特許 7431302 １つの遠心圧縮機を含む圧縮トレインおよびＬＮＧプラント

(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】

(24)【登録日】2024-02-05

(45)【発行日】2024-02-14

(54)【発明の名称】１つの遠心圧縮機を含む圧縮トレインおよびＬＮＧプラント

(51)【国際特許分類】

   F04D 17/12 20060101AFI20240206BHJP

   F04D 25/16 20060101ALI20240206BHJP

   F04D 29/053 20060101ALI20240206BHJP

   F04D 29/42 20060101ALI20240206BHJP

【ＦＩ】

F04D17/12

F04D25/16

F04D29/053 A

F04D29/42 J

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2022165357

(22)【出願日】2022-10-14

(62)【分割の表示】P 2018003031の分割

【原出願日】2018-01-12

(65)【公開番号】P2022191411

(43)【公開日】2022-12-27

【審査請求日】2022-10-14

(31)【優先権主張番号】102017000007473

(32)【優先日】2017-01-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT

(73)【特許権者】

【識別番号】517029381

【氏名又は名称】ヌオーヴォ・ピニォーネ・テクノロジー・ソチエタ・レスポンサビリタ・リミタータ

【氏名又は名称原語表記】Ｎｕｏｖｏ Ｐｉｇｎｏｎｅ Ｔｅｃｎｏｌｏｇｉｅ Ｓ．Ｒ．Ｌ．

(74)【代理人】

【識別番号】110002871

【氏名又は名称】弁理士法人坂本国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】ジュゼッペ・ユーリスキ

(72)【発明者】

【氏名】アンジェロ・グリマルディ

(72)【発明者】

【氏名】ジュゼッペ・サッサネーリ

(72)【発明者】

【氏名】マルコ・フォルミッチーニ

(72)【発明者】

【氏名】アントニオ・クリスタロ

(72)【発明者】

【氏名】ダビデ・ベケルッチ

(72)【発明者】

【氏名】ダリオ・マティーナ

【審査官】岸 智章

(56)【参考文献】

【文献】特表２００８－５１８０４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２８１７４１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１６－５０３８５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０８０３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６０－０３４５９３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特表２０１５－５１８９４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／０４２６３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／１３２１９６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００２－００５０８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５４０９２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６３－０９２０９８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１４－２０６１３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１７７３３８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｄ １７／１２

Ｆ０４Ｄ ２５／１６

Ｆ０４Ｄ ２９／０５３

Ｆ０４Ｄ ２９／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

天然ガス液化プロセスのための圧縮トレインであって、
ドライバ機械と、
前記ドライバ機械によって回転駆動される単一の遠心圧縮機機械とを含み、
前記遠心圧縮機機械が、単一のケーシングと、当該ケーシングに収容された少なくとも２つの圧縮セクションと、前記少なくとも２つの圧縮セクションのうちの１つの圧縮セクションによって圧縮するための冷媒ガスを受け取るように構成された主入口と、前記少なくとも２つの圧縮セクションのうちの前記１つの圧縮セクションによって圧縮された前記冷媒ガスを前記遠心圧縮機機械から排出するように構成された補助出口と、前記少なくとも２つの圧縮セクションのうちの他の圧縮セクションでさらに圧縮するために、前記少なくとも２つの圧縮セクションのうちの前記１つの圧縮セクションによって圧縮されてその後外部で冷却された前記冷媒ガスを受け取るように構成された補助入口と、前記少なくとも２つの圧縮セクションのうちの前記他の圧縮セクションでさらに圧縮された前記冷媒ガスを前記遠心圧縮機機械から排出するように構成された主出口と、を備え、
前記遠心圧縮機機械は、吸入圧力から吐出圧力までの分子量が３０ｇ／ｍｏｌ未満の前記冷媒ガスを圧縮するように構成され、
前記主出口における吐出圧力と前記主入口における吸入圧力との比は、１０より高く、
前記少なくとも２つの圧縮セクションの各々の圧縮セクションが、複数の圧縮段を有し、
前記少なくとも２つの圧縮セクションの各前記圧縮セクションがインペラを有し、前記少なくとも２つの圧縮セクションの最も上流の圧縮セクションのインペラの直径が、前記少なくとも２つの圧縮セクションの少なくとも１つの他の圧縮セクションのインペラの直径よりも大きく、
前記少なくとも２つの圧縮セクションの前記最も上流の圧縮セクションの前記インペラが、開放型のインペラであり、前記少なくとも２つの圧縮セクションの前記少なくとも１つの他の圧縮セクションの前記インペラが、閉鎖型のインペラであり、
前記少なくとも２つの圧縮セクションにおける全ての前記インペラが、積み重ねられてロータを形成する、圧縮トレイン。

【請求項2】

前記ドライバ機械および前記遠心圧縮機機械が、互いに機械的に直接接続される、請求項１に記載の圧縮トレイン。

【請求項3】

前記ドライバ機械および前記遠心圧縮機機械が、ギアボックスによって互いに接続される、請求項１に記載の圧縮トレイン。

【請求項4】

前記遠心圧縮機機械が、バレル型のものであり、前記少なくとも２つの圧縮セクションが、前記ケーシングに着脱可能に挿入される共通のバンドルに配置される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧縮トレイン。

【請求項5】

前記遠心圧縮機機械が、前記少なくとも２つの圧縮セクションの各々の前記圧縮セクションの入口および出口を含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧縮トレイン。

【請求項6】

２つの前記圧縮セクションが前記ケーシングに収容され、前記２つの前記圧縮セクションは、前記主入口および前記補助出口に流体接続される第１のセクションと、前記補助入口および前記主出口に流体接続される第２のセクションと、を含み、前記補助出口は前記補助入口と直接的または間接的に流体接続される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧縮トレイン。

【請求項7】

前記ドライバ機械が、一軸ガスタービンもしくは多軸ガスタービン、または電気モータである、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧縮トレイン。

【請求項8】

前記冷媒ガスが、混合冷媒であり、前記天然ガス液化プロセスが、ＡＰ－Ｃ３ＭＲ（登録商標）型のものである、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧縮トレイン。

【請求項9】

前記冷媒ガスが、エチレンまたはメタンであり、前記天然ガス液化プロセスが、カスケード型のものである、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧縮トレイン。

【請求項10】

前記冷媒ガスが、前記補助出口と前記補助入口との間の流路に配置されたインタークーラを通過する、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の圧縮トレイン。

【請求項11】

前記少なくとも２つの圧縮セクションのうち前記最も上流の圧縮セクションのインペラの平均直径が、前記少なくとも２つの圧縮セクションの前記少なくとも１つの他の圧縮セクションのインペラの平均直径の１．２倍よりも大きい、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の圧縮トレイン。

【請求項12】

前記少なくとも２つの圧縮セクションのうち前記最も上流の圧縮セクションの全ての前記インペラの直径が等しく、前記少なくとも２つの圧縮セクションの前記少なくとも１つの他の圧縮セクションにおいて、上流から下流に向かって前記インペラの直径が徐々に減少する、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の圧縮トレイン。

【請求項13】

前記少なくとも２つの圧縮セクションにおける隣接する前記インペラが、ハース継手によって互いに結合される、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の圧縮トレイン。

【請求項14】

前記少なくとも２つの圧縮セクションの各々の圧縮セクションにおける前記インペラの周辺マッハ数が、１より小さい、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の圧縮トレイン。

【請求項15】

少なくとも１つの前記インペラが、３００ｍ／ｓを超える周速を有する、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の圧縮トレイン。

【請求項16】

前記少なくとも２つの圧縮セクションにおける隣り合う圧縮セクションの間に、ラビリンスまたはアブレイダブルシールが設けられ、前記ラビリンスまたはアブレイダブルシールの軸方向長さが、前記少なくとも２つの圧縮セクションにおける前記隣り合う圧縮セクションの各々の前記インペラの平均直径の３０％～４０％である、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の圧縮トレイン。

【請求項17】

前記遠心圧縮機機械が、前記少なくとも２つの圧縮セクションの各々の前記圧縮セクションの入口及び出口を有し、当該入口と当該出口がそれぞれ口部を画成し、前記ケーシングが、前記少なくとも２つの圧縮セクションの各々の前記入口と前記出口の前記口部の周りの前記ケーシングの厚さよりも小さい平均厚さを有する、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の圧縮トレイン。

【請求項18】

請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の１つまたは複数の圧縮トレインを含む、ＬＮＧプラント。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示される主題の実施形態は、単一の遠心圧縮機を含む圧縮トレイン、および前記圧縮トレインを含むＬＮＧ（＝液化天然ガス）プラントに対応する。

【背景技術】

【0002】

「石油およびガス」の分野、すなわち石油および／またはガスの探査、生産、貯蔵、精製および分配のための機械およびプラントにおいて、改善された解決策が常に求められている。

【0003】

改善は、たとえば、機械の構造および／または動作、機械の接続、または機械の組合せ（たとえば、機械列）から派生し得る。

【0004】

改善は、たとえば、効率の増加および／または損失の減少、生産の増加および／または廃棄物の減少、機能の増加、コストの削減、サイズおよび／またはフットプリントの縮小を含み得る。

【0005】

大規模なＬＮＧプラントのためのいくつかの液化プロセスが、当該技術分野で知られている：
Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ＆Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．が設計したＡＰ－Ｃ３ＭＲ（登録商標）（ＡＰＣＩ）；
ＣｏｎｏｃｏＰｈｉｌｌｉｐｓが設計したカスケード；
Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ＆Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．が設計したＡＰ－Ｘ（登録商標）（ＡＰＣＩ）；
シェルのＤＭＲ（＝二重混合冷媒）；
ＳＭＲ（単一混合冷媒）；
Ｌｉｎｄｅが設計したＭＦＣ（登録商標）（混合流体カスケード）；
Ｂｌａｃｋ＆Ｖｅａｔｃｈが設計したＰＲＩＣＯ（登録商標）（ＳＭＲ）；
Ａｉｒ Ｌｉｑｕｉｄｅが設計したＬｉｑｕｅｆｉｎ（登録商標）。

【0006】

これらの既知のプロセスは、プロセスの点ですでに最適化されているが、特に、ＬＮＧプラントで使用される機械の数および／または機械のフットプリントの点で改善が求められている。

【0007】

ＡＰ－Ｃ３ＭＲ（登録商標）（「Ｃ３ＭＲ」とも呼ばれる）プロセスは、純冷媒（「Ｃ３」）、すなわちプロパン、ならびに混合冷媒（「ＭＲ」）、すなわち典型的にはプロパン、エチレン、およびメタンの混合物を使用する；このプロセスは、２サイクル液化技術：（１つの）純冷媒および（１つの）混合冷媒である。

【0008】

図１は、Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ＆Ｃｈｅｍｉｃａｌｓが設計したＡＰ－Ｃ３ＭＲ（登録商標）（以下、単に「Ｃ３ＭＲ」と呼ぶ）によるＬＮＧプラントの概略図を示す。Ｃ３ＭＲは、広く普及したＬＮＧプロセスである。Ｃ３ＭＲプロセスは、２つの冷凍サイクル：天然ガスを冷却するプロパン－冷凍（Ｃ３）サイクル、および天然ガスストリームを液化する混合冷媒（ＭＲ）サイクルからなる。

【0009】

プロパン冷凍サイクルでは、プロパンは、ドライバ１０５によって駆動される単一の圧縮機１０６で圧縮される。

【0010】

圧縮されたプロパンは、クーラ１１１で冷却され、次いでライン１１３を介して、熱交換器１０７を通過して天然ガスおよび混合冷媒ストリームからの熱を吸収する。熱交換器１０７の前に、圧縮されたプロパンの膨張が起こる。

【0011】

混合冷媒サイクルでは、混合冷媒は、直列に配置され、ドライバ１０４によって回転駆動される３つの圧縮機１０３，１０２，１０１を含む圧縮トレイン１００を通って圧縮される。プロパンサイクルのドライバ１０５は、時折、混合冷媒サイクルの３つの圧縮機の１つを駆動するように構成することができる。

【0012】

圧縮された混合冷媒は、クーラ１１０で冷却され、次いでライン１１４を介して熱交換器１０７を通過し、予冷される。熱交換器１０７の前に、圧縮されたプロパンの膨張が起こる。

【0013】

低圧の暖かい主液化混合冷媒は、一連の中間冷却圧縮機１０３，１０２，１０１に送ることができ、圧縮機１０３で最初に圧縮され、インタークーラ１１５で冷却され、圧縮機１０２でさらに圧縮され、インタークーラ１０９で冷却され、圧縮機１０１でさらに圧縮された後、アフタークーラ１１０でさらに冷却されて高圧流体となる。

【0014】

冷却された高圧混合冷媒ストリームは、熱交換器１０７を使用して予冷することができ、予冷されたストリームとなる。予冷されたストリームは、セパレータ１１２で軽質の冷媒ストリームと重質の冷媒ストリームとに分離され得る。次に、軽質の冷媒ストリームを凝縮させ、主液化熱交換器１０８で過冷却することができる。重質の冷媒液体ストリームもまた、主液化熱交換器１０８で過冷却することができる。

【0015】

予冷された天然ガスのストリームは、次いでプラントの極低温セクションに、したがって主液化熱交換器１０８に送られ、蒸気ストリームを完全に凝縮して過冷却し、ＬＮＧ生成物ストリームを形成する。

【0016】

ＣｏｎｏｃｏＰｈｉｌｌｉｐｓが設計したカスケード（以下、単に「カスケード」と呼ぶ）プロセスは、３つの純冷媒、すなわち典型的にはプロパン、エチレンまたはエタン、およびメタンを使用する；このプロセスは、３サイクルの（３つの）純冷媒の液化技術である。

【0017】

「純冷媒」という表現は、実際には、冷媒中の１つの物質が優勢（たとえば、少なくとも９０％または９５％または９８％）であることを意味することに留意されたい；物質は、化学化合物（たとえば、プロパン、エタン、エチレン、メタン）であってもよい。

【0018】

図３は、カスケードプロセスによるＬＮＧプラントの概略図を示す。カスケードプロセスは、Ｃ３ＭＲと同様に、広く普及している。

【0019】

カスケードプロセスは、３つの冷凍サイクル：天然ガスストリームを予冷するプロパン冷凍サイクル、予冷された天然ガスストリームを冷却するエチレン冷凍サイクル、および冷却された天然ガスストリームを液化するメタン冷凍サイクルからなる。

【0020】

プロパン冷凍サイクルでは、プロパンは、２つの圧縮機３１２，３１３と、圧縮機を駆動するように構成されたドライバ３０６とを含む圧縮トレイン３０３によって圧縮される。

【0021】

圧縮されたプロパンは、クーラ３１６で冷却され、次いで熱交換器３１７を通過して、天然ガス、エチレンおよびメタンストリームからの熱を吸収する。熱交換器３１７の前に、圧縮されたプロパンの膨張が起こる。

【0022】

エチレン冷凍サイクルでは、エチレンは、２つの圧縮機３１０，３１１と、圧縮機を駆動するように構成されたドライバ３０５とを含む圧縮トレイン３０２によって圧縮される。

【0023】

圧縮されたエチレンは、クーラ３１５および熱交換器３１７で冷却される。次いで、熱交換器３１８を通過して、天然ガスおよびメタンストリームからの熱を吸収する。熱交換器３１８の前に、圧縮されたエチレンの膨張が起こる。

【0024】

熱交換器３１８は、セパレータ３２０で天然ガスの重質成分から分離された天然ガスの蒸気を冷却するために使用することもできる。重質成分は、液化天然ガスとは異なる液化した天然ガスを形成する。

【0025】

メタン冷凍サイクルでは、メタンは、３つの圧縮機３０７，３０８，３０９と、圧縮機を駆動するように構成されたドライバ３０４とを含む圧縮トレイン３０１によって圧縮される。

【0026】

圧縮されたメタンは、クーラ３１４および熱交換器３１７，３１８で冷却される。次いで、熱交換器３１９を通過して液化天然ガスを形成する。熱交換器３１９の前に、圧縮されたメタンの膨張が起こる。

【0027】

圧縮機の分野では、圧縮比は同じ境界条件下でのプロセスガスの分子量に比例することが一般に知られている。

【0028】

ガスが軽いほど、単一のケーシングで圧縮することが困難となり、高圧縮比を達成するためには複数の圧縮機が必要である。この問題は、混合冷媒、エチレンおよびメタンを用いるＣ３ＭＲとカスケードプロセスの両方でそれぞれ発生する。

【0029】

現状技術水準では、中規模～大規模のＬＮＧプラントにおいて高圧縮比で軽質ガスを圧縮することができる機械を有する圧縮トレインは知られていない。

【0030】

特に、単一のケーシングで、したがって２つ以上の代わりに単一の圧縮機を使用して軽質冷媒ガスを高圧縮比で圧縮することができる機械が依然として求められている。

【0031】

ＬＮＧにおいては、これらのガスの低い分子量のために、混合冷媒、エチレン、またはメタンのような軽質ガスを２つ以上の圧縮機機械で圧縮することが一般に知られている。したがって、処理されるガスの分子量が小さい場合、ＬＮＧ圧縮トレインは一般にコンパクトではない。

【発明の概要】

【0032】

従来技術の上記の欠点は、圧縮トレインおよびＬＮＧプラントに関する本発明の第１および第２の範囲によってここで克服される。

【0033】

天然ガス液化プロセスのための圧縮トレインは、ドライバ機械と、前記ドライバ機械によって回転駆動される１つのみの遠心圧縮機機械とを含むことができる。前記圧縮機は、吸入圧力から吐出圧力までの分子量が３０ｇ／ｍｏｌ未満の冷媒ガスを圧縮するように構成することができる。吐出圧力と吸入圧力との間の比は、１０より高く、好ましくは１２より高く、より好ましくは１５より高くすることができる。

【0034】

ＬＮＧプラントは、本発明による１つまたは複数の圧縮トレインを含むことができる。

【0035】

特徴および実施形態が、本明細書で以下に開示されており、添付の特許請求の範囲においてさらに説明されている。添付の特許請求の範囲は、本明細書の必須の部分を形成する。上記の簡単な説明は、以下の詳細な説明をより深く理解できることを目的とし、さらに当該技術分野に対する本発明の寄与をより評価できるようにするために、本発明の種々の実施形態の特徴を記載している。もちろん本発明には他にも特徴があり、他の特徴は以下に説明され、添付の特許請求の範囲に記載される。この点で、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の実施形態が、それらの応用において、以下の説明に記載され、あるいは図面に示される構成の詳細および構成要素の配置に制限されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態も可能であり、様々な方法で実施および実行することができる。また、本明細書で用いられる表現および用語は説明を目的とするものであり、限定とみなされるべきではないことを理解されたい。

【0036】

そのようなものとして、当業者であれば、本開示の基となる概念が、本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造、方法、および／またはシステムを設計するための基礎として容易に利用することができることを理解するであろう。したがって、本発明の趣旨および範囲から逸脱しない限り、特許請求の範囲はこのような均等な構造を含むものとみなされるということが重要である。

【0037】

本発明の開示された実施形態、および本発明の多くの付随する利点のより全面的な理解は、添付の図面と結び付けて検討される際、以下の詳細な説明を参照することにより、これらがよりよく理解される場合に容易に得られる。

【図面の簡単な説明】

【0038】

【図1】ＡＰ－Ｃ３ＭＲ（登録商標）プロセスによる従来技術のＬＮＧプラントの概略図である。

【図2】本発明の第１の実施形態によるＬＮＧプラントの概略図である。

【図3】カスケードプロセスによる従来技術のＬＮＧプラントの概略図である。

【図4】本発明の第２の実施形態によるＬＮＧプラントの概略図である。

【図5】本発明による高圧縮比の圧縮機の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0039】

以下の例示的な実施形態の説明は、添付の図面を参照する。

【0040】

以下の説明は、本発明を限定するものではない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。

【0041】

明細書全体にわたって、「一実施形態」または「ある実施形態」に対する言及は、実施形態に関連して説明する特定の特徴、構造、または特性が開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、明細書全体にわたって様々な箇所に現れる「一実施形態では」または「ある実施形態では」という句は、必ずしも同じ実施形態を指すとは限らない。さらに、特定の特徴、構造または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせられてもよい。

【0042】

以下（およびその数学的意味に従って）、用語「セット」は、１つまたは複数のアイテムのグループを意味する。

【0043】

図２を参照すると、前述のように、圧縮トレインの第１の実施形態を含むＣ３ＭＲプロセスによるＬＮＧプラントが示されている。

【0044】

プロパン冷凍サイクルでは、プロパンは、ドライバ２０５によって駆動される単一の圧縮機２０６で圧縮される。ドライバ２０５は、電気モータまたはガスタービンとすることができる。

【0045】

圧縮されたプロパンは、クーラ２１１で冷却され、次いでライン２１３を介して、熱交換器２０７を通過して天然ガスおよび混合冷媒ストリームからの熱を吸収する。熱交換器２０７の前に、好ましくはジュールトムソン弁（図示せず）により、圧縮されたプロパンの膨張が起こる。

【0046】

混合冷媒サイクルでは、混合冷媒は、単一の圧縮機２０１を含む圧縮トレイン２００、およびドライバ機械２０４によって圧縮される。ドライバ機械２０４は、電気モータまたはガスタービンとすることができる。

【0047】

ドライバ機械２０４は、単一の圧縮機２０１に直接結合することができる。

【0048】

特定の実施形態では、圧縮トレイン２００は、ドライバ機械２０４と単一の圧縮機２０１との間に配置され、ドライバ機械２０４の回転速度を増加させるように構成されたギアボックス（図示せず）を含むこともできる。ギアボックスは、ドライバ機械２０４に機械的に結合された入力シャフトと、単一の圧縮機２０１、具体的には圧縮機シャフトに機械的に結合された出力シャフトとを含むことができる。

【0049】

単一の圧縮機２０１で圧縮された後、圧縮された混合冷媒は、クーラ２１０で冷却され、次いでライン２１４を介して熱交換器２０７を通過し、予冷される。熱交換器２０７の前に、好ましくはジュールトムソン弁（図示せず）により、圧縮されたプロパンの膨張が起こる。

【0050】

単一の圧縮機２０１は、インタークーラ２０２，２０３を介して中間冷却され、高圧の混合冷媒を出力することができる。

【0051】

Ｃ３ＭＲプロセスによって要求される所要の圧縮比を得るために、以下の説明を読むときにより明確に理解されるように、特定のタイプの単一の圧縮機が使用される。

【0052】

冷却された高圧混合冷媒ストリームは、次いで熱交換器２０７を使用して予冷され、予冷されたストリームとなる。予冷されたストリームは、セパレータ２１２で軽質の冷媒ストリームと重質の冷媒ストリームとに分離され得る。次に、軽質の冷媒を凝縮させ、主液化熱交換器２０８で過冷却することができる。重質の冷媒液体ストリームもまた、主液化熱交換器２０８で過冷却することができる。

【0053】

予冷された天然ガスのストリームは、次いでプラントの極低温セクションに、したがって主液化熱交換器２０８に送られ、蒸気ストリームを完全に凝縮して過冷却し、ＬＮＧ生成物ストリームを形成する。

【0054】

Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ＆Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｉｎｃ．が設計した周知のＳｐｌｉｔＭＲ（登録商標）配置によれば、プロパンの圧縮トレインは、混合冷媒の３つの圧縮機の１つを含むことができる。好ましい実施形態では、既存のＳｐｌｉｔＭＲ（登録商標）ＬＮＧプラントの改訂方法が提供され、混合冷媒は、本発明による圧縮トレインによって圧縮され、プロパンの圧縮トレインは、ドライバと、プロパンを圧縮するように構成された圧縮機と、ドライバによって生成された利用可能な余剰出力を電力に変換するように構成された発電機とを含むことができる。

【0055】

図４を参照すると、前述のように、本発明のさらなる実施形態による圧縮トレインを含むカスケードプロセスによるＬＮＧプラントが示されている。

【0056】

プロパン冷凍サイクルでは、プロパンは、２つの圧縮機４１０，４１１と、圧縮機を駆動するように構成されたドライバ４０６とを含む圧縮トレイン４０３によって圧縮される。ドライバ４０６は、電気モータまたはガスタービンとすることができる。

【0057】

圧縮されたプロパンは、クーラ４１４で冷却され、次いで第１の熱交換器４１５を通過して、天然ガス、エチレンおよびメタンストリームからの熱を吸収する。熱交換器４１５の前に、好ましくはジュールトムソン弁（図示せず）により、圧縮されたプロパンの膨張が起こる。

【0058】

エチレン冷凍サイクルでは、エチレンは、第１の単一の圧縮機４０９と、単一の圧縮機４０９を回転駆動するように構成された第１のドライバ機械４０５とを含む第１の圧縮トレイン４０２によって圧縮される。ドライバ機械４０５は、電気モータまたはガスタービンとすることができる。

【0059】

ドライバ機械４０５は、直接接続により第１の圧縮機４０９に直接接続される。直接接続は、特定の動作コンテキストに応じて、可撓性または剛性のタイプとすることができる。

【0060】

圧縮されたエチレンは、クーラ４１３および第１の熱交換器４１５で冷却される。次いで、エチレンストリームは、第２の熱交換器４１６を通過して、天然ガスおよびメタンストリームからの熱を吸収する。第２の熱交換器４１６の前に、好ましくはジュールトムソン弁（図示せず）により、圧縮されたエチレンの膨張が起こる。

【0061】

第２の熱交換器４１６は、セパレータ４１８で天然ガスの重質成分から分離された天然ガスの蒸気を冷却するために使用することもできる。重質成分は、液化した天然ガスを形成する。

【0062】

メタン冷凍サイクルでは、メタンは、第２の単一の圧縮機４０８と、第２の単一の圧縮機４０８を回転駆動するように構成された第２のドライバ機械４０４とを含む第２の圧縮トレイン４０１によって圧縮される。第２のドライバ機械４０４は、電気モータまたはガスタービンとすることができる。

【0063】

第２のドライバ機械４０４および第２の単一の圧縮機４０８は、第２のドライバ機械４０４の回転速度を増加させるように構成されたギアボックス４０７によって機械的に接続される。ギアボックス４０７は、第２のドライバ機械４０４に機械的に結合された入力シャフトと、第２の単一の圧縮機４０８のシャフトに機械的に結合された出力シャフトとを含むことができる。

【0064】

圧縮されたメタンは、クーラ４１２ならびに第１および第２の熱交換器４１５，４１６で冷却される。次いで、メタンは第３の熱交換器４１７を通過して、冷却された天然ガスからの熱を吸収する。このようにして、天然ガスのストリームは完全に凝縮され、ＬＮＧ生成物ストリームが得られる。熱交換器４１７の前に、圧縮されたメタンの膨張が起こる。

【0065】

第１および第２の実施形態を参照すると、前記圧縮トレイン２００、第１の圧縮トレイン４０２および第２の圧縮トレイン４０１の圧縮機は、以下に説明されるタイプのものであり得る。

【0066】

図５をさらに参照すると、遠心圧縮機５００は、主入口５１９の吸入圧力から主出口５２０の吐出圧力までの冷媒ガスを圧縮する。圧縮機５００は、前記吐出圧力と吸入圧力との間の比が１０より高い、好ましくは１２より高い、より好ましくは１５より高い冷媒ガスを圧縮するように構成される。本発明において、用語「高圧縮比」は、上記のような出口圧力と入口圧力との間の比を意味する。

【0067】

Ｃ３ＭＲおよびカスケードプロセスで必要とされる圧縮比は、特に軽質ガス冷媒を圧縮する単一の圧縮機によって行われる場合に、高圧縮比とみなされる。

【0068】

したがって、圧縮機５００は、３０ｇ／ｍｏｌ未満の分子量を有する冷媒ガスを圧縮するように構成される。

【0069】

本発明において、用語「軽質冷媒」、「軽質ガス」、「低分子量ガス」は、すべての冷媒ガス、したがって３０ｇ／ｍｏｌ未満の分子量を有する冷凍プロセスで使用されるすべてのガスを指す。

【0070】

圧縮機５００は、遠心圧縮機であり、高圧縮比で軽質冷媒を圧縮するために、２つまたは３つ、さらには４つの圧縮セクションを含むことができる。各圧縮セクションは、１つまたは複数の圧縮段を含むことができる。各圧縮段は、遠心インペラと、ディフューザと、リターンチャネルとを含むことができる。ディフューザおよび／またはリターンチャネルは、圧縮機の固定部分の一部であり、ベーンを含むことができる。すべてのインペラは、共に接続されてロータを形成する。

【0071】

ロータの一部は、シャフト５３１とすることができる。あるいは、シャフト５３１は、ロータにしっかりと接続することができる。シャフト５３１は、ドライバ機械（図５には図示せず）に機械的に接続される。

【0072】

各圧縮セクションは、それぞれの入口および出口を有する。したがって、圧縮機は、２つ以上の入口、１つの主入口および１つまたは複数の補助入口と、２つ以上の出口、１つの主出口および１つまたは複数の補助出口とを含むことができる。図５を参照すると、直列に配置された２つの圧縮セクション５２３，５２４を有する圧縮機５００が示されている。第１の圧縮セクションは、入口５１９および出口５２１と、各々がインペラ５０７，５０８を含む２つの圧縮段５２５，５２６とを含む。第２の圧縮セクションは、入口５２２および出口５２０と、各々が１つのインペラ５０９，５１０，５１１を含む３つの圧縮段５２７，５２８，５２９とを含む。冷媒ガスは、主入口５１９を通って入り（矢印５０２）、第１の圧縮セクション５２３によって圧縮され、補助出口５２１から出る（矢印５０４）。中間冷却ステップの後、圧縮されて冷却された冷媒ガスは、補助入口５２２を通って圧縮機に再び入る。冷媒ガスは、次いで第２の圧縮セクション５２４で圧縮され、主出口５２０を通って最終的に出る。

【0073】

各圧縮セクションは、特定の条件下で、たとえば中間冷却ステージの間の特定の入口圧力から特定の出口圧力までの冷媒ガスを圧縮するように構成される。

【0074】

補助入口および／または補助出口は、圧縮機により順応性を持たせることができ、圧縮機が使用されるプロセスに機械の動作条件を適合させることができる。たとえば、補助入口および補助出口は、圧縮機から作動流体を抽出し、再噴射する前にそれを冷却するために使用されてもよい。

【0075】

たとえば、図４を参照すると、エチレン圧縮機、したがって第１の圧縮トレイン４０２の第１の単一の圧縮機４０９は、図５の圧縮機５００と同様の２つの入口ストリームを含む。第１の圧縮セクションの出口５０４と第２の圧縮セクションの入口５０３との間で、冷媒ガスは中間冷却される（中間冷却は示されていない）。

【0076】

各圧縮セクションは、圧縮の観点から、図３の符号３１０および３１１と同様の独立した圧縮機に類似する。１つの重要な技術的違いは、すべての圧縮セクションが単一のケーシングを有する共通の圧縮機機械に配置されることである。

【0077】

遠心圧縮機５００のすべての圧縮セクション５２３，５２４は、単一の共通のケーシング５３０に着脱可能に挿入されるように構成される共通のバンドル５０１に配置される。ロータおよび固定部分は、カートリッジと同様に、ケーシング５３０自体のケーシング５３０の一方の端部を介して可逆的に軸方向に挿入されるように構成される円筒状のバンドルに共に組み立てられる。ドライバ機械に対する圧縮機の反対側には、通常、障害物がないので、メンテナンス作業のためのバンドルの取り出しが容易になる。

【0078】

圧縮セクションの出口は、下流に配置された圧縮セクションの入口に直接的または間接的に流体結合される。

【0079】

すべての圧縮セクションは、同じタイプの冷媒ガスを圧縮するように配置される。

【0080】

図５の圧縮機の場合のように、圧縮セクションが２つの場合、第１の圧縮セクション５２３の出口５２１は、より下流の圧縮セクション、したがって第２の圧縮セクション５２４の入口５２２に流体接続される。

【0081】

後続の圧縮セクションの入口および出口は、中間冷却セクションを介して流体接続することができ、より上流のセクションで圧縮された冷媒ガスは、冷却されて後続のセクションに再導入される。

【0082】

圧縮セクションが２つではなく３つの場合、同じ概念が適用される。したがって、第３のセクションが第２のセクションの下流に配置されると、第２のセクションは第１のセクションの下流に配置され、第１のセクションの出口は第２の圧縮セクションの入口に直接的または間接的に流体接続され、第２のセクションの出口は第３のセクションの入口に直接的または間接的に流体接続される。

【0083】

少なくとも１つの圧縮セクションを、連続して配置することができる。この場合、２つの隣り合うセクションの出口は、互いに隣接して配置される。

【0084】

隣り合う圧縮セクションは、あるセクションから他のセクションへの漏れを制限するために、ラビリンスまたはアブレイダブルシールによって分離することができる。

【0085】

特に、これらのシールの軸方向長さは、前記隣り合う圧縮セクションのインペラの平均直径の３０％～４０％、好ましくは約３５％とすることができる。この値の範囲は、漏れが非常に少なくなることを保証する。

【0086】

圧縮機５００のロータは、前述のように複数の圧縮セクションに配置された複数のインペラを含み、インペラは、一定のまたは減少していく直径を有し、最後のインペラは、常に第１のインペラより小さい。たとえば、第１のインペラ５０７は、第２のインペラ５０８の直径に等しい直径を有することができ、第２のインペラ５０８は、第３のインペラ５０９の直径より大きい直径を有し、第３、第４および第５のインペラ５０９，５１０，５１１の直径は、徐々に減少する。

【0087】

すべてのインペラを積み重ねて、ロータを形成することができる。共通のタイロッド５０６は、すべてのインペラ５０７，５０８，５０９，５１０，５１１を共にグループ化した状態に維持するように配置および構成することができる。隣り合うインペラの相互のずれは、Ｈｉｒｔｈ接続５１２，５１３，５１４，５１５によって回避される。インペラの反対側の軸方向端部は、Ｈｉｒｔｈ継手を含む。積み重ねられ結合されたインペラは、タイロッドによって共に締結される。このようにして、非常に安定した信頼性のある機械的接続が達成される。タイロッドは、インペラを圧縮するために軸方向に予め組み込むことができる。各インペラ５０７，５０８，５０９，５１０，５１１は、その回転軸に貫通孔を有することができ、タイロッドが通過することができるように構成することができる。

【0088】

本発明の遠心圧縮機のインペラは、１，１より小さい、好ましくは１より小さい、したがって音速以下の周辺マッハ数を有するように構成される。

【0089】

マッハ数（Ｍａ）は、通常、次の式で計算される：

【0090】

【数1】

【0091】

ここで、ＲＰＭはインペラの毎分回転数、π＝３，１４１５９、Ｔｉｐ Ｄｉａｍｅｔｅｒは先端のインペラの直径、Ｃ＝理想気体の状態方程式を用いて次の式で計算することができる音速である：

【0092】

【数2】

【0093】

ここで、γは低分子量ガスの断熱指数、Ｒはユニバーサルガス定数（８．３１４Ｊ／Ｍｏｌ Ｋ）、Ｚは圧縮係数、Ｔは圧縮機内の任意の点における低分子量ガスの温度、ＭＷは低分子量ガスの分子量である。

【0094】

音速（Ｃ）は、流体の分子量の平方根に反比例して変化する。したがって、より低分子量の冷媒は、高い音速を生じる。

【0095】

本発明の遠心圧縮機は、Ｃ３ＭＲプロセスの混合冷媒、またはカスケードプロセスのエチレンおよびメタンのような低分子量ガスを単一のケーシングで処理するように構成され、Ｃ３ＭＲの混合冷媒は、約２６ｇｒ／ｍｏｌの分子量を有し、エチレンは、２８ｇｒ／ｍｏｌの分子量を有し、メタンは、１６ｇｒ／ｍｏｌの分子量を有する。

【0096】

本発明の圧縮機は、処理された冷媒ガスの分子量が３０ｇ／ｍｏｌ未満である、好ましくは３．６００～８．０００ｒｐｍの高い回転速度まで回転するように構成される。これらの特徴により、インペラを亜音速動作状態に維持することが可能になる。

【0097】

遠心圧縮機のインペラの少なくとも１つは、３００ｍ／ｓを超える、好ましくは３８０ｍ／ｓを超える周速を有する。

【0098】

好ましくは、最も上流のインペラは、シュラウドを有さない開放型のものでもよい。反対に、他のインペラ、したがって第１のグループの開放インペラの下流に配置されたインペラは、シュラウド５１６，５１７，５１８を含むことができる。

【0099】

最も上流のインペラは、他のインペラと比較して高い周速を有し、その結果より大きい直径を有する。このため、最も上流のインペラは、機械的ストレスを避けるためにシュラウドが付いていなくてもよい。最初の２つのインペラの平均直径は、他のインペラの平均直径の１，２倍より大きくすることができる。シュラウドが付いていないインペラは、シュラウドがないため、シュラウドが付いているインペラより速く回転することができ、実際には、インペラが回転すると、シュラウドは作用する遠心力によって外側に引っ張られ、一定の回転速度でシュラウドがインペラを引き抜く危険性がある。

【0100】

上記で定義した圧縮機のロータ構成により、インペラは従来の遠心圧縮機より速く回転することができ、したがってより大きい圧縮比を達成することができる。

【0101】

一実施形態では、入口および／または出口口部の周りに配置されたケーシングの部分は、高圧によって広く応力を受ける圧縮機の区域における圧縮機のケーシングを強化するために、ケーシングの残りの部分の平均厚さと比較してより大きい厚さを有する。

【0102】

本発明の任意の実施形態による圧縮トレインのドライバ機械は、一軸ガスタービン、多軸ガスタービン、または蒸気タービンであってもよい。さらに好ましい実施形態では、ドライバ機械は、可変速度駆動（ＶＳＤ）電気モータ、または固定速度電気モータであってもよい。

【0103】

本発明の遠心圧縮機の技術的特徴により、カスケードプロセスでエチレンを圧縮するために使用される一組の従来の遠心圧縮機３１０，３１１は、前述のように単一の圧縮機４０９で置き換えることができるようになる。

【0104】

同じ理由により、カスケードプロセスでメタンを圧縮するために使用される３つの従来の遠心圧縮機３０７，３０８，３０９は、前述のようにさらなる単一の圧縮機４０８で置き換えることができるようになる。

【0105】

さらに、同じ開示された技術的理由のために、Ｃ３ＭＲプロセスで混合冷媒を圧縮するために使用される３つの従来の遠心圧縮機１０１，１０２，１０３は、前述のように単一の圧縮機２０１で置き換えることができるようになる。

【0106】

複数の圧縮機によってこれまで行われていた圧縮は、全体の性能を損なうことなく、本発明による単一の圧縮機で行うことができるようになる。よって、明白な利点が達成される。

【0107】

このように設けられた圧縮トレインは、ドライバ機械に直接的／間接的に接続されたさらなる圧縮機を必要としない。

【0108】

本発明による圧縮機と圧縮トレインを使用することにより、より少ない空間および／またはより少ないフットプリントにおいて、より少ない数の機械でより高いＬＮＧ生産量を得ることができる。

【0109】

２つ以上のケースの代わりに１つのケースのみを有することは、以下の多くの観点から有利であることに留意されたい：
設置およびメンテナンスを簡略化し、
メンテナンス時間を短縮し、
信頼性を高め（構成要素の削減および故障の可能性の低減）、
機械のフットプリントおよび重量を縮小し、
ガス漏れを低減し、
潤滑油システムの複雑さおよびサイズを低減する。

【0110】

本発明の圧縮トレインをＣ３ＭＲおよびカスケードプロセスに適合させて説明してきたが、他のＬＮＧプロセスにも容易に適合させて使用することができる。

【0111】

本明細書で説明される主題の開示された実施形態が図面に示され、いくつかの例示的な実施形態と結び付けて具体的および詳細に上で十分に説明されてきたが、多くの修正、変更、および省略が、本明細書に記載された新たな教示、原理および概念、ならびに添付の特許請求の範囲に述べられる主題の利点から著しく逸脱することなく可能であることが当業者には明らかであろう。したがって、開示される技術革新の適切な範囲は、すべてのそのような修正、変更、および省略を含むように、添付の特許請求の範囲を最も広く解釈することによってのみ定められるべきである。加えて、任意のプロセスまたは方法ステップの順序または進行は、代替的な実施形態によって変更または並べ直されてもよい。

【0112】

本発明の最終的な範囲は、以下の番号付けされた項によって定義される圧縮トレインである。

【0113】

１．エンジンと、前記エンジンによって駆動される高速圧縮機とを含み、前記高速圧縮機は、遠心圧縮機であり、第１のセットのインペラと、前記第１のセットのインペラの下流または上流に配置された第２のセットのインペラとを含み、前記第１のセットのインペラは、遠心式であり、シュラウドが付いておらず、前記第２のセットのインペラは、遠心式であり、シュラウドが付いており、少なくとも前記第１のセットおよび前記第２のセットのインペラは、１つの共通のケーシング内に収容され、前記第１のセットおよび前記第２のセットのインペラは、機械的接続によって互いに結合される、圧縮トレイン。

【0114】

２．前記エンジンが、電気モータまたは蒸気タービンもしくはガスタービン、特に航空転用ガスタービンである、項１に記載の圧縮トレイン。

【0115】

３．前記エンジンおよび前記高速圧縮機が、直接またはギアボックスによって接続される、項１または２に記載の圧縮トレイン。

【0116】

４．前記エンジンと前記高速圧縮機との間に配置されたさらなる遠心圧縮機を含む、項１，２または３に記載の圧縮トレイン。

【0117】

５．前記ギアボックスが、前記高速圧縮機と前記さらなる圧縮機との間に配置される、項２に従属する項４に記載の圧縮トレイン。

【0118】

６．前記圧縮トレインが、前記圧縮機によって吸収された出力が所定の閾値を超えたときに前記主エンジンを支援するように構成されたヘルパーモータを含む、項１乃至５のいずれか１項に記載の圧縮トレイン。

【符号の説明】

【0119】

１００ 圧縮トレイン
１０１ 中間冷却圧縮機、遠心圧縮機
１０２ 中間冷却圧縮機、遠心圧縮機
１０３ 中間冷却圧縮機、遠心圧縮機
１０４ ドライバ
１０５ ドライバ
１０６ 圧縮機
１０７ 熱交換器
１０８ 主液化熱交換器
１０９ インタークーラ
１１０ アフタークーラ
１１１ クーラ
１１２ セパレータ
１１３ ライン
１１４ ライン
１１５ インタークーラ
２００ 圧縮トレイン
２０１ 圧縮機
２０２ インタークーラ
２０３ インタークーラ
２０４ ドライバ機械
２０５ ドライバ
２０６ 圧縮機
２０７ 熱交換器
２０８ 主液化熱交換器
２１０ クーラ
２１１ クーラ
２１２ セパレータ
２１３ ライン
２１４ ライン
３０１ 圧縮トレイン
３０２ 圧縮トレイン
３０３ 圧縮トレイン
３０４ ドライバ
３０５ ドライバ
３０６ ドライバ
３０７ 遠心圧縮機
３０８ 遠心圧縮機
３０９ 遠心圧縮機
３１０ 遠心圧縮機
３１１ 遠心圧縮機
３１２ 圧縮機
３１３ 圧縮機
３１４ クーラ
３１５ クーラ
３１６ クーラ
３１７ 熱交換器
３１８ 熱交換器
３１９ 熱交換器
３２０ セパレータ
４０１ 第２の圧縮トレイン
４０２ 第１の圧縮トレイン
４０３ 圧縮トレイン
４０４ 第２のドライバ機械
４０５ 第１のドライバ機械
４０６ ドライバ
４０７ ギアボックス
４０８ 第２の単一の圧縮機
４０９ 第１の単一の圧縮機
４１０ 圧縮機
４１１ 圧縮機
４１２ クーラ
４１３ クーラ
４１４ クーラ
４１５ 第１の熱交換器
４１６ 第２の熱交換器
４１７ 第３の熱交換器
４１８ セパレータ
５００ 遠心圧縮機
５０１ バンドル
５０２ 矢印
５０３ 入口
５０４ 出口
５０６ タイロッド
５０７ 第１のインペラ
５０８ 第２のインペラ
５０９ 第３のインペラ
５１０ 第４のインペラ
５１１ 第５のインペラ
５１２ Ｈｉｒｔｈ接続
５１３ Ｈｉｒｔｈ接続
５１４ Ｈｉｒｔｈ接続
５１５ Ｈｉｒｔｈ接続
５１６ シュラウド
５１７ シュラウド
５１８ シュラウド
５１９ 主入口
５２０ 主出口
５２１ 補助出口
５２２ 補助入口
５２３ 第１の圧縮セクション
５２４ 第２の圧縮セクション
５２５ 圧縮段
５２６ 圧縮段
５２７ 圧縮段
５２８ 圧縮段
５２９ 圧縮段
５３０ ケーシング
５３１ シャフト

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】