烷具有-0.5°c的正常沸點及於15<t時2 52 Kg/m3 的密度，其可能導致爆炸性蒸氣形成於該Fps〇表面上。 然而，丁烷由於其高密度而具有較低逸出該液化設備的傾 201040253 向，那使得丁烷本質上比丙烷更安全。重質烴於周遭大氣 溫度時主要為液體，且因而，任何洩漏都將造成少許接近 該FPSO表面的蒸氣。 因此’基於其於脂肪族烴群組中的獨特位置，咸認為 丙烷為所有脂肪族烴中最危險者，而且宜避免用在 FPSOs 上。 因此’在此技藝中需要一種能提供C3Mr方法的能量 及=貝金成本效率而不需暴露於，或至少限制可燃性冷凍劑 ❹在該FpS〇上的應用之方法。預冷卻冷凍劑必需具有高於 5 0 C的臨界溫度，具有零潛在可燃性、零潛在毒性、低環 境衝及能給予低預冷溫度的低正常沸點。 【發明内容】 本發明的具體實施例藉由提供改良的液化系統及方法 而滿足此需求，該液化系統及方法在利用混合冷凍劑（MR) q 使該預冷的進料液化之前先利用氫氟碳化合物（HFC)使天 然氣進料流預冷。 在一具體實施例中’揭示一種使天然氣流液化之方 法’其中該方法包含下列步驟：提供用於液化的脫水天然 氣流；使該脫水的天然氣流在一預冷設備中預冷，其中該 預冷作用係藉著利用基本上由氫氟碳化合物（HFC)冷凍劑 所構成的預冷劑來進行；進一步靠蒸發的烴混合冷凍冷卻 劑透過間接熱交換使該預冷的脫水天然氣流於一主要熱交 換器中冷卻而產生液化天然氣產物流，其中該混合冷凍冷 7 201040253 卻劑包含乙烷、甲烷、氮及少於或等於3莫耳％的丙烧。 在另一具體實施例中，揭示一種用以使天然氣流液化 之系統，其中該系統包含：一多段式氫氟碳化合物（HFC) 壓縮器；一流動地連至該多段式HFC壓縮器的預冷設備， 該預冷設備包含至少一利用HFC冷凍劑使脫水的天然氣流 冷卻的蒸發器；一流動地連至該預冷設備的主要熱交換 器’其係用於使該預冷的脫水天然氣流進一步冷卻而產生 液態天然氣產物流其中包含乙烧、甲烧、氮及少於或等 於3莫耳％的丙烧之經蒸發的混合冷束冷卻劑提供該主要 熱交換器中的冷凍作用。 在又另一具體實施例中，揭示一種用於使天然氣流液 化之方法’該方法包含下列步驟：提供用於液化的脫水天 然氣流；使該脫水的天然氣流在一預冷設備中預冷，其中 該預冷作用係藉著利用基本上由氫氟碳化合物（HFC)冷凍 劑所構成的預冷劑來進行；靠蒸發的烴混合冷凍冷卻劑透 過間接熱交換使該預冷的脫水天然氣流於一主要熱交換器 中進一步冷卻而產生液化天然氣產物流，其中該混合冷凍 冷卻劑為包含衍生自天然氣流的甲烷流、富含乙烷的物流 (其中該富含乙烷的物流主要為乙烷）及氮流（其中該氮流主 要為氮）的混合物。 【實施方式】 本發明之一具體實施例係關於用於LNG液化應用中 的低溫冷凍的發展，而且尤其是用於以HFC’s及烴冷凍劑 201040253 混合物二者的用途為基礎的近海用途。由於緊密的規劃、 住所接近該處理設備及有限的排出口，使得安全在設計任 何近海或浮式烴處理設備時最為重要。所揭示的系統及方 法的具體實施例達到每噸產物LNG的高動力效率，免除使 用像是丙烷之類的可燃性但是高效率冷凍劑的需求。 在一具體實施例中，在傳統C3MR方法中所用的高可 燃性丙烷預冷卻冷凍劑可以HFC予以取代以便於利用烴混 合冷凍劑進一步冷卻之前先使該天然氣預冷。所用的HFC Ο 可能被美國加熱、冷凍及空調工程協會（ASHRAE)分類（第1 類）為在400 ppm以下的無毒性而且火焰於21。(：及1.01巴 時不會蔓延，因此’使其與丙烷相較之下能安全使用。若 冷凍劑於高於0.1 Kg/m3的濃度於21。(：及1.01巴之下可燃 而且具有低於19,000幻/^的燃燒熱的話八811尺入£將其歸 類為第2型。若冷凍劑於低於〇. 1 Kg/m3的濃度於21。(：及 1.01巴之下可燃而且具有高於itooo KJ/Kg的燃燒熱的話 ◎ ASHRAE將其歸類為第3型。 由於許多HFC's的較低正常沸點使該HFC能預冷至比 _37°C更低的溫度。舉例來說，R32 (二氟曱烷）與R125 (五 氣乙烧）的二元混合物R410A具有70.rC的臨界溫度，被 ASHRAE歸類為A1冷凍劑（低毒性而且沒有潛在可燃性）， 具有臭氧消耗潛能值（ozone depletion potential) (ODP) 〇， 及-51.6 °C的正常沸點。該0DP為相對於二氣二氟甲烷 (CCl^2)之分子起反應並且破壞大氣中的臭氧的傾向，照蒙 特婁協定（1987)的規定將該二氣二氟甲烷的〇Dp指定為 201040253 1 ·0。由此，具有越低ODP的冷凍劑越理想。 用HFC's當作預冷卻冷凍劑的另一個益處為其能從該 混合冷凍劑移除丙烷同時維持接近與製造LNG時相同的能 量效率。這樣使HFC預冷的混合冷凍劑方法能免除丙烷的 應用，提供與設在陸地上的設備大約相同的效率，而且同 時，由於HFC’s的低沸騰溫度而使該液化方法能有大量的 操作彈性。 應用HFC冷凍劑會導致與該傳統C3MR方法一樣高或 又更高的效率。再者’數種商業上可購得的主流HFC，s能 預冷至低到-127 C的温度而沒有任何凍析的可性能。再 者，大4为商業上已知的HFC，S的臨界溫度比高許多， 而且因而HFC s可在最典型的海水溫度情況之下以高處理 效率被使用。 使用HFC S勝過丙烷的另一個益處為使數種HFC's的 壓力靶被迅速降至真空(低於大氣壓力的)壓力水準而達到 低常低的預4 ’皿度，因此’能從該進料凝聚足量的烴。若 丙烧使壓力迅速降^ 幸至低於大氣壓力的水準以達到低溫（亦 Ρ低於42 C )’空氣進入該壓縮器抽吸管道，舉例來說， 將有可此會導致爆炸纟混合&。因為像{州〇 Α及 R1 3 4 A，舉例來句，& τ 4 的HFC’s為非燃性，空氣進入不會導 致可燃性混合物，抓a a & 那就是為何其可容忍壓力迅速降至低於 大氣壓力的水準。 由於有達到#、人，， 令的預冷溫度的可能性，所以也可能， 或接近可行，從主I、日 要k合冷凍劑迴路免除丙烷同時依舊維 10 201040253 持可接受的工業效率。用於液化的混合冷凍劑可包含，舉 例來說，氮、甲烷及乙烷。理論上，該混合冷凍劑應該含 有〇莫耳％丙烷，然而，實際上，免除該混合冷凍劑中的 所有丙烧可能不經濟或在商業上沒有可能性。 用於該混合冷凍劑的甲烷可在原地生產。用於製備該 混合冷凍劑的乙烷可能源自，舉例來說，大量生產的供應 商，或也可在原地製備。無論外部來源或原地製造的，乙 烧經常被製成脫乙烧塔的塔頂產物。事實上，來自脫乙烧 ◎ 塔的乙烧純度受到塔中的階段數及迴流比限制。高純度乙 烧的生產需要蒸餾塔中有大數量的階段及/或高迴流比，其 導致資金及操作成本提高。因此，工業用的乙烷產物流中 可能包括小量丙烷。 該混合冷凍劑所需要的甲烷經常以洗滌塔回流罐（參 見圖1的項目110)所產生的蒸氣流的形態被萃取出來（參見 圖1的物流117)。該甲烷流117中的丙烷含量為該預冷的 ❹進料流108 (對照圖1)的溫度之函數。當該預冷流1〇8的溫 度降低時，越多丙烷凝聚於該迴流罐110中，其導致塔頂 流117及114中的丙烧含量越低。因而，若用於製備該混 合冷凍劑的甲烷流中希望較低的丙烷含量，則需要較低的 預冷溫度。甲烧也可從該脫水的進料氣體獲得。在任意案 例中’ §亥甲烧構成的流也經常含有一些視為雜質的乙炫及 丙烷，其取決於該設備操作及該天然氣進料的組成。

由此’甲烧及乙烧一來源均含有小量丙燒。舉例來 說，依照氣體處理器供應商協會（GPSA)工程數據書（FPS 11 201040253 版’第 I 卷，1998 年）的圖 2 ? ;幻圃2至3，市售可得的高純度乙烷 一般含有約4莫耳 旲咔/〇丙烷並且可含有至多1〇7莫耳％丙 烧。表1顯示典型混合冷東 ▽來背U具中δ亥混合冷凍劑包含16 6 莫耳0/〇的Ν2、40.99莫耳％的甲、ρ# 夫斗/〇的Τ烷及42.4莫耳％的乙烷）中 丙丙烧含量的變化。舉例來說，#為了安全或其他目的該 ，昆口冷4劑希望低於2 Q莫耳％的丙院，則必須使用任意低 於1.0莫耳％丙烷的曱烷流或該乙烷流必須含有低於4莫耳 %丙烷。在此案例中，來自高純度脫乙烷塔的乙烷較佳可 能優於工業級乙烷。 表1 曱烷中的丙烷莫耳 % 利用具有1 %丙烷 的原地生產乙烧之 混合冷東劑中的丙 烷莫耳％ 利用含有4%丙烷 的工業用高純度乙 烷之混合冷凍劑中 的丙烷莫耳。/〇 0.50 0.63 1.90 1.00 1 0.83 2.11 1.50 1.04 2.31 2.50 1.45 ----~~~一 2.72 2.66 1.51 〜----- 2.79 3.00 1.65 ----_ 2.93 3.19 1.73 3.00 — 預冷至較低溫度將降低對於該混合冷；東劑迴路的熱 12 201040253 移除負荷。這同時造成資金及操作成本降低；例如低溫熱 交換器的混合冷凍劑迴路設備及混合冷凍劑壓縮器—般比 預冷設備投資更多。這量因為該混合冷㈣m路熱交換器 係設計得更複雜以忍受低溫條件，而且也因為混合冷凍劑 壓縮器於比預冷壓、缩器高數倍的壓力之下操作導致較厚度 器壁配管及設備。因而，降低對於該混合冷束劑迴路的負 荷導致淨資金成本節省。再者，對比於該預冷迴路該“ 〇冷;東劑迴路針料KW的熱移除壓縮機需要更高的能量消 耗。這是因為，預冷卻冷凍劑像是HFC，s及丙烷的平均壓 縮因子比典型的混合冷來劑低許多。因而，將熱移除負荷 轉移至該預冷迴路提供總壓縮功率的淨降低，其導致操作 成本利用。燃而，丙烷由於其與HFCIS像是R4i〇A (_51 6 。0相比相對較高的正常彿點及與真空操作相關的風險而 無法提供將負荷轉移至該預冷迴路的彈性。在該設備中各 處排除或近乎排除用丙烧當作冷耗，加上任何相關的設 0備成本及儲存和製造丙烧的風險，將導致明顯更安全且更 經濟的液化系統。 任意為單成分冷束劑或冷康劑混合物的HFC冷康劑 均可用於預冷。單成分HFC冷㈣，例如R134a，已經廣 泛被用於，舉例來說，>气車及其他冷康業中。然而，只有 幾種單成分卿冷;東難滿^安定，低可燃性，具有低於 〇嚴1的低臭氧消耗潛能值’及兼具低全球暖化潛值和低凝聚 :力與低正常彿點的有效動力學特性的多重限制。因而， 均遍S忍為混合物為HFC冷凍劑的可能候選物。 13 201040253 範圍廣泛的工業用HFC，s均可購得，其允許設定預冷 溫度有高的彈性。舉例來說，若該LNG必須蘇除重質煙（經 常為了控制其熱值)，進料可能必須被預冷至低於-4(TC的 溫度。市售可得的HFC，S像是R_41〇A可於非常高的效率之 下輕易地用以使該進料預冷至，舉例來說，-48。〇的溫度。 相對之下co2由於可能;東析而可能無法當作此情況中的 預冷劑。 被認為具有變化於0至之間的低•，溫度滑落 (temperature glide)"之HFC冷束劑混合物可當作該預冷 劑。該溫度滑落為起泡與露點溫度之間的〉显差，而且係由 於混合物彿騰時組成的變化因為更多揮發性成分沸騰跑掉 而逐漸移向重質成分引起。具有非常小溫度滑落（〇至〇1 °C)的冷凍劑混合物扮演的像單成分一樣而且被稱為"共沸 混合物”，而具有低溫度滑落（亦即，低於lt)的混合物被 稱為”近共沸物”。舉例來說，該HFC混合物r_4i〇a具有 低於0.1°C的溫度滑落。 低溫度滑落的冷凍劑有幾個益處。首先，低溫度滑落 的冷凍劑避免組成變化使得整個冷凍迴路，包括該設備， 可設計成用於均勻組成。此外，有低或無溫度滑落的冷凍 劑洩漏將造成該預冷系統中所含的冷凍劑的組成的最少或 無變化。 其次’近共沸物或共沸物冷凍劑與個別成分表現不 同。舉例來說’即使R32本身為可燃性，但是R41〇A，其 係R32與R125以重量計50/50的近共沸混合物，卻具有低 14 201040253 可燃性。 第三，當該混合物於各種不同屋力水準之下蒸發時丘 彿物冷康劑能維持其分子量。因此，於不同麼力水準^ 進入麼縮器的基氣且右相π八工旦 …風，、有相同分子量。相對之下，利甩且 =度滑落的HFC，S可能導致具有較高分子量的蒸氣進入 =:器，其可能導致該I縮器不可預期的表現，除非部 署費力的組成控制機構。 Ο ❾ 在邮〇上利用HFC冷;東劑預冷時有—點必須 疋必需全壓重新起動該HFC冷凌劑堡縮 上的LNG設備❹單軸型燃氣渦輪來驅動連接大型電= 2器/辅助機構馬達的冷㈣丨壓縮器。即使具有大型電動起 動器/輔助機構馬達，這些設備 舊需要你去士玄认 x備在重新起動該壓縮器之前仍 售需要使大比率的冷束劑存料 Μ ΒΛ M W ΛΑ ^ 為了使渦輪及起動器/ 補助機械的動力/轉矩需求 的水準必須如此。該驅動系统通常:…動該驅動系統 驅動器構““ 或更多象縮器及- 動器構成，其全都機械式地連接

設備，通風並非可接、/断預冷的LNG 田❹濟選項’特別是位在近海處者， 為購貝及輸送該冷凍劑的費 將耗掉吧〇上可觀的而且該HFC的儲存 的Μ 4 間。為了符合全壓起動而不通風 的要求，該驅動器必須能摞 m風 速至全速所需的轉矩系統在負載之下加 構造或多軸式…道用電動機驅動裝置、多軸式 成夕軸式乳體誘導燃氣渴輪做到，因 虽的轉矩性能。利用HFC 冑具有適 不能通風的必備停件不=rLNG液化系統中的咖、 脊條件不可邊用單轴式燃氣渦輪為主的驅動 15 201040253 系統滿足而不需非常大型起動器/輔助機構馬達及給 > Λ Λ 乂、 禹的動力產生設備。此結構可能不是經濟的解決之 道’因為其可能需要設備的大筆投資，而其最多偶而在設 備重新起動時才用得到。 圖1舉例說明根據本發明之一形態的包括二冷康迴路 的液化系統及方法。一或更多冷束迴路可以加至圖i中已 經例示的的迴路。該第—個溫暖或預冷的冷；東迴路利用 HFC冷象劑。該第二個冷卻或主要冷卻的冷束迴路利用煙 混合物。用HFC當作預冷卻冷柬劑的第—個冷束迴路包含 多段式HFC壓縮考1 B a 、 准器158及HFC預冷設備101。該第一個冷 凍迴路中所用的HFC較佳可具有下列性質：⑴為ashrae A級（低毒性）冷凌劑；⑺為ASHRAE第i類（低可燃性）冷 /東劑；（3)具有不超過的瞻（非常低臭氧消耗）。分子 的ODP以其臭氧破壞傾向與照蒙特宴協定的規定之二氣二 氟甲烧（CCl2F2)的臭氧破壞傾向作比較；及⑷具有低全球 暖化潛值（GWP)。然而，應該要注意的是在正常操作條件 之下極低可能性的大規模發排氣、節能及隨後c〇2排氣減 量暗示該GWP標準僅只於定性。 該第一個冷; 東迴路t所用的賦較佳也可具有下列 性質：（1)關於HFC混合物，該冷;東劑較佳能具有低於邝 的，皿度/月落’其月巨藉由共彿或近共濟的hfc混合物達到； (2)遣HFC成分或混合物能具有高於抓的臨界溫度（除了 海水之外也能使用周遭空氣當作冷卻劑，由此，賦予較高 的效率）；及（3)具有低到足以使該天然氣進料預冷至希望溫 16 201040253 度的正常彿點。舉例來說’ R41〇A即使沒用真空操作也具 有-51.6°C的正常沸騰溫度，該真空操作可利用分餾從該天 然風ί進料充分移除重質煙。 市售可得的單成分HFC，s像是Ri34a、R125及所有其 他帶有上述性質之物均適用於本發明的方法中供LNG液化 用。另外市售可得的HFC混合物像是R4〇7C、R41〇a、 R417A、R507及R422D均滿足上述的必備條件。 表2提供其他被歸類為A1 (亦即，低於4〇0 ppm的無 〇 毒性且無火焰蔓延性），具有接近〇的〇Dp且可用於lng 預冷工作的潛在純及混合物HFC's的一覽表。 表2 冷凍劑類型 組成 ODP 臨界溫度 ashrae (°C) 安全分類 R134a cf3ch2f 0 100.9 A1 R125 cf3chf2 0 66.1 A1 R407C R32/R125/R134a 0 87.3 ' A1 R410A R32/R125 0 70.1 A1 R507 R143A/R125 0 70,9 A1 回到圖1，天然氣進料流（未顯示）係於傳遞至乾燥器 (未顯示）之前先預處理以供移除重質烴油、微粒、c〇2及 HA。若海水實質上低於22°C乾燥可利用海水冷卻來進行 或可利用該HFC冷凍劑來進行。在使該天然氣進料流冷卻 17 201040253 至介於22至25X：之間的溫度之後，接著將該天然氣進料 流傳遞至乾燥器床，在其中移除水分（未顯示）。接著傳遞 該脫水的天然氣進料流1〇〇以便於介於3〇至85巴之門的 壓力預冷。脫水的天然氣進料流1 〇〇的預冷係於舉例來 說，該預冷設備101所示的1至5個串聯的冷卻階段中進 行。圖i舉例說明—3_階段預冷系 '统。這些串聯的冷卻階 段藉由，舉例來說，降低j_T閥壓力使供應至該冷卻階段 (n)的HFC冷凍劑比供應至該冷卻階段（11_丨）的Hfc冷凍劑 更冷而於連續遞減的溫度下使用HFC冷凍劑。冷卻階段的 數目越多，由於非常逼近冷卻曲線所以預冷效率越高。若 總共有（n) HFC預冷階段，該進料在數階段中冷卻而產生該 預冷流102。 預冷流1 02可接著被遞送至烴洗滌塔丨〇3，其利用冷 液流113清洗掉該進料的重質π#)成分以調整最終lng的 熱值。底部、流1〇5係任意遞送至分餘系統或健藏室（未顯 示）。應該要注意的是由於FPSQs上的空間限制，排出該洗 蘇塔103的重質烴流105可能能在LN(}接收末端輸運及分 顧。若在該FPSO +台上進行分顧，本發明之一形態也使 該HFC冷柬劑能供應冷;東作用給一分餘系統中可能涉及的 各種不同塔（例如脫乙烷塔）的冷凝器。 從該洗條塔103取得的物》1〇4構成輕質塔頂流。物 流104有一部分（亦即，物流1〇7)可利用該紙預冷設備 101予以局4凝聚。該局部凝聚的進料谅L J 〇8可接著與物 Μ 104未被凝聚的。[5分（亦即，物& i⑽)合併以形成物流 18 201040253 109並且接著遞送至一蒸氣-液體分離器11〇，該蒸氣_液體 分離器110從該液體分離出該蒸氣。來自該蒸氣_液體分離 器110的液流111可接著在泵112中充當物流113抽回洗 條塔1 0 3以扮作該塔的迴流。 該HFC預冷卻冷凍劑可用以供應所有該洗滌塔冷凝 器_ 110能率而不需以主要液化冷康劑用於此用途。利用該 HFC預冷作用供應所有該洗滌塔冷凝器i 1〇能率能改善該 系統的效率，因為通常冷卻典型烴冷凍劑所供應的能率必 〇 需比該HFC冷凍劑高許多的增量壓縮功率。這是因為與輕 質烴冷凍劑像是CH4及CsH6相比典型HFC，s的壓縮因子明 顯較低。利用該HFC預冷供應所有該洗滌塔能率也會降低 該主要液化父換器11 5的尺寸並且簡化控制問題及設備配 置。 來自該洗滌塔迴流冷凝器11 〇的蒸氣流丨丨4可被遞送 至使蒸氣流114完全凝聚並過冷的設備的低溫段以形成 ❾ LNG產物流116。該低溫段包含該主要液化交換器11 $。在 該低溫段中’舉例來說’可使用由具有〇至3〇莫耳％ A 或純A的混合冷凍劑。在一具體實施例中，該主要液化冷 凍劑可為含有〇至30% A及例如甲烧（〇至50%)、乙烧（〇 至75%)及丁烷（〇至50%)的烴類。在另—具體實施例，該 主要液化冷凍劑可為混合物，其包含衍生自天然氣流的曱 烷的第一流、第二流（其中該第二流為富含乙烷的物流，其 主要為乙烷）及第三流（其中該第三流為富含氮的物流，其 主要為氮）。該曱烷流可以二方式之其一衍生自天然氣。若 19 201040253 天然氣流100 (舉例說明於圖丨）貧乏（亦即，含有多於90莫 耳％甲烷及少於3莫耳％烷）則其可靠預冷設備101中的 HFC預冷’在一洗滌塔ι〇3 (圖1的）中洗滌，該洗滌塔1〇3 移除過量的丙烷及其他重質烴，及進一步預冷製造該甲烷 構成流117 (圖1的）。此程序確保用以製造該混合冷凍劑 的曱烷構成流含有夠低量的丙烷以求安全。 關於該富含乙烷的流，用於此處時，主要界定為意指 該物流包含至少90莫耳％乙烷。工業用高純度乙烷可含有 至多10莫耳％丙烷，而在原地製備的乙烧可具有比9〇莫 耳％乙烷尚許多的純度。因此，該富含乙烷的流的最低純 度為90莫耳％乙烷。 關於該富含氮的流，用於此處時，主要界定為意指該 物流包含至少97莫耳％丙烷及低於_4〇〇c的露點。以空氣 工業用高純度乙烷可含有至多1〇莫耳％丙烷，而在原地製 備的乙烷可具有比90莫耳％乙烷高許多的純度。因此，該 富含乙烷的流的最低純度為9〇莫耳。/。乙烷。 海上應用經常使用以空氣的薄膜分離為基礎的成套 氮產生器以提供至少97莫耳％氮流。以經濟的方式利用這 些單元可達到至多99.99莫耳。/。純度的氮。該等薄膜經常於 低於14巴的空氣饋入壓力及低於5〇t的溫度之下操作。 當使用HFC’s當作預冷劑時，可免除或近乎免除丙烷 的使用’由於會有於水平面形成可燃性零的可能性所以咸 認為其不利於該FPSO上的應用。 該主要液化交換器丨丨5可為一魂圍彳^ & J两琛_式父換器、鰭片式 20 201040253 交換器或任何其他經常用於低溫作業的交換器。蒸氣流i 14 可進入該主要液化交換器115,其在該主要液化交換器115 凝聚並過冷，並且於，舉例來說，_14〇〇c至_17〇<5C的溫度 及30至85巴的壓力排出成為Lng產物流116。 該經凝聚及過冷的LNG產物流116可藉著使其於液態 膨脹器（未顯示）或迅速降壓閥（未顯示）中的壓力降至12巴 左右進一步予以處理，形成閃氣及液態LNG產物。該LNG 產物可隨後送去儲存，舉例來說。 該低壓溫暖的主要液化冷凍劑流丨3〇可遞送至一系列 中冷壓縮器131、135，其中該物流13〇先在壓縮器13ι中 壓縮以形成物流132’在中冷器133中冷卻以形成物流 134 ’進一步在壓縮器135中壓縮以形成物流138，以及接 著進一步在後冷器139中冷卻以露出高壓液流14〇。藉由 驅動器136驅動壓縮器131及135。驅動器ΐ3ό可為電動 機或燃氣渦輪。高壓液流140可處於介於30至80巴的壓 〇 力及下列要求的溫度：（1)該中冷器133及後冷器139中所 用的冷卻劑；及（2)該中冷器133及後冷器139的尺寸。儘 管圖1舉例說明具有一中冷器133及一後冷器139的混合 冷部劑壓縮系統’但是多重中冷器133及後冷器139也可 實施’舉例來說。該中冷器133及後冷器139中所用的冷 钾劑可為空氡’或對於FPSO應用，海水或新鮮水，其接 著藉由海水予以冷卻，舉例來說。 該經冷卻的高壓冷凍劑流140可利用預冷設備101予 以預冷而產生預冷流141。預冷流141可在分離器142中 21 201040253 分成輕質冷凍劑流143及重質冷凍劑流144。該輕質冷;;東 劑流143可接著在該主要液化交換器115中凝聚並且過冷 以形成物流148，在J-T閥149中膨脹以在其接著在該主要 液化父換器115中蒸發之前先產生具有介於_i8〇°c至-120 C之間的溫度的低溫冷束劑流1 $〇。該重質冷東劑液流144 也可在該主要液化交換器1丨5中過冷以形成物流丨45，其中 其可接著在J-T閥146中膨脹以產生低溫冷束劑流147而 且也在該主要液化交換器115中蒸發。此方法在j_t閥之 前也可包括液壓膨脹器（未顯示）以改善效率。 該合併的低溫冷凍劑流147、1 50於連續越來越高的 溫度下沸騰同時在最終以處於或稍高於露點的蒸氣流13〇 的形式排出該交換器之前流下該主要液化交換器115，藉以 完成該冷凍迴路。 圖2舉例說明包含一或更多HFC蒸發器的預冷設備 101的内部。用HFC蒸發器222、226、230將該脫水的天 然氣進料流100冷卻至將近-100°C至0°C。該等蒸發器可為 殼管型交換器，舉例來說。殼管型交換器也常被稱為”罐子 "，因為該殼側由HFC冷凍劑的沸騰槽構成。該HFC冷康 劑流1 62 (圖1中也有例示）可為飽和或較佳為於空氣或海 水冷卻劑還有該冷凝器及過冷器尺寸所決定的溫度之下過 冷的HFC液體。舉例在FPSO應用中冷卻的典型海水可使 來自多段式HFC壓縮器158的HFC排放物冷卻至高於海水 溫度5至20°C。 該高壓過冷的HFC流162可被分成物流220、240。 22 201040253 物流220可提供冷卻作用給該脫水的天然氣進料流1 〇〇而 物流240可提供冷卻作用給該混合冷凍劑流140。物流220 可隨後在一 J-T閥290中膨脹以形成物流221並且接著被 遞送至蒸發器222中的液體沸騰槽。該排出蒸發器222之 飽和著HFC的蒸氣流223可與蒸發器242所引起的飽和蒸 氣流243合併並且該合併流163 (圖1中也有例示）可接著 以側流的形式被遞送至圖1的多段式HFC壓縮器158的最 高壓力抽吸喷嘴。222中未沸騰跑掉的HFC液體可經由物 ❹ 流224遞送至另一壓力減降的j-τ閥292，其進一步降低其 壓力及溫度而產生物流225。該沸騰液流225可被遞送至 蒸發器226，其中該沸騰液流225供應進一步的冷凍作用 給物流201。由蒸發器226所引起的蒸氣流227可與由蒸 發器246所引起的蒸氣流247合併而且該合併流164 (圖1 中也有例示）係以側流的形式被遞送至圖1的多段式HFC 壓縮器158的中壓抽吸喷嘴。來自226呈物流228形式的 Q 液體可在一 J-T閥294中進一步閃餾而產生沸騰流229並 且被遞送至蒸發器230中的液體沸騰槽，其中讓沸騰流229 可完全被蒸發而形成飽和蒸氣流23丨。飽和蒸氣流23丨可 與由該蒸發器250所引起的蒸氣流251合併而且該合併流 165 (圖1中也有例示）可被遞送至該多段式HFC壓縮器ι58 的低壓抽吸入口。 蒸發器230扮作該洗滌塔1〇3的冷凝器。蒸發器23〇 中的彿騰液體溫度、該最終j_T閥294的出口溫度以及該 HFC本身可藉由幾個標準來決定。舉例來說，通常對必需 23 201040253 產生足夠迴流至該洗務塔103内的LNG的較高熱值（HHV) 作出限制，接著蒸發器23〇中需要夠低的沸騰溫度。通常， 此溫度在-2CTC至8(TC之間變化，但是也可能有此溫度可超 出此範圍的例外。舉例來說’當壓力迅速降至1 25巴左右 的最低允許壓力時冷凍劑像是R_41〇A將提供_5(rc左右的 溫度。在此案例中，該蒸發器230的出口處可達到約_47。〇 的最終預冷溫度。HFC'S也可安全用於低於大氣壓力的壓 力以達到又更低的溫度。有可能的一個理由，不像丙烷， 為空氣-HFC混合物為不可燃性，使得即使有一些空氣進 ❹ 入’也不會引起可燃性的問題。該HFC冷凍劑的挑選，因 此，也可藉由欲使該進料氣體凝聚出足夠烴類所需的最終 預冷溫度予以管制。 類似於上述該脫水的天然氣進料流1 〇 〇的預冷作用， 蒸發器242、246、250可用以使該烴混合冷凍劑流14〇預 冷而產生一預冷流141。該蒸發器242的預冷溫度可與蒸 發器222相同，該蒸發器246的溫度可與蒸發器226相同， 而且該蒸發器250的溫度可與蒸發器230相同。一般，若 ❹ 有（η)個冷卻階段，該任何預冷階段（k)中的hfc的沸騰溫 度對於該進料及烴混合冷凍劑蒸發器二者而言將會相同。 依此方式’於任何指定預冷階段中離開該進料及烴混合冷 凍劑蒸發器二者的飽和HFC蒸氣將會處於相同塵力。這使 得該等蒸氣流能被混合並且遞送至單一壓縮器階段，因而 降低壓縮器入口喷嘴的數目。 利用HFC’s當作該預冷劑的另一優點為HFC，s具有超 24 201040253 過50.0°C的臨界溫度。因為該HFC’s臨界溫度超過50.0 °C，所以接在該多段式HFC壓縮器158後面的HFC冷凝器 161 (例示於圖1)不能在該超臨界區中操作。由於接在該多 段式HFC壓縮器158後面的HFC冷凝器161不能在該超臨 界區中操作，因此該系統將會在較高的效率操作，因為在 低於臨界條件之下的體積流量減降較多。另外HFC's可提 供冷凍作用給數個沸騰階段中的進料及主要液化冷床劑， 其使得該系統能匹配冷卻曲線至任何緊密度，藉以造成較 〇高效率。 對烴洗滌塔迴流而言該HFC可用於比丙烷更低的溫 度提供凝聚能率，藉以簡化該液化設備的設計並且卸下該 煙混合冷來劑的一部分負擔。此烴混合冷凍劑負擔的減輕 將改善該系統的效率並且降低該設備的昂貴低溫段的尺寸 及資金成本。再者，更簡單且更有成本效率的程序配置可 用於更廣大範圍的進料組成及產物規格。 Q 在圖3所例示的另一具體實施例中，不使用該HFC預 冷系統來供應該凝聚能率給該洗滌塔3〇3。而是，用富含 煙的混合冷凍劑供應該凝聚能率給該洗滌塔3〇3。該脫水 的天然氣進料流300係於預冷設備30 1中分2至4個預冷 1¾段中預冷以產生預冷流302。該預冷流302的溫度取決 於該洗滌塔303中的迴流速率及所需的烴移除程度。對於 指定的迴流速率，降低該預冷流3〇2的溫度將提高塔中的 煙移除速率。排出該洗滌塔303的塔頂流304進入該主要 液化交換器313，使其於該主要液化交換器313中冷卻並 25 201040253 且局部液化而造成物流306。物流306在該洗務塔迴流罐 307中相分離造成物流308及312。將物流3〇8抽吸到泵 309中並且接著經由物流3 10以塔迴流的形式遞送至該洗 務塔3 0 3。將物流3 12再引回該主要液化交換器3 1 3内以 供液化’而變成LNG產物流316。應該要注意的是圖3中 剩餘的物流及設備的作用與圖1中所示的等效1〇〇系列的 物流及設備類似。 〇 圖4Α及4Β舉例說明二HFC壓縮器驅動器結構。圖 4A顯示該HFC壓縮器158藉由轴式燃氣渦輪驅動器154 (也例示於圖i中）間接驅動的結構。例如LM25〇〇、lm6〇〇〇 或PGT25的氣體誘導渦輪為市售可得的多轴式渦輪實例。 該多軸式渦輪驅動H 154包括在獨立軸上的氣體產生器 456及動力渴輪膨脹器457。該動力渦輪457需要高起動轉 矩’因為其負載不需使任何HFC存料通風就起動的多段式

HFC壓縮器158。起動睹，A 時在起動動力渦輪457之前使該 工氣塵縮器454，藉由胃^ ^ 茨氧體產生器456予以驅動，能提 尚至全壓力。一旦該空盔蔽处祖〇 , 工軋壓縮器454提高至全壓力，從該 氣體產生器456排出來仍名古腋 仍在间壓的廢氣將提供所需的高 起動轉矩給動力渦輪457。 除了具有鬲起動轉矩之外，由 於控制燃燒器455出口虛、名μ女 老 產生器456出口處、及動 力渦輪457出口處的氣壓 .a . , . ^ ± 评【使侍夕軸式氣體誘導渦輪 也具有相當大的速度彈性。描 …另一方式為使用直接連矩給該則壓縮 ⑸的蒸氣渴輪。 ^又式肌壓縮益 26 201040253 圖4Β舉例說明一電動機驅動的多段式HFC壓縮器 W8從電源供應器464任意透過與該Fps〇上的電網的 連接或透過與由多轴式燃氣渦輪所驅動的發電機連接供應 電力給该馬達466。可用以跨越該馬達的定子線圈控制電 "π·電壓及頻率的變速驅動裝置（vsd)預防線圈損壞以及預 防電網不穩定。關於 _ 、的馬達，該起動轉矩（轉子鎖.止轉 Ο 〇 )/、Φ IR〇t成正比，其中φ為該等定子線圈的磁通量密度而 Rot為轉子誘導電流。接著$與^子電壓成正比。在轉子 速度零時’^料子場的轉動頻率成正比m場接著 藉由輪入定子電壓的頻率及定子極的數目线（亦即，咖 (P)) 〃中f該輸入定子電遷的頻率而且”定子極的 數目。因而，藉由在定子繞組中施以夠高的頻率及電壓， 即^予—起動轉矩給該轉子，其克服由該壓縮器及 2的HFC氣體所構成的負載轉矩。變頻驅動（卿)技術 J 乂調整給予該等定子線圏的輪入頻率同時維持電壓頻 率比以達到提供夠高的起動轉矩的目標。 與HFC塵縮器相關的問題由於該㈣，8與咖作業 中所用的習用預冷卻冷;東劑（舉例來說，像是 如 高的分子量而發生。儘管丙 ’元目t 乂 :是_’其滿足毒性、可燃性、低溫度滑落11 他希望的性質，具有72.58的分子 '、 在流體巾的速度係由下式算出來：眾所周知的是聲音 C：

y-R-T MW ν〇·3 (I) 27 201040253 其中γ =該HFC的絕熱指數，r=通用氣體常數（8 314 J/Mol K)，T = HFC於該壓縮器内任何點的溫度，及MW = HFC的分子量。聲速（C)隨該流體分子量的均方根成反比變 化。因此，較高分子量的冷凍劑造成較低的音波速度。大 部分的壓縮器設計把葉輪外緣馬赫數（Ma)限制在低於音速 的程度（亦即低於1.0)。Ma由下式算出來：

Ma = Π X RPM X 外緣直徑 /C (2) 其中RPM =該葉輪的每分鐘轉數，Π = 3.14159，而且C = 方程式（1)算出來的聲速。為了把Ma限制在低於音速的程 度（亦即低於1.0)，該壓縮器必須於夠低的速度（RpM)下運 轉或該葉輪直徑必須小。 ，二而使該壓縮器於低速運轉及/或應用較小的葉輪直 位均會限制此已確立的壓縮器表示式所示的每階段的理 論多變壓力比：

其中η - HFC多變係數，zAVg =平均HFC壓縮因子，R = 通用氣體常數（8.314 J/M〇1 κ)，Tin =帛輪入口處溫度， MW —氣體的分子量，及vt,〇ut =葉輪外緣處的HFC的絕 對切線速度。上述壓力比假設進入該葉輪入口通道的流量 沒有切線分量。此速度係由速度三角形方法所獲得之眾所 周知的表示式得到： \〇.-ίυτ^2^1) (4)

V ^.DT.b J 28 201040253 其中Q =體積流速，β =具有徑向的葉輪外緣角，DT=葉 輪外緣直徑’而且b =葉輪平均流道寬度。每單位質量所 需的理論功率輸入係由下式得到： 母階段的功率=VL0ut X Ut (5) ° 為了達成達到該HFC的凝聚壓力所需的較高壓力 比’可能需要數個葉輪-分散器（輪）階段，其暗示可能需要 數個壓縮器護罩，增加了該設備的資金成本。然而，據測 定單護罩的HFC壓縮器可設計供HFC，s像是R410A用。表 〇 3 藉由具有 Q = 75,000 m3/h、TIn = ΐα.οοχ：及 Pln = 2.92 巴 的流動階段的壓力比，其經常用於HFC預冷方法的壓力水 準之一，顯示不同HFC’s的效果及其習用預冷卻冷凍劑像 是丙烷的比較。 表3 類型 成分 分子量 y Z C (m/s) Ut (m/s) 外緣 Ma VtOut (m/s) Pout/Pin 丙烧 c3h8 44.10 1.17 0.94 249.66 115.45 0.46 69.48 1.17 R410A F32/Fl25 72.37 1.21 0.96 197.95 115.45 0.58 69.48 1.29 R134a C2H2F4 102.03 1.15 0.93 163.05 115.45 0.71 69.48 1.44 R125 C2HF5 120.02 1.13 0.95 148.71 115.45 0.78 69.48 1.53 關於上述分析，該葉輪角度β為20度，外緣直徑為丨.05 m而且平均通道寬度為0.05 m。該葉輪於2100 Rpm下轉 動。為求簡化示範說明，而將此階段假設為將近等熵。這 29 201040253 對於低β值尤其為真，其僻备沒w 漿葉流動 具再避免邊界層沿著該壓縮器 通道的長度分開。 表3舉例說明關於此葉輪幾何形狀及相同的入 條件，馬赫數隨著分子量的增加而提高…也舉例：明 ㈣段壓力比強烈取決於該分子量。就相同人口體積流 量、溫度及壓力而言該壓縮器㈣利肖HFC，s舆两燒相^ 達到較咼的壓力比。表3顯示關於相同壓縮器幾何形狀及 輸入功率，就每階段較高壓力比的觀點來看一些HFC，s像 是R410A勝過習用冷凍劑像是丙烷的顯著優點。 實施例 在此示範性例證中，利用該HFC預冷的混合冷凍劑處 理將脫水的天然氣進料流1〇〇液化以形成LNG。進入該預 冷段的脫水天然氣進料流100總量為2.39 mmtpa或3〇12 tph左右。來自乾燥器床（圖1中沒顯示）的脫水天然氣進料 流100於150C及68.95巴進入該HFC冷卻的蒸發器222， 在其中將該脫水的天然氣進料流1〇〇冷卻至_4 〇6的溫 度。該進料另外在蒸發器226中冷卻至將近-24.39。(：的溫 度，之後以物流102的形式將其遞送至該洗滌塔1 〇3。該 洗滌塔103中的冷迴流ill造成來自輸入流1〇2的C3+ (丙 烷、丁烷、戊烷等等）烴類的洗滌以產生蒸氣塔頂流104及 底部重質烴流105。 表4從示範性例證總結各種不同物流的情況： 30 201040253

Ο ❹ 該重質烴流1〇5經常導弓I至脫甲烧塔，其中喷出輕質 成分像是甲烷及乙烷以製造其他燃料氣體而富含C3+的剩 餘流則任意進一步分餾或儲存並且輸運。物流i 〇7進入該 蒸發器230以使其冷卻至-44·39°C而產生局部凝聚流1〇8， 31 201040253 以其液態部分（物流111)當作洗滌塔迴流103，而該蒸氣流 114係遞送至該主要液化交換器115。 表5含有在該洗滌塔冷凝器110四周的物流108、111 及114的總結。 表5 物流 108 114 111 流量 lbmol/h 30,394.02 33,479.63 2,278.04 溫度 °C -44.39 -42.30 -42.30 壓力 巴 67.79 67.79 67.79 蒸氣百分比 % 91.89 100.00 0.00 政點 °C -42.30 起泡點 °C -52.30 -42.30 氮 莫耳％ 0.95 1.01 0.22 曱烷 莫耳％ 85.32 89.11 48.04 乙烷 莫耳％ 6.81 6.33 14.02 丙烧 莫耳％ 3.73 2.66 15.61 異丁烷 莫耳％ 0.48 0.22 2.90 正丁烷 莫耳％ 1.63 0.59 10.73 異戊烷 莫耳％ 0.35 0.04 2.69 正戊烷 莫耳％ 0.36 0.03 2.78 己烷 莫耳％ 0.38 0.00 3.01 二氧化碳 莫耳％ 0.01 0.01 0.01 32 201040253 表5顯示該蒸氣流114，於其露點，係遞送至該主要液化交 換器11 5，使其於該主要液化交換器11 5中完全凝聚並且靠 富含烴的混合冷凍劑流過冷以於-152.72°C的溫度產生物流 116。物流116接著在一 LNG液壓膨脹器（未顯示細部）中膨 服以獲得一些動力，以及在一 J-T閥中進一步膨脹至1.17 至1.38巴左右，產生閃餾氣體及最終的LNG產物。 富含烴的混合冷凍劑（HMR)流130的組成為16.6莫耳 ° % 乂、40.99莫耳％ CH4及42.4莫耳％ C2H6，而且總流量 為65,758 11>111〇1/]1。此混合物具有-62.28。〇的露點及-157.87 °C的起泡點。將溫暖的HMR流130 (其中T = _59.5t， Ρ = 8·47巴）導引至該低壓壓縮器131的抽吸部。二中冷壓縮 階段將其壓力昇高以產生物流138 (Τ = -46.50。(：，Ρ=61.33 巴），而且-10.33°C的露點及-76.89°C的起泡點。因此，使該 HMR流進一步冷卻至_76.89t以將其轉化為飽和液體並且 ◎ 進一步過冷以提供所需的低溫冷凍溫度。此冷卻作用利用 後冷卻器139、蒸發器242、246、250的HFC及該主要液 化交換器115中沸騰的HMR來完成。HMR流14 1排出於 -44.39°C及59.23巴的最低溫HFC蒸發器250。該局部凝 聚流141在罐142中相分離以產生輕質烴HMR流143及重 質HMR流144。物流143接著在該主要液化交換器115中 冷卻及過冷以產生冷的冷凍劑流148，而物流144係過冷 以產生該冷凍劑流145。物流145、148在J-T閥146、149 中進一步膨脹以產生低壓冷凍劑流147、丨5〇，接著再將其 33 201040253 引入該主要液化交換器11 5中以提供冷凍作用給該進料流 114 及 HMR 流 143、144。 表6顯示在此迴路中各種不同HMR流的物流條件。 表6 物流 130 140 141 143 144 流量 lbmol/h 65,758.04 65,758.04 65,758.04 24,816.49 40,941.55 溫度 °C -59.50 15.00 -44.42 -44.50 -44.50 壓力 巴 8.47 60.73 59.23 59.03 59.03 蒸氣百分 比 % 100.00 100.00 37.62 100.00 0.00 露點 °C -62.28 -10.53 -11.04 -44.50 3.46 起泡點 °C -157.87 -77.65 -79.60 -99.04 -44.50 氮 莫耳％ 16.58 16.58 16.58 30.92 7.89 甲烷 莫耳％ 40.99 40.99 40.99 51.12 34.85 乙烷 莫耳％ 42.43 42.43 42.43 17.95 57.26 現在說明該HFC預冷迴路。對照圖2，有3階段的蒸 發。第一階段包括蒸發器222、242，其藉著使於-7.11°C及 6.38巴供應的R410A流沸騰而將該脫水的天然氣進料流 100及HMR流140冷卻至-4.06°C。分別將來自該蒸發器 222、242的蒸氣流223、243遞送至該R410A壓縮器158 的高壓抽吸部。使未蒸發的液流224、244定焓迅速降低壓 力至3.03巴及-27.39°C，造成分別的流225、245。將這些 34 201040253 物流分別遞送至蒸發器226、246以使該進料及混合冷凍劑 .冷卻至-24.39°C。將離開蒸發器226、246的蒸氣流227、 247引至該R410A壓縮器158的中壓抽吸噴嘴。將離開蒸 發器226、246的液流228、248定焓迅速降低壓力至1.25 巴及-47,39°C ’分別造成低壓冷凍劑流229、249。將物流 229、249分別完全蒸發至物流23 1、251並且遞送至該 R410A壓縮器158的低壓入口喷嘴。該R410A壓縮器158 為3-階段機械，其將低壓i65、中壓164及高壓163蒸氣 流壓縮至物流160中的最終壓力15.58巴及65.11 °C。接著 使物流160再度過熱，凝聚並且靠交換器ι61中的海水過 冷以產生於13.58巴及15°C的凝聚R410A流162並且再循 環至該R410A蒸發器完成此冷束迴路。在此案例中該 R410A的總循環速率為46,119 lbmol/h。 總LNG生產量為約每年2.39百萬立方噸（mmtpa)。該 R410A壓縮器158需要27 MW。中段冷卻MR壓縮器133 Q 及135需要40,5 MW。實現將近270.26 kwh/ton的比功率。

適用於海上環境的各種不同渦輪或電動機均可當作 驅動器。例如，於26 C產生28 MW的額降功率輸出的GE LM6000可當作R410A壓縮器158以及2x50% MR壓縮器 管柱（compressor string)的驅動器。變速箱可用以調整該 R410A壓縮器的速度，該R4i〇A壓縮器由於葉輪外緣馬赫 數限制而傾向於較低速度運轉。 氫氟碳化合物也可用於由多數冷凍迴路所構成純流 體梯級方法（pure fluid cascade pr〇cess)内，該方法類似於 35 201040253 美國專利案第5,669,234號中相p Y概述的ConocoPhillips梯級法 並且在此以引用方式將其全文供 又併入本文。此方法涉及3冷 卻迴路：（1) 一利用丙烧的預冷 頂迎路’其使該進料及較低沸 點的冷;東劑像是乙烧或乙稀預冷；⑺一利用乙院當作冷;東 劑的中間冷卻迴路，其使該進料及較低沸點的冷凍劑像是 甲烷進-步冷卻；及(3)—利用甲烷當作冷凍劑並且使該進 料過冷至LNG溫度的過冷迴路。在一具體實施例中，該梯 級循環的預冷迴路中的丙烷可利用該等HFC冷凍劑中之其 一予以取代。在該梯級迴路中具有_89。〇的正常沸點的乙烷 可藉由低沸點HFC像是具有_82」t的正常沸點的R23 (CHF3)予以取代。 圖1的方法也被用以就kwh/ton LNG的觀點比較能量 效率’其係由三不同預冷卻冷凍劑獲得：R4丨〇 A、丙烷及 C〇2，無論該混合冷凍劑是否有用丙烷。使該進料流速維持 不變並且使該等預冷及混合冷凍劑壓縮器的總動力消耗最 小化。為了統一比較，將預冷溫度設於至少_37°C以從該脫 水的天然氣進料流100凝聚出足量的烴。在一些案例中， 據發現最佳預冷溫度為低於-38。(：。表7顯示這些結果。 前3種方法的混合冷凍劑中包括丙烷。下3種方法舉 « 例說明該混合冷凍劑中沒有丙烷。關於最終3種方法，由 表5(物流114)假設用以製備該混合冷凍劑的曱烷流含有 2.66莫耳％丙烷。也假設在現場的脫乙烷塔可用以製造含 有1.0%丙烷及99.0%乙烷的乙烷流，其係此產業中的代 表。典型具有40.99 %甲烷及42.4 %乙烷的組成的混合冷 36 201040253 )東劑將造成 0.4099 x 2.66 + 0.424 χ ΐ·〇〇 = i.5i 莫耳 ％的丙 烧含量。 表7 ASHRAE 毒性&可 燃性指數 預冷冷凍 劑 液化冷；東劑 比功率 (kwh/ton LNG) 在Mr中 的丙燒莫 耳％ 物流229 及249的 溫度(C) 物流229 及249的 壓力（巴） A1 C〇2 MR(含丙烷) 262.26 11.80 -37.09 11.17 A3 丙烧 MR(含丙烷) 250.89 12.42 -37.36 1.24 A1 R410A MR(含丙烷) 249.09 9.93 -37.29 1.99 A1 C02 MR(不含丙 烷） 270.91 0.00 -37.22 11.12 A3 丙烧 MR(不含丙 烧) 256.59 0.00 -37.36 1.24 A1 R410A MR(不含丙 烷） 251.96 0.00 -38.55 1.82 A1 C02 MR(含有限 丙烷） 273.76 1.51 -37.76 10.90 A3 丙烧 MR(含有限 丙烧） 254.65 1.51 -36.77 1.27 A1 R410A MR(含有限 丙烧） 250.44 1.51 -39.01 1.78 首先，利用C02的方法具有比沒有C〇2的方法高將近 37 201040253 5至9%的比功率消耗，使得前者比以r4 1 〇A及丙烷預冷為 主的方法更沒效率。其次，利用R410 A混合冷凍劑（排除丙 烧）的方法的比功率比利用C3MR (包括丙烷）的方法的比功 率比高約0_42%。方法C3MR (包括丙烷）係用於具有最高可 行能量效率的大型陸地上的設備。此比較證明該液化循環 完全免除丙院所招致的功率損失微小而且以R41〇A為主的 方法的能量效率可視為與最有效率的陸地上的設備相當。 第三，丙烷存料減少明顯，因為用於該混合冷凍劑中利用 丙烷的方法的最佳混合冷凍劑組成涉及9至12莫耳％丙 烷。丙烷存料及資金成本也能藉由免除常供用以製造丙烷 的蒸餘塔及儲槽而進一步降低。 本發明的具體實施例也可應用於以HFC成分與烴及 惰性氣體像是A的混合物取代該烴混合冷凍劑混合物。在 此方法中，預冷作用能藉由沸點不變的冷凍劑（例如單成分 HFC或共沸性HFC)來進行，而該進料的液化及過冷能利用 HFC成分與氮的混合物進行。該烴混合冷凍劑混合物中的 丙烷可，舉例來說，藉由HFC像是R41〇A或R134A予以 取代。該乙烷可藉由R23予以取代而且該甲烷可藉由R14 予以取代。在此方法中，該HFC混合冷凍劑能被壓縮並且 利用空氣或海水予以冷卻，造成局部凝聚的冷凍劑，其能 被分離以產生氮及富含低沸點H F c的蒸氣(圖i及3中的物 流143)及富含高沸點HFC的液體（圖丨及3中的物流 該蒸氣及液體能接著進一步冷卻並且接著膨脹以提供冷凍 作用給該進料。 38 201040253 也應該要注意的是，因為該HFC冷凍劑可用以取代傳 統C3MR方法中的丙烷冷凍劑，因此，有關該C3Mr方法 的設計及操作的廣大經驗仍能予以活用。舉例來說，該HFC 預冷卻冷凍劑迴路由數個串聯的蒸發器構成，其操作在傳 統C3MR系統及方法中已廣為接受。 最後’頃證明具有側流的單護罩壓縮器可設計供於介 於1700至5000 RPMs之間的速度運轉的HFC作業用，該 範圍為一長串市售可得的低耗熱率誘導渦輪的正常操作範 〇 圍。 儘管本發明的多個形態已經關聯各個不同圖式的較 佳具體實施例作了說明，但是咸瞭解其他類似的具體實施 例也可使用為了進行本發明的相同功能而對所述的具 體實施例進行修飾及追加而不會悖離本發明。因此，所， 求的發明應該不能受限於任何單一具體實施例，而是應該 依據隨附的申請專利範圍的寬度及範圍加以解釋。 〇 【圖式簡單說明】 當連結隨附的圖式閱讀時，將得以更 簡要的總結，及前述示範性I _ Ϋ ，、解前 靶性具體實施例的詳細說明. 例示本發明的具體實施例的目的’在圖式中顯示本路 示範性構造，然而，本發明並不限於所揭示的指广“ 工具。在該等圖式中： 日又方法2 圖1為-流程圖’其舉例說明涉及本發 示範性系統及方法； 固形態白 39 201040253 圖2為一流程圖，其舉例說明涉及本發明多個形態的 示範性系統及方法； 形態的 個形態 锢形態 圖3為一流程圖，其舉例說明涉及本發明多個 示範性系統及方法； 圖4A為一流裎圖，其舉例說明涉及本發明多 的示範性驅動器系統及方法；及 圖4B為一流程圖，其舉例說明涉及本發明多 的示範性驅動器系统及方法。 【主要元件符號說明】 10 0脫水的天然氣進料流 101 HFC預冷設備 102 預冷流 103 烴洗滌塔 104 輕質塔頂流 105 重質烴流 106 物流 107 物流 108 局部凝聚的進料流 109 物流 110 蒸氣-液體分離器 111 液流 112 泵 113 冷液流 114 蒸氣流 115 主要液化交換器 116 LNG產物流 117 甲烷流 130 主要液化冷凍劑流 131 中冷壓縮器 132 物流 133 中冷器 134 物流 135 中冷壓縮器 136 驅動器 138 物流 139 後冷器 140 高壓液流 40 201040253 141 預冷流 142 分離器 143 輕質冷凍劑流 144 重質冷凍劑流 145 物流 146 J-T閥 147 低溫冷凍劑流 148 物流 149 J-T閥 150 低溫冷凍劑流 154 軸式燃氣渦輪驅動器 158 多段式HFC壓縮器 160 物流 161 HFC冷凝器 162 HFC冷凍劑流 163 合併流 164 合併流 165 合併流 201 物流 220 物流 221 物流 222 HFC蒸發器 223 飽和著HFC的蒸氣流 224 物流 225 沸騰液流 226 HFC蒸發器 227 蒸氣流 228 物流 229 沸騰流 230 HFC蒸發器 231 飽和蒸氣流 240 物流 242 蒸發器 243 飽和蒸氣流 244 未蒸發的液流 245 物流 246 蒸發器 247 蒸氣流 248 液流 249 低壓冷凍劑流 250 蒸發器 251 蒸氣流 290 J-T閥 292 壓力減降的J-T閥 294 J-T閥 300 脫水的天然氣進料流 301預冷設備 302預冷流 41 201040253 303 洗務塔 304 306 物流 307 308 物流 309 310 物流 312 313 主要液化交換器 316 454 空氣壓縮器 455 456 氣體產生器 457 464 電源供應器 466 塔頂流 洗滌塔迴流罐 泵 物流 LNG產物流 燃燒器 動力渦輪膨脹器 馬達 42

Claims (1)

1. 201040253 七、申請專利範圍： 1. 一種使天然氣流液化之方法，該方法包含下列步驟： 提供用於液化的脫水天然氣流； 使該脫水的天然氣流在一預冷設備中預冷，其中該預冷 作用係藉著利用基本上由氫氟碳化合物（HFC)冷凍劑所構 成的預冷劑來進行； #蒸發的烴混合冷凍冷卻劑透過間接熱交換使該預冷 的脫水天然氣流於一主要熱交換器中進一步冷卻而產生液 〇 化天然氣產物流， 其中該混合冷凍冷卻劑包含乙烷、甲烷、氮及少於或等 於3莫耳％的丙烷》 2.如申請專利範圍第1 項之方法，其中該使天然氣流液化 之方法在浮式生產儲油卸油平台（Fps〇)上進行。 其中該混合冷凍冷卻劑 其中該混合冷洗冷卻劑 3.如申請專利範圍第1項之方法 包含少於2莫耳％的丙烷。 4.如申請專利範圍第1項之方法 包含少於1莫耳％的丙烷。 項之方法，其中該氫氟碳化合物冷 5 ·如申請專利範圍第1 凍劑為R410A。 43 201040253 6. 如申請專利範圍第丨項之方 万法’其中該氫氟碳化合物冷 凌劑具有低於或等於7°C的溫度滑落。 7. 如申請專利範圍第〗項之太、、土 # a 币項之方法，其另外包含將該預冷的 脫水天然氣流饋入一沣、從& _ 頭 洗條％ ’該預冷的脫水天然氣流在 該洗滌塔中精德並且條除—部分存在於該預冷的脫水天 ,、、、:氣流中的;，將该經精顧及蘇除的天然氣流從該洗務 塔反饋回該預冷設備，該經精餾及滌除的天然氣流在該 預冷設備令進一步被冷卻並且部分凝聚，在一分離器中 分離該經冷卻及部分凝聚的天然氣流，其中抽出該天然 氣流的液態部分並且接著遞送至該洗滌塔當作迴流物 流，而且其中將該天然氣流的蒸氣部分遞送至該主要熱 交換器而產生該液化天然氣產物流。 8.如申請專利範圍第1項之方法，其另外包含在該主要熱 交換器中洛發之刚先使該經混合冷;東冷卻劑在該預冷設 備中預冷。 9.如申請專利範圍第1項之方法，其另外包含： 在起動動力渦輪之前先提高經由氣體產生器所驅動的 空氣壓縮器中的壓力，其中該動力渦輪驅動用於使至少用 於液化的脫水天然氣流預冷的多段式HFC壓縮器；及 利用從該氣體產生器所排出的高溫高壓氣體提供必需 的高起動轉矩給該動力渦輪，其中該動力渦輪起動時該 44 201040253 HFC冷來劑並沒有通風。 1 0. —種用以使天然氣流液化之系統，其包含·· 一多段式氫氟碳化合物（HFC)壓縮器；一流動地連至該 多段式HFC壓縮器的預冷設備，該預冷設備包含至少一利 用HFC冷象劑使脫水的天然氣流預冷的蒸發器； 一流動地連至該預冷設備的主要熱交換器，其係用於使 s亥預冷的脫水天然氣流進一步冷卻而產生液態天然氣產物 〇 流，. 其中包含乙烷、曱烷、氮及少於或等於3莫耳0/〇的丙烷 之經蒸發的混合冷/東冷卻劑提供該主要熱交換器中的冷束 作用。 11. 如申請專利範圍第10項之系統，其中該系統在浮式生 產儲油卸油平台（FPSO)上操作。 Ο 12. 如申凊專利範圍第1〇項之系統，其中該包含少於或等 於2莫耳％的丙燒之經蒸發的混合冷凍冷卻劑在該主要 熱交換器中提供冷凍作用。 13. 如申凊專利範圍帛1〇項之系統，其另外包含一用於將 動力供應給該多段式HFC壓縮器的多轴式燃氣满輪驅動 器，該多軸式燃氣渦輪驅動器包含： 動力'尚輪，其係藉由第一軸連至該多段4 HFC壓縮 45 201040253 器 一氣體產生器 輪， 其係藉由第

   〃係藉由第二軸流動地連至該氣體產生 一空氣壓縮器 器；及 一燃燒器’其係流動地連至 器，該燃燒器係用於供應高溫 該空氣壓縮器及該氣體產生 高壓氣體給該氣體產生器。 1 4.如申請專利範圍第1 〇 動力給該多段式壓縮器 含： 項之系統，其另外包含用於供應 的電動機組件，該電動機組件包 電動機’其係連至該吝恐^王透多段式HFC壓縮器；電源供應器，其係遠5 4 ^ 诹運至该電動機。 15·如申請專利範圍第14項之系統 供應器為浮式生產儲油卸油平台 軸式燃氣渦輪所驅動的電動產生 ’其中該電動機的電 (FPSO)的電網或藉由 器。 源、 多 16.如申請專利範圍第1〇項之系統 管型蒸發器。 其中該蒸發器為—殼 17.如申請專利範圍第1〇項之系統 為一線圈式交換器。 其中該主要熱交換5| 46 201040253 1 8 ·如申請專利範圍第1 〇項之系統，其另外包含一介於該 主要熱交換器與該預冷設備之間的導管以在該混合冷凍 冷卻劑於該主要熱交換器中蒸發之前將該混合冷凍冷卻 劑饋至該預冷設備。 19. 一種用於使天然氣流液化之方法，該方法包含下列少 驟： 提供用於液化的脫水天然氣流； 〇 使該脫水的天然氣流在一預冷設備中預冷，其中該預冷 作用係藉著利用基本上由氫氟碳化合物（HFC)冷凍劑所構 成的預冷劑來進行； 靠蒸發的烴混合冷凍冷卻劑透過間接熱交換使該預冷 的脫水天然氣流於一主要熱交換器中進一步冷卻而產生液 化天然氣產物流， 其中該混合冷凍冷卻劑為包含衍生自天然氣流的甲烷 ❹流、虽含乙烷的物流（其中該富含乙烷的物流主要為乙烷） 及氮流（其中該氣流主要為氮）的混合物。 20. 如申請專利_ 19項之方法，其中用於使天然氣流 液化之方法在洋式生產儲油卸油平台（Fps⑺上進行。 47