特許 6951569 複数のターボ膨張器−圧縮器を使用する高圧膨張工程による天然ガス液化

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6951569

(24)【登録日】2021年9月28日

(45)【発行日】2021年10月20日

(54)【発明の名称】複数のターボ膨張器−圧縮器を使用する高圧膨張工程による天然ガス液化

(51)【国際特許分類】

   F25J 1/00 20060101AFI20211011BHJP

   F25J 1/02 20060101ALI20211011BHJP

【ＦＩ】

   F25J1/00 B

   F25J1/02

【請求項の数】41

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2020-522671(P2020-522671)

(86)(22)【出願日】2018年9月27日

(65)【公表番号】特表2021-500524(P2021-500524A)

(43)【公表日】2021年1月7日

(86)【国際出願番号】US2018053144

(87)【国際公開番号】WO2019083676

(87)【国際公開日】20190502

【審査請求日】2020年4月21日

(31)【優先権主張番号】62/576,989

(32)【優先日】2017年10月25日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】517002476

【氏名又は名称】エクソンモービル アップストリーム リサーチ カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100095898

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 満

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(72)【発明者】

【氏名】サイツ オー アンガス

(72)【発明者】

【氏名】ユンカー ウィリアム ニック

(72)【発明者】

【氏名】ピエール フリッツ ジュニア

【審査官】 宮部 裕一

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００９−５０４８３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１７／０１６７７８６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０２０４６０３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 中国特許出願公開第１０２２００３７０（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｊ １／００

Ｃ１０Ｌ ３／０６

Ｃ１０Ｌ ３／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

天然ガスを含む供給ガスストリームを液化する方法であって、
１２００ｐｓｉａよりも低い圧力で前記供給ガスストリームを与える段階と、
１５００ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しい圧力を有する圧縮冷媒ストリームを与える段階と、
冷却媒体との間接熱交換によって前記圧縮冷媒ストリームを冷却し、それによって圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを生成する段階と、
前記圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを第１の膨張器内で中間圧力まで膨張させて該圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する段階であって、該第１の膨張器が、第１の結合圧縮器に機械的に結合されて第１のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する前記生成する段階と、
前記第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを第２の膨張器内で膨張させて該第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する段階であって、該第２の膨張器が、第２の結合圧縮器に機械的に結合されて第２のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する上記生成する段階と、
１又は２以上の熱交換器を通して前記第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを通過させ、それによって暖かい冷媒ストリームを形成する段階と、
前記１又は２以上の熱交換器を通して前記供給ガスストリームを通過させて前記第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームとの間接熱交換によって該供給ガスストリームの少なくとも一部を冷却し、それによって冷たい供給ガスストリームを形成する段階と、
前記第２の結合圧縮器及び第１の駆動式圧縮器を使用して、前記中間圧力の３００ｐｓｉ内の排出圧力まで前記暖かい冷媒ストリームを圧縮し、それによって第１の圧縮冷媒ストリームを形成する段階と、
前記第１の結合圧縮器を使用して前記第１の圧縮冷媒ストリームを圧縮し、それによって第２の圧縮冷媒ストリームを形成する段階と、
前記第２の圧縮冷媒ストリームを圧縮して前記圧縮冷媒ストリームを提供する段階と、を含む、
ことを特徴とする方法。

【請求項2】

往復エンジン、蒸気タービン、ガスタービン、及びモータのうちの少なくとも１つを使用して前記第１の駆動式圧縮器を駆動する段階を更に含む、
請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記圧縮冷媒ストリームを冷却する段階は、冷却媒体との間接熱交換を通じて該圧縮冷媒ストリームを冷却する段階を含む、
請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記圧縮冷媒ストリームを冷却する段階は、周囲条件よりも低い温度を有する冷却媒体との間接熱交換によって該圧縮冷媒ストリームを冷却する段階を含む、
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項5】

前記第２の結合圧縮器内で圧縮された後かつ前記第１の駆動式圧縮器内で圧縮される前に冷却媒体との間接熱交換によって前記暖かい冷媒ストリームを冷却する段階を更に含む、
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項6】

前記第１の結合圧縮器内で圧縮される前に前記第１の圧縮冷媒ストリームを冷却する段階を更に含む、
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項7】

圧縮されて前記圧縮冷媒ストリームを提供する前に冷却媒体との間接熱交換を通じて前記第２の圧縮冷媒ストリームを冷却する段階を更に含む、
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項8】

前記圧縮冷媒ストリームは、３，０００ｐｓｉａの圧力を有する、
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項9】

前記中間圧力は、１，５００ｐｓｉａよりも低くかつ１，０００ｐｓｉａよりも高い、
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。

【請求項10】

前記第２の圧縮冷媒ストリームを圧縮する段階は、第２の駆動式圧縮器を使用して達成される、
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。

【請求項11】

往復エンジン、蒸気タービン、ガスタービン、及びモータのうちの少なくとも１つを使用して前記第２の駆動式圧縮器を駆動する段階を更に含む、
請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記第１の駆動式圧縮器及び前記第２の駆動式圧縮器は、共通駆動機を共有する、
請求項１０又は１１に記載の方法。

【請求項13】

前記第１の駆動式圧縮器及び前記第２の駆動式圧縮器は、単一圧縮器ケーシング内である、
請求項１０ないし１２のいずれか１項に記載の方法。

【請求項14】

過冷却ループを使用して、前記冷たい供給ガスストリームを更に冷却して過冷却供給ガスストリームを形成する段階を更に含む、
請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項15】

５０ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しくかつ４５０ｐｓｉａよりも低いか又はそれに等しい圧力まで前記過冷却供給ガスストリームを膨張させて膨張かつ過冷却された供給ガスストリームを生成する段階を更に含む、
請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記過冷却供給ガスストリームは、油圧タービン内で膨張する、
請求項１４又は１５に記載の方法。

【請求項17】

前記過冷却ループは、窒素ガスが冷媒である閉ループ気相冷凍サイクルである、
請求項１４ないし１６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項18】

前記過冷却ループは、
前記膨張かつ過冷却されたガスストリームの５０％を超えない部分を引き出し、その圧力を減圧弁内で３０から３００ｐｓｉａの範囲まで低減して１又は２以上の減圧ガスストリームを生成する段階と、
前記１又は２以上の熱交換器を通して前記１又は２以上の減圧ガスストリームを過冷却冷媒ストリームとして通過させる段階と、を含む、
請求項１４に記載の方法。

【請求項19】

前記１又は２以上の減圧ガスストリームは、互いに異なる圧力である、
請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

前記１又は２以上の熱交換器を出る前記過冷却冷媒ストリームは、前記供給ガスストリームのものに近似する圧力まで圧縮され、かつ該過冷却冷媒ストリームを該供給ガスストリームと混合する前に冷却媒体との間接熱交換によって冷却される、
請求項１８又は１９に記載の方法。

【請求項21】

前記膨張かつ過冷却されたガスストリームの少なくとも一部分が更に膨張し、次に、液体天然ガスがそこから引き出され、かつ残りのガス状蒸気がフラッシュガスストリームとしてそこから引き出される分離タンクまで誘導される、
請求項１５に記載の方法。

【請求項22】

前記圧縮冷媒ストリームは、前記液体天然ガスのボイルオフガスを含む、
請求項２１に記載の方法。

【請求項23】

前記圧縮器のうちの１又は２以上の排出圧力と、
前記膨張器のうちの１又は２以上の入口圧力と、
のうちの１又は２以上を調節し、それによって前記排出圧力と前記入口圧力の間の固定差圧を維持する段階を更に含む、
請求項１ないし２２のいずれか１項に記載の方法。

【請求項24】

前記固定差圧は、前記圧縮器のうちの１又は２以上の圧縮器速度、前記膨張器のうちの１又は２以上の入口ガイドベーン、該圧縮器のうちの１又は２以上の再循環弁、及び該膨張器のうちの１又は２以上のバイパス弁のうちの１又は２以上を使用する制御アルゴリズムを通して取得される、
請求項２３に記載の方法。

【請求項25】

サイクル効率を最大にしながら推力耐荷一体性を保護する限界として膨張器推力耐荷温度を使用する段階を更に含む、
請求項２３または２４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項26】

天然ガス液化システムであって、
冷却媒体との間接熱交換によって圧縮冷媒ストリームを冷却し、それによって圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを生成するように構成された第１の熱交換器であって、該圧縮冷媒ストリームが、少なくとも１，５００ｐｓｉａの圧力で該第１の熱交換器に提供される前記第１の熱交換器と、
前記圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを中間圧力まで膨張して該圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成するように構成された第１の膨張器と、
前記第１の膨張器に機械的に結合されて第１のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する第１の結合圧縮器と、
前記第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを膨張させて該第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成するように構成された第２の膨張器と、
前記第２の膨張器に機械的に結合されて第２のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する第２の結合圧縮器と、
前記第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリーム及び供給ガスストリームがそれを通過して間接熱交換を通してそこで熱を交換することを許容し、それによって暖かい冷媒ストリーム及び冷たい供給ガスストリームを形成するように配置された１又は２以上の熱交換器であって、該供給ガスストリームが、天然ガスを含み、かつ１，２００ｐｓｉａよりも低い圧力で該１又は２以上の熱交換器に供給される前記１又は２以上の熱交換器と、
前記第２の結合圧縮器と共に前記中間圧力の３００ｐｓｉａ内の排出圧力まで前記暖かい冷媒ストリームを圧縮し、それによって第１の圧縮冷媒ストリームを形成するように構成された第１の駆動式圧縮器と、を含み、
前記第１の圧縮冷媒ストリームは、前記第１の結合圧縮器を使用して更に圧縮され、それによって第２の圧縮冷媒ストリームを形成し、
前記第２の圧縮冷媒ストリームは、圧縮されて前記圧縮冷媒ストリームを提供する、
ことを特徴とする天然ガス液化システム。

【請求項27】

前記第１の駆動式圧縮器を駆動するように構成され、往復エンジン、蒸気タービン、ガスタービン、及びモータのうちの少なくとも１つを含む駆動要素を更に含む、
請求項２６に記載のシステム。

【請求項28】

冷却媒体との間接熱交換を通じて前記圧縮冷媒ストリームを冷却するように構成された第１の冷却器を更に含む、
請求項２６又は２７に記載のシステム。

【請求項29】

前記冷却媒体は、周囲条件よりも低い温度を有する、
請求項２８に記載のシステム。

【請求項30】

前記第２の結合圧縮器内で圧縮された後かつ前記第１の駆動式圧縮器内で圧縮される前に冷却媒体との間接熱交換によって前記暖かい冷媒ストリームを冷却するように構成された第２の冷却器と、
前記第１の結合圧縮器で圧縮される前に前記第１の圧縮冷媒ストリームを冷却するように構成された第３の冷却器と、
圧縮される前に冷却媒体との間接熱交換を通じて前記第２の圧縮冷媒ストリームを冷却し、それによって前記圧縮冷媒ストリームを提供するように構成された第４の冷却器と、を更に含む、
請求項２６ないし２９のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項31】

前記圧縮冷媒ストリームは、３，０００ｐｓｉａの圧力を有する、
請求項２６ないし３０のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項32】

前記中間圧力は、１，５００ｐｓｉａよりも低くかつ１，０００ｐｓｉａよりも高い、
請求項２６ないし３１のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項33】

前記第２の圧縮冷媒ストリームを圧縮するように構成された第２の駆動式圧縮器を更に含む、
請求項２６ないし３２のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項34】

前記第２の駆動式圧縮器を駆動するように構成され、往復エンジン、蒸気タービン、ガスタービン、及びモータのうちの少なくとも１つを含む駆動要素を更に含む、
請求項３３に記載のシステム。

【請求項35】

前記第１の駆動式圧縮器及び前記第２の駆動式圧縮器は、共通駆動機を共有する、
請求項３３又は３４に記載のシステム。

【請求項36】

前記第１の駆動式圧縮器及び前記第２の駆動式圧縮器は、単一圧縮器ケーシング内である、
請求項３３ないし３５のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項37】

前記冷たい供給ガスストリームを更に冷却して過冷却供給ガスストリームを形成するように構成された過冷却ループを更に含む、
請求項２６ないし３３のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項38】

５０ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しくかつ４５０ｐｓｉａよりも低いか又はそれに等しい圧力まで前記過冷却供給ガスストリームを膨張させ、それによって膨張かつ過冷却された供給ガスストリームを生成するように構成された油圧タービンを更に含む、
請求項３７に記載のシステム。

【請求項39】

前記過冷却ループは、窒素ガスが冷媒である閉ループ気相冷凍サイクルである、
請求項３７又は３８に記載のシステム。

【請求項40】

天然ガスを含む供給ガスストリームを液化する方法であって、
１，２００ｐｓｉａよりも低い圧力で前記供給ガスストリームを与える段階と、
１，５００ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しい圧力を有する圧縮冷媒ストリームを与える段階と、
第１の冷却媒体との間接熱交換によって前記圧縮冷媒ストリームを冷却し、それによって圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを生成する段階と、
前記圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを第１の膨張器内で中間圧力まで膨張させて該圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する段階であって、該第１の膨張器が、第１の結合圧縮器に機械的に結合されて第１のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する前記生成する段階と、
前記第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを第２の膨張器内で膨張させて該第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する段階であって、該第２の膨張器が、第２の結合圧縮器に機械的に結合されて第２のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する上記生成する段階と、
１又は２以上の熱交換器を通して前記第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを通過させ、それによって暖かい冷媒ストリームを形成する段階と、
前記１又は２以上の熱交換器を通して前記供給ガスストリームを通過させて前記第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームとの間接熱交換によって該供給ガスストリームの少なくとも一部を冷却し、それによって冷たい供給ガスストリームを形成する段階と、
過冷却ループを使用して、前記冷たい供給ガスストリームを更に冷却して液体部分を有する過冷却供給ガスストリームを形成する段階と、
前記第２の結合圧縮器及び第１の駆動式圧縮器を使用して、前記中間圧力の３００ｐｓｉａ内の排出圧力まで前記暖かい冷媒ストリームを圧縮し、それによって第１の圧縮冷媒ストリームを形成する段階と、
前記第２の結合圧縮器内で圧縮された後かつ前記第１の駆動式圧縮器内で圧縮される前に第２の冷却媒体との間接熱交換によって前記暖かい冷媒ストリームを冷却する段階と、
第３の冷却媒体との熱交換を通じて前記第１の圧縮冷媒ストリームを冷却する段階と、
前記第１の結合圧縮器を使用して前記第１の圧縮冷媒ストリームを圧縮し、それによって第２の圧縮冷媒ストリームを形成する段階と、
第４の冷却媒体との熱交換を通じて前記第２の圧縮冷媒ストリームを冷却する段階と、
前記第２の圧縮冷媒ストリームを圧縮して前記圧縮冷媒ストリームを提供する段階と、を含む、
ことを特徴とする方法。

【請求項41】

前記第１の冷却媒体、前記第２の冷却媒体、前記第３の冷却媒体、及び前記第４の冷却媒体のうちの少なくとも１つが、空気又は水を含む、
請求項４０に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

〔関連出願への相互参照〕
この出願は、本明細書にその全体が組み込まれている「複数のターボ膨張器−圧縮器を使用する高圧膨張工程による天然ガス液化」という名称の２０１７年１０月２５日出願の米国仮特許出願第６２／５７６，９８９号の優先権利益を主張するものである。

【0002】

本発明の開示は、一般的に液化天然ガス（ＬＮＧ）生成に関する。より具体的には、本発明の開示は、高圧でのＬＮＧ生成に関する。

【背景技術】

【0003】

この節は、本発明の開示に関連付けることができる当業技術の様々な態様を導入することを意図している。この議論は、本発明の開示の特定の態様のより良い理解を容易にするフレームワークを提供することを意図している。従って、この節は、必ずしも従来技術の承認としてではなく、この観点から読むべきであることを理解しなければならない。

【0004】

その清浄な燃焼品質及び利便性により、天然ガスは、近年広く使用されるようになった。天然ガスの多くのソースは、ガスのためのいずれの市場からも遠く離れた遠隔地域に位置付けられている。生成された天然ガスを市場に搬送するのにパイプラインが時には利用可能である。パイプライン搬送が実現可能でない時に、生成天然ガスは、市場に搬送するために液化天然ガス（ＬＮＧ）に加工されることが多い。

【0005】

ＬＮＧプラントの設計では、最も重要な考察事項の１つは、天然ガス供給ストリームをＬＮＧに変換するための工程である。現在の最も一般的な液化工程は、何らかの形態の冷凍システムを使用するものである。天然ガスを液化するのに多くの冷凍サイクルが使用されてきたが、今日のＬＮＧプラントで最も一般的に使用される３つのタイプは、（１）液化温度までガスの温度を下げるように段階的に配置された熱交換器内で複数の単一成分冷媒を使用する「カスケードサイクル」、（２）特別に設計された交換器内で多成分冷媒を使用する「多成分冷媒サイクル」、及び（３）供給ガス圧力から低圧まで対応する温度低下と共にガスを膨張させる「膨張器サイクル」である。ほとんどの天然ガス液化サイクルは、これらの３つの基本タイプの変形又は組合せを使用している。

【0006】

液化工程に使用される冷媒は、多成分冷凍サイクル内でメタン、エタン、プロパン、ブタン、及び窒素のような成分の混合物を含む場合がある。冷媒はまた、「カスケードサイクル」内ではプロパン、エチレン、又は窒素のような純粋な物質である場合がある。組成の精密制御と共にかなりの容積のこれらの冷媒が必要である。更に、そのような冷媒は、輸入して貯蔵しなければならない場合があり、これは、特に遠隔地でのＬＮＧ生成に対して物流要件を課す。これに代えて、冷媒の成分の一部は、典型的に液化工程に統合された蒸留工程によって調製することができる。

【0007】

供給ガス冷却を提供し、それによって冷媒取り扱いの運搬上の問題を排除又は低減するためのガス膨張器の使用は、一部の事例では冷媒ベースの冷却に勝る利点を有すると見られている。膨張器システムは、冷媒ガスが膨張タービンを通して膨張することが許され、それによって仕事を行ってガスの温度を下げることができるという原理で作動する。次に、低温ガスは、供給ガスと熱交換されて必要な冷凍を提供する。ガス膨張器内の冷却膨張から得られるパワーは、冷凍サイクルに使用される主圧縮パワーの一部を供給するのに使用することができる。ＬＮＧを作るための典型的な膨張器サイクルは、典型的に約（１，０００ｐｓｉａ）よりも低い供給ガス圧力で作動する。供給ガスを完全に液化するのに補足冷却が典型的に必要であり、これは、２次冷却及び／又は過冷却ループのような追加の冷媒システムによって提供することができる。例えば、米国特許第６，４１２，３０２号明細書及び米国特許第５，９１６，２６０号明細書は、過冷却ループでの冷媒としての窒素の使用を説明する膨張器サイクルを提示している。

【0008】

しかし、過去に提案された膨張器サイクルは、冷媒システムに基づく現在の天然ガス液化サイクルよりも全て熱力学的に効率が悪かった。従って、膨張器サイクルは、今日までいずれの設置済みコスト優位性も提供しておらず、冷媒を伴う液化サイクルは、依然として天然ガス液化のための好ましいオプションである。

【0009】

膨張器サイクルは、１次冷却（暖かい）段に関して高い再循環ガスストリーム流量及び高い非効率性をもたらすので、ガス膨張器は、典型的には、供給ガスをそれが例えば閉サイクル内で外部冷媒を使用して−２０℃よりも十分に低い温度まで予冷された後に更に冷却するのに使用されてきた。すなわち、ほとんどの提案された膨張器サイクルでの共通ファクタは、ガスが膨張器に入る前にガスを予冷する第２の外部冷凍サイクルに対する要件である。そのような複合外部冷凍サイクル及び膨張器サイクルは、「混成サイクル」と呼ばれる場合がある。そのような冷媒ベースの予冷は、膨張器の使用での非効率性の主な原因を排除するが、それは、膨張器サイクルの利益、すなわち、外部冷媒の排除を有意に低減する。

【0010】

米国特許出願ＵＳ２００９／０２１７７０１号明細書は、今日使用されている冷媒ベースのサイクルのものに少なくとも同等に外部冷媒に対する必要性を排除して効率を改善するために１次冷却ループ内で高圧を使用するという概念を導入した。米国特許出願ＵＳ２００９／０２１７７０１に開示された高圧膨張器工程（ＨＰＸＰ）は、他の膨張器サイクルからは区別される方式で高圧膨張器を使用する膨張器サイクルである。供給ガスストリームの一部分は、抽出して供給ガスストリームをその臨界温度よりも低く冷却するために開ループ又は閉ループ冷凍サイクルのいずれかで冷媒として使用することができる。これに代えて、ＬＮＧボイル−オフガスの一部分は、抽出して供給ガスストリームをその臨界温度よりも低く冷却するために閉ループ冷凍サイクルで冷媒として使用することができる。この冷凍サイクルは、１次冷却ループと呼ばれる。１次冷却ループには、供給ガスを更に冷却するように作用する過冷却ループが続く。１次冷却ループ内では、冷媒は、１，５００ｐｓｉａよりも高い圧力まで、又はより好ましくは約３，０００ｐｓｉａの圧力まで圧縮される。次に、冷媒は、供給ガスを液化するのに必要な冷たい冷媒を提供する前に、ほぼ等エントロピー的に膨張して周囲冷却媒体（空気又は水）に対して冷却される。

【0011】

図１は、公知のＨＰＸＰ液化システム１００の例を概略的に示し、かつ米国特許出願第ＵＳ２００９／０２１７７０１に開示された１又は２以上のシステム及び工程に類似している。図１では、膨張器ループ１０２（すなわち、膨張器サイクル）及び過冷却ループ１０４が使用される。供給ガスストリーム１０６は、約１，２００ｐｓｉａ未満、又は約１，１００ｐｓｉａ未満、又は約１，０００ｐｓｉａ未満、又は約９００ｐｓｉａ未満、又は約８００ｐｓｉａ未満、又は約７００ｐｓｉａ未満、又は約６００ｐｓｉａよりも低い圧力でＨＰＸＰ液化工程に入る。典型的には、供給ガスストリーム１０６の圧力は、約８００ｐｓｉａであることになる。供給ガスストリーム１０６は、一般的に、当業技術で公知である工程及び機器を使用して処理されて汚染物質が除去された天然ガスを含む。

【0012】

膨張器ループ１０２では、圧縮ユニット１０８が、冷媒ストリーム１０９（これは、処理されたガスストリームである場合がある）を約１，５００ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しい圧力まで圧縮し、こうして圧縮冷媒ストリーム１１０を提供する。これに代えて、冷媒ストリーム１０９は、約１，６００ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しく、又は約１，７００ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しく、又は約１，８００ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しく、又は約１，９００ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しく、又は約２，０００ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しく、又は約２，５００ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しく、又は約３，０００ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しい圧力まで圧縮することができ、こうして圧縮冷媒ストリーム１１０を提供する。圧縮ユニット１０８を出た後に、圧縮冷媒ストリーム１１０は、冷却器１１２に渡され、そこでそれは、圧縮かつ冷却された冷媒ストリーム１１４を提供するために適切な冷却媒体との間接熱交換によって冷却される。冷却器１１２は、冷却媒体として水又は空気を提供するタイプのものである場合があるが、あらゆるタイプの冷却器を使用することができる。圧縮かつ冷却された冷媒ストリーム１１４の温度は、周囲条件及び使用する冷却媒体に依存し、かつ典型的に約３５°Ｆ〜約１０５°Ｆである。次に、圧縮かつ冷却された冷媒ストリーム１１４は、膨張器１１６に渡され、そこでそれは、膨張して結果的に冷却され、膨張冷媒ストリーム１１８を形成する。膨張器１１６は、抽出されて圧縮のために使用することができる仕事を生成するガス膨張器のような仕事−膨張デバイスである。膨張冷媒ストリーム１１８は、第１の熱交換器１２０に渡され、かつ第１の熱交換器１２０に対する冷凍負荷の少なくとも一部を提供する。第１の熱交換器１２０を出ると、膨張冷媒ストリーム１１８は、加圧のために圧縮ユニット１２２に供給されて冷媒ストリーム１０９を形成する。

【0013】

供給ガスストリーム１０６は、第１の熱交換器１２０を通って流れ、そこでそれは、少なくとも部分的に膨張冷媒ストリーム１１８との間接熱交換によって冷却される。第１の熱交換器１２０を出た後に、供給ガスストリーム１０６は、第２の熱交換器１２４に渡される。第２の熱交換器１２４の主な機能は、供給ガスストリームを過冷却することである。すなわち、第２の熱交換器１２４では、供給ガスストリーム１０６は、過冷却ループ１０４（以下に説明する）によって過冷却されて過冷却ガスストリーム１２６を生成する。次に、過冷却ガスストリーム１２６は、膨張器１２８内で低圧まで膨張し、液体分率及び残りの蒸気分率を形成する。膨張器１２８は、以下に限定されないが、弁、制御弁、ジュールトンプソン弁、ベンチュリデバイス、液体膨張器、及び油圧タービンなどを含むあらゆる減圧デバイスとすることができる。この時点で低圧であって部分的に液化された過冷却ガスストリーム１２６は、サージタンク１３０に渡され、そこで液化分率１３２は、沸点圧力に対応する温度を有するＬＮＧストリーム１３４として工程から引き抜かれる。残りの蒸気分率（フラッシュ蒸気）ストリーム１３６は、圧縮器ユニットを駆動する燃料として使用することができる。

【0014】

過冷却ループ１０４では、膨張過冷却冷媒ストリーム１３８（好ましくは窒素を含む）は、膨張器１４０から排出され、第２及び第１の熱交換器１２４、１２０を通して引き込まれる。次に、膨張過冷却冷媒ストリーム１３８は、圧縮ユニット１４２に送られ、そこでそれは、より高い圧力まで再圧縮されて暖かくなる。圧縮ユニット１４２を出た後に、再圧縮過冷却冷媒ストリーム１４４は、冷却器１１２と同じタイプのものとすることができるがあらゆるタイプの冷却器を使用することができる冷却器１４６内で冷却される。冷却後に、再圧縮過冷却冷媒ストリームは、第１の熱交換器１２０に渡され、そこでそれは、膨張冷媒ストリーム１１８及び膨張過冷却冷媒ストリーム１３８との間接熱交換によって更に冷却される。第１の熱交換器１２０を出た後に、再圧縮かつ冷却された過冷却冷媒ストリームは、膨張器１４０を通して膨張して冷却ストリームを提供し、これは、次に、第２の熱交換器１２４を通過し、最終的に膨張してＬＮＧを生成する供給ガスストリームの部分を過冷却する。

【0015】

図２は、公知の原理による別の液化システム２００の概略図である。液化システム２００は、ＨＰＸＰ液化システム１００に類似であり、簡略化の目的で同様に描かれた又は付番した構成要素は、更に説明しない場合がある。液化システム２００は、１次冷却ループ２０２及び過冷却ループ２０４を含む。液化システム２００では、過冷却ループ２０４は、膨張かつ過冷却されたガスストリーム２４８の一部分２４９が再循環されて過冷却冷媒ストリームとして使用される開冷凍ループである。具体的には、膨張かつ過冷却されたガスストリームの一部分２４９は、圧縮器２４２内で圧縮され、冷却器２４６内で冷却され、かつ供給ガスストリーム２０６の中に再挿入される前に、上述のように第２の熱交換器１２４及び第１の熱交換器１２０を通して誘導される。

【0016】

米国特許出願ＵＳ２０１０／０１０７６８４号明細書は、圧縮冷媒を周囲条件よりも低い温度まで更に冷却するために外部冷却を追加することは、ある一定の状況では外部冷却に関連付けられた追加の機器を正当化する有意な利点を提供するという発見を通じたＨＰＸＰの性能の改善を開示している。上述の特許出願に説明されたＨＰＸＰの実施形態は、単一混合冷媒工程のような代替混合外部冷媒ＬＮＧ生成工程と同等の性能を有する。しかし、ＨＰＸＰの効率、並びに全体的なトレーン容量を更に改善する特定の必要性が残っている。供給ガス圧力が１，２００ｐｓｉａ未満の場合のＨＰＸＰの効率を改善する特定の必要性も残っている。

【0017】

米国特許出願第２０１０／０１８６４４５号明細書は、ＨＰＸＰに対する４，５００ｐｓｉａまでの供給圧縮の組み込みを開示している。ＨＰＸＰの１次冷却ループ内でガスを液化する前に供給ガスを圧縮することは、全体工程効率を増大するという利点を有する。所与の生産速度に対して、これはまた、１次冷却ループ内の冷媒の必要な流量を有意に低減する利点を有し、これは、浮遊式ＬＮＧ用途に対して特に魅力的な小型機器の使用を可能にする。更に、供給圧縮は、１次冷却及び過冷却ループに行く固定量のパワーに関して３０％よりも多くＨＰＸＰトレーンのＬＮＧ生成を増大する手段を提供する。生産速度のこの柔軟性は、選択した冷媒ループ駆動機を望ましい生産速度に適合させる際に地上ベースの用途よりも多くの制限がある浮遊式ＬＮＧ用途に対してここでもまた特に魅力的である。

【0018】

ＨＰＸＰの利点は、高圧（１，５００〜３，５００ｐｓｉａ）から供給ガスを液化するのに望ましい冷媒温度を達成するために必要な低圧まで冷媒ガスを膨張させることができるターボ膨張器の使用を通して可能にされる。ＨＰＸＰのほとんどの用途に対して、冷媒に必要な圧力低下は、１，０００ｐｓｉよりも有意に大きい。この理由のために、冷媒の膨張は、直列で作動する少なくとも２つの膨張器を含むトレーン内で行うことができる。そのような構成では、各膨張器は、膨張器から回収された機械的パワーが冷媒をその最大圧力まで部分的に再圧縮して戻すのに使用されるように圧縮器に機械的に結合される。膨張器に機械的に結合された圧縮器は、ターボ膨張器−圧縮器（ＴＥＣ）としてここでは公知である。図３は、液化システム３００を示しており、これは、公知の態様により、その１次冷却ループ３０２内でターボ膨張器−圧縮器（ＴＥＣ）の構成を使用する。圧縮冷媒ストリーム３０８は、周囲冷却媒体（空気又は水）に対して冷却器３１０内で冷却され、圧縮かつ冷却された冷媒ストリーム３１２を生成する。例えば３，０００ｐｓｉａの圧力である場合がある圧縮かつ冷却された冷媒ストリームは、例えば１，３００ｐｓｉａの中間圧力まで第１の膨張器３１４内で膨張し、圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリーム３１６を生成する。第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームは、第２の膨張器３１８内で更に膨張して第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリーム３１６を更に冷却し、それによって第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリーム３２０を生成する。例えば５００ｐｓｉａの圧力である場合がある第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリーム３２０は、１又は２以上の熱交換器３２２に誘導され、そこでそれは、供給ガスストリーム３０６と熱を交換して暖かい冷媒ストリーム３２４及び液化ガスストリーム３２６を生成する。液化ガスストリーム３２６は、上述の過冷却ループ１０４（図１）と類似の方式で機能する過冷却ループ３０４を使用して過冷却熱交換器３２８内で更に冷却される。例えば５００ｐｓｉａの圧力である場合がある暖かい冷媒ストリーム３２４は、第１の圧縮器３３０により（例えば、７００ｐｓｉａの圧力まで）、続いて第２の圧縮器３３２により（例えば、９００ｐｓｉａの圧力まで）圧縮され、次に、周囲冷却媒体（空気又は水）である場合がある冷却媒体に対して冷却器３３４内で冷却されて第１の圧縮冷媒ストリーム３３６を生成する。第１の圧縮器３３０は、第１の機械的カプリング３３８を使用して第２の膨張器３１８に結合されて低圧ＴＥＣを形成する。第２の圧縮器３３２は、第２の機械的カプリング３４０を使用して第１の膨張器３１４に結合されて高圧ＴＥＣを形成する。第１の圧縮冷媒ストリーム３３６は、１又は２以上の圧縮器３４２、３４４内で更に圧縮されて圧縮冷媒ストリーム３０８を生成する。冷却器３４３は、１又は２以上の圧縮器３４２、３４４の間に配置することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0019】

【特許文献1】米国特許第６，４１２，３０２号明細書

【特許文献2】米国特許第５，９１６，２６０号明細書

【特許文献3】米国特許出願ＵＳ２００９／０２１７７０１号明細書

【特許文献4】米国特許出願ＵＳ２０１０／０１０７６８４号明細書

【特許文献5】米国特許出願第２０１０／０１８６４４５号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0020】

液化システム３００では、低圧ＴＥＣの作動条件は、市販のターボ膨張器−圧縮器の作動経験内である。しかし、高圧ＴＥＣの入口圧力（３，０００ｐｓｉａ）、第１の膨張器圧力低下（３，０００ｐｓｉａ−１，３００ｐｓｉａ＝１，７００ｐｓｉａ）、及び高圧ＴＥＣの膨張器出口側と圧縮器入口側の間の推力差（１，３００ｐｓｉａ−７００ｐｓｉａ＝６００ｐｓｉａ）は、産業作動経験の外側である。高い入口圧力及び高い膨張器圧力低下は、これらのステップアウト条件を考慮に入れる高圧ＴＥＣの適正設計で対処することができると考えられる。しかし、より高い推力を管理するには、有意なＴＥＣ設計変更が必要になる場合がある。これらの変更は、コスト及び複雑性を追加し、効率を１〜３％低減する場合がある。この理由のために、推力を管理するための有意な設計変更に対する必要性を排除するためにＨＰＸＰのＴＥＣに対して新しい構成を開発する必要性が存在する。

【課題を解決するための手段】

【0021】

本発明の開示の態様は、１，２００ｐｓｉａよりも低い圧力で提供される天然ガス供給ガスストリームを含む供給ガスストリームを液化する方法を提供する。圧縮冷媒ストリームには、１，５００ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しい圧力が与えられる。圧縮冷媒ストリームは、冷却媒体との間接熱交換によって冷却され、それによって圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを生成する。圧縮かつ冷却された冷媒ストリームは、中間圧力まで第１の膨張器内で膨張して圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する。第１の膨張器は、第１の結合圧縮器に機械的に結合されて第１のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する。第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームは、第２の膨張器内で膨張して第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する。第２の膨張器は、第２の結合圧縮器に機械的に結合されて第２のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する。第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームは、１又は２以上の熱交換器を通過し、それによって暖かい冷媒ストリームを形成する。供給ガスストリームは、１又は２以上の熱交換器を通過し、第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームとの間接熱交換によって供給ガスストリームの少なくとも一部を冷却し、それによって冷たい供給ガスストリームを形成する。第２の結合圧縮器及び第１の駆動式圧縮器を使用して、暖かい冷媒ストリームは、中間圧力の３００ｐｓｉａ内の排出圧力まで圧縮され、それによって第１の圧縮冷媒ストリームを形成する。第１の圧縮冷媒ストリームは、第１の結合圧縮器を使用して圧縮され、それによって第２の圧縮冷媒ストリームを形成する。第２の圧縮冷媒ストリームは、圧縮されて圧縮冷媒ストリームを提供する。

【0022】

本発明の開示の態様は、天然ガス液化システムも提供する。第１の熱交換器は、冷却媒体との間接熱交換によって圧縮冷媒ストリームを冷却し、それによって圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを生成し、圧縮冷媒ストリームは、少なくとも１，５００ｐｓｉａの圧力で第１の熱交換器に提供される。第１の膨張器は、圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを中間圧力まで膨張させて圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する。第１の結合圧縮器は、第１の膨張器に機械的に結合されて第１のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する。第２の膨張器は、第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを膨張させて第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する。第２の結合圧縮器は、第２の膨張器に機械的に結合されて第２のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する。１又は２以上の熱交換器は、第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリーム及び供給ガスストリームがそれを通過して間接熱交換を通じてそこで熱を交換し、それによって暖かい冷媒ストリーム及び冷たい供給ガスストリームを形成することを許容するように配置される。供給ガスストリームは、天然ガスを含み、かつ１，２００ｐｓｉａよりも低い圧力で１又は２以上の熱交換器に供給される。第１の駆動式圧縮器及び第２の結合圧縮器は、中間圧力の３００ｐｓｉａ内の排出圧力まで暖かい冷媒ストリームを圧縮し、それによって第１の圧縮冷媒ストリームを形成する。第１の圧縮冷媒ストリームは、第１の結合圧縮器を使用して更に圧縮され、それによって第２の圧縮冷媒ストリームを形成する。第２の圧縮冷媒ストリームは、圧縮されて圧縮冷媒ストリームを提供する。

【0023】

本発明の開示の態様は、天然ガスを含む供給ガスストリームを液化する方法も提供する。供給ガスストリームは、１，２００ｐｓｉａよりも低い圧力で提供される。圧縮冷媒ストリームには、１，５００ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しい圧力が与えられる。圧縮冷媒ストリームは、第１の冷却媒体との間接熱交換によって冷却され、それによって圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを生成する。圧縮かつ冷却された冷媒ストリームは、第１の膨張器内で中間圧力まで膨張して圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する。第１の膨張器は、第１の結合圧縮器に機械的に結合されて第１のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する。第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームは、第２の膨張器内で膨張して第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する。第２の膨張器は、第２の結合圧縮器に機械的に結合されて第２のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する。第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームは、１又は２以上の熱交換器を通過し、それによって暖かい冷媒ストリームを形成する。供給ガスストリームは、１又は２以上の熱交換器を通過し、第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームとの間接熱交換によって供給ガスストリームの少なくとも一部を冷却し、それによって冷たい供給ガスストリームを形成する。過冷却ループを使用して、冷たい供給ガスストリームは、更に冷却されて液体部分を有する過冷却供給ガスストリームを形成する。第２の結合圧縮器及び第１の駆動式圧縮器を使用して、暖かい冷媒ストリームは、中間圧力の３００ｐｓｉａ内の排出圧力まで圧縮され、それによって第１の圧縮冷媒ストリームを形成する。暖かい冷媒ストリームは、第２の結合圧縮器内で圧縮された後かつ第１の駆動式圧縮器内で圧縮される前に第２の冷却媒体との間接熱交換によって冷却される。第１の圧縮冷媒ストリームは、第３の冷却媒体との熱交換を通じて冷却される。第１の圧縮冷媒ストリームは、第１の結合圧縮器を使用して圧縮され、それによって第２の圧縮冷媒ストリームを形成する。第２の圧縮冷媒ストリームは、第４の冷却媒体との熱交換を通じて冷却される。第２の圧縮冷媒ストリームは、圧縮されて圧縮冷媒ストリームを提供する。

【0024】

以上は、以下の詳細説明をよりよく理解することができるように本発明の開示の特徴を広く概説したものである。追加の特徴も本明細書で以下に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0025】

本発明の開示のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、及び以下に簡単に説明する添付図面から明らかになるであろう。

【0026】

【図1】公知の原理によるＬＮＧ生成のためのシステムの概略図である。

【図2】公知の原理によるＬＮＧ生成のためのシステムの概略図である。

【図3】公知の原理によるＬＮＧ生成のためのシステムの概略図である。

【図4】開示する態様によるＬＮＧ生成のためのシステムの概略図である。

【図5】開示する態様によるＬＮＧ生成のためのシステムの概略図である。

【図6】本発明の開示の態様による方法のフローチャートである。

【図7】本発明の開示の態様による方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0027】

図は単に例であり、本発明の開示の範囲に対する制限をそれによって意図しないことに注意しなければならない。更に、図は、一般的に縮尺通りに描かれておらず、むしろ本発明の開示の様々な態様を例示する際の利便性及び明確化の目的で描かれている。

【0028】

本発明の開示の原理の理解を容易にするために、図面に示す特徴をここで参照し、特定の言語をそれを説明するのに以下で使用する。これよって本発明の開示の範囲の制限を意図しないことはそれにも関わらず理解されるであろう。本発明の開示が関係する当業者に通常は想起されるように、本明細書に説明する本発明の開示の原理のあらゆる変更及び更に別の修正、及びあらゆる更に別の用途が考えられている。明確にするために、本発明の開示に関連しない一部の特徴は、図面に示されない場合がある。

【0029】

最初に、参照しやすくするために、この出願に使用するある一定の用語及びこの関連に使用する時のそれらの意味を列挙する。本明細書に使用する用語が以下で定義されない限り、それには関連の技術の個人が少なくとも１つの文献又は交付済み特許に反映された時にその用語を与えた最も広い定義が与えられるべきである。更に、本発明の技術は、同じか又は類似の目的に機能する全ての均等物、同義語、新しい展開、及び用語又は技術が本発明の特許請求の範囲であると考えられるので、以下に示す用語の使用方法によって制限されない。

【0030】

当業者が認めるように、異なる個人は、様々な名称で同じ特徴又は構成要素を指す場合がある。本明細書は、名称のみが異なる構成要素又は特徴間で区別するように意図していない。図は、必ずしも縮尺通りではない。本明細書のある一定の特徴及び構成要素は、縮尺で誇張される又は概略形態で示される場合があり、従来の要素の一部の詳細は、明確化及び簡潔さのために示されない場合がある。本明細書に説明する図を参照する時に、同じ参照番号が簡素化のために複数の図で参照される場合がある。以下の説明及び特許請求の範囲では、用語「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」及び「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」は、無制限様式で使用され、すなわち、「含むがそれに限定されない」を意味するように解釈しなければならない。

【0031】

冠詞「ｔｈｅ」、「ａ」、及び「ａｎ」は、必ずしも１つのみを意味するとは限らず、むしろ任意的に複数のそのような要素を含むように包含的かつ無制限である。

【0032】

本明細書に使用される時に、用語「近似的に」、「約」、「実質的に」、及び類似の用語は、本発明の開示の主題が関係する当業者による共通かつ受け入れられた使用方法と調和して広い意味を有するように意図している。本発明の開示を精査する当業者は、これらの用語が、これらの特徴の範囲を提供された正確な数値範囲に制限することなく説明かつ特許請求するある一定の特徴の説明を可能にするように意図していることを理解しなければならない。従って、これらの用語は、説明する主題の実質的でない又は重要でない修正又は代替形態が開示の範囲にあると考えられることを示すと解釈しなければならない。開示する態様により、これらの用語は、特定の数又は量の２％内、又は５％内、又は１０％内を意味するように意図している。

【0033】

本明細書に使用される時に、用語「圧縮ユニット」及び「圧縮器」は、いずれか１つのタイプ又は類似又は異なるタイプの組合せの圧縮器を意味し、物質又は物質の混合物を圧縮するための当業技術で公知の補助機器を含むことができる。圧縮ユニット又は圧縮器は、１又は２以上の圧縮段を利用することができる。例示的圧縮ユニット又は圧縮器は、以下に限定されないが、例えば、往復及び回転式圧縮器のような容積式タイプ、及び例えば遠心及び軸流圧縮器のような動的タイプを含むことができる。

【0034】

本明細書に使用される時に、用語「冷却媒体」は、それとの間接熱交換を使用して流体を冷却する機能を果たす固体、液体、又は気体状態を問わずあらゆるタイプの媒体を意味する。冷却媒体は、必要な冷却及び利用可能なタイプの冷却媒体に応じて周囲温度、周囲温度よりも低い、又は周囲温度よりも高いとすることができる。非限定例として、冷却媒体は、水又は空気とすることができる。

【0035】

「例示的」は、「実施例、事例、又は例証として機能を果たす」を意味するように本明細書では専ら使用される。「例示的」として本明細書に説明する実施形態又は態様は、他の実施形態よりも好ましい又は有利であると解釈すべきではない。

【0036】

用語「気体」は、「蒸気」と互換的に使用され、液体又は固体状態と区別するように気体状態の物質又は物質の混合物として定義される。同様に、用語「液体」は、気体又は固体状態と区別するように液体状態の物質又は物質の混合物を意味する。

【0037】

本明細書に使用される時に、「熱交換区域」は、熱伝達を容易にするのに業技術で公知の機器の類似又は異なるタイプのうちのいずれか１つのタイプ又は組合せを意味する。従って、「熱交換区域」は、単品の機器に収容することができ、又はそれは複数の機器部品に収容された区域を含むことができる。反対に、複数の熱交換区域は、単品の機器に収容することができる。

【0038】

「炭化水素」は、主として水素及び炭素の元素を含む有機化合物であるが、窒素、硫黄、酸素、金属、又はあらゆる数の他の元素も少量で存在する可能性がある。本明細書に使用される時に、炭化水素は、一般的に、天然ガス、オイル、又は化学処理施設に見られる成分を指す。

【0039】

本明細書に使用される時に、用語「ループ」及び「サイクル」は、互換的に使用される。

【0040】

本明細書に使用される時に、「天然ガス」は、ＬＮＧを製造するのに適するガス状原料を意味し、ここで原料は、主成分としてメタン（ＣＨ₄）を含有するメタン豊富なガスである。天然ガスは、原油井（付随ガス）から又はガス井（非付随ガス）から得られるガスを含むことができる。

【0041】

本発明の開示の態様は、天然ガス及び他のメタン豊富なガスストリームを液化するための工程を提供し、液化天然ガス（ＬＮＧ）及び／又は他の液化メタン豊富なガスを生成する。開示する態様により、１次冷却ループのターボ膨張器−圧縮器及びガスタービン（又はモータ）駆動式圧縮器は、ＴＥＣ推力差を有意に低減するように配置される。具体的には、１次冷却ループ内のターボ機械は、ＴＥＣの圧縮器吸引圧力と高圧ＴＥＣの膨張器排出圧力の間の圧力の絶対差が３００ｐｓｉ未満であるように構成される。この構成は、推力差をより容易に管理することができるレベルまで低減する。

【0042】

本発明の開示の態様により、供給ガスストリーム、特にメタンが豊富なものを液化するための方法及びシステムを提供する。本方法及びシステムは、（ａ）１，２００ｐｓｉａよりも低い圧力で供給ガスストリームを与える段階と、（ｂ）１，５００ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しい圧力を有する圧縮冷媒ストリームを与える段階と、（ｃ）冷却流体との間接熱交換によって圧縮冷媒ストリームを冷却し、それによって圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを生成する段階と、（ｄ）圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを第１の膨張器内で中間圧力まで更に膨張させて圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する段階と、（ｅ）第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを第２の膨張器内で膨張させて第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する段階と、（ｆ）第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを熱交換区域に渡し、それによって暖かい冷媒ストリームを形成する段階と、（ｇ）熱交換区域を通して供給ガスストリームを通過させて第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームとの間接熱交換によって供給ガスストリームの少なくとも一部を冷却し、それによって冷却ガスストリームを形成する段階と、（ｈ）中間圧力の３００ｐｓｉ内の排出圧力まで暖かい冷媒ストリームを圧縮し、それによって第１の圧縮冷媒ストリームを形成する段階と、（ｉ）冷却媒体との間接熱交換によって第１の圧縮冷媒ストリームを冷却し、それによって第１の圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを生成する段階と、（ｊ）第１の膨張器に機械的に結合された圧縮器を使用して第１の圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを圧縮し、それによって第２の圧縮冷媒ストリームを形成する段階と、（ｋ）第２の圧縮冷媒ストリームを圧縮して圧縮冷媒ストリームを提供する段階とを含む。

【0043】

第１の圧縮冷媒ストリームは、第２の膨張器に機械的に結合された圧縮器内で暖かい冷媒ストリームを圧縮し、次に、往復エンジン、蒸気タービン、又はガスタービン及び／又はモータによって駆動される第１の圧縮器内で暖かい冷媒ストリームを更に圧縮することによって形成することができる。暖かい冷媒ストリームは、第２の膨張器に機械的に結合された圧縮器内で圧縮された後かつ第１の圧縮器内で圧縮される前に冷却媒体との間接熱交換によって冷却することができる。

【0044】

本発明の開示の態様によるＴＥＣ構成は、公知のＴＥＣ配置のＴＥＣ配置と比較して高圧ＴＥＣの高い推力差を低減する又は排除するという利点を有する。約２００ｐｓｉａよりも小さい圧力差は、従来の推力平衡機構にいずれの有意な変化もなしに管理可能であるはずである。ＨＰＸＰの効率は、本発明の開示のＴＥＣ構成を使用して１〜３％だけ高めることができる。場合によっては、本発明の開示のＴＥＣ構成は、高圧及び低圧ＴＥＣが施設レイアウト内でガスタービン（又はモータ駆動式）駆動式圧縮器から離れて位置付けられる場合があるで、余分な配管及び制御を必要とする。これに加えて、ガスタービン又はモータ駆動式圧縮器本体の数が増加する場合がある。効率を改善して第１の圧縮器への体積流量を低減するために、第１及び第２の圧縮段の間に中間冷却器を追加することが望ましい場合もある。それにも関わらず、そのような追加のコストよりもＨＰＸＰ工程に対する効率改善が上回る可能性が高い。

【0045】

図４は、開示する態様による液化システム４００を示している。液化システムは、１次冷却ループ４０２及び過冷却ループ４０４を含む。圧縮冷媒ストリーム４０８は、１又は２以上の冷却媒体を使用して圧縮かつ冷却された冷媒ストリーム４１２を生成することができる１又は２以上の冷却器４１０を有する第１の熱交換器内で冷却される。圧縮かつ冷却された冷媒ストリーム４１２は、第１の膨張器４１４内で中間圧力まで膨張し、それによって更に冷却されて第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリーム４１６を生成する。第１の膨張器４１４は、第１の機械的カプリング４４４を使用して第１の結合圧縮器４３８に結合され、高圧ターボ膨張器／圧縮器（ＴＥＣ）を互いに形成する。第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームは、第２の膨張器４１８内で更に膨張して第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリーム４１６を更に冷却し、それによって第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリーム４２０を生成する。第２の膨張器４１４は、第２の機械的カプリング４４６を使用して第２の結合圧縮器４２９に結合され、低圧ＴＥＣを互いに形成する。第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリーム４２０は、１又は２以上の熱交換器を含む主熱交換区域４２２に誘導され、ここで第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームは、供給ガスストリーム４０６と熱交換して暖かい冷媒ストリーム４２４及び液化ガスストリーム４２６を生成する。液化ガスストリーム４２６は、以下で更に説明する過冷却ループ４０４を使用して過冷却熱交換器４２８内で更に冷却される。暖かい冷媒ストリーム４２４は、第２の冷却器４３０内で冷却媒体との間接熱交換を通じて冷却されて第２の結合圧縮器４２９によって圧縮され、第１の駆動式圧縮器４３１によって更に圧縮されて第１の圧縮冷媒ストリーム４３２を生成する。第１の駆動式圧縮器は、ガスタービン４３１ａによって駆動される場合があり、又はこれに代えて往復エンジン、蒸気タービン、又はモータによって駆動される場合がある。第１の圧縮冷媒ストリーム４３２は、第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリーム４１６の中間圧力の３００ｐｓｉａ内、又は２５０ｐｓｉａ内、又は２００ｐｓｉａ内、又は１５０ｐｓｉａ内、又は１００ｐｓｉａ内である排出圧力を有する。第１の圧縮冷媒ストリームは、冷却媒体との間接熱交換を通じて第３の冷却器４３４内で冷却され、第１の圧縮かつ冷却された冷媒ストリーム４３６を形成し、これは、次に、第１の結合圧縮器４３８内で圧縮されて第２の圧縮冷媒ストリーム４４０を形成する。第２の圧縮冷媒ストリームは、冷却媒体との間接熱交換を通じて第４の冷却器４４１内で冷却され、次に、第２の駆動式圧縮器４４２で更に圧縮されて圧縮冷媒ストリーム４０８を生成することができる。第２の駆動式圧縮器４４２は、ガスタービン４４２ａによって駆動される場合があり、又はこれに代えて往復エンジン、蒸気タービン、又はモータによって駆動される場合がある。第２の駆動式圧縮器４４２は、第１の駆動式圧縮器４３１と共通駆動機を共有することができる。第１及び第２の駆動式圧縮器４３１、４４２は、単一圧縮器ケーシング内に配置される場合さえもある。

【0046】

過冷却ループ４０４では、膨張過冷却冷媒ストリーム４４８（好ましくは窒素を含む）は、過冷却膨張器４５０から排出されて主熱交換区域４２２内で過冷却熱交換器４２８及び熱交換器を通して引き抜かれる。次に、膨張過冷却冷媒ストリーム４４８は、それが高圧まで再圧縮されて暖められる過冷却圧縮ユニット４５２に送られ、それによって再圧縮過冷却冷媒ストリーム４５４を形成する。圧縮ユニット４４２を出た後に、再圧縮過冷却冷媒ストリーム４５４は、冷却器４１０及び／又は４３４と同じタイプのものとすることができるがあらゆるタイプの冷却器を使用することができる冷却器４５６を含む第５の熱交換器内で冷却される。冷却した後に、再圧縮過冷却冷媒ストリーム４５４は、主熱交換区域４２２内で熱交換器を通過し、そこでそれは、第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリーム４２０及び膨張過冷却冷媒ストリーム４４８との間接熱交換によって更に冷却される。熱交換区域４２２を出た後に、再圧縮かつ冷却された過冷却冷媒ストリームは、過冷却膨張器４５０を通して膨張して膨張過冷却冷媒ストリーム４４８を提供し、これは、次に、過冷却熱交換器４２８を通過して供給ガスストリームを過冷却し、それによって過冷却供給ガスストリーム４５８を生成する。次に、過冷却供給ガスストリーム４５８は、膨張器４６０内でより低圧まで膨張し、液体分率及び残りの蒸気分率を有する膨張かつ過冷却されたガスストリーム４６１を形成する。態様では、膨張かつ過冷却されたガスストリーム４６１は、５０ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しくかつ４５０ｐｓｉａよりも低いか又はそれに等しい圧力を有することができる。膨張器４６０は、以下に限定されないが、弁、制御弁、ジュールトンプソン弁、ベンチュリデバイス、液体膨張器、及び油圧タービンなどを含むあらゆる減圧デバイスとすることができる。この時点でより低圧であって部分的に液化された膨張かつ過冷却されたガスストリーム４６１は、液化分率４６４がＬＮＧストリーム４６６として工程から引き抜かれるサージタンク４６２に渡される。ＬＮＧストリーム４６６は、沸点圧力に対応する温度を有する。残りの蒸気分率（フラッシュ蒸気）ストリーム４６８は、圧縮器ユニットを駆動する燃料として使用することができる。

【0047】

本明細書に開示する圧縮器及び／又は膨張器のうちの１又は２以上の排出圧力は、制御システム０１によって制御することができる。そのような制御システムは、測定推力耐荷限界内で温度のようなある一定のパラメータを最大にすることによってサイクル効率を最適化するための制御論理部を含むことができる。制御論理部はまた、例えば、駆動式圧縮器速度、駆動式圧縮器再循環弁、第１の結合圧縮器再循環弁、第２の結合圧縮器再循環弁、第１の膨張器バイパス弁、第２の膨張器バイパス弁、第１の膨張器絞り弁、第２の膨張器絞り弁、第１の膨張器入口ガイドベーン、第２の膨張器入口ガイドベーン、又は駆動式圧縮器の吸引圧力に基づく上述のもののあらゆる組合せ、駆動式圧縮器の排出圧力、第１の結合圧縮器の排出圧力、第２の結合圧縮器の排出圧力、第１の膨張器の排出圧力、第２の膨張器の排出圧力、及び／又は第２の膨張器の吸引圧力、又はそのあらゆる組合せのうちの１又は２以上を制御することができる。制御システムは、（ａ）圧縮器のうちの１又は２以上の排出圧力、及び（ｂ）膨張器のうちの１又は２以上の入口圧力のうちの１又は２以上を調節し、それによって排出圧力と入口圧力の間の固定差圧を維持することができる。固定差圧は、圧縮器のうちの１又は２以上の圧縮器速度、膨張器のうちの１又は２以上の入口ガイドベーン、圧縮器のうちの１又は２以上の再循環弁、及び膨張器のうちの１又は２以上のバイパス弁のうちの１又は２以上を使用して制御アルゴリズムを通して得ることができる。更に、サイクル効率は、測定推力耐荷限界内で温度のようなある一定のパラメータを最大にすることによって最適化することができる。図での明瞭性の目的で、制御システム４０１からの様々な弁、圧縮器、及び膨張器への必要な接続は示されていない。

【0048】

図５は、本発明の開示の別の態様による液化システム５００を示す概略図である。液化システム５００は、液化システム４００（図４）と類似しており、同様に描かれた又は付番された構成要素は、簡略化の目的でそれ以上説明されない場合がある。液化システム５００は、１次冷却ループ４０２と実質的に同一の１次冷却ループ５０２、及び過冷却ループ５０４を含む。過冷却ループ５０４は、膨張かつ過冷却された供給ガスストリーム５６１の一部分５７０が再循環されて過冷却冷媒ストリームとして使用される開冷凍ループである。具体的には、膨張かつ過冷却されたガスストリーム５６１の一部分５７０は、圧縮器５７２内で圧縮される前に主熱交換区域５２２内で過冷却熱交換器５２６及び１又は２以上の熱交換器を通して誘導され、冷却媒体との間接熱交換を通じて冷却器５７４内で冷却され、かつ供給ガスストリーム５０６の中に再挿入される。供給ガスストリーム５０６は、熱交換区域５２２内で熱交換器を通過し、そこでそれは、膨張かつ過冷却されたガスストリーム５６１の一部分及び１次冷却ループ５０２の第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリーム５２０との間接熱交換によって冷却される。膨張器５６０内で膨張した後に、過冷却冷媒ストリームとして使用されない過冷却供給ガスストリーム５６１の部分５７５は、以下に限定されないが、弁、制御弁、ジュールトンプソン弁、ベンチュリデバイス、液体膨張器、及び油圧タービンなどを含むあらゆる減圧デバイスとすることができる膨張器５７６内で更に膨張して冷却される。この時点でより低圧であって部分的に液化された過冷却ガスストリームは、液化分率５８２がＬＮＧストリーム５８４として工程から引き抜かれるサージタンク５８０に渡される。ＬＮＧストリーム５８４は、沸点圧力に対応する温度を有する。残りの蒸気分率（フラッシュ蒸気）ストリーム５８６は、圧縮器ユニットを駆動するための燃料として使用することができる。液化システム５００はまた、制御システム４０１（図４）と類似の機能を有する制御システム５０１を含む。

【0049】

図５の過冷却冷媒ストリームは、図示のように１つのストリームとすることができ、又は様々な圧力での複数のストリームを含むことができ、例えば、膨張過冷却冷媒ストリームのその５０％を超えない部分は、迂回され、１又は２以上の減圧弁を通過してその圧力が約３０から３００ｐｓｉａの範囲まで低減され、それによって１又は２以上の減圧ガスストリームを生成することができる。次に、減圧ガスストリームは、過冷却冷媒として第１の熱交換器ゾーンを通過することができる。複数のストリームを有することは、過冷却工程の効率を改善する。これに代えて、この過冷却ループは、閉冷凍ループであるように構成することができる。

【0050】

図５に示す本発明の開示の態様は、１次冷媒ストリームが、好ましい態様では主として又はほぼ全てがメタンである場合がある供給ガスストリームの一部を含むことができることを明らかにしている。実際に、図４の１次冷却ループ内の冷媒を少なくとも８５％のメタン、又は少なくとも９０％のメタン、又は少なくとも９５％のメタン、又は９５％よりも多いメタンで構成することは有利である場合がある。これは、メタンが本発明の開示の工程の様々な部分で容易に利用可能であるからであり、メタンの使用は、冷媒を遠隔ＬＮＧ処理場所に搬送する必要性を排除することができる。非限定例として、図４の１次冷却ループ４０２内の冷媒は、上述のように、組成を満足するのに供給ガスのメタンが十分に高い場合に供給ガスストリーム４０６から直接取ることができる。これに代えて、ＬＮＧ貯蔵タンク４６９からのボイル−オフガスストリーム４６９ａの一部又は全てを使用して１次冷却ループ４０２に対して冷媒を供給することができる。更に、供給ガスストリームの窒素が十分に低い場合に、エンドフラッシュガスストリーム４６８（これは、従って、窒素が低いと考えられる）の一部又は全てを使用して１次冷却ループ４０２に対して冷媒を供給することができる。最後に、供給ガスストリーム４０６、ボイル−オフガスストリーム４６９ａ、及びエンドフラッシュガスストリーム４６８のあらゆる組合せを使用して、１次冷却ループ４０２内の冷媒を提供する又は時々補充することさえ可能である。

【0051】

本発明の開示の態様は、天然ガスを液化するために２つのＴＥＣ、すなわち、高圧ＴＥＣ及び低圧ＴＥＣを高圧冷媒ストリームに直列に配置することができる方法を示している。天然ガスを液化するために高圧冷媒ストリームに直列に３又は４以上のＴＥＣを使用することは開示する態様の範囲である。

【0052】

図４及び図５に開示する冷却器は、空気又は水を含むあらゆるタイプの冷却媒体を使用することができる。明瞭化のために、様々な開示する冷却媒体は、「第１の冷却媒体」、「第２の冷却媒体」などとして表示することができ、本明細書に使用する冷却媒体のうちの１又は２以上は、これらがどのように表示れるかに関わらず、類似又は同一の組成を有することは理解される。

【0053】

図６は、天然ガスを含む供給ガスストリームを液化する方法６００のフローチャートである。ブロック６０２では、供給ガスストリームは、１，２００ｐｓｉａよりも低い圧力で与えられる。ブロック６０４では、圧縮冷媒ストリームには、１，５００ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しい圧力が与えられる。ブロック６０６では、圧縮冷媒ストリームは、冷却媒体との間接熱交換によって冷却され、それによって圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを生成する。ブロック６０８では、圧縮かつ冷却された冷媒ストリームは、圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却するように中間圧力まで第１の膨張器内で膨張し、それによって第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する。第１の膨張器は、第１の結合圧縮器に機械的に結合されて第１のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する。ブロック６１０では、第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームは、第２の膨張器内で膨張して第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する。第２の膨張器は、第２の結合圧縮器に機械的に結合されて第２のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する。ブロック６１２では、第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームは、１又は２以上の熱交換器を通過し、それによって暖かい冷媒ストリームを形成する。ブロック６１４では、供給ガスストリームは、１又は２以上の熱交換器を通過し、第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームとの間接熱交換によって供給ガスストリームの少なくとも一部を冷却し、それによって冷たい供給ガスストリームを形成する。ブロック６１６では、第２の結合圧縮器及び第１の駆動式圧縮器を使用して、暖かい冷媒ストリームは、中間圧力の３００ｐｓｉａ内の排出圧力まで圧縮され、それによって第１の圧縮冷媒ストリームを形成する。ブロック６１８では、第１の圧縮冷媒ストリームは、第１の結合圧縮器を使用して圧縮され、それによって第２の圧縮冷媒ストリームを形成する。ブロック６２０では、第２の圧縮冷媒ストリームは、圧縮されて圧縮冷媒ストリームを提供する。

【0054】

図７は、天然ガスを含む供給ガスストリームを液化する方法７００のフローチャートである。ブロック７０２では、供給ガスストリームは、１，２００ｐｓｉａよりも低い圧力で与えられる。ブロック７０４では、圧縮冷媒ストリームには、１，５００ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しい圧力が与えられる。ブロック７０６では、圧縮冷媒ストリームは、第１の冷却媒体との間接熱交換によって冷却され、それによって圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを生成する。ブロック７０８では、圧縮かつ冷却された冷媒ストリームは、中間圧力まで第１の膨張器内で膨張して圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する。第１の膨張器は、第１の結合圧縮器に機械的に結合されて第１のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する。ブロック７１０では、第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームは、第２の膨張器内で膨張して第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する。第２の膨張器は、第２の結合圧縮器に機械的に結合されて第２のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する。ブロック７１２では、第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームは、１又は２以上の熱交換器を通過し、それによって暖かい冷媒ストリームを形成する。ブロック７１４では、供給ガスストリームは、１又は２以上の熱交換器を通過し、第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームとの間接熱交換によって供給ガスストリームの少なくとも一部を冷却し、それによって冷たい供給ガスストリームを形成する。ブロック７１６では、冷たい供給ガスストリームは、過冷却ループを使用して更に冷却されて液体部分を有する過冷却供給ガスストリームを形成する。ブロック７１８では、第２の結合圧縮器及び第１の駆動式圧縮器を使用して、暖かい冷媒ストリームは、中間圧力の３００ｐｓｉａ内の排出圧力まで圧縮され、それによって第１の圧縮冷媒ストリームを形成する。ブロック７２０では、暖かい冷媒ストリームは、第２の結合圧縮器内で圧縮された後かつ第１の駆動式圧縮器内で圧縮される前に第２の冷却媒体との間接熱交換によって冷却される。ブロック７２２では、第１の圧縮冷媒ストリームは、第３の冷却媒体との熱交換を通じて冷却される。ブロック７２４では、第１の圧縮冷媒ストリームは、第１の結合圧縮器を使用して圧縮され、それによって第２の圧縮冷媒ストリームを形成する。ブロック７２６では、第２の圧縮冷媒ストリームは、第４の冷却媒体との熱交換を通じて冷却される。ブロック７２８では、第２の圧縮冷媒ストリームは、圧縮されて圧縮冷媒ストリームを提供する。

【0055】

図６及び７に示す段階は、例示的な目的で提供されるに過ぎず、特定の段階は、本発明の開示の方法を行うのに必要でない場合がある。更に、図６〜７は、行うことができる全ての段階を示さない場合がある。特許請求の範囲及び特許請求の範囲だけが、本発明に開示するシステム及び手法を定めるものである。

【0056】

本明細書に開示する態様は、公知の技術に勝るいくつかの利点を有する。例えば、上述の技術は、酸性天然ガスを処理するシステムのサイズ及びコストを大幅に低減することができる。

【0057】

本発明の開示の態様は、以下の付番段落に示す方法及びシステムのあらゆる組合せを含むことができる。これは、あらゆる数の変形を上記説明から想定することができるので、全ての可能な態様の完全なリストとして解釈されないものとする。
１．１，２００ｐｓｉａよりも低い圧力で供給ガスストリームを与える段階と、１，５００ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しい圧力を有する圧縮冷媒ストリームを与える段階と、冷却媒体との間接熱交換によって圧縮冷媒ストリームを冷却し、それによって圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを生成する段階と、圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを第１の膨張器内で中間圧力まで膨張させて圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する段階であって、第１の膨張器が第１の結合圧縮器に機械的に結合されて第１のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する上記生成する段階と、第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを第２の膨張器内で膨張させて第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する段階であって、第２の膨張器が第２の結合圧縮器に機械的に結合されて第２のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する上記生成する段階と、第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを１又は２以上の熱交換器に渡し、それによって暖かい冷媒ストリームを形成する段階と、１又は２以上の熱交換器を通して供給ガスストリームを通過させ、第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームとの間接熱交換によって供給ガスストリームの少なくとも一部を冷却し、それによって冷たい供給ガスストリームを形成する段階と、第２の結合圧縮器及び第１の駆動式圧縮器を使用して中間圧力の３００ｐｓｉ内の排出圧力まで暖かい冷媒ストリームを圧縮し、それによって第１の圧縮冷媒ストリームを形成する段階と、第１の結合圧縮器を使用して第１の圧縮冷媒ストリームを圧縮し、それによって第２の圧縮冷媒ストリームを形成する段階と、第２の圧縮冷媒ストリームを圧縮して圧縮冷媒ストリームを提供する段階とを含む天然ガスを含む供給ガスストリームを液化する方法。
２．往復エンジン、蒸気タービン、ガスタービン、及びモータのうちの少なくとも１つを使用して第１の駆動式圧縮器を駆動する段階を更に含む段落１の方法。
３．圧縮冷媒ストリームを冷却する段階が、冷却媒体との間接熱交換を通じて圧縮冷媒ストリームを冷却する段階を含む段落１又は段落２の方法。
４．圧縮冷媒ストリームを冷却する段階が、周囲条件よりも低い温度を有する冷却媒体との間接熱交換によって圧縮冷媒ストリームを冷却する段階を含む段落１〜３のいずれか１つの方法。
５．第２の結合圧縮器内で圧縮された後かつ第１の駆動式圧縮器内で圧縮される前に冷却媒体との間接熱交換によって暖かい冷媒ストリームを冷却する段階を更に含む段落１〜４のいずれか１つの方法。
６．第１の結合圧縮器内で圧縮される前に第１の圧縮冷媒ストリームを冷却する段階を更に含む段落１〜５のいずれか１つの方法。
７．圧縮されて圧縮冷媒ストリームを提供する前に冷却媒体との間接熱交換を通じて第２の圧縮冷媒ストリームを冷却する段階を更に含む段落１〜６のいずれか１つの方法。
８．圧縮冷媒ストリームが、約３，０００ｐｓｉａの圧力を有する段落１〜７のいずれか１つの方法。
９．中間圧力が、１，５００ｐｓｉａよりも低くかつ１，０００ｐｓｉａよりも高い段落１〜８のいずれか１つの方法。
１０．第２の圧縮冷媒ストリームを圧縮する段階が、第２の駆動式圧縮器を使用して達成される段落１〜９のいずれか１つの方法。
１１．往復エンジン、蒸気タービン、ガスタービン、及びモータのうちの少なくとも１つを使用して第２の駆動式圧縮器を駆動する段階を更に含む段落１０の方法。
１２．第１の駆動式圧縮器及び第２の駆動式圧縮器が、共通駆動機を共有する段落１０又は段落１１の方法。
１３．第１の駆動式圧縮器及び第２の駆動式圧縮器が、単一圧縮器ケーシング内である段落１０〜１２のいずれか１つの方法。
１４．過冷却ループを使用して冷たい供給ガスストリームを更に冷却して過冷却供給ガスストリームを形成する段階を更に含む段落１〜１３のいずれか１つの方法。
１５．５０ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しくかつ４５０ｐｓｉａよりも低いか又はそれに等しい圧力まで過冷却供給ガスストリームを膨張させて膨張かつ過冷却された供給ガスストリームを生成する段階を更に含む段落１４の方法。
１６．過冷却供給ガスストリームが油圧タービン内で膨張する段落１４又は段落１５の方法。
１７．過冷却ループが、窒素ガスが冷媒である閉ループ気相冷凍サイクルである段落１４〜１６のいずれか１つの方法。
１８．過冷却ループが、膨張かつ過冷却されたガスストリームの５０％を超えない部分を引き抜き、減圧弁内でその圧力を約３０から３００ｐｓｉａの範囲まで低減して１又は２以上の減圧ガスストリームを生成する段階と、１又は２以上の熱交換器を通して１又は２以上の減圧ガスストリームを過冷却冷媒ストリームとして通過させる段階とを含む段落１４の方法。
１９．１又は２以上の減圧ガスストリームが、互いに異なる圧力である段落１８の方法。
２０．１又は２以上の熱交換器を出る過冷却冷媒ストリームが、供給ガスストリームのものに近似する圧力まで圧縮され、過冷却冷媒ストリームを供給ガスストリームと混合する前に冷却媒体との間接熱交換によって冷却される段落１８又は段落１９の方法。
２１．膨張かつ過冷却されたガスストリームの少なくとも一部分が、更に膨張し、次に、そこから液体天然ガスが引き出されて残りのガス状蒸気がフラッシュガスストリームとして引き出される分離タンクに誘導される段落１５の方法。
２２．圧縮冷媒ストリームが、液体天然ガスのボイル−オフガスを含む段落２１の方法。
２３．圧縮器のうちの１又は２以上の排出圧力と膨張器のうちの１又は２以上の入口圧力とのうちの１又は２以上を調節し、それによって排出圧力と入口圧力の間の固定差圧を維持する段階を更に含む段落１〜２２のいずれか１つの方法。
２４．固定差圧が、圧縮器のうちの１又は２以上の圧縮器速度、膨張器のうちの１又は２以上の入口ガイドベーン、圧縮器のうちの１又は２以上の再循環弁、及び膨張器のうちの１又は２以上のバイパス弁のうちの１又は２以上を使用する制御アルゴリズムを通して取得される段落２３の方法。
２５．サイクル効率を最大にしながら推力耐荷一体性を保護する限界として膨張器推力耐荷温度を使用する段階を更に含む段落２３又は段落２４の方法。
２６．冷却媒体との間接熱交換によって圧縮冷媒ストリームを冷却し、それによって圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを生成するように構成され、圧縮冷媒ストリームが少なくとも１，５００ｐｓｉａの圧力で第１の熱交換器に提供される第１の熱交換器と、圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを中間圧力まで膨張して圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成するように構成された第１の膨張器と、第１の膨張器に機械的に結合されて第１のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する第１の結合圧縮器と、第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを膨張させて第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成するように構成された第２の膨張器と、第２の膨張器に機械的に結合されて第２のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する第２の結合圧縮器と、第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリーム及び供給ガスストリームがそれを通過して間接熱交換を通じてそこで熱を交換し、それによって暖かい冷媒ストリーム及び冷たい供給ガスストリームを形成することを許容するように配置された１又は２以上の熱交換器であって、供給ガスストリームが、天然ガスを含み、かつ１，２００ｐｓｉａよりも低い圧力で１又は２以上の熱交換器に供給される上記１又は２以上の熱交換器と、第２の結合圧縮器と共に中間圧力の３００ｐｓｉａ内の排出圧力まで暖かい冷媒ストリームを圧縮し、それによって第１の圧縮冷媒ストリームを形成するように構成された第１の駆動式圧縮器とを含み、第１の圧縮冷媒ストリームが、第１の結合圧縮器を使用して更に圧縮され、それによって第２の圧縮冷媒ストリームを形成し、第２の圧縮冷媒ストリームが、圧縮されて圧縮冷媒ストリームを提供する天然ガス液化システム。
２７．第１の駆動式圧縮器を駆動するように構成された駆動要素を更に含み、駆動要素が往復エンジン、蒸気タービン、ガスタービン、及びモータのうちの少なくとも１つを含む段落２６のシステム。
２８．冷却媒体との間接熱交換を通じて圧縮冷媒ストリームを冷却するように構成された第１の冷却器を更に含む段落２６又は段落２７のシステム。
２９．冷却媒体が、周囲条件よりも低い温度を有する段落２８のシステム。
３０．第２の結合圧縮器内で圧縮された後かつ第１の駆動式圧縮器内で圧縮される前に冷却媒体との間接熱交換によって暖かい冷媒ストリームを冷却するように構成された第２の冷却器と、第１の結合圧縮器で圧縮される前に第１の圧縮冷媒ストリームを冷却するように構成された第３の冷却器と、圧縮される前に冷却媒体との間接熱交換を通じて第２の圧縮冷媒ストリームを冷却し、それによって圧縮冷媒ストリームを提供するように構成された第４の冷却器とを更に含む段落２６〜２９のいずれか１つのシステム。
３１．圧縮冷媒ストリームが、約３，０００ｐｓｉａの圧力を有する段落２６〜３０のいずれか１つのシステム。
３２．中間圧力が、１，５００ｐｓｉａよりも低くかつ１，０００ｐｓｉａよりも高い段落２６〜３１のいずれか１つのシステム。
３３．第２の圧縮冷媒ストリームを圧縮するように構成された第２の駆動式圧縮器を更に含む段落２６〜３２のいずれか１つのシステム。
３４．第２の駆動式圧縮器を駆動するように構成された駆動要素を更に含み、駆動要素が、往復エンジン、蒸気タービン、ガスタービン、及びモータのうちの少なくとも１つを含む段落３３のシステム。
３５．第１の駆動式圧縮器及び第２の駆動式圧縮器が、共通駆動機を共有する段落３３又は段落３４のシステム。
３６．第１の駆動式圧縮器及び第２の駆動式圧縮器が、単一圧縮器ケーシング内である段落３２〜３４のいずれか１つのシステム。
３７．冷たい供給ガスストリームを更に冷却して過冷却供給ガスストリームを形成するように構成された過冷却ループを更に含む段落２６〜３３のいずれか１つのシステム。
３８．５０ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しくかつ４５０よりも低いか又はそれに等しい圧力まで過冷却供給ガスストリームを膨張させ、それによって膨張かつ過冷却された供給ガスストリームを提供するように構成された油圧タービンを更に含む段落３７のシステム。
３９．過冷却ループが、窒素ガスが冷媒である閉ループ気相冷凍サイクルである段落３７又は段落３８のシステム。
４０．１，２００ｐｓｉａよりも低い圧力で供給ガスストリームを与える段階と、圧縮冷媒ストリームに１，５００ｐｓｉａよりも高いか又はそれに等しい圧力を与える段階と、第１の冷却媒体との間接熱交換によって圧縮冷媒ストリームを冷却し、それによって圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを生成する段階と、圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを第１の膨張器内で中間圧力まで膨張させて圧縮かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する段階であって、第１の膨張器が、第１の結合圧縮器に機械的に結合されて第１のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する上記生成する段階と、第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを第２の膨張器内で膨張させて第１の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを更に冷却し、それによって第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを生成する段階であって、第２の膨張器が、第２の結合圧縮器に機械的に結合されて第２のターボ膨張器−圧縮器を互いに形成する上記生成する段階と、第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームを１又は２以上の熱交換器に渡し、それによって暖かい冷媒ストリームを形成する段階と、１又は２以上の熱交換器を通して供給ガスストリームを通過させ、第２の膨張かつ冷却された冷媒ストリームとの間接熱交換によって供給ガスストリームの少なくとも一部を冷却し、それによって冷たい供給ガスストリームを形成する段階と、過冷却ループを使用して冷たい供給ガスストリームを更に冷却して液体部分を有する過冷却供給ガスストリームを形成する段階と、第２の結合圧縮器及び第１の駆動式圧縮器を使用して暖かい冷媒ストリームを中間圧力の３００ｐｓｉａ内の排出圧力まで圧縮し、それによって第１の圧縮冷媒ストリームを形成する段階と、第２の結合圧縮器内で圧縮された後かつ第１の駆動式圧縮器内で圧縮される前に暖かい冷媒ストリームを第２の冷却媒体との間接熱交換によって冷却する段階と、第１の圧縮冷媒ストリームを第３の冷却媒体との熱交換を通じて冷却する段階と、第１の結合圧縮器を使用して第１の圧縮冷媒ストリームを圧縮し、それによって第２の圧縮冷媒ストリームを形成する段階と、第４の冷却媒体との熱交換を通じて第２の圧縮冷媒ストリームを冷却する段階と、第２の圧縮冷媒ストリームを圧縮して圧縮冷媒ストリームを提供する段階とを含む天然ガスを含む供給ガスストリームを液化する方法。
４１．第１の冷却媒体、第２の冷却媒体、第３の冷却媒体、及び第４の冷却媒体のうちの少なくとも１つが、空気又は水を含む段落４０の方法。

【0058】

本発明の開示の範囲から逸脱することなく上述の開示に対して多くの変形、修正、及び変更を行うことができることは理解しなければならない。従って、以上の説明は、本発明の開示の範囲を制限するものではない。むしろ、本発明の開示の範囲は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物によってのみ決定されるものとする。本発明の実施例での構造及び特徴はまた、互いに変更、再配置、置換、削除、複製、結合、又は追加することができるように考えられている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】