用于生產(chǎn)低溫壓縮氣體或液化氣的設(shè)備和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于生產(chǎn)低溫壓縮氣體或液化氣的設(shè)備和方法
[0001] 本發(fā)明涉使用液化天然氣（下文也稱(chēng)為"LNG"）的冷將流體冷卻并壓縮以產(chǎn)生低 溫壓縮流體的設(shè)備和方法，特別用作將通過(guò)空氣分離設(shè)備等產(chǎn)生的氮?dú)庖夯募夹g(shù)。
[0002] 天然氣在運(yùn)輸和儲(chǔ)存等中作為設(shè)備用液化天然氣（LNG)儲(chǔ)存，并且主要用于熱力 發(fā)電或者在氣化以后用于城市煤氣。然后開(kāi)發(fā)了有效利用LNG的冷的技術(shù)。一般而言，作 為通過(guò)使用LNG的冷將氮?dú)獾纫夯脑O(shè)備，使用一種方法，從而將氮?dú)馔ㄟ^(guò)壓縮機(jī)壓縮至 一定壓力，使得氮?dú)饪赏ㄟ^(guò)與LNG熱交換而液化，隨后使氮?dú)庠趽Q熱器中經(jīng)受與LNG熱交換 以通過(guò)提高溫度而將LNG氣化并將氮?dú)庖夯?br>[0003] 另外，關(guān)于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的電力，晚上的費(fèi)率設(shè)置為低于白天的費(fèi)率，從而建議用于 有效地將氣體液化，同時(shí)考慮以上LNG的供應(yīng)量波動(dòng)和電力費(fèi)率差的氣體液化方法。例如， 參考圖7,已知通過(guò)具有至少一個(gè)氣體壓縮機(jī)101、至少一個(gè)氣體膨脹渦輪103以及用于進(jìn) 行氣體與液化天然氣之間的熱交換的換熱器102的液化方法通過(guò)使用液化天然氣的冷將 氣體液化的方法，其中當(dāng)供應(yīng)的液化天然氣的量提高時(shí)，上述膨脹渦輪103停止或者以降 低的量操作，而當(dāng)供應(yīng)的液化天然氣的量降低時(shí)，上述膨脹渦輪103起動(dòng)或者以提高的量 操作（參見(jiàn)例如JP-A-05-45050)。
[0004] 然而，用如上所述產(chǎn)生低溫液化流體等的設(shè)備，在一些情況下發(fā)生如下各種問(wèn)題。
[0005] (i)供入氣體液化方法的LNG的量通?？赡苡捎跓崃Πl(fā)電、城市煤氣等的需求波 動(dòng)而波動(dòng)，且可使用的冷的量也可能波動(dòng)。因此，需要可有效地使用LNG的冷，使得即使供 應(yīng)的LNG量降低，液化流體等的產(chǎn)量可能不受影響的設(shè)備或方法。
[0006] (ii)為了在生產(chǎn)壓縮氣體的方法中將具有正常溫度和正常壓力的氣體加壓，需要 加入大量能和冷以抑制伴隨壓縮的氣體溫度提高。在生產(chǎn)大量消耗的常用壓縮氣體如氮?dú)?的方法中，存在冷的有效使用和全面能量降低的大問(wèn)題。
[0007] (iii)關(guān)于具有正常壓力的氣體開(kāi)始液化時(shí)的溫度，對(duì)LNG而言溫度為約-80°C， 而對(duì)氮?dú)舛詼囟葹榧s_120°C。例如，在使用LNG作為冷將正常壓力下的氮?dú)庖夯姆椒?中，在氮?dú)庖夯饎?dòng)的狀態(tài)下，經(jīng)受與該氮?dú)鉄峤粨Q的LNG仍為具有大潛熱的液態(tài)，使得鑒 于單獨(dú)的該方法，LNG的冷沒(méi)有充分使用。另外，殘余LNG的冷未必容易用于其它目的，使 得在該液化方法中有效使用能量，包括LNG的冷存在大的問(wèn)題。
[0008] 本發(fā)明的目的是提供用于將流體冷卻并壓縮以產(chǎn)生低溫壓縮流體的設(shè)備和方法， 其可有效地使用LNG的冷并可降低生產(chǎn)低溫壓縮流體中所需的能量。
[0009] 本發(fā)明人和其他人進(jìn)行了熱心研究以解決上述問(wèn)題，因此發(fā)現(xiàn)上述目的可通過(guò)下 文所述生產(chǎn)低溫壓縮流體的設(shè)備和方法實(shí)現(xiàn)，由此完成本發(fā)明。
[0010] 本發(fā)明使用蘭金（Rankine)循環(huán)系統(tǒng)將流體冷卻并壓縮以產(chǎn)生低溫壓縮流體的 設(shè)備包括：用于將傳熱介質(zhì)絕熱壓縮的第一壓縮裝置；用于將絕熱壓縮傳熱介質(zhì)恒壓加熱 的第一換熱器；用于將熱傳熱介質(zhì)絕熱膨脹的膨脹裝置；用于將絕熱膨脹傳熱介質(zhì)恒壓冷 卻的第二換熱器；用于將來(lái)自第二換熱器的傳熱介質(zhì)引入第一壓縮裝置中的第一流動(dòng)通 道；和與膨脹裝置連接的至少一個(gè)第二壓縮裝置；其中在第二換熱器處，低溫液化天然氣 和傳熱介質(zhì)經(jīng)歷熱傳遞，其中在第一換熱器處，供入的物料氣體和傳熱介質(zhì)經(jīng)歷熱傳遞以 由物料氣體生成低溫流體，且其中其后將低溫流體在第二壓縮裝置處壓縮以產(chǎn)生低溫壓縮 流體。
[0011]另外，本發(fā)明將流體冷卻并壓縮以產(chǎn)生低溫壓縮流體的方法包括蘭金循環(huán)系統(tǒng)， 其中將通過(guò)第一壓縮裝置絕熱壓縮的傳熱介質(zhì)在第一換熱器中在恒壓下加熱，其后通過(guò)膨 脹裝置絕熱膨脹，并在第二換熱器中在恒壓下進(jìn)一步冷卻，其中將低溫液化狀態(tài)的液化天 然氣引入第二換熱器中以將其冷傳遞給傳熱介質(zhì)，并將供入的物料氣體引入第一換熱器中 以通過(guò)傳熱介質(zhì)冷卻，其后引入與膨脹裝置連接的至少一個(gè)第二壓縮裝置中，以作為低溫 壓縮流體提取。
[0012] 用該結(jié)構(gòu)，LNG的冷可有效地用于制備低溫壓縮流體，并可實(shí)現(xiàn)所需能量的降低。 具體而言，在驗(yàn)證本發(fā)明的方法中，發(fā)現(xiàn)熱傳遞有效地通過(guò)與壓縮流體熱交換而進(jìn)行，且制 備低溫氣體中所需的冷與在使用LNG的冷的常壓常規(guī)條件下制備低溫流體中所需的冷相 比是極低的。基于該知識(shí)，在本發(fā)明中，可有效地使用與壓縮流體的熱交換的蘭金循環(huán)系統(tǒng) (下文也稱(chēng)為"RC"）用于制備低溫流體，由此可更加有效得多地使用LNG的冷，且傳遞冷中 所需的能量可通過(guò)借助RC的傳熱介質(zhì)有效地傳遞高壓LNG的冷以及在正常壓力下將來(lái)自 絕熱壓縮傳熱介質(zhì)的冷能傳遞至供入的物料氣體而很大程度地降低。
[0013] 使用上述設(shè)備的本發(fā)明設(shè)備進(jìn)一步包括：用于將來(lái)自第二壓縮裝置的低溫壓縮流 體引入第一換熱器和第二換熱器中的至少一個(gè)中以形成液化組分的第二流動(dòng)通道，用于調(diào) 節(jié)來(lái)自第一換熱器和第二換熱器中的至少一個(gè)的低溫壓縮流體的壓力的調(diào)節(jié)閥，和借助調(diào) 節(jié)閥將低溫壓縮流體引入其中，進(jìn)行氣體-液體分離以容許從中提取液化組分的氣體-液 體分離器。
[0014] 另外，本發(fā)明方法使用上述方法，其中將來(lái)自第二壓縮裝置的低溫壓縮流體在第 一換熱器或第二換熱器中冷卻并經(jīng)受通過(guò)調(diào)節(jié)閥的壓力調(diào)節(jié)，使液化組分在氣體-液體分 離器中經(jīng)受氣體-液體分離并作為低溫液化組分從氣體-液體分離器中提取出來(lái)。
[0015] 當(dāng)LNG的冷用于制備液化流體如氮?dú)鈺r(shí)，LNG的溫度為約_155°C，而氮?dú)庠诃h(huán)境 空氣壓力下的沸點(diǎn)為-196Γ，使得溫度水平中的這一差別必須在這些之間補(bǔ)償。本發(fā)明使 用蘭金循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該功能。蘭金循環(huán)系統(tǒng)中所用傳熱介質(zhì)通過(guò)使用LNG的冷而冷卻至 約-150至-155Γ以確保冷傳遞至氮?dú)獾?。在通常將壓力提高至臨界壓力或以上（例如 5-6MPa)以后，冷在正常壓力或低壓條件下通過(guò)第一換熱器傳遞至氮?dú)獾?，且冷進(jìn)一步通過(guò) 第二換熱器傳遞至壓縮至高壓的氮?dú)獾龋纱丝捎行У刂苽湟夯獨(dú)?。在制備液化流體中， LNG的冷可有效地使用，并可很大程度地降低傳遞冷所需的能量。
[0016] 本發(fā)明還涉及上述制備液化流體的設(shè)備，其中設(shè)備進(jìn)一步包括：置于將來(lái)自第一 換熱器的傳熱介質(zhì)引入膨脹裝置中的第三流動(dòng)通道中的第三換熱器，其中傳熱介質(zhì)、來(lái)自 第二換熱器的液化天然氣和來(lái)自第二壓縮裝置的低溫壓縮流體在第三換熱器處經(jīng)歷熱交 換。
[0017] 用該結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步更有效地使用LNG的冷，并可進(jìn)行以高能量效率制備液化流 體。特別地，當(dāng)將冷卻水引入第三換熱器中以通過(guò)具有大熱容量的冷能進(jìn)行熱交換時(shí)，預(yù)備 或輔助熱向傳熱介質(zhì)、液化天然氣和低溫壓縮流體的傳遞可在開(kāi)始時(shí)或者在停止時(shí)進(jìn)行甚 至至瞬時(shí)波動(dòng)等，由此確保LNG的冷的穩(wěn)定使用和穩(wěn)定的能量效率。
[0018] 本發(fā)明還涉及上述用于生產(chǎn)液化流體的設(shè)備，其中第一升壓裝置、第一分支流動(dòng) 通道、第二升壓裝置和第二分支流動(dòng)通道置于第四流動(dòng)通道中，物料氣體通過(guò)所述第四流 動(dòng)通道引入第一換熱器中；第四換熱器和第三分支流動(dòng)通道置于引導(dǎo)來(lái)自氣體-液體分離 器的液化組分通過(guò)的第五流動(dòng)通道中