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KR101984234B1 - 다중 압력 혼합된 냉매 냉각 프로세스 및 시스템 - Google Patents

다중 압력 혼합된 냉매 냉각 프로세스 및 시스템 Download PDF

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KR101984234B1
KR101984234B1 KR1020170127746A KR20170127746A KR101984234B1 KR 101984234 B1 KR101984234 B1 KR 101984234B1 KR 1020170127746 A KR1020170127746 A KR 1020170127746A KR 20170127746 A KR20170127746 A KR 20170127746A KR 101984234 B1 KR101984234 B1 KR 101984234B1
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KR
South Korea
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stream
refrigerant
heat exchange
cooling
cooled
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KR1020170127746A
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KR20180038999A (ko
Inventor
고우리 크리시나무르티
마크 줄리안 로버츠
Original Assignee
에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드 filed Critical 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Publication of KR20180038999A publication Critical patent/KR20180038999A/ko
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Abstract

압축된 혼합된 냉매 스트림을 냉각하는 것과, 냉각된 압축된 혼합된 냉매 스트림을 증기 및 액체 부분으로 분리하는 것을 포함하는, 갖우 압력 레벨들을 갖는 혼합된 냉매 사전 냉각 시스템을 갖는 천연 가스 액화 프로세스들의 성능 및 효율을 증가하기 위한 시스템들 및 방법들이 기재된다. 액체 부분은 제 1 사전 냉각 열 교환기에 냉각 듀티를 제공한다. 증기 부분은 추가로 압축되고, 냉각되고, 응축되고, 제 2 사전 냉각 열 교환기에 냉각 듀티를 제공하는데 사용된다. 선택적으로, 추가 사전 냉각 열 교환기들, 및/또는 상 분리기들이 사용될 수 있다.

Description

다중 압력 혼합된 냉매 냉각 프로세스 및 시스템{MULTIPLE PRESSURE MIXED REFRIGERANT COOLING PROCESS AND SYSTEM}
단일 혼합 냉매(SMR) 사이클, 프로판-사전 냉각된 혼합 냉매(C3MR) 사이클, 이중 혼합 냉매(DMR) 사이클, C3MR-질소 하이브리드(AP-XTM과 같은) 사이클, 질소 또는 메탄 팽창기 사이클, 및 캐스케이드(cascade) 사이클과 같이 천연 가스를 냉각하고, 액화하고, 선택적으로 과냉각(subcooling)하기 위한 다수의 액화 시스템들은 종래 기술에 잘 알려져 있다. 일반적으로, 그러한 시스템들에서, 천연 가스는 하나 이상의 냉매와의 간접적인 열 교환에 의해 냉각되고, 액화되고, 선택적으로 과냉각된다. 혼합 냉매, 순 성분(pure component), 2-상 냉매, 기체상 냉매 등과 같은 다양한 냉매들이 이용될 수 있다. 질소, 메탄, 에탄/에틸렌, 프로판, 부탄 및 펜탄의 혼합물인 혼합 냉매(MR)는 많은 기저 부하(base-load) 액화 천연 가스(LNG) 플랜트에서 사용되어 왔다. MR 스트림의 조성은 일반적으로 공급 가스 조성 및 동작 상태에 기초하여 최적화된다.
냉매는 하나 이상의 열 교환기들 및 냉매 압축 시스템을 포함하는 냉매 회로에서 순환된다. 냉매 회로는 폐루프 또는 개방 루프일 수 있다. 천연 가스는 열 교환기들에서의 냉매와의 간접적인 열 교환기에 의해 하나 이상의 냉매 회로에서의 간접적인 열 교환에 의해 냉각되고, 액화되고, 및/또는 과냉각된다.
냉매 압축 시스템은 순환하는 냉매를 압축하고 냉각하기 위한 압축 시퀀스, 및 압축기들을 구동하는데 필요한 전력을 제공하기 위한 구동기 조립체를 포함한다. 사전 냉각된 액화 시스템들에 대해, 구동기 조립체 및 압축 시퀀스에서의 구동기들의 양 및 유형은 사전 냉각 시스템 및 액화 시스템에 요구된 전력비에 영향을 미친다. 냉매 압축 시스템은 액화 시스템의 중요한 구성 요소인데, 이는 냉매가 천연 가스를 냉각하고, 액화하고, 선택적으로 과냉각하기 위해 필요한 열 듀티(heat duty)를 제공하는 저온 저압 냉매 스트림을 발생시키기 위해 팽창 이전에 고압으로 압축되고 냉각될 필요가 있기 때문이다.
DMR 프로세스들은 2가지 혼합 냉매 스트림들을 수반하고, 첫 번째 냉매 스트림은 공급 천연 가스를 사전 냉각하기 위한 것이고, 두 번째 냉매 스트림은 사전 냉각된 천연 가스를 액화하기 위한 것이다. 2가지 혼합 냉매 스트림들은 2개의 냉매 회로들, 사전 냉각 시스템 내의 사전 냉각 냉매 회로, 및 액화 시스템 내의 액화 냉매 회로를 통과한다. 각 냉매 회로에서, 냉매 스트림은 천연 가스 공급 스트림을 냉각 및 액화하는데 요구된 냉각 듀티를 제공하는 동안 증발된다. 냉매 스트림이 단일 압력 레벨에서 증발될 때, 시스템 및 프로세스는 "단일 압력"으로서 언급된다. 냉매 스트림이 2개 이상의 압력 레벨에서 증발될 때, 시스템 및 프로세스는 "다중 압력"으로 언급된다. 도 1을 참조하면, 종래 기술의 DMR 프로세스는 냉각 및 액화 시스템(100)에 도시된다. 여기에 기재된 DMR 프로세스는 단일 압력 액화 시스템과, 2개의 압력 레벨들을 갖는 다중 압력 사전 냉각 시스템을 수반한다. 하지만, 임의의 수의 압력 레벨들이 존재할 수 있다. 천연 가스인 것이 바람직한 공급 스트림은 물, CO2 및 H2S와 같은 산성 가스, 및 수은과 같은 다른 오염물을 제거하기 위해 전처리 섹션(미도시)에서 알려진 방법들에 의해 세척되고 건조되어, 전처리된 공급 스트림(102)을 초래한다. 본질적으로 물을 갖지 않는 전처리된 공급 스트림(102)은 제 2 사전 냉각된 천연 가스 스트림(106)을 발생시키기 위해 사전 냉각 시스템(134)에서 사전 냉각되고, 추가로 LNG 스트림(108)을 발생시키기 위해 메인 초저온 열 교환기(MCHE)(164)에서 냉각되고, 액화되고, 및/또는 과냉각된다. LNG 스트림(108)은 일반적으로 밸브 또는 터빈(미도시)을 통과함으로서 압력에서 하락되고, 그런 후에 LNG 저장 탱크(미도시)로 보내진다. 탱크에서의 압력 하락 및/또는 증발(boil-off) 동안 발생된 임의의 플래쉬 증기(flash vapor)는 플랜트에서 연료로서 사용될 수 있고, 공급하도록 재순환될 수 있고, 및/또는 타오르기 위해 보내질 수 있다.
전처리된 공급 스트림(102)은 제 1 사전 냉각된 천연 가스 스트림(104)을 발생시키기 위해 제 1 사전 냉각 열 교환기(160)에서 냉각된다. 제 1 사전 냉각된 천연 가스 스트림(104)은 제 2 사전 냉각된 천연 가스 스트림(106)을 발생시키기 위해 제 2 사전 냉각 열 교환기(162)에서 냉각된다. 제 2 사전 냉각된 천연 가스 스트림(106)은 약 -170℃ 내지 약 -120℃, 바람직하게 약 -170℃ 내지 약 -140℃의 온도에서 LNG 스트림(108)을 발생시키기 위해 액화되고 후속하여 과냉각된다. 도 1에 도시된 MCHE(164)는 2개의 튜브 번들들, 즉 웜 번들(warm bundle)(166) 및 콜드 번들(cold bundle)(167)을 갖는 코일 권선 열 교환기이다. 하지만, 임의의 수의 번들들 및 임의의 교환기 유형이 이용될 수 있다. 도 1이 사전 냉각 회로에서 2개의 사전 냉각 열 교환기들 및 2개의 압력 레벨들을 도시하지만, 임의의 수의 사전 냉각 열 교환기들 및 압력 레벨들이 이용될 수 있다. 사전 냉각 열 교환기들은 도 1에서 코일 권선 열 교환기들로 도시된다. 하지만, 이들은 플레이트 및 핀(fin) 열 교환기들, 쉘(shell) 및 튜브 열 교환기들, 또는 천연 가스를 사전 냉각하기 위한 임의의 다른 열 교환기들일 수 있다.
"본질적으로 물을 갖지 않는"이라는 용어는, 전처리된 공급 스트림(102)에서의 임의의 잔류 물이 하류의 냉각 및 액화 프로세스에서 냉각(freeze-out)된 물과 연관된 동작 문제들을 방지하기 위해 충분히 낮은 농도에서 존재한다는 것을 의미한다. 본 명세서에 기재된 실시예들에서, 수분 농도(water concentration)는 바람직하게 1.0 ppm를 초과하지 않고, 더 바람직하게 0.1 ppm 내지 0.5 ppm에 있다.
DMR 프로세스에 사용된 사전 냉각 냉매는 질소, 메탄, 에탄/에틸렌, 프로판, 부탄, 및 다른 탄화 수소 성분들과 같은 성분들을 포함하는 웜 혼합 냉매(WMR) 또는 "제 1 냉매"로서 본 명세서에 언급된 혼합 냉매(MR)이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 저압 WMR 스트림(110)은 제 2 사전 냉각 열 교환기(162)의 쉘 측의 웜 단부로부터 인출되고, WMR 압축기(112)의 제 1 압축 스테이지(112A)에서 압축된다. 중간 압력 WMR 스트림(118)은 제 1 사전 냉각 열 교환기(160)의 쉘 측의 웜 단부로부터 인출되고, WMR 압축기(112)에 양상-스트림(side-stream)으로서 주입되며, 여기서 제 1 압축 스테이지(112A)로부터의 압축된 스트림(미도시)과 혼합된다. 혼합된 스트림(미도시)은 압축된 WMR 스트림(114)을 발생시키기 위해 WMR 압축기(112)의 제 2 WMR 압축 스테이지(112B)에서 압축된다. 저압 WMR 스트림(110) 및 중간 압력 WMR 스트림(118)에서 존재하는 임의의 액체는 증기-액체 분리 디바이스(미도시)에서 제거된다.
압축된 WMR 스트림(114)은 냉각되고, 바람직하게 제 1 냉각된 압축된 WMR 스트림(116)을 발생시키기 위해 WMR 애프터쿨러(115)에서 응축되고, 이러한 WMR 스트림(116)은 제 2 냉각된 압축된 WMR 스트림(120)을 발생시키기 위해 튜브 회로에서 추가로 냉각될 제 1 사전 냉각 열 교환기(160)에 주입된다. 제 2 냉각된 압축된 WMR 스트림(120)은 2개의 부분들, 즉 제 1 부분(122) 및 제 2 부분(124)으로 분할된다. 제 2 냉각된 압축된 WMR 스트림(122)의 제 1 부분은 제 1 팽창된 WMR 스트림(128)을 발생시키기 위해 제 1 WMR 팽창 디바이스(126)에서 팽창되고, 이러한 제 1 팽창된 WMR 스트림(128)은 냉각 듀티를 제공하기 위해 제 1 사전 냉각 열 교환기(160)의 쉘 측에 주입된다. 제 2 냉각된 압축된 WMR 스트림(124)의 제 2 부분은 추가로 냉각될 제 2 사전 냉각 열 교환기(162)에 주입되고, 그 후에 제 2 팽창된 WMR 스트림(132)을 발생시키기 위해 제 2 WMR 팽창 디바이스(130)에서 팽창되고, 제 2 팽창된 WMR 스트림(132)은 냉장 듀티를 제공하기 위해 제 2 사전 냉각 열 교환기(162)의 쉘 측에 주입된다. 사전 냉각 열 교환기들로부터 인출된 후에 WMR을 압축하고 냉각하는 프로세스는 일반적으로 WMR 압축 시퀀스로서 본 명세서에서 언급된다.
도 1이, 압축 스테이지들(112A 및 112B)이 단일 압축기 바디 내에서 수행된다는 것을 도시하지만, 이들 스테이지들은 2개 이상의 개별적인 압축기들에서 수행될 수 있다. 추가로, 중간 냉각 열 교환기들은 스테이지들 사이에 제공될 수 있다. WMR 압축기(112)는 원심력, 축방향, 양의(positive) 변위와 같은 임의의 유형의 압축기, 또는 임의의 다른 압축기 유형일 수 있다.
DMR 프로세스에서, 액화 및 과냉각은 본 명세서에서 저온 혼합된 냉매(CMR) 또는 "제 2 냉매"로 언급되는 제 2 혼합된 냉매 스트림에 대해 사전 냉각된 천연 가스를 열 교환함으로써 수행된다.
웜 저온 CMR 스트림(140)은 MCHE(164)의 쉘 측의 웜 단부로부터 인출되고, 임의의 액체를 분리하기 위해 흡입 드럼(미도시)을 통해 보내지고, 증기 스트림은 압축된 CMR 스트림(142)을 발생시키기 위해 CMR 압축기(141)에서 압축된다. 웜 저압 CMR 스트림(140)은 일반적으로 WMR 사전 냉각 온도에 또는 그 근처에서의 온도, 바람직하게 약 -30℃ 미만의 온도에서 그리고 10 바라(145 psia) 미만의 압력에서 인출된다. 압축된 CMR 스트림(142)은 압축된 냉각된 CMR 스트림(144)을 발생시키기 위해 CMR 애프터쿨러(143)에서 냉각된다. 추가적인 상 분리기들, 압축기들, 및 애프터쿨러들이 존재할 수 있다. MCHE(164)의 웜 단부로부터 인출된 후에 CMR을 압축 및 냉각하는 프로세스는 일반적으로 CMR 압축 시퀀스로서 본 명세서에서 언급된다.
압축된 냉각된 CMR 스트림(144)은 그런 후에 사전 냉각 시스템(134)에서 증발하는 WMR에 대해 냉각된다. 압축된 냉각된 CMR 스트림(144)은 제 1 사전 냉각된 CMR 스트림(146)을 발생시키기 위해 제 1 사전 냉각 열 교환기(160)에서 냉각되고, 그런 후에, 제 2 사전 냉각된 CMR 스트림(148)을 발생시키기 위해 제 2 사전 냉각 열 교환기(162)에서 냉각되고, 이것은 CMR 스트림의 사전 냉각 온도 및 조성물에 따라 완전히 응축될 수 있거나 2-상일 수 있다. 도 1은, 제 2 사전 냉각된 CMR 스트림(148)이 2-상이고 CMR 상 분리기(150)에 보내져서, CMR 액체(CMRL) 스트림(152) 및 CMR 증기(CMRV) 스트림(151)을 발생하고, 이들은 모두 추가로 냉각될 MCHE(164)로 다시 보내진다. 이들이 후속하여 액화된 후에도, 상 분리기들을 떠나는 액체 스트림은 MRL로서 산업계에서 언급되고, 상 분리기들을 떠나는 증기 스트림은 MRV로서 산업계에서 언급된다.
CMRL 스트림(152) 및 CMRV 스트림(151) 모두는 MCHE(164)의 2개의 개별적인 회로들에서 냉각된다. CMRL 스트림(152)은 냉각되고, MCHE(164)의 웜 번들(166)에서 부분적으로 액화되어, 팽창된 CMRL 스트림(154)을 발생시키기 위해 CMRL 팽창 디바이스(153) 양단의 압력에서 하강되는 저온 스트림을 초래하고, 이러한 팽창된 CMRL 스트림(154)은 웜 번들(166)에서 요구된 냉각을 제공하기 위해 MCHE(164)의 쉘 측으로 다시 보내진다. CMRV 스트림(151)은 웜 번들(166)에서 냉각되고, 후속하여 MCHE(164)의 저온 번들(167)에서 냉각되고, CMRV 팽창 디바이스(155) 양단의 압력에서 감소되어, 저온 번들(167) 및 웜 번들(166)에서 요구된 냉각을 제공하기 위해 MCHE(164)에 주입되는 팽창된 CMRV 스트림(156)을 발생시킨다.
MCHE(164) 및 사전 냉각 열 교환기(160)는 코일 권선 열 교환기, 플레이트 및 핀 열 교환기, 또는 쉘 및 튜브 열 교환기와 같이 천연 가스 냉각 및 냉매에 적합한 임의의 교환기일 수 있다. 코일 권선 열 교환기들은 천연 가스 액화를 위한 종래 기술의 교환기 분야에 있고, 흐름 프로세스 및 웜 냉매 스트림을 위한 복수의 나선 권선 튜브들 및 저온 냉매 스트림을 흐르게 하기 위한 쉘 공간을 포함하는 적어도 하나의 튜브 번들을 포함한다.
도 1에 도시된 배치에서, 제 1 사전 냉각 열 교환기(160)의 저온 단부는 20℃ 미만, 바람직하게 약 10℃ 미만, 더 바람직하게 약 0℃ 미만의 온도에 있다. 제 2 사전 냉각 열 교환기(162)의 저온 단부는 10℃ 미만, 바람직하게 약 0℃ 미만, 더 바람직하게 약 30℃ 미만의 온도에 있다. 그러므로, 제 2 사전 냉각 열 교환기는 제 1 사전 냉각 열 교환기보다 낮은 온도에 있다.
혼합된 냉매 사이클의 핵심적인 이득은, 혼합된 냉매 스트림의 조성물이 열 교환기에서의 냉각 곡선, 출구 온도, 그러므로 프로세스 효율을 조정하도록 최적화될 수 있다는 것이다. 이것은 냉각 프로세스의 다양한 스테이지들에 대한 냉매 스트림의 조성물을 조정함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 높은 농도의 에탄 및 더 무거운 성분을 갖는 혼합된 냉매는 사전 냉각 냉매로서 매우 적합한 반면, 높은 농도의 메탄과 질소를 갖는 것은 과냉각 냉매로서 매우 적합하다.
도 1에 도시된 배치에서, 제 1 사전 냉각 열 교환기에 냉각 듀티를 제공하는 제 1 팽창된 WMR 스트림(128)의 조성물은 제 2 사전 냉각 열 교환기(162)에 냉각 듀티를 제공하는 제 2 팽창된 WMR 스트림(132)의 조성물과 동일하다. 제 1 및 제 2 사전 냉각 열 교환기들이 상이한 온도로 냉각하기 때문에, 양쪽의 교환기들을 위한 동일한 냉매 조성물을 사용하는 것은 비효율적이다. 추가로, 비효율성은 많은 사전 냉각 열 교환기들 중 3개를 통해 증가한다.
감소된 효율은 LNG의 동일한 양을 발생시키는데 요구된 증가된 전력을 초래한다. 감소된 효율은 이용 가능한 사전 냉각 구동기 전력의 고정된 양에서 더 따뜻한 전체 사전 냉각 온도를 더 초래한다. 이것은 냉매 부하를 사전 냉각 시스템으로부터 액화 시스템으로 시프트하여, MCHE를 더 크게 만들고, 액화 전력 부하를 증가시키고, 이것은 자본비 및 동작 능력 관점으로부터 바람직하지 않을 수 있다.
이 문제를 해결하는 한 가지 접근법은 사전 냉각의 각 스테이지에 대한 2개의 개별적인 폐루프 냉매 회로들을 갖는 것이다. 이것은 제 1 사전 냉각 열 교환기(160) 및 제 2 사전 냉각 열 교환기(162)를 위한 개별적인 혼합된 냉매 회로들을 갖는 것을 암시한다. 이것은 2개의 냉매 스트림들의 조합들이 독립적으로 최적화되도록 하므로, 효율을 개선한다. 하지만, 이러한 접근법은 각 사전 냉각 열 교환기를 위한 개별적인 압축 시스템들을 요구하고, 이것은 증가된 자본비, 푸트프린트(footprint), 및 동작 복잡도를 초래하고, 이것은 바람직하지 않다.
본 발명은 고효율, 낮은 자본비, 동작 가능하게 간단하고, 낮은 푸트프린트, 및 융통성있는 DMR 프로세스이고, 이것은 전술한 문제들을 해결하고, 종래 기술에 비해 상당한 개선들을 제공한다.
이러한 요약은 상세한 설명에서 아래에 추가로 기재되는 간략화된 형태로 개념의 선택을 도입하도록 제공된다. 이러한 요약은 청구된 주제의 핵심 특징들 또는 본질적인 특징들을 식별하도록 의도되지 않을 뿐 아니라, 청구된 주제의 범주를 제한하는데 사용되도록 의도되지 않는다.
아래에 기재되고 후속하는 청구항에 의해 한정된 몇몇 실시예들은 LNG 액화 프로세스의 사전 냉각 부분에 대한 개선들을 포함한다. 몇몇 실시예들은 사전 냉각 부분에서 다중 사전 냉각 열 교환 섹션들을 이용함으로써 그리고 사전 냉각 열 교환 섹션들에 냉각 듀티를 제공하는데 사용된 냉매의 스트림을 상이한 압력에서 압축 시스템에 주입함으로써 종래 기술에서의 필요성을 충족시킨다. 몇몇 실시예들은 압축 시스템의 압축 스테이지들 사이에서 상호 냉각되고 분리되는 냉매의 스트림의 액체 단편을 향하게 함으로써 종래 기술에서의 필요성을 충족시킨다.
시스템들 및 방법들의 여러 양상들은 아래에서 개술된다.
양상 1: 복수의 열 교환 섹션들 각각에서의 제 1 냉매와의 간접적인 열 교환에 의해 탄화수소 유체를 포함하는 탄화수소 공급 스트림과, 제 2 냉매를 포함하는 제 2 냉매 공급 스트림을 냉각하는 방법으로서,
(a) 상기 탄화수소 공급 스트림 및 상기 제 2 냉매 공급 스트림을 상기 복수의 열 교환 섹션들의 가장 따뜻한 열 교환 섹션에 주입하는 단계;
(b) 사전 냉각된 탄화수소 스트림 및 사전 냉각된 제 2 냉매 스트림을 발생시키기 위해 상기 복수의 열 교환 섹션들 각각에서 상기 탄화수소 공급 스트림 및 상기 제 2 냉매 공급 스트림을 냉각하는 단계;
(c) 액화된 탄화수소 스트림을 발생시키기 위해 상기 제 2 냉매에 대해 메인 열 교환기에서 상기 사전 냉각된 탄화수소 스트림(206,306,406,506)을 추가로 냉각하고 액화하는 단계;
(d) 상기 복수의 열 교환 섹션들의 가장 저온의 열 교환 섹션으로부터 저압 제 1 냉매 스트림을 인출하고, 압축 시스템의 적어도 하나의 압축 스테이지에서 상기 저압 제 1 냉매 스트림을 압축하는 단계;
(e) 상기 복수의 열 교환 섹션들의 제 1 열 교환 섹션으로부터 중간 압력 제 1 냉매 스트림을 인출하는 단계로서, 상기 제 1 열 교환 섹션은 상기 가장 저온의 열 교환 섹션보다 더 따뜻한, 인출 단계;
(f) 단계들(d) 및 (e)이 수행된 후에, 조합된 제 1 냉매 스트림을 발생시키기 위해 상기 저압 제 1 냉매 스트림과 상기 중간 압력 제 1 냉매 스트림을 조합하는 단계;
(g) 고-고 압력 제 1 냉매 스트림을 상기 압축 시스템으로부터 인출하는 단계;
(h) 냉각하고, 냉각된 고-고 압력 제 1 냉매 스트림을 발생시키기 위해 적어도 하나의 냉각 유닛에서 상기 고-고 압력 제 1 냉매 스트림을 적어도 부분적으로 응축하는 단계;
(i) 제 1 증기 냉매 스트림 및 제 1 액체 냉매 스트림을 발생시키기 위해 상기 냉각된 고-고 압력 제 1 냉매 스트림을 제 1 증기-액체 분리 디바이스에 주입하는 단계;
(j) 상기 제 1 액체 냉매 스트림을 상기 복수의 열 교환 섹션들의 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션에 주입하는 단계;
(k) 제 1 냉각된 액체 냉매 스트림을 발생시키기 위해 상기 복수의 열 교환 섹션들의 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션에서 상기 제 1 액체 냉매 스트림을 냉각하는 단계;
(l) 제 1 팽창된 냉매 스트림을 발생시키기 위해 상기 제 1 냉각된 액체 냉매 스트림의 적어도 일부를 팽창시키는 단계;
(m) 단계(b)의 냉각의 제 1 부분을 제공하기 위해 냉각 듀티를 제공하기 위해 상기 제 1 팽창된 냉매 스트림을 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션에 주입하는 단계;
(n) 적어도 하나의 압축 스테이지에서 단계(i)의 상기 제 1 증기 냉매 스트림의 적어도 일부를 압축하는 단계;
(o) 응축된 제 1 냉매 스트림을 발생시키기 위해 적어도 하나의 냉각 유닛에서 압축된 제 1 냉매 스트림을 냉각하고 응축하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 냉각 유닛은 단계(n)의 상기 적어도 하나의 압축 스테이지로부터 하류에 있고, 이와 유체 흐름 왕래하는, 냉각 및 응축 단계;
(p) 상기 응축된 제 1 냉매 스트림을 상기 복수의 열 교환 섹션들의 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션에 주입하는 단계;
(q) 제 1 냉각된 응축된 냉매 스트림을 발생시키기 위해 상기 제 1 열 교환 섹션 및 가장 저온의 열 교환 섹션에서 상기 응축된 제 1 냉매 스트림을 냉각하는 단계;
(r) 제 2 팽창된 냉매 스트림을 발생시키기 위해 상기 제 1 냉각된 응축된 냉매 스트림을 팽창하는 단계; 및
(s) 단계(b)의 냉각의 제 2 부분을 제공하기 위해 냉각 듀티를 제공하기 위해 상기 제 2 팽창된 냉매 스트림을 상기 가장 저온의 열 교환 섹션에 주입하는 단계를
포함하는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
양상 2: 양상 1에 있어서, 단계(e)는 상기 복수의 열 교환 섹션들의 상기 제 1 열 교환 섹션으로부터 상기 중간 압력 제 1 냉매 스트림을 인출하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 1 열 교환 섹션은 상기 가장 저온의 열 교환 섹션보다 더 따뜻하고, 상기 제 1 열 교환 섹션은 또한 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션인, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
양상 3: 양상 1 또는 2에 있어서, 단계(n)는 단계(o)의 상기 압축된 제 1 냉매 스트림을 형성하기 위해 적어도 하나의 압축 스테이지에서 단계(i)의 상기 제 1 증기 냉매 스트림을 압축하는 단계를 더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
양상 4: 양상 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 단계(g)를 수행하기 전에 상기 압축 시스템의 적어도 하나의 압축 스테이지에서 단계(f)의 상기 조합된 제 1 냉매 스트림을 압축하는 단계를 더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
양상 5: 양상 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서, 단계(e)는 상기 복수의 열 교환 섹션들의 제 1 열 교환 섹션으로부터 상기 중간 압력 제 1 냉매 스트림을 인출하는 단계, 및 상기 압축 시스테의 적어도 하나의 압축 스테이지에서 상기 중간 압력 제 1 냉매 스트림을 압축하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 1 열 교환 섹션은 상기 가장 저온의 열 교환 섹션보다 더 따뜻한, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
양상 6: 양상 1 내지 5 중 어느 하나에 있어서,
(t) 단계(g) 이전에 상기 압축 시스템으로부터 제 1 중간 냉매 스트림을 인출하는 단계; 및
(u) 냉각된 제 1 중간 냉매 스트림을 발생시키기 위해 적어도 하나의 냉각 유닛에서 상기 제 1 중간 냉매 스트림을 냉각하고, 단계(g) 이전에 상기 냉각된 제 1 중간 냉매 스트림을 상기 압축 시스템에 주입하는 단계를
더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
양상 7: 양상 1 내지 6 중 어느 하나에 있어서,
(t) 상기 복수의 열 교환 섹션들의 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션으로부터 고압 제 1 냉매 스트림을 인출하는 단계; 및
(u) 단계(g) 이전에 상기 고압 제 1 냉매 스트림을 상기 압축 시스테에 주입하는 단계를
더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
양상 8: 양상 1에 있어서, (v) 상기 복수의 열 교환 섹션들의 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션으로부터 고압 제 1 냉매 스트림을 인출하는 단계; 및
(w) 조합된 제 1 중간 냉매 스트림을 형성하기 위해 상기 고압 제 1 냉매 스트림과 상기 냉각된 제 1 중간 냉매 스트림을 조합하고, 단계(g) 이전에 상기 조합된 제 1 중간 냉매 스트림을 상기 압축 시스템에 주입하는 단계를
더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
양상 9: 양상 1 내지 8 중 어느 하나에 있어서, 단계(n)는,
(t) 상기 압축 시스템으로부터 제 2 중간 냉매 스트림을 인출하는 단계; 및
(u) 냉각된 제 2 중간 냉매 스트림을 발생시키기 위해 적어도 하나의 냉각 유닛에서 상기 제 2 중간 냉매 스트림을 냉각하는 단계를
더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
양상 10: 양상 9에 있어서,
(v) 제 2 증기 냉매 스트림 및 제 2 액체 냉매 스트림을 발생시키기 위해 상기 냉각된 제 2 중간 냉매 스트림을 제 2 증기-액체 분리 디바이스에 중비하는 단계,
(w) 상기 제 2 액체 냉매 스트림을 상기 복수의 열 교환 섹션들의 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션에 주입하는 단계; 및
(x) 스트림의 상기 압축된 제 1 냉매 스트림을 발생(o)시키기 전에 상기 압축 시스템의 적어도 하나의 압축 스테이지에서 상기 제 2 증기 냉매 스트림을 압축하는 단계를
더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
양상 11: 양상 1 내지 10 중 어느 하나에 있어서, 단계(q)는 상기 제 1 열 교환 섹션에서의 냉각 이전에 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션에서 상기 응축된 제 1 냉매 스트림을 냉각하는 단계를 더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
양상 12: 양상 1 내지 11 중 어느 하나에 있어서, 단계(d)의 상기 저압 제 1 냉매 스트림, 단계(f)의 상기 조합된 제 1 냉매 스트림, 및 단계(i)의 상기 제 1 증기 냉매 스트림은 단일 압축기의 다중 압축 스테이지들에서 압축되는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
양상 13: 양상 1 내지 12 중 어느 하나에 있어서, 제 1 액체 냉매 스트림은 50% 미만의 에탄과 더 가벼운 성분으로 구성된 제 1 조성물을 갖는다.
양상 14: 양상 1 내지 13 중 어느 하나에 있어서, 제 1 증기 냉매 스트림은 에탄보다 더 가벼운 40% 초과하는 성분들로 구성된 제 2 조성물을 갖는다.
양상 15: 탄화수소 공급 스트림을 냉각하기 위한 장치로서,
복수의 열 교환 섹션들로서, 상기 복수의 열 교환 섹션들은 가장 따뜻한 열 교환 섹션 및 가장 저온의 열 교환 섹션을 포함하는, 복수의 열 교환 섹션들;
상기 복수의 열 교환 섹션들 각각을 통해 연장하는 제 1 탄화수소 회로로서, 상기 제 1 탄화수소 회로는 탄화수소 유체의 공급부로부터 하류에 있고, 이와 유체 흐름 왕래하는, 제 1 탄화수소 회로;
상기 복수의 열 교환 섹션들 각각을 통해 연장하는 제 2 냉매 회로로서, 상기 제 2 냉매 회로는 제 2 냉매를 포함하는, 제 2 냉매 회로;
상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션을 통해 연장하는 제 1 사전 냉각 냉매 회로로서, 상기 제 1 사전 냉각 냉매 회로는 제 1 냉매를 포함하는, 제 1 사전 냉각 냉매 회로;
상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션 및 상기 가장 저온의 열 교환 섹션을 통해 연장하는 제 2 사전 냉각 냉매 회로로서, 상기 제 2 사전 냉각 냉매 회로는 상기 제 1 냉매를 포함하는, 제 2 사전 냉각 냉매 회로;
제 1 사전 냉각 냉매 회로의 상류 단부에 위치한 제 1 사전 냉각 냉매 회로 입구, 상기 제 1 사전 냉각 냉매 회로의 하류 단부에 위치한 제 1 압력 하강 디바이스, 및 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션의 제 1 저온 회로 및 상기 제 1 압력 하강 디바이스로부터 하류에 있고 이와 유체 흐름 왕래하는 제 1 팽창된 냉매 도관;
제 2 사전 냉각 냉매 회로의 상류 단부에 위치한 제 2 사전 냉각 냉매 회로, 상기 제 2 사전 냉각 냉매 회로의 하류 단부에 위치한 제 2 압력 하강 디바이스, 및 상기 가장 저온의 열 교환 섹션의 제 2 저온 회로 및 상기 제 2 압력 하강 디바이스로부터 하류에 있고 이와 유체 흐름 왕래하는 제 2 팽창된 냉매 도관;
압축 시스템을 포함하고,
상기 압축 시스템은
제 1 압축 스테이지 및 상기 가장 저온의 열 교환 섹션의 웜 단부와 유체 흐름 왕래하는 저압 제 1 냉매 도관;
제 2 압축 스테이지 및 제 1 열 교환 섹션의 웜 단부와 유체 흐름 왕래하는 중간 압력 제 1 냉매 도관;
상기 제 2 압축 스테이지로부터 하류에 있는 제 1 애프터쿨러;
상기 애프터쿨러와 유체 흐름 왕래하고 이로부터 하류에 있는 제 1 입구, 제 1 증기-액체 분리 디바이스의 상부 절반에 위치한 제 1 증기 출구, 상기 제 1 증기-액체 분리 디바이스의 하부 절반에 위치한 제 1 액체 출구를 갖는 제 1 증기-액체 분리 디바이스로서, 상기 제 1 액체 출구는 상기 제 1 사전 냉각 냉매 회로 입구로부터 상류에 있고, 이와 유체 흐름 왕래하는, 제 1 증기-액체 분리 디바이스;
상기 제 1 증기 출구로부터 하류에 있는 제 3 압축 스테이지; 및
상기 제 3 압축 스테이지로부터 하류에 있는 제 2 애프터쿨러를
포함하고,
상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션은 상기 제 1 탄화수소 회로를 통해 흐르는 상기 탄화수소 유체를 부분적으로 사전 냉각하도록 동작가능하게 구성되고, 상기 제 2 냉매는 상기 제 2 냉매 회로를 통해 흐르고, 상기 제 1 냉매는 상기 제 1 사전 냉각 제 1 냉매 회로를 통해 흐르고, 상기 제 1 냉매에 대한 상기 제 2 사전 냉각 냉매 회로는 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션의 상기 제 1 저온 회로를 통해 흐르고,
상기 가장 저온의 열 교환 섹션은 사전 냉각된 탄화수소 스트림을 발생시키기 위해 상기 제 1 탄화수소 회로를 통해 흐르는 상기 탄화수소 유체를 사전 냉각하고, 상기 제 2 냉매 회로를 통해 흐르는 상기 제 2 냉매를 사전 냉각하고, 상기 가장 저온의 열 교환 섹션의 상기 제 1 저온 회로를 통해 흐르는 상기 제 1 냉매에 대해 상기 제 2 사전 냉각 냉매 회로를 통해 흐르는 상기 제 1 냉매를 사전 냉각하도록 동작가능하게 구성되는, 탄화수소 공급 스트림을 냉각하기 위한 장치.
양상 16: 양상 15에 있어서, 제 1 열 교환 섹션은 복수의 열 교환 섹션들의 가장 따뜻한 열 교환 섹션이다.
양상 17: 양상 15 또는 16에 있어서, 제 1 압축 스테이지, 제 2 압축 스테이지, 및 제 3 압축 스테이지는 제 1 압축기의 단일 주조와 함께 위치된다.
양상 18: 양상 15 내지 17 중 어느 하나에 있어서,
상기 복수의 열 교환 섹션들의 상기 제 1 탄화수소 회로로부터 하류에 있고 이와 유체 흐름 왕래하는 제 2 탄화수소 회로를 갖는 메인 열 교환기로서, 상기 메인 열 교환기는 상기 제 2 냉매에 대해 간접적인 열 교환에 의해 상기 사전 냉각된 탄화수소 스트림을 적어도 부분적으로 액화하도록 동작가능하게 구성되는, 탄화수소 공급 스트림을 냉각하기 위한 장치.
양상 19: 양상 15 내지 18 중 어느 하나에 있어서, 상기 압축 시스템은 상기 제 2 압축 스테이지로부터 하류에 있는 제 1 인터쿨러와, 상기 제 1 인터쿨러로부터 하류에 있고 이와 유체 흐름 왕래하는 냉각된 제 1 중간 냉매 도관을 더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림을 냉각하기 위한 장치.
양상 20: 양상 19에 있어서, 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션의 웜 단부 및 상기 냉각된 제 1 중간 냉매 도관과 유체 흐름 왕래하는 고압 제 1 냉매 도관을 더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림을 냉각하기 위한 장치.
양상 21: 양상 20에 있어서,
상기 제 1 증기-액체 분리 디바이스로부터 하류에 있는 제 3 애프터쿨러; 및
상기 제 3 애프터쿨러와 유체 흐름 왕래하고 이로부터 하류에 있는 제 3 입구, 제 2 증기-액체 분리 디바이스의 상부 절반에 위치한 제 2 증기 출구, 상기 제 2 증기-액체 분리 디바이스의 하부 절반에 위치한 제 2 액체 출구를 갖는 제 2 증기-액체 분리 디바이스를
더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림을 냉각하기 위한 장치.
양상 22: 양상 15 내지 21 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 열 교환 섹션들은 제 1 열 교환기의 다중 섹션들인, 탄화수소 공급 스트림을 냉각하기 위한 장치.
양상 23: 양상 15 내지 22 중 어느 하나의 장치에 있어서, 복수의 열 교환 섹션들 각각은 코일 권선 열 교환기를 포함한다.
양상 24: 양상 15 내지 23 중 어느 하나의 장치에 있어서, 메인 열 교환기는 코일 권선 열 교환기이다.
양상 25: 양상 15 내지 24 중 어느 하나의 장치에 있어서, 제 2 사전 냉각 냉매 회로는 가장 따뜻한 열 교환 섹션, 제 1 열 교환 섹션, 및 가장 저온의 열 교환 섹션을 통해 연장한다.
양상 26: 양상 15 내지 25 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 2 사전 냉각 냉매 회로에 포함된 상기 제 1 냉매는 상기 제 1 사전 냉각 냉매 회로에 포함된 상기 제 1 냉매보다 더 높은 농도의 에탄과 더 가벼운 탄화수소들을 갖는, 탄화수소 공급 스트림을 냉각하기 위한 장치.
양상 27: 양상 15 내지 26 중 어느 하나의 장치에 있어서, 가장 따뜻한 열 섹션의 제 1 저온 회로는 가장 따뜻한 열 교환 섹션의 쉘-측이고, 가장 저온의 열 교환 섹션의 제 1 저온 회로는 가장 저온의 열 교환 섹션의 쉘-측이다.
양상 28: 양상 15 내지 27 중 어느 하나에 있어서, 적어도 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션 및 상기 제 1 열 교환 섹션을 통해 연장하는 제 3 사전 냉각 냉매 회로를 더 포함하고, 상기 제 3 사전 냉각 냉매 회로는 상기 제 1 냉매를 포함하는, 탄화수소 공급 스트림을 냉각하기 위한 장치.
도 1은 종래 기술에 따른 DMR 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 2는 제 1 예시적인 실시예에 따른 DMR 시스템의 사전 냉각 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 3은 제 2 예시적인 실시예에 따른 DMR 시스템의 사전 냉각 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 4는 제 3 예시적인 실시예에 따른 DMR 시스템의 사전 냉각 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 5는 제 4 예시적인 실시예에 따른 DMR 시스템의 사전 냉각 시스템의 개략적인 흐름도이다.
다음의 상세한 설명은 바람직한 예시적인 실시예들만을 제공하고, 범주, 응용 능력 또는 이들의 구성을 제한하도록 의도되지 않는다. 오히려, 바람직한 예시적인 실시예들의 다음의 상세한 설명은 바람직한 예시적인 실시예들을 구현하기 위한 가능한 설명을 당업자에게 제공할 것이다. 다양한 변화들은 사상 및 범주에서 벗어나지 않고도 요소들의 기능 및 배치에서 이루어질 수 있다.
도면과 연계하여 명세서에 도입되는 도면 부호들은 다른 특징들에 대한 정황을 제공하기 위해 본 명세서에서의 추가 설명 없이 하나 이상의 후속 도면들에서 반복될 수 있다.
본 명세서 및 청구항에 사용된 "유체"라는 용어는 가스 및/또는 액체를 언급한다.
본 명세서 및 청구항에 사용된 "유체 흐름 왕래"라는 용어는, 액체, 증기, 및/또는 2-상 혼합물이 제어도니 방식으로(즉, 누출 없이) 성분들 사이에서 직접 또는 간접적으로 운송되도록 하는 2개 이상의 성분들 사이의 연결 특성을 언급한다. 2개 이상의 성분들이 서로 유체 흐름 왕래 상태에 있도록 2개 이상의 성분들을 결합하는 것은 용접, 플랜지형 도관, 가스킷 및 볼트의 이용을 통해서와 같이 종래 기술에 알려진 임의의 적합한 방법을 수반할 수 있다. 2개 이상의 성분들은 또한 이들을 분리할 수 있는 시스템의 다른 성분들, 예를 들어 밸브, 게이트, 또는 유체 흐름을 선택적으로 제약하거나 향하게 할 수 잇는 다른 디바이스들을 통해 함께 결합될 수 있다.
본 명세서 및 청구항에 사용된 "도관"이라는 용어는 유체가 시스템의 2개 이상의 성분들 사이에서 운송될 수 있는 하나 이상의 구조들을 언급한다. 예를 들어, 도관들은 액체, 증기, 및/또는 가스를 운송하는 파이프, 덕트, 통로 및 이들의 조합드을 포함할 수 있다.
본 명세서 및 청구항에 사용된 "천연 가스"라는 용어는 주로 메탄으로 구성된 탄화수소 가스 혼합물을 의미한다.
본 명세서 및 청구항에 사용된 "탄화수소 가스" 또는 "탄화수소 유체"라는 용어는 적어도 하나의 탄화수소를 포함하는 가스 또는 유체를 의미하고, 이로 인해 탄화수소는 적어도 80%, 더 바람직하게 가스 또는 유체의 전체 조성물의 적어도 90%를 포함한다.
본 명세서 및 청구항에 상요된 "혼합된 냉매"(약어로 "MR")라는 용어는 적어도 2개의 탄화수소를 포함하는 유체를 의미하고, 이로 인해 탄화수소는 냉매의 전체 조성물의 적어도 80%를 포함한다.
본 명세서 및 청구항에 사용된 "무거운 혼합된 냉매"라는 용어는, 적어도 에탄만큼 무거운 탄화수소가 MR의 전체 조성물의 적어도 80%를 포함하는 MR을 의미한다. 바람직하게, 적어도 부탄만큼 무거운 탄화수소는 혼합된 냉매의 전체 조성물의 적어도 10%를 포함한다.
"번들" 및 "튜브 번들"이라는 용어는 본 명세서 내에서 상호 교환적으로 사용되고, 동의어인 것으로 의도된다.
본 명세서 및 청구항에 사용된 "주변 유체"라는 용어는 주변 압력 및 온도에서 또는 그 근처에서 시스템에 제공되는 유체를 의미한다.
청구항에서, 청구된 단계들{예를 들어, (a), (b), 및 (c)}을 식별하기 위해 문자들이 사용된다. 이들 문자들은 방법 단계들을 언급하는데 보조하기 위해 사용되고, 그러한 순서가 청구항에서 특별히 언급되는 정도인 경우에만, 청구된 단계들이 수행되는 순서를 나타내도록 의도되지 않는다.
방향의 용어들(예를 들어, 상부, 하부, 좌측, 우측 등)은 본 명세서 및 청구항에서 사용될 수 있다. 이들 방향의 용어들은 예시적인 실시예들을 기재하는데 보조하도록 단지 의도되고, 그 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "상류"라는 용어는 기준점으로부터 도관에서 유체의 흐름 방향의 반대인 방향을 의미하도록 의도된다. 유사하게, "하류"라는 용어는 기준점으로부터 도관에서 유체의 흐름 방향과 동일한 방향을 의미하도록 의도된다.
본 명세서 및 청구항에 사용된 바와 같이, "고-고", "고", "중간", "저", 및 "저-저"라는 용어들은 이들 용어들이 사용되는 요소들의 특성에 대한 상대 값들을 표현하도록 의도된다. 예를 들어, 고-고 압력 스트림은 본 명세서에 기재되거나 청구된 대응하는 고압 스트림 또는 중간 압력 스트림 또는 저압 스트림보다 높은 압력을 갖는 스트림을 나타내도록 의도된다. 유사하게, 고압 스트림은 본 명세서 또는 청구항에 기재된 대응하는 중간 압력 스트림 또는 저압 스트림보다 높은 압력이지만, 본 명세서에 기재되거나 청구된 대응하는 고-고 압력 스트림보다 낮은 압력을 갖는 스트림을 나타내도록 의도된다. 유사하게, 중간 압력 스트림은 본 명세서 또는 청구항에 기재된 대응하는 저압 스트림보다 높은 압력이지만, 본 명세서에 기재되거나 청구된 대응하는 고압 스트림보다 낮은 압력을 갖는 스트림을 나타내도록 의도된다.
본 명세서에서 달리 언급되지 않으면, 본 명세서, 도면 및 청구항에서 식별된 임의의 및 모든 백분율은 중량%에 기초한 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 달리 언급되지 않으면, 본 명세서, 도면 및 청구항에서 식별된 임의의 및 모든 압력은 게이지 압력을 의미하도록 이해되어야 한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "한제" 또는 "한제 유체"라는 용어는 -70℃ 미만의 온도를 갖는 액체, 가스, 또는 혼합된 상 유체를 의미하도록 의도된다. 한제의 예들은 액체 질소(LIN), 액화 천연 가스(LNG), 액체 헬륨, 액체 이산화탄소 및 가압된, 혼합된 상 한제(예를 들어, LIN과 가스 질소의 혼합물)를 포함한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "한제 온도"라는 용어는 -70℃ 미만의 온도를 의미하도록 의도된다.
본 명세서 및 청구항에 사용된 바와 같이, "열 교환 세션"이라는 용어는 웜 단부 및 저온 단부를 갖는 것으로 정의된다; 여기서 개별적인 저온 냉매 스트림(주변 이외의)은 열 교환 섹션의 저온 단부에 주입되고, 웜 제 1 냉매 스트림은 열 교환 섹션의 웜 단부로부터 인출된다. 다중 열 교환 섹션들은 선택적으로 단일 또는 다중 열 교환기들 내에 포함될 수 있다. 쉘 및 튜브 열 교환기 도는 코일 권선 열 교환기의 경우에, 다중 열 교환 섹션들은 단일 쉘 내에 포함될 수 있다.
본 명세서 및 청구항에 사용된 바와 같이, 열 교환 섹션의 "온도"는 그러한 열 교환 섹션으로부터 탄화수소 스트림의 출구 온도에 의해 한정된다. 예를 들어, 열 교환 섹션에 대해 사용될 때 "가장 따뜻한", "더 따뜻한", "가장 저온의", "더 저온의"라는 용어들은 다른 열 교환 섹션들의 탄화수소 스트림의 출구 온도에 대해 그러한 열 교환 섹션으로부터 탄화수소 스트림의 출구 온도를 나타낸다. 예를 들어, 가장 따뜻한 열 교환 섹션은 임의의 다른 열 교환 섹션들에서 탄화수소 스트림 출구 온도보다 더 따뜻한 탄화수소 스트림 출구 온도를 갖는 열 교환 섹션을 나타내도록 의도된다.
본 명세서 및 청구항에 사용된 바와 같이, "압축 시스템"이라는 용어는 하나 이상의 압축 스테이지들로서 한정된다. 예를 들어, 압축 시스템은 단일 압축기 내의 다중 압축 스테이지들을 포함할 수 있다. 대안적인 예에서, 압축 시스템은 다중 압축기들을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 달리 언급되지 않으면, 장소에서 스트림을 주입하는 것은 장소에서 실질적으로 모든 상기 스트림을 주입하는 것을 의미하도록 의도된다. 본 명세서에 논의되고 도면에 도시된(일반적으로 정상 동작 동안 유체 흐름의 전체 방향을 보여주는 화살표로 라인에 의해 표현된) 모든 스트림들은 대응하는 도관 내에 포함되는 것으로 이해되어야 한다. 각 도관은 적어도 하나의 입구 및 적어도 하나의 출구를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 추가로, 기기의 각 부품은 적어도 하나의 입구 및 적어도 하나의 출구를 갖는 것으로 이해되어야 한다.
표 1. 기재된 실시예들을 이해하는데 보조하는 것으로서 본 명세서 및 도면 전체에서 이용된 약어의 목록을 정의한다.
Figure 112017096199512-pat00001
도 2는 제 1 실시예를 도시한다.
간략함을 위해, 사전 냉각 시스템(234)만이 도 2 및 후속 도면들에 도시된다. 저압 WMR 스트림(210)은 제 2 사전 냉각 열 교환기(262)의 쉘 측의 웜 단부로부터 인출되고, WMR 압축기(212)의 제 1 압축 스테이지(212A)에서 압축된다. 중간 압력 WMR 스트림(218)은 제 1 사전 냉각 열 교환기(260)의 쉘 측의 웜 단부로부터 인출되고, WMR 압축기(212)에 양상-스트림으로서 주입되고, 여기서 제 1 압축 스테이지(212A)로부터 압축된 스트림(미도시)과 혼합된다. 혼합된 스트림(미도시)은 고-고 압력 WMR 스트림(270)을 발생시키기 위해 WMR 압축기(212)의 제 2 WMR 압축 스테이지(212B)에서 압축된다. 저압 WMR 스트림(210) 및 중간 압력 WMR 스트림(218)에 존재하는 임의의 유체는 WMR 압축기(212)에서의 주입 이전에 증기-액체 분리 디바이스들(미도시)에서 제거된다.
고-고 압력 WMR 스트림(270)은 5 bara 내지 40 bara, 바람직하게 15 bara 내지 30 bara의 압력에 있을 수 있다. 고-고 압력 WMR 스트림(270)은 WMR 압축기(212)로부터 인출되고, 냉각되고, 고-고 압력 WMR 인터쿨러(271)에서 부분적으로 응축되어, 냉각된 고-고 압력 WMR 스트림(272)을 발생시킨다. 고-고 압력 WMR 인터쿨러(271)는 공기 또는 물을 이용하는 주변 쿨러와 같은 임의의 적합한 유형의 냉각 유닛일 수 있고, 하나 이상의 열 교환기들을 포함할 수 있다. 냉각된 고-고 압력 WMR 스트림(272)은 0.2 내지 0.8, 바람직하게 0.3 내지 0.7, 더 바람직하게 0.4 내지 0.6의 증기 단편을 가질 수 있다. 냉각된 고-고 압력 WMR 스트림(272)은 제 1 WMRV 스트림(274)과 제 1 WMRL 스트림(275)을 발생시키기 위해 제 1 WMR 증기-액체 분리 디바이스(273)에서 상 분리된다.
제 1 WMRL 스트림(275)은 50% 미만의 에탄과 더 가벼운 탄화수소, 바람직하게 45% 미만의 에탄 과 더 가벼운 탄화수소, 더 바람직하게 40% 미만의 에탄과 더 가벼운 탄화수소를 포함한다. 제 1 WMRV 스트림(274)은 40% 초과하는 에탄과 더 가벼운 탄화수소, 바람직하게 45% 초과하는 에탄과 더 가벼운 탄화수소, 더 바람직하게 50% 초과하는 에탄과 더 가벼운 탄화수소를 포함한다. 제 1 WMRL 스트림(275)은 제 1 사전 냉각 열 교환기(260)에 냉각 듀티를 제공하는 제 1 팽창된 WMR 스트림(228)을 발생시키기 위해 제 1 WMR 팽창 디바이스(226)(또한 압력 하강 디바이스로 언급됨)에서 팽창되는 제 1 추가 냉각된 WMR 스트림(236)(또한 냉각된 액체 냉매 스트림으로 언급됨)을 발생시키기 위해 튜브 회로에서 냉각될 제 1 사전 냉각 열 교환기(260)에 주입된다. 적합한 팽창 디바이스들의 예들은 줄-톰슨(J-T) 밸브 및 터빈을 포함한다.
제 1 WMRV 스트림(274)은 압축된 WMR 스트림(214)을 발생시키기 위해 WMR 압축기(212)의 제 3 WMR 압축 스테이지(212C)에서 압축될 WMR 압축기(212)에 주입된다. 압축된 WMR 스트림(214)은 냉각되고, 바람직하게 제 1 냉각된 압축된 WMR 스트림(216)(또한 압축된 제 1 냉매 스트림으로 언급됨)을 발생시키기 위해 WMR 애프터쿨러(215)에서 응축되고, 제 1 냉각된 압축된 WMR 스트림(216)은 제 1 사전 냉각된 WMR 스트림(217)을 발생시키기 위해 튜브 회로에서 추가로 냉각될 제 1 사전 냉각 열 교환기(260)에 주입된다. 제 1 사전 냉각된 WMR 스트림(217)은 제 2 추가로 냉각된 WMR 스트림(237)을 발생시키기 위해 튜브 회로에서 추가로 냉각될 제 2 사전 냉각 열 교환기(262)에 주입된다. 제 2 추가로 냉각된 WMR 스트림(237)은 제 2 팽창된 WMR 스트림(232)을 발생시키기 위해 제 2 WMR 팽창 디바이스(230)(또한 압력 하강 디바이스로 언급됨)에서 팽창되고, 제 2 팽창된 WMR 스트림(232)은 냉각 듀티를 제공하기 위해 제 2 사전 냉각 열 교환기(262)의 쉘 측에 주입된다.
제 1 냉각된 압축된 WMR 스트림(216)은 완전히 응축되거나 부분적으로 응축될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 제 1 냉각된 압축된 WMR 스트림(216)은 완전히 응축된다. 냉각된 고-고 압력 WMR 스트림(272)은 에탄보다 가벼운 10% 미만의 성분, 바람직하게 에탄보다 가벼운 5% 미만의 성분, 더 바람직하게 에탄보다 가벼운 2% 미만의 성분을 포함할 수 있다. 가벼운 성분은 제 1 WMRV 스트림(274)에서 축적되고, 제 1 WMRV 스트림(274)은 에탄보다 가벼운 20% 미만의 성분, 바람직하게 에탄보다 가벼운 15% 미만의 성분, 더 바람직하게 에탄보다 가벼운 10% 미만의 성분을 포함할 수 있다. 그러므로, 매우 높은 압력으로 압축할 필요 없이 완전히 응축된 제 1 냉각된 압축된 WMR 스트림(216)을 발생시키기 위해 압축된 WMR 스트림(214)을 완전히 응축하는 것이 가능하다. 압축된 WMR 스트림(214)은 300 psia(21 bara) 내지 600 psia(41 bara), 바람직하게 400 psia(28 bara) 내지 500 psia(35 bara)의 압력에 있을 수 있다. 제 2 사전 냉각 열 교환기(262)가 천연 가스를 완전히 액화하는데 사용된 액화 열 교환기이면, 냉각된 고-고 압력 WMR 스트림(272)은 더 높은 농도의 질소 및 메탄을 가지므로, 압축된 WMR 스트림(214)의 압력은 제 1 냉각된 압축된 WMR 스트림(216)이 완전히 응축되기 위해 더 높아야 한다. 이것이 달성하기에 가능하지 않을 수 있기 때문에, 제 1 냉각된 압축된 WMR 스트림(216)은 완전히 응축되지 않고, 개별적으로 액화될 필요가 있을 수 있는 상당한 증기 농도를 포함한다.
천연 가스 공급 스트림(202)(탄화수소 공급 스트림으로 청구항에서 언급됨)은 20℃ 미만, 바람직하게 약 10℃ 미만, 더 바람직하게 약 0℃ 미만의 온도에서 제 1 사전 냉각된 천연 가스 스트림(204)을 발생시키기 위해 제 1 사전 냉각 열 교환기(260)에서 냉각된다. 종래 기술에 알려진 바와 같이, 천연 가스 공급 스트림(202)은 바람직하게 습기, 및 산성 가스, 수은 및 다른 오염물과 같은 다른 불순물을 제거하도록 전처리되어 왔다. 제 1 사전 냉각된 천연 가스 스트림(204)은 주변 온도, 천연 가스 공급 조성물 및 압력에 따라 10℃ 미만, 바람직하게 약 0℃ 미만, 더 바람직하게 약 -30℃ 미만의 온도에서 제 2 사전 냉각된 천연 가스 스트림(206)을 발생시키기 위해 제 2 사전 냉각 열 교환기(262)에서 냉각된다. 제 2 사전 냉각된 천연 가스 스트림(206)은 부분적으로 응축될 수 있다. 제 2 사전 냉각된 천연 가스 스트림(206)은 MCHE(도 1에서 164)로 보내지고, 약 -150℃ 내지 약 -70℃, 바람직하게 약 -145℃ 내지 약 -100℃의 온도로 액화되고, 후속하여 약 -170℃ 내지 약 -120℃, 바람직하게 약 -170℃ 내지 약 -140℃의 온도에서 LNG 스트림{도 1에서 스트림(108); 청구항에서 액화된 탄화수소 스트림으로 언급됨}을 발생시키기 위해 과냉각된다. 압축된 냉각된 CMR 스트림(244)(또한 제 2 냉매 공급 스트림으로 언급됨)은 제 1 사전 냉각된 CMR 스트림(246)을 발생시키기 위해 제 1 사전 냉각 열 교환기(260)에서 냉각된다. 압축된 냉각된 CMR 스트림(244)은 에탄보다 가벼운 40% 초과 성분, 바람직하게 에탄보다 가벼운 45% 초과 성분, 더 바람직하게 에탄보다 가벼운 50% 초과 성분을 포함할 수 있다. 제 1 사전 냉각된 CMR 스트림(246)은 제 2 사전 냉각된 CMR 스트림(248)(또한 사전 냉각된 제 2 냉매 스트림으로 언급됨)을 발생시키기 위해 제 2 사전 냉각 열 교환기(262)에서 냉각된다.
도 2가 사전 냉각 회로에서 2개의 사전 냉각 열 교환기들 및 2개의 압력 레벨들을 도시하지만, 임의의 수의 사전 냉각 열 교환기들 및 압력 레벨들이 이용될 수 있다. 사전 냉각 열 교환기들은 도 2에서 코일 권선 열 교환기들인 것으로 도시된다. 하지만, 이들은 플레이트 및 핀 열 교환기들, 쉘 및 튜브 열 교환기들, 또는 천연 가스를 사전 냉각하는데 적합한 임의의 다른 열 교환기들일 수 있다.
도 2의 2개의 사전 냉각 열 교환기들(260, 262)은 단일 열 교환기 내의 2개의 열 교환 섹션들일 수 있다. 대안적으로, 2개의 사전 냉각 열 교환기들은 2개의 열 교환기들일 수 있고, 각각은 하나 이상의 열 교환 섹션들을 갖는다.
선택적으로, 제 1 사전 냉각된 WMR 스트림(217)의 부분은 보충 냉매를 제 1 사전 냉각 열 교환기(260)에 제공하기 위해 제 1 WMR 팽창 디바이스(226)에서의 팽창 이전에 제 1 추가 냉각된 WMR 스트림(236)과 혼합될 수 있다{점선(217a)으로 도시됨}.
도 2가 3개의 압축 스테이지들을 도시하지만, 임의의 수의 압축 스테이지가 수행될 수 있다. 추가로, 압축 스테이지들(212A, 212B, 및 212C)은 단일 압축기 바디의 부분일 수 있거나, 다중 개별적인 압축기들일 수 있다. 추가로, 중간 냉각 열 교환기들은 스테이지들 사이에 제공될 수 있다. WMR 압축기(212)는 원심력, 축방향, 양의 변위와 같은 임의의 유형의 압축기, 또는 임의의 다른 압축기 유형일 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에서, 가장 따뜻한 열 교환 섹션은 제 1 사전 냉각 열 교환기(260)이고, 가장 저온의 열 교환 섹션은 제 2 사전 냉각 열 교환기(262)이다.
도 2에 도시된 배치의 이득은, WMR 냉매 스트림이 2개의 부분들, 즉 무거운 탄화수소를 갖는 제 1 WMRL 스트림(275) 및 더 가벼운 성분을 갖는 제 1 WMRV 스트림(274)으로 분할된다는 것이다. 제 1 사전 냉각 열 교환기(260)는 제 1 WMRL 스트림(275)을 이용하여 냉각되고, 제 2 사전 냉각 열 교환기(262)는 제 1 WMRV 스트림(274)을 이용하여 냉각된다. 제 1 사전 냉각 열 교환기(260)가 제 2 사전 냉각 열 교환기(262)보다 따뜻한 온도로 냉각하기 때문에, WMR에서의 더 무거운 탄화수소는 제 1 사전 냉각 열 교환기(260)에서 요구되는 반면, WMR에서의 더 가벼운 탄화수소는 제 2 사전 냉각 열 교환기(262)에서 더 깊은 냉각을 제공하는데 필요하다. 그러므로, 도 2에 도시된 배치는 개선된 프로세스 효율, 및 이에 따라 사전 냉각 듀티의 동일한 양에 대한 낮은 필요한 사전 냉각 전력을 초래한다. 고정된 사전 냉각 전력 및 공급 흐름율에서, 이것은 더 저온의 사전 냉각 온도를 가능하게 한다. 그러므로, 이러한 배치는 또한 냉매 부하를 액화 시스템으로부터 사전 냉각 시스템으로 시프트하는 것을 가능하게 하여, 이를 통해 액화 시스템에서 전력 요건을 감소시키고, MCHE의 크기를 감소시킨다. 추가로, WMR 압축기(212)의 다양한 압축 스테이지들에서 WMR 조성물 및 압력은 냉각된 고-고 압력 WMR 스트림(272)에서 최적의 증기 단편을 초래하도록 최적화될 수 있어, 프로세스 효율에서의 추가 개선을 초래한다. 바람직한 실시예에서, WMR 압축기(212)의 3개의 압축 스테이지들(212A, 212B, 및 212C)은 단일 압축기 바디에서 수행되어, 이를 통해 자본비를 최소화한다.
도 3은 제 2 실시예를 도시한다. 저압 WMR 스트림(310)은 제 1 고압 WMR 스트림(313)을 발생시키기 위해 저압 WMR 압축기(311)에서 압축된다. 중간 압력 WMR 스트림(318)은 제 2 고압 WMR 스트림(323)을 발생시키기 위해 중간 압력 WMR 압축기(321)에서 압축된다. 제 1 고압 WMR 스트림(313) 및 제 2 고압 WMR 스트림(323)은 5 bara 내지 25 bara, 바람직하게 10 bara 내지 20 bara의 압력에서 고-고 압력 WMR 스트림(370)을 발생시키도록 혼합된다. 고-고 압력 WMR 스트림(370)은 냉각된 고-고 압력 WMR 스트림(372)을 발생시키기 위해 고-고 압력 WMR 인터쿨러(371)에서 냉각된다. 고-고 압력 WMR 인터쿨러(371)는 공기 또는 물에 대해 냉각하는 주변 쿨러일 수 있고, 다중 열 교환기들을 포함할 수 있다. 냉각된 고-고 압력 WMR 스트림(372)은 0.3 내지 0.9, 바람직하게 0.4 내지 0.8, 더 바람직하게 0.45 내지 0.6의 증기 단편을 가질 수 있다. 냉각된 고-고 압력 WMR 스트림(372)은 제 1 WMRV 스트림(374) 및 제 1 WMRL 스트림(375)을 발생시키기 위해 제 1 WMR 증기-액체 분리 디바이스(373)에서 상 분리된다.
제 1 WMRL 스트림(375)은 50% 미만의 에탄과 더 가벼운 탄화수소, 바람직하게 45% 미만의 에탄과 더 가벼운 탄화수소, 더 바람직하게 40% 미만의 에탄과 더 가벼운 탄화수소를 포함한다. 제 1 WMRV 스트림(374)은 40% 초과 에탄과 더 가벼운 탄화수소, 바람직하게 45% 초과 에탄과 더 가벼운 탄화수소, 더 바람직하게 50% 초과 에탄과 더 가벼운 탄화수소를 포함한다. 제 1 WMRL 스트림(375)은 제 1 추가 냉각된 WMR 스트림(336)을 발생시키기 위해 냉각될 제 1 사전 냉각 열 교환기에 주입된다. 제 1 추가 냉각된 WMR 스트림(336)은 제 1 사전 냉각 열 교환기(360)에 냉각 듀티를 제공하는 제 1 팽창된 WMR 스트림(328)을 발생시키기 위해 제 1 WMR 팽창 디바이스(326)에서 팽창된다.
제 1 WMRV 스트림(374)은 압축된 WMR 스트림(314)을 발생시키기 위해 고압 WMR 압축기(376)에서 압축된다. 압축된 WMR 스트림(314)은 냉각되고, 바람직하게 제 1 냉각된 압축된 WMR 스트림(316)을 발생시키기 위해 WMR 애프터쿨러(315)에서 응축되며, 제 1 냉각된 압축된 WMR 스트림(316)은 제 1 사전 냉각된 WMR 스트림(317)을 발생시키기 위해 튜브 회로에서 추가로 냉각될 제 1 사전 냉각 열 교환기(360)에 주입된다. 제 1 사전 냉각된 WMR 스트림(317)은 제 2 추가 냉각된 WMR 스트림(337)을 발생시키기 위해 추가로 냉각될 제 2 사전 냉각 열 교환기(362)에 주입된다. 제 2 추가 냉각된 WMR 스트림(337)은 제 2 팽창된 WMR 스트림(332)을 발생시키기 위해 제 2 WMR 팽창 디바이스(330)에서 팽창되고, 제 2 팽창된 WMR 스트림(332)은 냉각 듀티를 제공하기 위해 제 2 사전 냉각 열 교환기(362)의 쉘 측에 주입된다.
저압 WMR 압축기(311), 중간 압력 WMR 압축기(321), 및 고압 WMR 압축기(376)는 선택적인 인터쿨링 열 교환기들을 갖는 다중 압축 스테이지들을 포함할 수 있다. 고압 WMR 압축기(376)는 저압 WMR 압축기(311) 또는 중간 압력 WMR 압축기(321)와 동일한 압축기 바디의 부분일 수 있다. 압축기들은 원심력, 축방향, 양의 변위일 수 있거나, 임의의 다른 압축기 유형일 수 있다. 추가로, 고-고 압력 WMR 인터쿨러(371)에서의 고-고 압력 WMR 스트림(370)을 냉각하는 것 대신에, 제 1 고압 WMR 스트림(313) 및 제 2 고압 WMR 스트림(323)은 개별적인 열 교환기들(미도시)에서 개별적으로 냉각될 수 있다. 제 1 WMR 증기-액체 분리 디바이스(373)는 상 분리기일 수 있다. 대안적인 실시예에서, 제 1 WMR 증기-액체 분리 디바이스(373)는 증류 컬럼, 또는 컬럼에 주입된 적합한 저온 스트림과의 혼합 컬럼일 수 있다.
선택적으로, 제 1 사전 냉각된 WMR 스트림(317)의 부분은 보충 냉매를 제 1 사전 냉각 열 교환기(360)에 제공하기 위해 제 1 WMR 팽창 디바이스(326)에서의 팽창 이전에 제 1 추가 냉각된 WMR 스트림(336)과 혼합될 수 있다{점선(317a)으로 도시됨}. 추가 실시예는 3개의 압력 사전 냉각 회로를 갖는 도 3의 변경이다. 이 실시예는 저압 WMR 압축기(311) 및 중간 압력 WMR 압축기(321) 외에도 제 3 압축기를 수반한다.
도 3에 도시된 실시예에서, 가장 따뜻한 열 교환 섹션은 제 1 사전 냉각 열 교환기(360)이고, 가장 저온의 열 교환 섹션은 제 2 사전 냉각 열 교환기(362)이다.
도 2와 유사하게, 도 3에 도시된 배치의 이득은, WMR 냉매 스트림이 2개의 부분들, 즉 더 무거운 탄화수소를 갖는 제 1 WMRL 스트림(375) 및 더 가벼운 탄화수소를 갖는 제 1 WMRV 스트림(374)으로 분할된다는 것이다. 제 1 사전 냉각 열 교환기(360)가 제 2 사전 냉각 열 교환기(362)보다 따뜻한 온도로 냉각하기 때문에, WMR에서의 무거운 탄화수소는 제 1 사전 냉각 열 교환기(260)에서 요구되는 반면, WMR에서의 가벼운 탄화수소는 제 2 사전 냉각 열 교환기(262)에서 깊은 냉각을 제공하도록 요구된다. 그러므로, 도 3에 도시된 배치는 종래 기술의 도 1에 비해, 개선된 프로세스 효율 및 그러므로 낮은 요구된 사전 냉각 전력을 초래한다. 이러한 배치는 또한 냉매 부하를 액화 시스템으로부터 사전 냉각 시스템에 시프트하는 것을 가능하게 하여, 이를 통해 액화 시스템에서 전력 요건을 감소시키고, MCHE의 크기를 감소시킨다. 추가로, WMR 조성물 및 압축 압력은 냉각된 고-고 압력 WMR 스트림(372)에 대한 최적의 증기 단편을 초래하도록 최적화될 수 있어, 프로세스 효율에서 추가 개선을 초래한다.
도 2에서의 배치에 비해 도 3에 도시된 배치의 결점은, WMR의 병렬 압축으로 인해 적어도 2개의 압축기 바디들을 요구한다는 것이다. 하지만, 다중 압축 바디들이 존재하는 시나리오에서 유리하다. 도 3에 도시된 실시예에서, 저압 WMR 스트림(310) 및 중간 압력 WMR 스트림(318)은 병렬로 압축되고, 이것은 압축기 크기 제한이 고려 사항인 시나리오에서 유리하다. 저압 WMR 압축기(311) 및 중간 압력 WMR 압축기(321)는 독립적으로 설계될 수 있고, 상이한 수의 임펠러, 압력비, 및 다른 설계 특징들을 가질 수 있다.
도 4는 3개의 압력 사전 냉각 회로에 대한 제 3 실시예를 도시한다. 저압 WMR 스트림(410)은 제 3 사전 냉각 열 교환기(464)의 쉘 측의 웜 단부로부터 인출되고, WMR 압축기(412)의 제 1 압축 스테이지(412A)에서 압축된다. 중간 압력 WMR 스트림(418)은 제 2 사전 냉각 열 교환기(462)의 쉘 측의 웜 단부로부터 인출되고, WMR 압축기(412)에 양상-스트림으로서 주입되고, 여기서 제 1 압축 스테이지(412A)로부터 압축된 스트림(미도시)과 혼합된다. 혼합된 스트림(미도시)은 제 1 중간 WMR 스트림(425)을 발생시키기 위해 WMR 압축기(412)의 제 2 압축 스테이지(412B)에서 압축된다.
제 1 중간 WMR 스트림(425)은 WMR 압축기(412)로부터 인출되고, 주변 쿨러일 수 있는 고압 WMR 인터쿨러(427)에서 냉각되어, 냉각된 제 1 중간 WMR 스트림(429)을 발생시킨다. 고압 WMR 스트림(419)은 제 1 사전 냉각 열 교환기(460)의 쉘 측의 웜 단부로부터 인출되고, 냉각된 제 1 중간 WMR 스트림(429)과 혼합되어, 혼합된 고압 WMR 스트림(431)을 발생시킨다. 저압 WMR 스트림(410), 중간 압력 WMR 스트림(418), 고압 WMR 스트림(419) 및 냉각된 제 1 중간 WMR 스트림(429)에 존재하는 임의의 액체는 증기-액체 분리 디바이스들(미도시)에서 제거될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 고압 WMR 스트림(419)은 WMR 압축 시퀀스에서 임의의 다른 적합한 장소에서 예를 들어, 측 스트림으로서 WMR 압축기(412)에 주입될 수 있거나, WMR 압축기(412)로의 임의의 다른 입구 스트림과 혼합될 수 있다.
혼합된 고압 WMR 스트림(431)은 WMR 압축기(412)에 주입되고, WMR 압축기(412)의 제 3 WMR 압축 스테이지(412C)에서 압축되어, 고-고 압력 WMR 스트림(470)을 발생시킨다. 고-고 압력 WMR 스트림(470)은 5 bara 내지 35 bara, 바람직하게 15 bara 내지 25 bara의 압력에 있을 수 있다. 고-고 압력 WMR 스트림(470)은 WMR 압축기(412)로부터 인출되고, 냉각되고, 고-고 압력 WMR 인터쿨러(471)에서 부분적으로 응축되어, 냉각된 고-고 압력 WMR 스트림(472)을 발생시킨다. 고-고 압력 WMR 인터쿨러(471)는 공기 또는 물을 이용하는 주변 쿨러일 수 있다. 냉각된 고-고 압력 WMR 스트림(472)은 0.2 내지 0.8, 바람직하게 0.3 내지 0.7, 더 바람직하게 0.4 내지 0.6의 증기 단편을 가질 수 있다. 냉각된 고-고 압력 WMR 스트림(472)은 제 1 WMRV 스트림(474) 및 제 1 WMRL 스트림(475)을 발생시키기 위해 제 1 WMR 증기-액체 분리 디바이스(473)에서 상 분리된다.
제 1 WMRL 스트림(475)은 50% 미만의 에탄과 더 가벼운 탄화수소, 바람직하게 45% 미만의 에탄과 더 가벼운 탄화수소, 더 바람직하게 40% 미만의 에탄과 더 가벼운 탄화수소를 포함한다. 제 1 WMRV 스트림(474)은 40% 초과 에탄과 더 가벼운 탄화수소, 바람직하게 45% 초과 에탄과 더 가벼운 탄화수소, 더 바람직하게 50% 초과 에탄과 더 가벼운 탄화수소를 포함한다. 제 1 WMRL 스트림(475)은 제 2 냉각된 압축된 WMR 스트림(420)을 발생시키기 위해 냉각될 제 1 사전 냉각 열 교환기(460)에 주입되고, 제 2 냉각된 압축된 WMR 스트림(420)은 2개의 부분들, 즉 제 1 부분(422) 및 제 2 부분(424)으로 분할된다. 제 2 냉각된 압축된 WMR 스트림(422)의 제 1 부분은 제 1 사전 냉각 열 교환기(460)에 냉각 듀티를 제공하는 제 1 팽창된 WMR 스트림(428)을 발생시키기 위해 제 1 WMR 팽창 디바이스(426)에서 팽창된다. 제 2 냉각된 압축된 WMR 스트림(424)의 제 2 부분은 제 2 추가 냉각된 WMR 스트림(437)을 발생시키기 위해 제 2 사전 냉각 열 교환기(462)의 튜브 회로에서 추가로 냉각된다. 제 2 추가 냉각된 WMR 스트림(437)은 제 2 팽창된 WMR 스트림(432)을 발생시키기 위해 제 2 WMR 팽창 디바이스(430)에서 팽창되고, 제 2 팽창된 WMR 스트림(432)은 냉각 듀티를 제공하기 위해 제 2 사전 냉각 열 교환기(462)의 쉘 측에 주입된다.
제 1 WMRV 스트림(474)은 압축된 WMR 스트림(414)을 발생시키기 위해 제 4 WMR 압축 스테이지(412D)에서 압축될 WMR 압축기(412)에 주입된다. 압축된 WMR 스트림(414)은 냉각되고, 바람직하게 WMR 애프터쿨러(415)에서 응축되어, 제 1 냉각된 압축된 WMR 스트림(416)을 발생시키고, 제 1 냉각된 압축된 WMR 스트림(416)은 제 2 사전 냉각된 WMR 스트림(480)을 발생시키기 위해 튜브 회로에서 추가로 냉각될 제 1 사전 냉각 열 교환기(460)에 주입된다. 제 2 사전 냉각된 WMR 스트림(480)은 제 3 사전 냉각된 WMR 스트림(481)을 발생시키기 위해 추가로 냉각될 제 2 사전 냉각 열 교환기(462)에 주입되고, 제 3 사전 냉각된 WMR 스트림(481)은 제 3 추가 냉각된 WMR 스트림(438)을 발생시키기 위해 추가로 냉각될 제 3 사전 냉각 열 교환기(464)에 주입된다. 제 3 추가 냉각된 WMR 스트림(438)은 제 3 팽창된 WMR 스트림(483)을 발생시키기 위해 제 3 WMR 팽창 디바이스(482)에서 팽창되고, 제 3 팽창된 WMR 스트림(483)은 냉각 듀티를 제공하기 위해 제 3 사전 냉각 열 교환기(464)의 쉘 측에 주입된다.
선택적으로, 제 3 사전 냉각된 WMR 스트림(481)의 부분은 제 2 사전 냉각 열 교환기(462)에 보충 냉매를 제공하기 위해 제 2 WMR 팽창 디바이스(430)에서 팽창하기 전에 제 2 추가 냉각된 WMR 스트림(437)과 혼합될 수 있다{점선(481a)으로 도시됨}.
전처리된 공급 스트림(402)(또한 탄화수소 공급 스트림으로 지칭됨)은 제 1 사전 냉각된 천연 가스 스트림(404)을 발생시키기 위해 제 1 사전 냉각 열 교환기(460)에서 냉각된다. 제 1 사전 냉각된 천연 가스 스트림(404)은 제 3 사전 냉각된 천연 가스 스트림(405)을 발생시키기 위해 제 2 사전 냉각 열 교환기(462)에서 냉각되고, 제 3 사전 냉각된 천연 가스 스트림(405)은 제 2 사전 냉각된 천연 가스 스트림(406)을 발생시키기 위해 제 3 사전 냉각 열 교환기(464)에서 추가로 냉각된다. 압축된 냉각된 CMR 스트림(444)은 제 1 사전 냉각된 CMR 스트림(446)을 발생시키기 위해 제 1 사전 냉각 열 교환기(460)에서 냉각된다. 제 1 사전 냉각된 CMR 스트림(446)은 제 3 사전 냉각된 CMR 스트림(447)을 발생시키기 위해 제 2 사전 냉각 열 교환기(462)에서 냉각되고, 제 3 사전 냉각된 CMR 스트림(447)은 제 2 사전 냉각된 CMR 스트림(448)을 발생시키기 위해 제 3 사전 냉각 열 교환기(464)에서 추가로 냉각된다.
도 4가 4개의 압축 스테이지들을 도시하지만, 임의의 수의 압축 스테이지들이 존재할 수 있다. 추가로, 압축 스테이지들은 단일 압축기 바디의 부분일 수 있거나, 선택적인 인터쿨링을 갖는 다중 개별적인 압축기들일 수 있다. WMR 압축기(412)는 원심력, 축방향, 양의 변위와 같은 임의의 유형의 압축기, 또는 임의의 다른 압축기 유형일 수 있다.
도 4에 도시된 실시예에서, 가장 따뜻한 열 교환 섹션은 제 1 사전 냉각 열 교환기(460)이고, 가장 저온의 열 교환 섹션은 제 3 사전 냉각 열 교환기(464)이다.
도 4에 도시된 실시예는 도 2에 도시된 실시예의 모든 이득을 소유한다. 추가 실시예는 2개의 사전 냉각 열 교환기들을 갖는 도 4의 변경이어서, 전체 제 2 냉각된 압축된 WMR 스트림(420)은 제 1 열 교환기에 냉매를 제공하는데 사용된다. 이 실시예는 추가 열 교환기에 대한 필요성을 제거하고, 낮은 자본비이다.
도 5는 3개의 사전 냉각 열 교환기들을 가지고 제 4 실시예 및 도 4에 도시된 실시예의 변경을 도시한다. 저압 WMR 스트림(510)은 제 3 사전 냉각 열 교환기(564)의 쉘 측의 웜 단부로부터 인출되고, WMR 압축기(512)의 제 1 압축 스테이지(512A)에서 압축된다. 중간 압력 WMR 스트림(518)은 제 2 사전 냉각 열 교환기(562)의 쉘 측의 웜 단부로부터 인출되고, 양상-스트림으로서 WMR 압축기(512)에 주입되고, 여기서 제 1 압축 스테이지(512A)로부터 압축된 스트림(미도시)과 혼합된다. 혼합된 스트림(미도시)은 제 1 중간 WMR 스트림(525)을 발생시키기 위해 WMR 압축기(512)의 제 2 압축 스테이지(512B)에서 압축된다. 제 1 중간 WMR 스트림(525)은 주변 쿨러일 수 있는 고압 WMR 인터쿨러(527)에서 냉각되어, 냉각된 제 1 중간 WMR 스트림(529)을 발생시킨다.
저압 WMR 스트림(510), 중간 압력 WMR 스트림(518) 및 고압 WMR 스트림(519)에 존재하는 임의의 액체는 증기-액체 분리 디바이스들(미도시)에서 제거될 수 있다.
고압 WMR 스트림(519)은 제 1 사전 냉각 열 교환기(560)의 쉐 측의 웜 단부로부터 인출되고, 냉각된 제 1 중간 WMR 스트림(529)과 혼합되어, 혼합된 중간 압력 WMR 스트림(531)을 발생시킨다.
혼합된 중간 압력 WMR 스트림(531)은 고-고 압력 WMR 스트림(570)을 발생시키기 위해 WMR 압축기(512)의 제 3 WMR 압축 스테이지(512C)에서 압축될 WMR 압축기(512)에 주입된다. 고-고 압력 WMR 스트림(570)은 5 bara 내지 35 bara, 바람직하게 10 bara 내지 25 bara의 압력에 있을 수 있다. 고-고 압력 WMR 스트림(570)은 WMR 압축기(512)로부터 인출되고, 냉각되고, 고-고 압력 WMR 인터쿨러(571)에서 부분적으로 응축되어, 냉각된 고-고 압력 WMR 스트림(572)을 발생시킨다. 고-고 압력 WMR 인터쿨러(571)는 공기 또는 물을 이용하는 주변 쿨러일 수 있다. 냉각된 고-고 압력 WMR 스트림(572)은 0.2 내지 0.8, 바람직하게 0.3 내지 0.7, 더 바람직하게 0.4 내지 0.6의 증기 단편을 가질 수 있다. 냉각된 고-고 압력 WMR 스트림(572)은 제 1 WMRV 스트림(574) 및 제 1 WMRL 스트림(575)을 발생시키기 위해 제 1 WMR 증기-액체 분리 디바이스(573)에서 상 분리된다.
제 1 WMRL 스트림(575)은 50% 미만의 에탄과 더 가벼운 탄화수소, 바람직하게 45% 미만의 에탄과 더 가벼운 탄화수소, 더 바람직하게 40% 미만의 에탄과 더 가벼운 탄화수소를 포함한다. 제 1 WMRV 스트림(574)은 40% 초과 에탄과 더 가벼운 탄화수소, 바람직하게 45% 초과 에탄과 더 가벼운 탄화수소, 더 바람직하게 50% 초과 에탄과 더 가벼운 탄화수소를 포함한다. 제 1 WMRL 스트림(575)은 제 1 추가 냉각된 WMR 스트림(536)을 발생시키기 위해 튜브 회로에서 냉각될 제 1 사전 냉각 열 교환기(560)에 주입된다. 제 1 추가 냉각된 WMR 스트림(536)은 제 1 팽창된 WMR 스트림(528)을 발생시키기 위해 제 1 WMR 팽창 디바이스(526)에서 팽창된다. 제 1 팽창된 WMR 스트림(528)은 제 1 사전 냉각 열 교환기(560)를 위한 냉각 듀티를 제공한다.
제 1 WMRV 스트림(574)은 10 bara 내지 50 bara, 바람직하게 15 bara 내지 45 bara의 압력에서 제 2 중간 WMR 스트림(590)을 발생시키기 위해 제 4 WMR 압축 스테이지(512D)에서 압축될 WMR 압축기(512)에 주입된다. 제 2 중간 WMR 스트림(590)은 WMR 압축기(512)로부터 인출되고, 냉각되고, 제 1 WMRV 인터쿨러(591)에서 부분적으로 응축되어, 냉각된 제 2 중간 WMR 스트림(592)을 발생시킨다. 제 1 WMRV 인터쿨러(591)는 공기 또는 물에 대해 냉각하는 주변 쿨러일 수 있다. 냉각된 제 2 중간 WMR 스트림(592)은 0.2 내지 0.8, 바람직하게 0.3 내지 0.7, 더 바람직하게 0.4 내지 0.6의 증기 단편을 가질 수 있다. 냉각된 제 2 중간 WMR 스트림(592)은 제 2 WMRV 스트림(594) 및 제 2 WMRL 스트림(595)을 발생시키기 위해 제 2 WMR 증기-액체 분리 디바이스(593)에서 상 분리된다.
제 2 WMRL 스트림(595)은 제 1 사전 냉각된 WMR 스트림(517)을 발생시키기 위해 제 1 사전 냉각 열 교환기(560)의 회로의 튜브에서 냉각된다. 제 1 사전 냉각된 WMR 스트림(517)은 제 2 추가 냉각된 WMR 스트림(537)을 발생시키기 위해 제 2 사전 냉각 열 교환기(562)의 튜브 회로에서 추가로 냉각된다. 제 2 추가 냉각된 WMR 스트림(537)은 제 2 사전 냉각 열 교환기(562)에 냉각 듀티를 제공하는 제 2 팽창된 WMR 스트림(532)을 발생시키기 위해 제 2 WMR 팽창 디바이스(530)에서 팽창된다. 대안적인 실시예에서, 제 1 사전 냉각된 WMR 스트림(517)의 부분은 제 1 사전 냉각 열 교환기(560)에 보충 냉매를 제공하기 위해 제 1 WMR 팽창 디바이스(526)에서의 팽창 이전에 제 1 추가 냉각된 WMR 스트림(536)과 혼합될 수 있다.
제 2 WMRV 스트림(594)은 압축된 WMR 스트림(514)을 발생시키기 위해 제 5 WMR 압축 스테이지(512E)에서 압축될 WMR 압축기(512)에 주입된다. 압축된 WMR 스트림(514)은 냉각되고, 바람직하게 WMR 애프터쿨러(515)에서 응축되어, 제 1 냉각된 압축된 WMR 스트림(516)을 발생시키고, 제 1 냉각된 압축된 WMR 스트림(516)은 제 2 사전 냉각된 WMR 스트림(580)을 발생시키기 위해 튜브 회로에서 추가로 냉각될 제 1 사전 냉각 열 교환기(560)에 주입된다. 제 2 사전 냉각된 WMR 스트림(580)은 제 3 WMR 스트림(581)을 발생시키기 위해 추가로 냉각될 제 2 사전 냉각 열 교환기(562)에 주입되고, 제 3 WMR 스트림(581)은 제 3 추가 냉각된 WMR 스트림(538)을 발생시키기 위해 추가로 냉각될 제 3 사전 냉각 열 교환기(564)에 주입된다. 제 3 추가 냉각된 WMR 스트림(538)은 제 3 팽창된 WMR 스트림(583)을 발생시키기 위해 제 3 WMR 팽창 디바이스(582)에서 팽창되고, 제 3 팽창된 WMR 스트림(583)은 냉각 듀티를 제공하기 위해 제 3 사전 냉각 열 교환기(564)의 쉘 측에 주입된다.
도 5에 도시된 실시예에서, 가장 따뜻한 열 교환 섹션은 제 1 사전 냉각 열 교환기(460)이고, 가장 저온의 열 교환 섹션은 제 3 사전 냉각 열 교환기(464)이다.
도 5는 도 2에 기재된 실시예의 모든 이득을 소유한다. 도 5는 제 3 사전 냉각 열 교환기 및 추가 압축 스테이지들을 수반하므로, 도 2보다 더 높은 자본비를 수반한다. 하지만, 도 5는 3개의 상이한 WMR 조성물들을 수반하고, 이것은 3개의 사전 냉각 열 교환기들 각각을 위한 것이다. 그러므로, 도 5의 실시예는 증가된 자본비에서 개선된 프로세스 효율을 초래한다.
선택적으로, 제 2 사전 냉각된 WMR 스트림(580)의 부분은 제 1 사전 냉각 열 교환기(560)에 보충 냉매를 제공하기 위해 제 1 WMR 팽창 디바이스(526)에서의 팽창 이전에 제 1 추가 냉각된 WMR 스트림(536)과 혼합될 수 있다{점선(581a)으로 도시됨}. 대안적으로 또는 추가적으로, 제 3 사전 냉각된 WMR 스트림(581)의 부분은 제 2 사전 냉각 열 교환기(562)에 보충 냉각 듀티를 제공하기 위해 제 2 WMR 팽창 디바이스(530)에서의 팽창 이전에 제 2 추가 냉각된 WMR 스트림(537)과 혼합될 수 있다.
전처리된 공급 스트림(502)은 제 1 사전 냉각된 천연 가스 스트림(504)을 발생시키기 위해 제 1 사전 냉각 열 교환기(560)에서 냉각된다. 제 1 사전 냉각된 천연 가스 스트림(504)은 제 3 사전 냉각된 천연 가스 스트림(505)을 발생시키기 위해 제 2 사전 냉각 열 교환기(562)에서 냉각되고, 제 3 사전 냉각된 천연 가스 스트림(505)은 제 2 사전 냉각된 천연 가스 스트림(506)을 발생시키기 위해 제 3 사전 냉각 열 교환기(564)에서 추가로 냉각된다. 압축된 냉각된 CMR 스트림(544)은 제 1 사전 냉각된 CMR 스트림(546)을 발생시키기 위해 제 1 사전 냉각 열 교환기(560)에서 냉각된다. 제 1 사전 냉각된 CMR 스트림(546)은 제 3 사전 냉각된 CMR 스트림(547)을 발생시키기 위해 제 2 사전 냉각 열 교환기(562)에서 냉각되고, 제 3 사전 냉각된 CMR 스트림(547)은 제 2 사전 냉각된 CMR 스트림(548)을 발생시키기 위해 제 3 사전 냉각 열 교환기(564)에서 추가로 냉각된다.
모든 실시예들(도 2 내지 도 5와, 그 변경들)에서, 사전 냉각 열 교환기들로부터의 웜 쉘 측 스트림들에 존재하는 임의의 액체는 WMR 압축기에서 증기를 압축하기 전에 임의의 액체를 제거하기 위해 증기-액체 상 분리기들에 보내질 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 상당량의 액체가 사전 냉각 열 교환기들로부터 웜 쉘 측 스트림에 존재하면, 액체 단편은 임의의 압축 스테이지의 방출물과 혼합되거나 사전 냉각 열 교환기에 주입될 하나 이상의 액체 스트림과 혼합되도록 펌핑(pumped)될 수 있거나, 사전 냉각 열 교환기에서의 개별적인 회로에 주입될 수 있다. 예를 들어, 도 5에서, 고압 WMR 스트림(519), 저압 WMR 스트림(510), 또는 중간 압력 WMR 스트림(518)에 존재하는 임의의 액체는 압축된 WMR 스트림(514) 또는 제 1 WRM 스트림(575)과 혼합되도록 펌핑될 수 있다.
모든 실시예들에서, 임의의 애프터쿨러 또는 인터쿨러는 과열 제지기(desuperheater) 및 응축기와 같은 다중 개별적인 열 교환기들을 포함할 수 있다.
제 2 사전 냉각된 천연 가스 스트림(206, 306, 406, 506)의 온도는 "사전 냉각 온도"로서 정의될 수 있다. 사전 냉각 온도는, 공급 천연 가스 스트림이 사전 냉각 시스템을 빠져 나가고 액화 시스템에 들어가는 온도이다. 사전 냉각 온도는 공급 천연 가스를 사전 냉각하고 액화하기 위한 전력 요건에 영향을 미친다. 전체 시스템에 대한 전력 요건은 사전 냉각 시스템에 대한 전력 요건과 액화 시스템에 대한 전력 요건의 합으로서 정의된다. 전체 시스템에 대한 전력 요건에 대한 사전 냉각 시스템에 대한 전력 요건의 비율은 "전력 분할(power split)"로서 정의된다.
도 2 내지 도 5에 기재된 실시예들에 대해, 전력 분할은 0.2 내지 0.7, 바람직하게 0.3 내지 0.6, 더 바람직하게 약 0.5이다.
전력 분할이 증가함에 따라, 액화 시스템에 대한 전력 요건은 감소하고, 사전 냉각 온도는 감소한다. 즉, 냉매 부하는 액화 시스템으로부터 사전 냉각 시스템으로 시프트된다. 이것은, MCHE 크기 및/또는 액화 전력 이용 가능성이 제어하는 시스템에 대해 유리하다.
전력 분할이 감소함에 따라, 액화 시스템에 대한 전력 요건은 증가하고, 사전 냉각 온도는 증가한다. 즉, 냉매 부하는 사전 냉각 시스템으로부터 액화 시스템으로 시프트된다. 이러한 배치는 사전 냉각 교환기 크기, 개수, 또는 사전 냉각 전력 이용 가능성이 제한되는 시스템에 대해 유리하다. 전력 분할은 일반적으로 특정한 천연 가스 액화 설비에 대해 선택된 구동기들의 유형, 양, 및 용량에 의해 결정된다. 예를 들어, 짝수개의 구동기들이 이용 가능하면, 약 0.5의 전력 분할에서 동작가능하여, 전력 부하를 사전 냉각 열 교환기로 시프트하고, 사전 냉각 온도를 낮추는 것이 바람직할 수 있다. 홀수개의 구동기들이 이용 가능하면, 전력 분할은 0.3 내지 0.5일 수 있어서, 냉매 부하를 액체 시스템으로 시프트하고, 사전 냉각 온도를 상승시킨다.
모든 실시예들의 핵심적인 이득은, 이용가능한 구동기들의 개수, 양, 유형 및 용량, 열 교환기들의 개수, 열 교환기 설계 기준, 압축기 제한, 및 다른 프로젝트-특정 요건들과 같은 다양한 인자들에 기초하여 전력 분할, 사전 냉각 열 교환기들의 개수, 압축 스테이지들, 압력 레벨들, 및 사전 냉각 온도의 최적화를 허용한다는 것이다.
기재된 모든 실시예들에 대해, 임의의 수의 압력 레벨들은 사전 냉각 및 액화 시스템들에 존재할 수 있다. 더욱이, 냉매 시스템들은 개방 또는 폐루프일 수 있다.
예 1
다음은 예시적인 실시예의 동작의 일례이다. 프로세스 및 데이터의 예는 LNG의 연중 약 5.5백만 메트릭 톤을 발생시키고 특히 도 2에 도시된 실시예에 언급되는 LNG 플랜트에서 2개의 압력 사전 냉각 회로 및 단일 압력 액화 회로를 가지고 DMR 프로세스의 시뮬레이션에 기초한다. 이 예의 설명을 간략화하기 위해, 도 2에 도시된 실시예에 대해 기재된 요소들 및 도면 부호들이 이용될 것이다.
76 bara(1102 psia) 및 20℃(68℉)에서 천연 가스 공급 스트림(202)은 제 1 사전 냉각 열 교환기(260)에서 냉각되어, -18℃(0.5℉)에서 제 1 사전 냉각된 천연 가스 스트림(204)을 발생시키고, 제 1 사전 냉각된 천연 가스 스트림(204)은 -53℃(-64℉)에서 제 2 사전 냉각된 천연 가스 스트림(206)을 발생시키기 위해 제 2 사전 냉각 열 교환기(262)에서 냉각된다. 62 bara(893 psia) 및 25℃(77℉)에서 압축된 냉각된 CMR 스트림(244)은 -18℃(0.5℉)에서 제 1 사전 냉각된 CMR 스트림(246)을 발생시키기 위해 제 1 사전 냉각 열 교환기(260)에서 냉각되고, 제 1 사전 냉각된 CMR 스트림(246)은 -52℃(-61℉)에서 제 2 사전 냉각된 CMR 스트림(248)을 발생시키기 위해 제 2 사전 냉각 열 교환기(262)에 존재한다.
3 bara(45 psia), -20℃(-5℉), 및 11,732 kg몰/hr(25,865 lb몰/hr)에서의 저압 WMR 스트림(210)(또한 저압 제 1 냉매 스트림으로 언급됨)은 제 2 사전 냉각 열 교환기(262)의 쉘 측의 웜 단부로부터 인출되고, WMR 압축기(212)의 제 1 압축 스테이지(212A)에서 압축된다. 5 bara(74 psia), 22℃(71℉), 및 13,125 kg몰/hr(28936 lb몰/hr)에서의 중간 압력 WMR 스트림(218)(또한 중간 압력 제 1 냉매 스트림으로 언급됨)은 제 1 사전 냉각 열 교환기(260)의 쉘 측의 웜 단부로부터 인출되고, 양상-스트림으로서 WMR 압축기(212)에 주입되고, 여기서 제 1 압축 스테이지(212A)로부터 압축된 스트림(미도시)과 혼합된다. 혼합된 스트림(미도시)은 18 bara(264 psia) 및 79℃(175℉)에서 고-고 압력 WMR 스트림(270)(또한 고-고 압력 제 1 냉매 스트림으로 언급됨)을 발생시키기 위해 WMR 압축기(212)의 제 2 WMR 압축 스테이지(212B)에서 압축된다.
고-고 압력 WMR 스트림(270)은 WMR 압축기(212)로부터 인출되고, 냉각되고, 17 bara(250 psia), 25℃(77℉), 및 24,857 kg몰/hr(54,801 lb몰/hr), 및 0.47의 증기 단편에서 냉각된 고-고 압력 WMR 스트림(272)을 발생시키기 위해 고-고 압력 WMR 인터쿨러(271)에서 부분적으로 응축된다. 냉각된 고-고 압력 WMR 스트림(272)은 제 1 WMRV 스트림(274) 및 제 1 WMRL 스트림(275)을 발생시키기 위해 제 1 WMR 증기-액체 분리 디바이스(273)에서 상 분리된다. 제 1 WMRL 스트림(275)은 31%의 에탄과 더 가벼운 탄화수소를 포함하고, 제 1 WMRV 스트림(274)은 59%의 에탄과 더 가벼운 탄화수소를 포함한다.
제 1 WMRL 스트림(275)은 제 1 사전 냉각 열 교환기(260)에 냉각 듀티를 제공하는 6 bara(81 psia) 및 -21℃(-5℉)에서 제 1 팽창된 WMR 스트림(228)을 발생시키기 위해 제 1 WMR 팽창 디바이스(226)에서 팽창되는 -18℃(0℉)에서 제 1 추가 냉각된 WMR 스트림(236)을 발생시키기 위해 튜브 회로에서 냉각될 제 1 사전 냉각 열 교환기(260)에 주입된다.
제 1 WMRV 스트림(274)은 29 bara(423 psia) 및 56℃(134℉)에서 압축된 WMR 스트림(214)을 발생시키기 위해 제 3 WMR 압축 스테이지(212C)에서 압축될 WMR 압축기(212)에 주입된다. 압축된 WMR 스트림(214)은 냉각되고, 바람직하게 25℃(77℉)에서 제 1 냉각된 압축된 WMR 스트림(216)을 발생시키기 위해 WMR 애프터쿨러(215)에서 응축되고, 제 1 냉각된 압축된 WMR 스트림(216)은 -18℃(0℉)에서 제 1 사전 냉각된 WMR 스트림(217)을 발생시키기 위해 튜브 회로에서 추가로 냉각될 제 1 사전 냉각 열 교환기(260)에 주입된다. 제 1 사전 냉각된 WMR 스트림(217)은 -53℃(-63℉)에서 제 2 추가 냉각된 WMR 스트림(237)을 발생시키기 위해 튜브 회로에서 추가로 냉각될 제 2 사전 냉각 열 교환기(262)에 주입된다. 제 2 추가 냉각된 WMR 스트림(237)은 3 bara(47 psia) 및 -57℃(-70℉)에서 제 2 팽창된 WMR 스트림(232)을 발생시키기 위해 제 2 WMR 팽창 디바이스(230)에서 팽창되고, 제 2 팽창된 WMR 스트림(232)은 냉각 듀티를 제공하기 위해 제 2 사전 냉각 열 교환기(262)의 쉘 측에 주입된다.
이 예에서, 전력 분할은 0.44이고, 총 4개의 가스 터빈 구동기들이 이용되었고, 각 구동기는 약 40 MW의 용량을 갖는다. 이 실시예는 도 1에 대응하는 것보다 약 3.5% 더 높은 프로세스 효율과, 도 1보다 약 9℃ 더 낮은 사전 냉각 온도를 갖는다. 그러므로, 이 예는, 본 명세서에 기재된 실시예들이 낮은 자본비에서 효율을 개선하기 위해 효율적인 방법 및 시스템을 제공한다는 것을 증명한다.

Claims (22)

  1. 복수의 열 교환 섹션들 각각에서의 제 1 냉매와의 간접적인 열 교환에 의해 탄화수소 유체를 포함하는 탄화수소 공급 스트림과, 제 2 냉매를 포함하는 제 2 냉매 공급 스트림을 냉각하는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법으로서,
    (a) 상기 탄화수소 공급 스트림 및 상기 제 2 냉매 공급 스트림을 상기 복수의 열 교환 섹션들의 가장 따뜻한 열 교환 섹션에 주입하는 단계;
    (b) 사전 냉각된 탄화수소 스트림 및 사전 냉각된 제 2 냉매 스트림을 발생시키기 위해 상기 복수의 열 교환 섹션들 각각에서 상기 탄화수소 공급 스트림 및 상기 제 2 냉매 공급 스트림을 냉각하는 단계;
    (c) 액화된 탄화수소 스트림을 발생시키기 위해 상기 제 2 냉매에 대해 메인 열 교환기에서 상기 사전 냉각된 탄화수소 스트림을 추가로 냉각하고 액화하는 단계;
    (d) 상기 복수의 열 교환 섹션들의 가장 저온의 열 교환 섹션으로부터 저압 제 1 냉매 스트림을 인출하고, 압축 시스템의 적어도 하나의 압축 스테이지에서 상기 저압 제 1 냉매 스트림을 압축하는 단계;
    (e) 상기 복수의 열 교환 섹션들의 제 1 열 교환 섹션으로부터 중간 압력 제 1 냉매 스트림을 인출하는 단계로서, 상기 제 1 열 교환 섹션은 상기 가장 저온의 열 교환 섹션보다 더 따뜻한, 인출 단계;
    (f) 단계들(d) 및 (e)이 수행된 후에, 조합된 제 1 냉매 스트림을 발생시키기 위해 상기 저압 제 1 냉매 스트림과 상기 중간 압력 제 1 냉매 스트림을 조합하는 단계;
    (g) 고-고 압력 제 1 냉매 스트림을 상기 압축 시스템으로부터 인출하는 단계;
    (h) 냉각된 고-고 압력 제 1 냉매 스트림을 발생시키기 위해 적어도 하나의 냉각 유닛에서 상기 고-고 압력 제 1 냉매 스트림을 냉각하고 적어도 부분적으로 응축하는 단계;
    (i) 제 1 증기 냉매 스트림 및 제 1 액체 냉매 스트림을 발생시키기 위해 상기 냉각된 고-고 압력 제 1 냉매 스트림을 제 1 증기-액체 분리 디바이스에 주입하는 단계;
    (j) 상기 제 1 액체 냉매 스트림을 상기 복수의 열 교환 섹션들의 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션에 주입하는 단계;
    (k) 제 1 냉각된 액체 냉매 스트림을 발생시키기 위해 상기 복수의 열 교환 섹션들의 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션에서 상기 제 1 액체 냉매 스트림을 냉각하는 단계;
    (l) 제 1 팽창된 냉매 스트림을 발생시키기 위해 상기 제 1 냉각된 액체 냉매 스트림의 적어도 일부를 팽창시키는 단계;
    (m) 단계(b)의 냉각의 제 1 부분을 제공하도록 냉각 듀티를 제공하기 위해 상기 제 1 팽창된 냉매 스트림을 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션에 주입하는 단계;
    (n) 압축된 제 1 냉매 스트림을 발생시키기 위해 적어도 하나의 압축 스테이지에서 단계(i)의 상기 제 1 증기 냉매 스트림의 적어도 일부를 압축하는 단계;
    (o) 응축된 제 1 냉매 스트림을 발생시키기 위해 적어도 하나의 냉각 유닛에서 상기 압축된 제 1 냉매 스트림을 냉각하고 응축하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 냉각 유닛은 단계(n)의 상기 적어도 하나의 압축 스테이지로부터 하류에 있고, 이와 유체 흐름 왕래하는, 냉각 및 응축 단계;
    (p) 상기 응축된 제 1 냉매 스트림을 상기 복수의 열 교환 섹션들의 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션에 주입하는 단계;
    (q) 제 1 냉각된 응축된 냉매 스트림을 발생시키기 위해 상기 제 1 열 교환 섹션 및 가장 저온의 열 교환 섹션에서 상기 응축된 제 1 냉매 스트림을 냉각하는 단계;
    (r) 제 2 팽창된 냉매 스트림을 발생시키기 위해 상기 제 1 냉각된 응축된 냉매 스트림을 팽창하는 단계; 및
    (s) 단계(b)의 냉각의 제 2 부분을 제공하도록 냉각 듀티를 제공하기 위해 상기 제 2 팽창된 냉매 스트림을 상기 가장 저온의 열 교환 섹션에 주입하는 단계를
    포함하는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 단계(e)는 상기 복수의 열 교환 섹션들의 상기 제 1 열 교환 섹션으로부터 상기 중간 압력 제 1 냉매 스트림을 인출하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 1 열 교환 섹션은 상기 가장 저온의 열 교환 섹션보다 더 따뜻하고, 상기 제 1 열 교환 섹션은 또한 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션인, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 단계(n)는 단계(o)의 상기 압축된 제 1 냉매 스트림을 형성하기 위해 적어도 하나의 압축 스테이지에서 단계(i)의 상기 제 1 증기 냉매 스트림을 압축하는 단계를 더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 단계(g)를 수행하기 전에 상기 압축 시스템의 적어도 하나의 압축 스테이지에서 단계(f)의 상기 조합된 제 1 냉매 스트림을 압축하는 단계를 더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 단계(e)는 상기 복수의 열 교환 섹션들의 제 1 열 교환 섹션으로부터 상기 중간 압력 제 1 냉매 스트림을 인출하는 단계, 및 상기 압축 시스템의 적어도 하나의 압축 스테이지에서 상기 중간 압력 제 1 냉매 스트림을 압축하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 1 열 교환 섹션은 상기 가장 저온의 열 교환 섹션보다 더 따뜻한, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    (t) 단계(g) 이전에 상기 압축 시스템으로부터 제 1 중간 냉매 스트림을 인출하는 단계; 및
    (u) 냉각된 제 1 중간 냉매 스트림을 발생시키기 위해 적어도 하나의 냉각 유닛에서 상기 제 1 중간 냉매 스트림을 냉각하고, 단계(g) 이전에 상기 냉각된 제 1 중간 냉매 스트림을 상기 압축 시스템에 주입하는 단계를
    더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    (t) 상기 복수의 열 교환 섹션들의 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션으로부터 고압 제 1 냉매 스트림을 인출하는 단계; 및
    (u) 단계(g) 이전에 상기 고압 제 1 냉매 스트림을 상기 압축 시스템에 주입하는 단계를
    더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    (v) 상기 복수의 열 교환 섹션들의 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션으로부터 고압 제 1 냉매 스트림을 인출하는 단계; 및
    (w) 조합된 제 1 중간 냉매 스트림을 형성하기 위해 상기 고압 제 1 냉매 스트림과 상기 냉각된 제 1 중간 냉매 스트림을 조합하고, 단계(g) 이전에 상기 조합된 제 1 중간 냉매 스트림을 상기 압축 시스템에 주입하는 단계를
    더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    (t) 상기 압축 시스템으로부터 제 2 중간 냉매 스트림을 인출하는 단계; 및
    (u) 냉각된 제 2 중간 냉매 스트림을 발생시키기 위해 적어도 하나의 냉각 유닛에서 상기 제 2 중간 냉매 스트림을 냉각하는 단계를
    더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    (v) 제 2 증기 냉매 스트림 및 제 2 액체 냉매 스트림을 발생시키기 위해 상기 냉각된 제 2 중간 냉매 스트림을 제 2 증기-액체 분리 디바이스에 주입하는 단계;
    (w) 상기 제 2 액체 냉매 스트림을 상기 복수의 열 교환 섹션들의 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션에 주입하는 단계; 및
    (x) 스트림의 상기 압축된 제 1 냉매 스트림을 발생(o)시키기 전에 상기 압축 시스템의 적어도 하나의 압축 스테이지에서 상기 제 2 증기 냉매 스트림을 압축하는 단계를
    더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
  11. 청구항 1에 있어서, 단계(q)는 상기 제 1 열 교환 섹션에서의 냉각 이전에 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션에서 상기 응축된 제 1 냉매 스트림을 냉각하는 단계를 더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
  12. 청구항 1에 있어서, 단계(d)의 상기 저압 제 1 냉매 스트림, 단계(f)의 상기 조합된 제 1 냉매 스트림, 및 단계(i)의 상기 제 1 증기 냉매 스트림은 단일 압축기의 다중 압축 스테이지들에서 압축되는, 탄화수소 공급 스트림과 제 2 냉매 공급 스트림의 냉각 방법.
  13. 탄화수소 공급 스트림을 냉각하기 위한 장치로서,
    복수의 열 교환 섹션들로서, 상기 복수의 열 교환 섹션들은 가장 따뜻한 열 교환 섹션 및 가장 저온의 열 교환 섹션을 포함하는, 복수의 열 교환 섹션들;
    상기 복수의 열 교환 섹션들 각각을 통해 연장하는 제 1 탄화수소 회로로서, 상기 제 1 탄화수소 회로는 탄화수소 유체의 공급부로부터 하류에 있고, 이와 유체 흐름 왕래하는, 제 1 탄화수소 회로;
    상기 복수의 열 교환 섹션들 각각을 통해 연장하는 제 2 냉매 회로로서, 상기 제 2 냉매 회로는 제 2 냉매를 포함하는, 제 2 냉매 회로;
    상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션을 통해 연장하는 제 1 사전 냉각 냉매 회로로서, 상기 제 1 사전 냉각 냉매 회로는 제 1 냉매를 포함하는, 제 1 사전 냉각 냉매 회로;
    상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션 및 상기 가장 저온의 열 교환 섹션을 통해 연장하는 제 2 사전 냉각 냉매 회로로서, 상기 제 2 사전 냉각 냉매 회로는 상기 제 1 냉매를 포함하는, 제 2 사전 냉각 냉매 회로;
    제 1 사전 냉각 냉매 회로의 상류 단부에 위치한 제 1 사전 냉각 냉매 회로 입구, 상기 제 1 사전 냉각 냉매 회로의 하류 단부에 위치한 제 1 압력 하강 디바이스, 및 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션의 제 1 저온 회로 및 상기 제 1 압력 하강 디바이스로부터 하류에 있고 이와 유체 흐름 왕래하는 제 1 팽창된 냉매 도관;
    제 2 사전 냉각 냉매 회로의 상류 단부에 위치한 제 2 사전 냉각 냉매 회로, 상기 제 2 사전 냉각 냉매 회로의 하류 단부에 위치한 제 2 압력 하강 디바이스, 및 상기 가장 저온의 열 교환 섹션의 제 2 저온 회로 및 상기 제 2 압력 하강 디바이스로부터 하류에 있고 이와 유체 흐름 왕래하는 제 2 팽창된 냉매 도관;
    압축 시스템을 포함하고,
    상기 압축 시스템은
    제 1 압축 스테이지 및 상기 가장 저온의 열 교환 섹션의 웜 단부와 유체 흐름 왕래하는 저압 제 1 냉매 도관;
    제 2 압축 스테이지 및 제 1 열 교환 섹션의 웜 단부와 유체 흐름 왕래하는 중간 압력 제 1 냉매 도관;
    상기 제 2 압축 스테이지로부터 하류에 있는 제 1 애프터쿨러;
    상기 애프터쿨러와 유체 흐름 왕래하고 이로부터 하류에 있는 제 1 입구, 제 1 증기-액체 분리 디바이스의 상부 절반에 위치한 제 1 증기 출구, 상기 제 1 증기-액체 분리 디바이스의 하부 절반에 위치한 제 1 액체 출구를 갖는 제 1 증기-액체 분리 디바이스로서, 상기 제 1 액체 출구는 상기 제 1 사전 냉각 냉매 회로 입구로부터 상류에 있고, 이와 유체 흐름 왕래하는, 제 1 증기-액체 분리 디바이스;
    상기 제 1 증기 출구로부터 하류에 있는 제 3 압축 스테이지; 및
    상기 제 3 압축 스테이지로부터 하류에 있는 제 2 애프터쿨러를
    포함하고,
    상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션은 상기 제 1 탄화수소 회로를 통해 흐르는 상기 탄화수소 유체를 부분적으로 사전 냉각하도록 동작가능하게 구성되고, 상기 제 2 냉매는 상기 제 2 냉매 회로를 통해 흐르고, 상기 제 1 냉매는 상기 제 1 사전 냉각 냉매 회로를 통해 흐르고, 상기 제 1 냉매에 대한 상기 제 2 사전 냉각 냉매 회로는 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션의 상기 제 1 저온 회로를 통해 흐르고,
    상기 가장 저온의 열 교환 섹션은 사전 냉각된 탄화수소 스트림을 발생시키기 위해 상기 제 1 탄화수소 회로를 통해 흐르는 상기 탄화수소 유체를 사전 냉각하고, 상기 제 2 냉매 회로를 통해 흐르는 상기 제 2 냉매를 사전 냉각하고, 상기 가장 저온의 열 교환 섹션의 상기 제 1 저온 회로를 통해 흐르는 상기 제 1 냉매에 대해 상기 제 2 사전 냉각 냉매 회로를 통해 흐르는 상기 제 1 냉매를 사전 냉각하도록 동작가능하게 구성되는, 탄화수소 공급 스트림을 냉각하기 위한 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 복수의 열 교환 섹션들의 상기 제 1 탄화수소 회로로부터 하류에 있고 이와 유체 흐름 왕래하는 제 2 탄화수소 회로를 갖는 메인 열 교환기로서, 상기 메인 열 교환기는 상기 제 2 냉매에 대해 간접적인 열 교환에 의해 상기 사전 냉각된 탄화수소 스트림을 적어도 부분적으로 액화하도록 동작가능하게 구성되는, 탄화수소 공급 스트림을 냉각하기 위한 장치.
  15. 청구항 13에 있어서, 상기 압축 시스템은 상기 제 2 압축 스테이지로부터 하류에 있는 제 1 인터쿨러와, 상기 제 1 인터쿨러로부터 하류에 있고 이와 유체 흐름 왕래하는 냉각된 제 1 중간 냉매 도관을 더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림을 냉각하기 위한 장치.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션의 웜 단부 및 상기 냉각된 제 1 중간 냉매 도관과 유체 흐름 왕래하는 고압 제 1 냉매 도관을 더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림을 냉각하기 위한 장치.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 제 1 증기-액체 분리 디바이스로부터 하류에 있는 제 3 애프터쿨러; 및
    상기 제 3 애프터쿨러와 유체 흐름 왕래하고 이로부터 하류에 있는 제 3 입구, 제 2 증기-액체 분리 디바이스의 상부 절반에 위치한 제 2 증기 출구, 상기 제 2 증기-액체 분리 디바이스의 하부 절반에 위치한 제 2 액체 출구를 갖는 제 2 증기-액체 분리 디바이스를
    더 포함하는, 탄화수소 공급 스트림을 냉각하기 위한 장치.
  18. 삭제
  19. 청구항 13에 있어서, 상기 제 2 사전 냉각 냉매 회로에 포함된 상기 제 1 냉매는 상기 제 1 사전 냉각 냉매 회로에 포함된 상기 제 1 냉매보다 더 높은 농도의 에탄과 더 가벼운 탄화수소들을 갖는, 탄화수소 공급 스트림을 냉각하기 위한 장치.
  20. 청구항 13에 있어서, 적어도 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션 및 상기 제 1 열 교환 섹션을 통해 연장하는 제 3 사전 냉각 냉매 회로를 더 포함하고, 상기 제 3 사전 냉각 냉매 회로는 상기 제 1 냉매를 포함하는, 탄화수소 공급 스트림을 냉각하기 위한 장치.
  21. 청구항 13에 있어서, 상기 제 1 열 교환 섹션은 상기 복수의 열 교환 섹션들의 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션인, 탄화수소 공급 스트림을 냉각하기 위한 장치.
  22. 청구항 13에 있어서, 상기 제 2 사전 냉각 냉매 회로는 상기 가장 따뜻한 열 교환 섹션, 상기 제 1 열 교환 섹션, 및 상기 가장 저온의 열 교환 섹션을 통해 연장하는, 탄화수소 공급 스트림을 냉각하기 위한 장치.
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