[发明专利]包括相变的天然气液化方法

说明书

技术领域

本发明涉及对天然气进行液化以生产液化天然气(LNG)的过程。更具体而言，本发明涉及对天然气进行液化，天然气主要包括甲烷，优选为包括至少85％的甲烷，而其余成分则选自氮气、C-2至C-4烷烃(即乙烷、丙烷和丁烷)。

本发明还涉及位于远海或受防护的区域中(如港口)的船上或海面漂浮的支撑体上的液化设施，或者是陆地上的针对中型和大型单元的天然气液化的设施。

背景技术

甲烷基天然气既可以是油田中以小量或中量生产的通常与原油关联的副产品，也可以是气田的主产品，从气田获得的天然气与其它多种气体结合，主要含有C-2至C-4的烷烃、CO2、和氮气。

当小量天然气与原油关联时，天然气通常被处理和分离，然后就地(on site)作为涡轮机或活塞发动机中的燃料使用，从而产生在分离和生产过程之中所用的电能和热能。

当天然气的量较大或着极大时，人们期望输送天然气以使其能够在远方地区(通常在其它大洲)使用，为此目的，优选方法是将其以大致在环境大气压下的低温液体状态(165℃)进行输送。被称作甲烷运输船(methane tanker)的专用运输船拥有多个储罐，这些储罐的尺寸非常大且极度绝热以限制运输过程中的蒸发。

通常，为了输送的目的而将天然气在接近其生产场所处(通常是在陆地上)进行液化，而该操作需要达到每年数千吨(公吨，t)容量的较大的设施，而现有的最大的工厂(plant)结合有三个或四个液化单元，每个单元每年能够生产3兆吨(Mt)至4Mt。

液化的方法需要大量的机械能，通常取用一部分天然气来产生液化过程 所需的能量，从而就地生产机械能。一部分天然气因此作为燃料而在气体涡轮机、蒸汽锅炉或活塞式燃烧发动机中使用。

现已开发多重热力学循环来优化整体热效率。有两种主要类型的循环。第一种类型是基于制冷剂流体的伴随有相变的压缩和膨胀，而第二种类型是基于制冷剂气体的不伴随相变的压缩和膨胀。术语“制冷剂流体“或”制冷剂气体”用于表示气体或多种气体的混合物，在闭合回路中循环且经受多个压缩(可能还有液化)的阶段，与周围环境进行热交换，然后到达膨胀(可能还有蒸发)的阶段，最终与含甲烷的天然气进行热交换以进行液化，这些天然气逐渐冷却以达到其在大气压下的液化温度，即对LNG而言约-165℃。

所述第一种类型的伴随有相变的循环总体上被用于大产量的设施，这类设施需要大量的装备。而且，通常为混合物形式的制冷剂流体由丁烷、丙烷、乙烷和甲烷组成，由于在泄漏的情况下这些气体存在导致爆炸或大火的危险，因此它们是危险性的。然而，尽管需要复杂的装备，但它们更有效率，在生产每公斤(kg)LNG时消耗大约0.3千瓦时(kWh)的能量。

对于伴随有制冷剂流体相变的第一种类型的过程，已开发出多种变型，且各种技术或设备供应商自己都具有与特定装备部件关联的混合物配方，这些配方既用于所使用的多种制冷剂流体为单组分流体且在不同流动环路中循环的所谓“喷流”过程，也对于具有多组分制冷剂流体环路的所谓“混合式”循环过程。设施的复杂性来自以下因素：在制冷剂流体处于液态(具体来说在分离器和连接管中)的阶段中，必须安装重力收集器(本文中也称为“分离器罐”)来收集液相并将其送至热交换器的芯部，液相在芯部蒸发并与甲烷接触以进行冷却和液化，从而获得LNG。

第二种类型的液化过程(即不伴随有制冷剂气体的相变的过程)包括使用氮气等气体的克劳德循环或相反的布雷顿循环。第二种类型的过程在安全性方面具有多个优点，因为循环中的制冷剂气体(通常为氮气)是惰性的，因此不易燃烧，这在设施集中于小区域的情况下非常有利，例如在甲板上或位于远海的浮动支撑体上，这些地方的这些设备通常以层层相叠的方式安装在多个层上，且安装在被减小至绝对最小值的面积上。因此，在制冷剂气体泄漏的情况下不存在爆炸的危险，随后足以将制冷剂气体损失的部分重新注入到回路中。然而第二种类型的效率较低，因为其需求的能量为生产每kg 的LNG消耗大约0.5kWh的能量，即大约每吨20.84Kw/天。

虽然不伴随制冷剂气体的相变的液化过程的能量效率较低，但不伴随相变的过程仍然被认为较好，因为不伴随相变的过程对进行液化的气体(即甲烷为主要成分的混合物组成的天然气)的组分变化更为灵敏。在伴随制冷剂流体的相变的循环中，为确保优化的效率，制冷剂流体需要具有适合于进行液化的气体的成分和性质，并且根据油田所生产的用于液化的天然气的混合物的成分的变化，制冷剂流体的成分可能需要随时间而改变。对于这些伴随相变的过程，所使用的制冷剂流体是由多种组分混合物构成。