[发明专利]使用操作负载膨胀器之天然气液化

说明书

本发明系关于天然气之液化方法，其应用了操作负载（process-loaded）液体膨胀器以增进液化之效率。

天然气之液化为一重要且广泛运用之技术，其将天然气气体转换成一种容易且较经济之输送及贮藏形态。液化天然气所消耗之能源必须被尽量降低以产生一种将天然气从产地生产并运送至终端使用者之有效低成本方式。所使用技术如果能降低液化成本，当然也就降低终端使用者使用天然气之成本。

习知天然气之液化循环运用了等熵（isentropic）膨胀阀，或焦耳-汤普生（J-T）阀以产生液化天然气所需之冷冻。典型地使用有此等膨胀阀之方法循环例如有美国专利第3，763，658号，第4，065，276号，第4，404，008号，第4，445，916号，第4，445，917号，及4，504，296号所描述者。

当操作流体经过此等阀所产生之膨胀功基本上系流失掉。为了获得至少一部分此等操作流体膨胀所产生之功，可以使用膨胀机构例如往复式膨胀器或涡轮膨胀器。此等膨胀机械所产生之作功轴可用于发电，压缩或泵送其它操作流体，或其它用途。使用此等膨胀器于饱和或过冷液态操作流之膨胀，在选择情况下系对整体操作效率有利。此“膨胀器”名词通常系用于描述涡轮膨胀器或往复式膨胀器。在天然气液化领域中，“膨胀器”一词经常指涡轮膨胀器而言，在本发明内容中亦同。

美国专利第3，205，191号揭露了一液压发动机之使用包含在一过冷液化天然气流经过一阀而等熵膨胀前，以-Pelton轮膨胀该过冷液化天然气流。其操作情况被控制以使得该液压发动机膨胀器内没有发生蒸发现象。此膨胀所产生的功例如可以被用作为驱动液化方法中之一或多个压缩机。

于美国专利第3，400，547号中揭露了一方法，其中液态氮或液态空气被运用于气井旁天然气之冷冻液化，以使用冷槽车将液化天然气送至一运送站。于运送站时该液化天然气被蒸发，而所产生冷冻再用来液化氮气或空气，其液化氮气或空气再由槽车送回气井旁再次蒸发以提供液化另一槽车量之天然气的冷冻。于气井旁时，过冷天然气被膨胀并且此膨胀所作的功被用于泵送槽车中之液态氮或空气。于运送站时，加压过之液态氮或空气被膨胀并且膨胀所作的功被用于泵送槽车中之液化天然气。

日本专利公开54（1976）-86479号揭露了运用液化天然气蒸发所产生之冷冻来生产液态空气之方法。于此方法中，饱和液态空气于一膨胀涡轮中膨胀，而膨胀所作的功被用于起初液化所需之进料空气之压缩。

美国专利第4，334，902号揭露了液化-压缩过天然气流之方法，其系藉于-冷冻热交换器中与一蒸发多成分冻剂进行非直接热交换而达成。预冷之双相冻剂被分离成一液态及一气态流;该液态流于一冷冻热交换器中被进一步冷却，于一涡轮膨胀器膨胀，并导入于该热交换器而在其中蒸发产生冷冻;而该气态流冷该热交换器中被进一步冷却及液化，于一涡轮膨胀器膨胀，再导入该交换器而在其中蒸发产生附加之冷冻。压力为45  bar之天然气被送经该热交换器，藉非直接热交换而液化，并于一涡轮膨胀器中膨胀至约3bar压力而产生液化天然气产品。该液体涡轮膨胀器所产生之膨胀功被用于发电或其它未特定用途。一附加冷冻循环被揭露用于上述冻剂之预冷，此等循环中亦使用液体膨胀器，其中膨胀所产生的功被用于发电或其它未特定用途。

在美国专利第4，456，459号中揭露了于一最后骤沸步骤前使用一涡轮膨胀器进行一液化天然气流之膨胀。在骤沸前之膨胀增加了液化天然气之产量并且减少了骤沸气体量。该涡轮膨胀器所产生之功可藉合适之具有轴的压缩机，泵或发电机而操作各种不同需动力来源之元件。

美国专利第4，778，497号揭露了一气体液化方法，其中一气体被压缩并且冷却而产生一冷的高压流体，并进一步冷却而产生一冷的高压流体，并进一步冷却而产生一冷的超临界流体。该冷的高压流体之一部分被膨胀以提供进一步之冷却并且膨胀所产生之功被利用于冷却前气体压缩之进行。该冷的超临界流体被进一步冷却并于一膨胀器中膨胀但不经过蒸发而产生一最终液体产品。此液体产品之一部分被骤沸而提供了该冷的临界流体进一步冷却所需要的冷冻。

于一冷冻或气体液化方法中使用膨胀所产生之功来驱动该方法中之泵或压缩机可以增进该方法之效率。于一给定气体液化方法中将膨胀所产生的功与压缩所作之功最佳地结合，以产生该方法在资本及操作成本上最大整体降低系与一些因素呈相依。在此等因素中牵涉到所处理气体流之组成成分及热力学性质以及有关于压缩机、泵、膨胀器及管线上之机械设计因素。如以下内容所描述之本发明允许了在天然气液化方法中膨胀所产生之功的改良运用。