用于生产低温压缩气体或液化气的设备和方法
【专利说明】用于生产低温压缩气体或液化气的设备和方法
[0001] 本发明涉使用液化天然气（下文也称为"LNG"）的冷将流体冷却并压缩以产生低 温压缩流体的设备和方法，特别用作将通过空气分离设备等产生的氮气液化的技术。
[0002] 天然气在运输和储存等中作为设备用液化天然气（LNG)储存，并且主要用于热力 发电或者在气化以后用于城市煤气。然后开发了有效利用LNG的冷的技术。一般而言，作 为通过使用LNG的冷将氮气等液化的设备，使用一种方法，从而将氮气通过压缩机压缩至 一定压力，使得氮气可通过与LNG热交换而液化，随后使氮气在换热器中经受与LNG热交换 以通过提高温度而将LNG气化并将氮气液化。
[0003] 另外，关于驱动压缩机的电力，晚上的费率设置为低于白天的费率，从而建议用于 有效地将气体液化，同时考虑以上LNG的供应量波动和电力费率差的气体液化方法。例如， 参考图7,已知通过具有至少一个气体压缩机101、至少一个气体膨胀涡轮103以及用于进 行气体与液化天然气之间的热交换的换热器102的液化方法通过使用液化天然气的冷将 气体液化的方法，其中当供应的液化天然气的量提高时，上述膨胀涡轮103停止或者以降 低的量操作，而当供应的液化天然气的量降低时，上述膨胀涡轮103起动或者以提高的量 操作（参见例如JP-A-05-45050)。
[0004] 然而，用如上所述产生低温液化流体等的设备，在一些情况下发生如下各种问题。
[0005] (i)供入气体液化方法的LNG的量通常可能由于热力发电、城市煤气等的需求波 动而波动，且可使用的冷的量也可能波动。因此，需要可有效地使用LNG的冷，使得即使供 应的LNG量降低，液化流体等的产量可能不受影响的设备或方法。
[0006] (ii)为了在生产压缩气体的方法中将具有正常温度和正常压力的气体加压，需要 加入大量能和冷以抑制伴随压缩的气体温度提高。在生产大量消耗的常用压缩气体如氮气 的方法中，存在冷的有效使用和全面能量降低的大问题。
[0007] (iii)关于具有正常压力的气体开始液化时的温度，对LNG而言温度为约-80°C， 而对氮气而言温度为约_120°C。例如，在使用LNG作为冷将正常压力下的氮气液化的方法 中，在氮气液化起动的状态下，经受与该氮气热交换的LNG仍为具有大潜热的液态，使得鉴 于单独的该方法，LNG的冷没有充分使用。另外，残余LNG的冷未必容易用于其它目的，使 得在该液化方法中有效使用能量，包括LNG的冷存在大的问题。
[0008] 本发明的目的是提供用于将流体冷却并压缩以产生低温压缩流体的设备和方法， 其可有效地使用LNG的冷并可降低生产低温压缩流体中所需的能量。
[0009] 本发明人和其他人进行了热心研究以解决上述问题，因此发现上述目的可通过下 文所述生产低温压缩流体的设备和方法实现，由此完成本发明。
[0010] 本发明使用兰金（Rankine)循环系统将流体冷却并压缩以产生低温压缩流体的 设备包括：用于将传热介质绝热压缩的第一压缩装置；用于将绝热压缩传热介质恒压加热 的第一换热器；用于将热传热介质绝热膨胀的膨胀装置；用于将绝热膨胀传热介质恒压冷 却的第二换热器；用于将来自第二换热器的传热介质引入第一压缩装置中的第一流动通 道；和与膨胀装置连接的至少一个第二压缩装置；其中在第二换热器处，低温液化天然气 和传热介质经历热传递，其中在第一换热器处，供入的物料气体和传热介质经历热传递以 由物料气体生成低温流体，且其中其后将低温流体在第二压缩装置处压缩以产生低温压缩 流体。
[0011]另外，本发明将流体冷却并压缩以产生低温压缩流体的方法包括兰金循环系统， 其中将通过第一压缩装置绝热压缩的传热介质在第一换热器中在恒压下加热，其后通过膨 胀装置绝热膨胀，并在第二换热器中在恒压下进一步冷却，其中将低温液化状态的液化天 然气引入第二换热器中以将其冷传递给传热介质，并将供入的物料气体引入第一换热器中 以通过传热介质冷却，其后引入与膨胀装置连接的至少一个第二压缩装置中，以作为低温 压缩流体提取。
[0012] 用该结构，LNG的冷可有效地用于制备低温压缩流体，并可实现所需能量的降低。 具体而言，在验证本发明的方法中，发现热传递有效地通过与压缩流体热交换而进行，且制 备低温气体中所需的冷与在使用LNG的冷的常压常规条件下制备低温流体中所需的冷相 比是极低的。基于该知识，在本发明中，可有效地使用与压缩流体的热交换的兰金循环系统 (下文也称为"RC"）用于制备低温流体，由此可更加有效得多地使用LNG的冷，且传递冷中 所需的能量可通过借助RC的传热介质有效地传递高压LNG的冷以及在正常压力下将来自 绝热压缩传热介质的冷能传递至供入的物料气体而很大程度地降低。
[0013] 使用上述设备的本发明设备进一步包括：用于将来自第二压缩装置的低温压缩流 体引入第一换热器和第二换热器中的至少一个中以形成液化组分的第二流动通道，用于调 节来自第一换热器和第二换热器中的至少一个的低温压缩流体的压力的调节阀，和借助调 节阀将低温压缩流体引入其中，进行气体-液体分离以容许从中提取液化组分的气体-液 体分离器。
[0014] 另外，本发明方法使用上述方法，其中将来自第二压缩装置的低温压缩流体在第 一换热器或第二换热器中冷却并经受通过调节阀的压力调节，使液化组分在气体-液体分 离器中经受气体-液体分离并作为低温液化组分从气体-液体分离器中提取出来。
[0015] 当LNG的冷用于制备液化流体如氮气时，LNG的温度为约_155°C，而氮气在环境 空气压力下的沸点为-196Γ，使得温度水平中的这一差别必须在这些之间补偿。本发明使 用兰金循环系统实现该功能。兰金循环系统中所用传热介质通过使用LNG的冷而冷却至 约-150至-155Γ以确保冷传递至氮气等。在通常将压力提高至临界压力或以上（例如 5-6MPa)以后，冷在正常压力或低压条件下通过第一换热器传递至氮气等，且冷进一步通过 第二换热器传递至压缩至高压的氮气等，由此可有效地制备液化氮气。在制备液化流体中， LNG的冷可有效地使用，并可很大程度地降低传递冷所需的能量。
[0016] 本发明还涉及上述制备液化流体的设备，其中设备进一步包括：置于将来自第一 换热器的传热介质引入膨胀装置中的第三流动通道中的第三换热器，其中传热介质、来自 第二换热器的液化天然气和来自第二压缩装置的低温压缩流体在第三换热器处经历热交 换。
[0017] 用该结构，可进一步更有效地使用LNG的冷，并可进行以高能量效率制备液化流 体。特别地，当将冷却水引入第三换热器中以通过具有大热容量的冷能进行热交换时，预备 或辅助热向传热介质、液化天然气和低温压缩流体的传递可在开始时或者在停止时进行甚 至至瞬时波动等，由此确保LNG的冷的稳定使用和稳定的能量效率。
[0018] 本发明还涉及上述用于生产液化流体的设备，其中第一升压装置、第一分支流动 通道、第二升压装置和第二分支流动通道置于第四流动通道中，物料气体通过所述第四流 动通道引入第一换热器中；第四换热器和第三分支流动通道置于引导来自气体-液体分离 器的液化组分通过的第五流动通道中