專利名稱：液化方法、液化裝置及具備該液化裝置的浮式液化氣制造設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及液化方法、液化裝置及具備該液化裝置的浮式液化氣制造設備，尤其是涉及天然氣的液化。
背景技術：
通常，作為陸地上的液化設備，利用級聯式制冷循環、或使用了多種制冷劑的混合制冷劑的制冷循環對被液化氣進行液化(例如專利文獻I)。關于該液化設備的設置場所，近年來，討論了海洋浮體。在海洋浮體上設置與陸地上同樣的液化設備時，在對于抗搖擺性能、設置空間、液化的容易性、安全性的考慮中，存在船用化的必要條件。因此，作為液化設備，雖然使用于LNG船的蒸發氣(boil off gas)的再液化中,但在液化效率差的氮制冷劑的氮膨脹循環中也有適用的余地。在先技術文獻專利文獻專利文獻I日本特表2006-504928號公報專利文獻2日本特表2006-503252號公報
發明內容
使用圖5，說明氮制冷循環中的天然氣及氮的熱交換。在圖5中，縱軸表示溫度(0C),橫軸表示熱負荷(kW)。而且，圖5中的實線表示升壓至4Ma的天然氣，虛線表示升壓至15MPa的天然氣。而且，圖5中的單點劃線表示與升壓至4MPa的天然氣進行熱交換時的氮，雙點劃線表示與升壓至15MPa的天然氣進行熱交換的氮。如圖5所示，在使天然氣(實線)升壓至4MPa時，在溫度變化的過程中，產生天然氣相對于熱負荷的溫度變化減小的階梯狀。該階梯狀由于在作為制冷劑的氮進行熱交換的過程中在液相和氣相之間進行相變的期間溫度變得恒定而產生。因此，在對應于升壓至4Ma的天然氣與氮的溫度差最小的夾點(pinch point)的方式設定氮(單點劃線)時，在夾點以外的熱交換過程中，天然氣與氮的溫度差變大，與通常溫度差小的情況相比，液化效率差。熱介質氮的壓縮循環如專利文獻2記載的發明那樣，由于大的所需動力的氮壓縮機而多是通過燃氣輪機來驅動的例子，但假定應液化的原料氣體的一部分作為由燃氣輪機消耗的燃料。在液化過程中產生的廢氣作為燃氣輪機的燃料為低壓，因此需要再加壓，使用困難。為了使作為產品的液化氣最大化，還存在工藝廢氣的高效的燃料化的課題。另外，在液化過程中產生的廢氣的壓力大致為大氣壓，氮成分多，存在難以使用作驅動氮壓縮機的燃氣輪機的燃料的問題。此外，如專利文獻2記載的發明那樣，利用燃氣輪機與蒸汽輪機、或蒸汽輪機與電動機的混合動力來驅動氮壓縮機時，適用于海洋浮體，因此船上檢修困難，需要預備品、及確保電動化帶來的冗余度成為問題。
另一方面，如圖5的虛線所示,在使天然氣升壓至15MPa時，實線所示的升壓至4MPa的天然氣產生的階梯狀消失而成為大致直線狀。因此，升壓至15MPa的高壓的天然氣與氮(雙點劃線)的溫度差在整體上減小而能夠進行熱交換，因此能夠高效地液化。然而，為了使高壓的天然氣與氮進行熱交換，需要使用管殼式的換熱器，因此存在換熱器大型化，而無法削減液化裝置的設置空間的問題。本發明鑒于這種情況而作出，提供一種抑制液化效率的下降，同時安全性優異且能夠實現設備的緊湊化的液化方法、液化裝置及具備該液化裝置的浮式液化氣制造設備。為了解決上述課題，本發明的液化方法、液化裝置及具備該液化裝置的浮式液化氣制造設備采用以下的手段。本發明的第一方式涉及一種液化方法，其中，使與單一成分的高壓熱介質進行了熱交換的被液化氣減壓至規定壓力后，使減壓后的所述被液化氣與溫度比所述高壓熱介質低且和所述高壓熱介質為相同種類的低溫側熱介質進行熱交換而發生液化。
被液化氣的液化通過與熱介質進行熱交換來進行。被液化氣的液化效率優選被液化氣與熱介質的溫度差在熱交換過程中均勻且小。然而，在被液化氣為高壓時，雖然與熱介質的溫度差在熱交換過程中大致均勻且小，但與熱介質進行熱交換的換熱器變得大型化。而且，在被液化氣為低壓的情況下，被液化氣在其熱交換過程中成為階梯狀。因此，在對應于被液化氣與熱介質的溫度差最小的部位(夾點)來設定熱介質的壓力時，在夾點以外的過程中，被液化氣與熱介質的溫度差增大，熱交換效率變差。因此，為了減小被液化氣與熱介質的溫度差，使用通過多個換熱器對烴、氮等混合熱介質或多個單一成分的熱介質進行熱交換的級聯方式。然而，在級聯方式的情況下，存在換熱器等設備增加的問題。而且，在使用混合熱介質的情況下，由于由多個成分構成，因此雖然對應于被液化氣的特性而使用多個熱介質，但由于其一部分使用可燃性的熱介質，因此在安全性上存在問題。因此，在本發明中，使被液化氣與單一成分的高溫側熱介質進行熱交換，然后，減壓至規定壓力。而且，減壓后的被液化氣與高溫側熱介質為相同種類，且與溫度比高溫側熱介質低的低溫側熱介質進行熱交換。由此，能夠使與高溫側熱介質進行了熱交換的被液化氣減壓成近似于低溫側熱介質的溫度變化，之后與低溫側熱介質進行熱交換。因此，能夠將被液化氣與高溫側熱介質及低溫側熱介質的溫度差保持為大致恒定。因此，能夠使用單一成分的熱介質，高效地使被液化氣液化。需要說明的是，規定壓力是指與熱介質進行熱交換的被液化氣的臨界點所對應的壓力。另外，被液化氣是液化前的原料氣體，可列舉天然氣(LNG)、液化石油氣(LPG)等。本發明的第二方式涉及一種液化裝置，其特征在于，具備高溫側熱介質用換熱器，供被液化氣與高溫側熱介質進行熱交換；減壓閥，對從該高溫側熱介質用換熱器導出的被液化氣進行減壓；以及低壓熱介質用換熱器，供通過了該減壓閥的被液化氣與低溫側熱介質進行熱交換，其中，所述高溫側熱介質及所述低溫側熱介質為單一成分且相同種類，所述減壓閥將被導向所述低溫側熱介質用換熱器的被液化氣減壓至規定壓力。將單一成分的高溫側熱介質導向高溫側熱介質用換熱器，將與高溫側熱介質為相同種類的低溫側熱介質導向低溫側熱介質用換熱器，在高溫側熱介質用換熱器與低溫側熱介質用換熱器之間設有將被液化氣減壓至規定壓力的減壓閥。由此，能夠借助減壓閥使通過了高溫側熱介質用換熱器的被液化氣近似于低溫側熱介質的溫度變化，而導向低溫側熱介質用換熱器。因此，能夠將被液化氣與高溫側熱介質及低溫側熱介質的溫度差保持為大致恒定。因此，能夠使用單一成分的熱介質，高效地使被液化氣液化。本發明的第三方式涉及一種液化裝置，其特征在于，具備并聯復式渦輪(crosscompound turbine),具有被引導蒸汽而被驅動的高壓潤輪、與該高壓潤輪連接的高壓潤輪側軸、被引導從所述高壓渦輪導出的蒸汽而被驅動的低壓渦輪及與該低壓渦輪連接的低壓渦輪側軸；高溫側熱介質用壓縮機，對被導向所述高溫側熱介質用換熱器的高溫側熱介質進行壓縮；低溫側熱介質用壓縮機，對被導向所述低溫側熱介質用換熱器的低溫側熱介質進行壓縮；以及蒸汽產生單元，產生被導向所述高壓渦輪的蒸汽，其中，使所述高溫側熱介質用壓縮機與所述高壓渦輪側軸連接，使所述低溫側熱介質用壓縮機與所述低壓渦輪側軸連接。在高壓渦輪側軸上連接高溫側熱介質用壓縮機，在低壓渦輪側軸上連接低溫側熱 介質用壓縮機。構成并聯復式渦輪的高壓渦輪側軸與低壓渦輪側軸相互分離，因此通過分別控制與高壓渦輪側軸連接的高壓渦輪及與低壓渦輪側軸連接的低壓渦輪，而能夠分別獨立地控制高溫側熱介質用壓縮機和低溫側熱介質用壓縮機。因此，能夠相互獨立地壓縮高溫側熱介質和低溫側熱介質，從而能夠獨立地控制高溫側熱介質和低溫側熱介質的制冷負荷。在本發明的上述任一個液化裝置中，所述高溫側熱介質用換熱器可以是板式。根據該結構，被液化氣與高溫側熱介質進行熱交換的高溫側熱介質用換熱器使用板式。因此，能夠實現高溫側熱介質用換熱器的小型化。因此，能夠實現液化裝置的緊湊化。在本發明的上述的任一個液化裝置中，所述蒸汽產生單元可以是以液化氣中的廢氣為燃料而產生蒸汽的結構。根據該結構，使用了以液化氣中的廢氣為燃料燃燒而產生蒸汽的蒸汽產生單元。因此，能夠使用在液化裝置內產生的大致大氣壓狀態的廢氣作為驅動并聯復式渦輪的蒸汽進行驅動。因此，能夠有效地利用從液化裝置產生的廢氣。本發明的第四方式是一種浮式液化氣制造設備，其特征在于，具備上述的任一種
液化裝置。將由利用蒸汽驅動的并聯復式渦輪構成的液化裝置使用于浮式液化氣制造設備。因此，作為并聯復式渦輪，可以適用在現有的船用主機中使用的蒸汽輪機。因此，不需要用于驅動高溫側熱介質用壓縮機及低溫側熱介質用壓縮機的并聯復式渦輪的新的開發，能夠有效利用現有的設備。在本發明的上述的浮式液化氣制造設備中，所述高溫側熱介質及所述低溫側熱介質可以使用氮。將由在熱介質中使用不燃性的氮的高溫側熱介質用壓縮機及低溫側熱介質用壓縮機、以及高溫側熱介質用換熱器及低溫側熱介質用換熱器構成的液化裝置使用于浮式液化氣制造設備。而且，在高溫側熱介質用壓縮機及低溫側熱介質用壓縮機的驅動中，使用蒸汽輪機。由此，能夠防止可燃性氣體從熱介質等泄漏引起的爆炸的危險性。因此，能夠在甲板下配置高溫側熱介質用壓縮機、低溫側熱介質用壓縮機、蒸汽輪機等設備。因此，能夠削減甲板上的液化裝置的配置空間。發明效果根據本發明，使被液化氣與單一成分的高溫側熱介質進行熱交換，之后，減壓至規定壓力。而且，減壓后的被液化氣與高溫側熱介質為相同種類，且與溫度比高溫側熱介質低的低溫側熱介質進行熱交換。由此，能夠將與高溫側熱介質進行了熱交換的被液化氣減壓成近似于低溫側熱介質的溫度變化，之后與低溫側熱介質進行熱交換。因此，能夠將被液化氣與高溫側熱介質及低溫側熱介質的溫度差保持為大致恒定。因此，能夠使用單一成分的熱介質，高效地使被液化氣液化。
圖I是具備本發明的一實施方式的液化裝置的浮式液化氣制造設備的概略結構圖。
圖2是圖I所示的液化裝置的右側放大結構圖。圖3是圖I所示的液化裝置的左側放大結構圖。圖4是表示圖2及圖3所示的液化裝置中的天然氣及氮的關系的T-H線圖。圖5是表示多個壓力下的天然氣及氮的關系的T-H線圖。
具體實施例方式基于圖1，說明具備本發明的一實施方式的液化裝置的浮式液化氣制造設備的概略結構圖。浮式液化天然氣制造設備(Floating LNG :FLNG) I具備儲存液化天然氣(液化氣)的多個貨物罐2 ;前處理裝置3 ;液化裝置(未圖示);向浮式液化天然氣制造設備I內供給電力的電力供給裝置(未圖示)。浮式液化天然氣制造設備(浮式液化氣制造設備)I對從陸地上或海底的地層下以高壓噴出的原料氣體即天然氣(被液化氣)進行精制液化而形成作為產品的液化天然氣(Liquefied natural gas :LNG),且設置于海洋上。貨物罐(在本圖中，僅表示3個)2儲存液化天然氣。貨物罐2是MOSS獨立球形罐。前處理裝置3將作為原料氣體的天然氣中包含的二氧化碳、硫化氫、水分、重質成分等雜質除去。液化裝置通過使天然氣與制冷劑(冷卻用熱介質)進行熱交換而將天然氣液化。液化裝置分為容納有后述的高壓氮換熱器(未圖示)、低壓氮換熱器(未圖示)的冷箱5 ;設有向船內供給電力的電力供給裝置的船內動力設置區域4;容納有后述的高壓氮壓縮機(未圖示)、低壓氮壓縮機(未圖示)、壓縮機驅動用蒸汽輪機(未圖示)等的液化裝置用動力裝置區域6 ;設有后述的末端閃蒸罐(未圖示)等的儲存區域7。冷箱5設置在甲板上。在冷箱5內設有作為液化裝置的一部分的高壓氮換熱器(高溫側熱介質用換熱器)及低壓氮換熱器(低溫側熱介質用換熱器)。冷箱5為了防止與外部的熱量的出入而實施隔熱措施。液化裝置用動力裝置區域6設置在甲板下。在液化裝置用動力裝置區域6設有構成液化裝置的高壓氮壓縮機(高溫側熱介質用壓縮機)、低壓氮壓縮機(低溫側熱介質用壓縮機)、驅動這些壓縮機的壓縮機驅動用蒸汽輪機(并聯復式渦輪)。儲存區域7設置在甲板下，且設有末端閃蒸罐。船內動力設置區域4設置在甲板下，具備后述的鍋爐(未圖示)、燃氣柴油機(未圖示)、燃氣柴油機驅動發電機(未圖示)。浮式液化天然氣制造設備I內所需的電力由設置在船內動力設置區域4上的這些設備來供給。接下來，使用圖2及圖3，說明本實施方式的液化裝置的結構。圖2表示圖I所示的液化裝置的右側放大結構圖，圖3表示其左側放大結構圖。液化裝置10主要具備高壓氮換熱器11、低壓氮換熱器12、高壓氮壓縮機13、低壓氮壓縮機14、壓縮機驅動用蒸汽輪機15、焦耳-湯姆遜膨脹閥(減壓閥)16、鍋爐(未圖示)、末端閃蒸罐30。液化裝置10分為制冷循環和驅動液化裝置10的驅動部。 制冷循環具備高壓的天然氣(例如15MPa至20MPa)與作為制冷劑的氮進行熱交換的高壓氮循環17 ;比較低壓的天然氣(例如6MPa以下)與作為制冷劑的氮進行熱交換的低壓氮循環18。這兩個制冷循環成為相互獨立的循環。驅動部具備壓縮機驅動用蒸汽輪機15。高壓氮循環17主要具備高壓氮換熱器11、高壓氮壓縮機13、高壓氮膨脹機19。高壓氮換熱器11使高壓的天然氣與氮(以下，稱為“高壓氮”)進行熱交換。對高壓氮換熱器11優選使用例如Heatric公司的板式的不銹鋼板擴散類型(diffusion-bondedheat exchangers)。高壓氮壓縮機13對高壓氮(高溫側熱介質)進行壓縮。在高壓氮壓縮機13連接有與后述的壓縮機驅動用蒸汽輪機15連接的高壓渦輪側減速器20。高壓氮壓縮機13通過高壓渦輪側減速器20被驅動而對高壓氮進行壓縮。高壓氮膨脹機19使高壓氮膨脹。在高壓氮膨脹機19連接有高壓氮升壓機21。高壓氮升壓機21通過高壓氮膨脹機19使高壓氮膨脹并進行旋轉驅動而被驅動。高壓氮升壓機21通過被驅動而使高壓氮升壓。低壓氮循環18主要具備低壓氮換熱器12、低壓氮壓縮機14、低壓氮膨脹機22。低壓氮換熱器12使天然氣與氮(以下，稱為“低壓氮”)進行熱交換。低壓氮換熱器12使用鋁釬焊板翅片類型的換熱器。低壓氮壓縮機14對低壓氮(低溫側熱介質)進行壓縮。在低壓氮壓縮機14連接有與后述的壓縮機驅動用蒸汽輪機15連接的低壓渦輪側減速器23。低壓氮壓縮機14通過低壓渦輪側減速器23被驅動而對低壓氮進行壓縮。低壓氮膨脹機22使低壓氮膨脹。在低壓氮膨脹機22連接有低壓氮升壓機24。低壓氮升壓機24通過低壓氮膨脹機22使低壓氮膨脹并進行旋轉驅動而被驅動。低壓氮升壓機24通過被驅動而使低壓氮升壓。壓縮機驅動用蒸汽輪機15是在船舶的主機中使用的并聯復式的大型的蒸汽輪機。作為壓縮機驅動用蒸汽輪機15,優選使用三菱重工業制的UST(Ultra Steam Turbine)。壓縮機驅動用蒸汽輪機15具備高壓渦輪15a、中壓渦輪(高壓渦輪)15b、第一低壓渦輪15c、第二低壓渦輪15d。高壓渦輪15a和中壓渦輪15b設置在第一級軸15e (高壓渦輪側軸)上。第一低壓渦輪(低壓渦輪)15c和第二低壓渦輪(低壓渦輪)15d設置在第二級軸(低壓渦輪側軸)15f上。
在第一級軸15e的端部連接有高壓渦輪側減速器20，在第二級軸15f的端部連接有低壓渦輪側減速器23。高壓渦輪側減速器20將從第一級軸15e傳遞的輸出向高壓氮壓縮機13傳遞。由此，高壓氮壓縮機13通過高壓渦輪15a或中壓渦輪15b被進行旋轉驅動而被驅動。低壓渦輪側減速器23將從第二級軸15f傳遞的輸出向低壓氮壓縮機14傳遞。由此，低壓氮壓縮機14通過第一低壓渦輪15c或第二低壓渦輪15d被進行旋轉驅動而被驅動。鍋爐(蒸汽產生單元)是使用后述的廢氣或蒸發氣等液化天然氣和重油作為燃料的混燒鍋爐。末端閃蒸罐30使通過高壓氮循環17及低壓氮循環18后的液化天然氣膨脹而使溫度下降。在末端閃蒸罐30中，液化天然氣被除去含有的氮成分。需要說明的是，也可以 取代末端閃蒸罐30而使用減壓閥。焦耳-湯姆遜膨脹閥16設置在高壓氮循環17與低壓氮循環18之間。焦耳-湯姆遜膨脹閥16通過其節流機構而使通過了高壓氮循環17的天然氣發生焦耳-湯姆遜膨脹。接下來，說明天然氣的液化方法。從陸地上或海底的地層下噴出的原料氣體即天然氣被導向設置在浮式液化天然氣制造設備I (參照圖I)的甲板上的前處理裝置3。天然氣在前處理裝置3中，被除去含有的二氧化碳、硫化氫、水分、重質成分等。通過前處理裝置3精制的天然氣被導向冷箱5。被導向冷箱5的天然氣通過升壓壓縮器31 (參照圖2)等而升壓至例如15MPa以上。需要說明的是，該升壓優選為IOMPa以上。通過升壓壓縮器31而成為高壓的天然氣被導向第一換熱器32。被導向第一換熱器32的天然氣與海水進行熱交換而溫度下降至例如30°C。通過第一換熱器32而溫度下降后的天然氣還被導向第二換熱器33。被導向第二換熱器33的天然氣與作為冷卻水的清水進行熱交換而溫度下降至例如_20°C。通過如此與冷卻水進行熱交換而進行預冷，能夠提高與高壓氮循環17中的高壓氮的熱交換效率。通過第二換熱器33而預冷的天然氣被導向高壓氮循環17。被導向高壓氮循環17的天然氣被導向構成高壓氮循環17的高壓氮換熱器11。被導向高壓氮換熱器11的天然氣在設于高壓氮換熱器11內的第一過冷卻部Kl中與高壓氮進行熱交換。通過在第一過冷卻部Kl中與高壓氮進行熱交換，天然氣下降至例如_80°C。溫度下降后的天然氣被導向焦耳-湯姆遜膨脹閥16。被導向焦耳-湯姆遜閥16的天然氣由于通過焦耳-湯姆遜膨脹閥16而壓力膨脹(減壓)至例如lOMPa。由此，通過了焦耳-湯姆遜膨脹閥16的天然氣的溫度下降至例如_90°C。需要說明的是，優選通過基于焦耳-湯姆遜膨脹閥16的膨脹而使天然氣成為IOMPa以下。由于通過焦耳-湯姆遜膨脹閥16而發生膨脹從而溫度下降的天然氣被導向低壓氮循環18。被導向低壓氮循環18的天然氣被導向構成低壓氮循環18的低壓氮換熱器12。被導向低壓氮換熱器12的天然氣以兩階段與低壓氮進行熱交換。即，天然氣在設于低壓氮換熱器12的第二過冷卻部K2中使溫度下降至例如_135°C之后，在設于低壓氮換熱器12的第三過冷卻部K3中使溫度下降至例如_160°C而液化。如此液化的液化天然氣被導向末端閃蒸罐30。被導向末端閃蒸罐30的液化天然氣在末端閃蒸罐30內發生膨脹從而其溫度下降，并且液化天然氣中的氮成分被排出。溫度進一步下降而氮成分被排出后的液化天然氣被導向圖I所示的貨物罐2而儲存。被導向末端閃蒸罐30的液化天然氣的一部分發生氣化。關于氣化后的液化天然氣(以下，稱為“廢氣”)的量，通過調節導向末端閃蒸罐30的液化天然氣的溫度，而閃蒸率成為例如10%以下。廢氣(例如_140°C )被從末端閃蒸罐30導向低壓氮換熱器12。被導向低壓氮換熱器12的廢氣在設于低壓氮換熱器12的第二過冷卻部K2中與前述的天然氣進行熱交換。由此，廢氣的溫度成為例如-100°C。而且，廢氣被導向設于低壓氮換熱器12的第二冷凝部G2。被導向第二冷凝部G2的廢氣與后述的低壓氮進行熱交換。在第二冷凝部G2中進行了熱交換后的廢氣的溫度被加熱至例如30°C而從低壓氮換熱器12導出。·另外，在貨物罐2 (參照圖I)內，液化天然氣的一部分氣化后的蒸發氣也與廢氣同樣地被導向低壓氮換熱器12。被導向低壓氮換熱器12的蒸發氣在設于低壓氮換熱器12的第二過冷卻部K2及第二冷凝部G2中進行熱交換，其溫度被加熱至例如30°C而從低壓氮換熱器12導出。接下來,說明高壓氮的流動。在高壓氮循環17內循環的高壓氮通過由高壓渦輪側減速器20驅動的高壓氮壓縮機13而被壓縮為例如12MPa、120°C。成為高壓的高壓氮被導向第三換熱器34。被導向第三換熱器34的高壓氮與從未圖示的供水系統引導的供水進行熱交換而溫度下降至85°C。通過了第三換熱器34的高壓氮還被導向第四換熱器35。被導向第四換熱器35的高壓氮與從未圖示的清水系統引導來的清水進行熱交換而溫度下降至40°C。溫度下降至40°C的高壓氮被導向高壓氮換熱器11。被導向高壓氮換熱器11的高壓氮被導向設于高壓氮換熱器11的第一冷凝部Gl。被導向第一冷凝部Gl的高壓氮與通過第一過冷卻部Kl而膨脹的高壓氮進行熱交換。由此，通過了第一冷凝部Gl的高壓氮的溫度下降至例如-25°C。在第一冷凝部Gl中進行熱交換而溫度下降的高壓氮被導向高溫氮膨脹機19。被導向高溫氮膨脹機19的高壓氮膨脹為例如2MPa、-85°C。膨脹而溫度下降的高壓氮被導向設于高壓氮換熱器11的第一過冷卻部Kl。被導向第一過冷卻部Kl的膨脹的高壓氮與前述的天然氣進行熱交換而被加熱至例如_30°C。在第一過冷卻部Kl中被加熱的高壓氮在第一冷凝部Gl中與從第四換熱器35引導來的高壓氮進行熱交換而被加熱至例如35 °C。通過設于高壓氮換熱器11的第一過冷卻部Kl及第一冷凝部Gl而被加熱的膨脹的高壓氮被導向高壓氮升壓機21。被導向高壓氮升壓機21的膨脹的高壓氮由高壓氮升壓機21升壓而成為例如3MPa、85°C,被導向第五換熱器36。被導向第五換熱器36的升壓后的高壓氮與從清水系統引導來的清水進行熱交換而溫度下降至例如40°C。通過第五換熱器36而溫度下降的高壓氮被導向高壓氮壓縮機13。如以上所述，高壓氮在高壓氮循環17內循環。接下來，說明低壓氮的流動。
在低壓氮循環18內循環的低壓氮通過由低壓渦輪側減速器23驅動的低壓氮壓縮機14而被壓縮為例如5MPa。被壓縮后的低壓氮被導向第六換熱器37。被導向第六換熱器37的低壓氮與從供水系統引導來的供水進行熱交換而溫度下降至例如85°C。通過了第六換熱器37的低壓氮再被導向第七換熱器38。被導向第七換熱器38的低壓氮與從供水系統引導來的供水進行熱交換而溫度下降至例如40°C。通過第六換熱器37及第七換熱器38而溫度下降的低壓氮被導向低壓氮換熱器12。被導向低壓氮換熱器12的低壓氮被導向設于低壓氮換熱器12的第二冷凝部G2。被導向第二冷凝部G2的低壓氮與通過第二過冷卻部K2而膨脹的低壓氮進行熱交換。由此，通過了第二冷凝部G2的低壓氮的溫度下降至例如-90°C。在第二冷凝部G2中進行了熱交換的低壓氮被從低壓氮換熱器12導向低壓氮膨脹機22。被導向低壓氮膨脹機22的溫度下降的低壓氮發生膨脹而成為例如3MPa、-164°C。膨脹而溫度進一步下降的低壓氮被導向設于低壓氮換熱器12的第三過冷卻部K3。
被導向第三過冷卻部K3的膨脹的低壓氮與通過了前述的第二過冷卻部K2的天然氣進行熱交換而加熱至例如_140°C。通過了第三過冷卻部K3的膨脹的低壓氮進而在第二過冷卻部K2中與被從焦耳-湯姆遜膨脹閥16導向低壓氮換熱器12的天然氣進行熱交換。與天然氣進行熱交換而膨脹的低壓氮被加熱至例如-ioo°c。通過第二冷卻器K2而膨脹的低壓氮還被導向設于低壓氮換熱器12的第二冷凝部G2。被導向第二冷凝部G2的膨脹的低壓氮與從第七換熱器38引導來的低壓氮進行熱交換。由此，膨脹的低壓氮成為例如36°C而從低壓氮換熱器12導出。通過設于低壓氮換熱器12的第三過冷卻部K3、第二過冷卻部K2及第二冷凝部G2而被加熱的低壓氮被導向低壓氮升壓機24。被導向低壓氮升壓機24的膨脹的低壓氮借助低壓氮升壓機24升壓而成為例如lMPa、85°C。升壓后的低壓氮被導向第八換熱器39。被導向第八換熱器39的升壓后的低壓氮與從供水系統引導來的供水進行熱交換而溫度下降至例如40°C。通過第八換熱器39而溫度下降的低壓氮被導向低壓氮壓縮機14。如以上那樣，低壓氮在低壓氮循環18內循環。接下來，說明蒸汽的流動。從設于低壓氮換熱器12的第二冷凝部G2導出而被加熱至例如30 °C的廢氣及蒸發氣被導向鍋爐。被導向鍋爐的廢氣及蒸發氣作為鍋爐的燃料進行燃燒而產生高溫高壓(例如555°C、llMPa)的蒸汽。在鍋爐中產生的蒸汽被導向壓縮機驅動用蒸汽輪機15的高壓渦輪15a。被導向高壓渦輪15a的蒸汽將其熱能轉換成高壓渦輪15a的旋轉能量而驅動高壓渦輪15a旋轉。通過驅動高壓渦輪15a旋轉而第一級軸15e進行旋轉。由于第一級軸15e旋轉，而對設于第一級軸15e的中壓渦輪15b及高壓渦輪側減速器20進行驅動。另一方面，驅動高壓渦輪15a旋轉的蒸汽例如成為2MPa而從高壓渦輪15a導出。從高壓渦輪15a導出的蒸汽被導向未圖示的再熱器。被導向再熱器的蒸汽借助再熱器而成為例如555°C的再熱蒸汽。該再熱蒸汽被導向壓縮機驅動用蒸汽輪機15的中壓渦輪15b。將被導向中壓渦輪15b的再熱蒸汽的熱能轉換成中壓渦輪15b的旋轉能量而驅動中壓渦輪15b旋轉。通過驅動中壓渦輪15b旋轉而使得第一級軸15e進一步旋轉。由于第一級軸15e進一步旋轉，而對設于第一級軸15e的高壓渦輪側減速器20進一步進行驅動。中壓渦輪15b從其中途段抽出蒸汽的一部分。被抽出的例如IMPa的蒸汽用于在浮式液化天然氣制造設備I (參照圖I)內使用的高壓雜用蒸汽等。通過了中壓渦輪15b的全段后的蒸汽成為例如110°C而被導向壓縮機驅動用蒸汽輪機15的第一低壓潤輪15c。將被導向第一低壓渦輪15c的蒸汽的熱能轉換成第一低壓渦輪15c的旋轉能量而驅動第一低壓渦輪15c旋轉。通過驅動第一低壓渦輪15c旋轉而第二級軸15f進行旋轉。由于第二級軸15f旋轉，而對設于第二級軸15f的第二低壓渦輪15d及低壓渦輪側減速器23進行驅動。第一低壓渦輪15c從其中途段抽出蒸汽的一部分。被抽出的例如O. IMPa的蒸汽用于在浮式液化天然氣制造設備I (參照圖I)內使用的低壓雜用蒸汽等。通過了第一低壓渦輪15c的全段后的蒸汽被導向設于第二級軸15f的第二低壓渦輪 15d。·
另外，在第二低壓渦輪15d另外從未圖示的輔助蒸汽供給系統供給例如O. 6MPa的輔助蒸汽。通過供給的輔助蒸汽而驅動第二低壓渦輪15d旋轉。通過驅動第二低壓渦輪15d旋轉，而能夠驅動與第二級軸15f連接的低壓渦輪側減速器23。通過了第一低壓渦輪15c的全段后的蒸汽及驅動第二低壓渦輪15d后的輔助蒸汽被導向未圖示的主凝汽器，與海水進行熱交換而被凝汽。如此，壓縮機驅動用蒸汽輪機15通過第一級軸15e和第二級軸15f能夠分別獨立地控制高壓渦輪側減速器20和低壓渦輪側減速器23，而且，通過利用輔助蒸汽來驅動第二低壓渦輪15d，也能夠獨立地控制低壓渦輪側減速器23。在此，使用圖4及前述的圖5，說明本實施方式的天然氣及氮制冷劑的T-H線圖。圖4表示本實施方式的天然氣及氮制冷劑的T-H線圖。在圖4中，縱軸表示熱負荷(kW)，橫軸表示溫度(°C)。圖4的實線表示升壓至15Mpa或4Mpa的天然氣,單點劃線表示與升壓至4MPa時的天然氣進行熱交換的氮。另外，在圖5中，示出表示多個壓力下的天然氣及氮的關系的T-H線圖。在圖5中，縱軸表示熱負荷(kW)，橫軸表示溫度(°C)。圖5的實線表示升壓至15Mpa的天然氣,虛線表示升壓至4Mpa的天然氣,單點劃線表示相對于4MPa的壓力較低的天然氣而溫度差小的氮，雙點劃線表示相對于15MPa的高壓的天然氣而溫度差小的氮。如圖5所示，4MPa的天然氣(實線)在與氮進行熱交換而溫度下降的過程中產生幾乎不發生溫度變化的階梯狀。關于天然氣的液化，與氮的溫度差小而液化效率高，因此氮(虛線)與天然氣的溫度差變得最小的夾點成為階梯狀。因此，在階梯狀以外的熱交換過程中，天然氣與氮的溫度差增大，作為整體液化效率下降。在使天然氣升壓至例如15MPa的高壓時(虛線)，在4MPa的天然氣中產生的階梯狀消失，天然氣的溫度變化成為大致直線狀。因此，15MPa的天然氣與氮(雙點劃線)的溫度差減小，在整體上能夠高效地進行液化。需要說明的是，如圖5所示，在天然氣的低溫部，無論是天然氣的壓力為15MPa的情況下還是4MPa的情況下，與氮的溫度差都減小。在本實施方式中，如圖4所示，在天然氣的高溫部中，使天然氣升壓至高壓(例如15MPa)，在天然氣的低溫部，使天然氣升壓至較低壓力(例如4MPa)而與氮進行熱交換，從而在熱交換過程的整個區域上形成大致均勻的溫度差。
S卩，在天然氣的高溫部，使高壓的天然氣與高壓氮循環17的高壓氮進行熱交換，在天然氣的低溫部，使低壓的天然氣與低壓氮循環18的低壓氮進行熱交換。另外，在高壓氮循環17與低壓氮循環18之間，設置焦耳-湯姆遜膨脹閥16而使15MPa的高壓的天然氣膨脹為4MPa的低壓的天然氣。由此，如圖4所示，減小天然氣的高壓部的溫度與4MPa的低壓的天然氣的溫度之差，從而能夠使天然氣的整個區域的溫度變化成為大致直線狀。如以上那樣，根據本實施方式的液化裝置10及具備該液化裝置10的浮式液化天然氣制造設備1，起到以下的作用效果。將單一成分的高壓氮(高溫側熱介質)導向高壓氮換熱器(高溫側熱介質用換熱器)11，將與高壓氮同種類的低壓氮(低溫側熱介質)導向低壓氮換熱器(低溫側熱介質用換熱器)12，在高壓氮換熱器11與低壓氮換熱器12之間設有將天然氣(被液化氣)減壓成規定壓力的焦耳-湯姆遜膨脹閥(減壓閥)16。由此，能夠利用焦耳-湯姆遜膨脹閥16使通過 了高壓氮換熱器11的天然氣近似于低壓氮的溫度變化而導向低壓氮換熱器12。因此，能夠分別使天然氣與高壓氮的熱交換產生的溫度差、及天然氣與低壓氮的熱交換產生的溫度差在熱交換過程中保持為大致恒定。因此，能夠使用單一成分的氮(熱介質)，高效地使天然氣液化。在第一級軸(高壓渦輪側軸)15e上經由高壓渦輪側減速器20而連接高壓氮壓縮機(高溫側熱介質用壓縮機)13，在第二級軸(低壓渦輪側軸)15f上經由低壓渦輪側減速器23而連接低壓氮壓縮機(低溫側熱介質用壓縮機)14。構成壓縮機驅動用蒸汽輪機(并聯復式渦輪)15的第一級軸15e和第二級軸15f相互分離，因此通過分別控制與第一級軸15e連接的高壓渦輪15a及中壓渦輪(高壓渦輪)15b、及與第二級軸15f連接的第一低壓渦輪(低壓渦輪)15c及第二低壓渦輪(低壓渦輪)15d，能夠分別獨立地控制高壓氮壓縮機13和低壓氮壓縮機14。因此，能夠相互獨立地壓縮高壓氮和低壓氮，能夠獨立地控制在高壓氮循環17中循環的高壓氮和在低壓氮循環18中循環的低壓氮的制冷負荷。對于天然氣與高壓氮進行熱交換的高壓氮換熱器11使用不銹鋼板擴散類型(板式)。因此，能夠實現高壓氮換熱器11的小型化。因此，能夠使對構成液化裝置10的高壓氮換熱器11進行收納的冷箱5緊湊化。另外，由于通過焦耳-湯姆遜膨脹閥16而使天然氣的壓力下降，對于低壓氮換熱器12使用鋁釬焊板翅片類型(板式)。因此，也能夠實現低壓氮換熱器12的小型化。因此，能夠使構成液化裝置10的冷箱5更緊湊。使用了以液化天然氣中的廢氣及蒸發氣為燃料燃燒而產生蒸汽的鍋爐(蒸汽產生單元)。因此，可以使用在液化氣裝置10中產生的廢氣、蒸發氣作為驅動壓縮機驅動用蒸汽輪機15的蒸汽進行驅動。因此，能夠有效地利用從液化裝置10產生的廢氣或蒸發氣。將通過由蒸汽驅動的壓縮機驅動用蒸汽輪機15構成的液化裝置10使用于浮式液化天然氣制造設備(浮式液化氣制造設備)I。因此，在壓縮機驅動用蒸汽輪機15中能夠適用在現有的船用主機中使用的Cross pound式的蒸汽輪機。因此，不需要為了驅動高壓氮壓縮機13及低壓氮壓縮機14而進行壓縮機驅動用蒸汽輪機15的新的開發，可以有效利用現有的設備。將由在熱介質中使用不燃性的氮的高壓氮壓縮機13及低壓氮壓縮機14、以及高壓氮換熱器11及低壓氮換熱器12構成的液化裝置10使用于浮式液化天然氣制造設備I。而且，在高壓氮壓縮機13及低壓氮壓縮機14的驅動中，使用壓縮機驅動用蒸汽輪機15。由此，能夠防止熱介質等可燃性氣體泄漏引起的爆炸的危險性。因此，能夠在浮式液化天然氣制造設備I的甲板下的液化裝置用動力裝置區域6上配置高壓氮壓縮機13、低壓氮壓縮機14、壓縮機驅動用蒸汽輪機15等設備。因此，能夠削減甲板上的液化裝置10的配置空間。另外，在本實施方式中，作為在液化裝置10中使用的熱介質，使用氮進行了說明，但只要是不燃性的熱介質即可。另外，在本實施方式中，作為被液化氣，使用液化天然氣(LNG)進行了說明，但也可以是液化石油氣(Liquef ied petroleum gas :LPG)等。另外，在本實施方式中，說明了通過第一換熱器32及第二換熱器33對從升壓壓縮器31導向高壓氮換熱器11的天然氣進行預冷的情況，但本發明并未限定于此，也可以不通過冷卻水進行預冷，即不設置第二換熱器33。通過使用冷卻水預冷為-10°C至-30°C左右，能夠提高對導向高壓氮循環17及低壓氮循環18的高壓氮及低壓氮進行壓縮的動力的削減·效果，但也可以不進行預冷。另外，也可以將從設于船內動力設置區域4的燃氣柴油機排出的高溫的廢氣導向廢熱回收鍋爐等廢熱回收裝置(未圖示)而產生蒸汽，將通過廢熱回收鍋爐產生的蒸汽導向壓縮機驅動用蒸汽輪機15而利用于壓縮機驅動用蒸汽輪機15的起動等。由此，能夠有效地利用來自燃氣柴油機的廢熱。標號說明I浮式液化天然氣制造設備(浮式液化氣制造設備)10液化設備11高壓氮換熱器(高溫側熱介質用換熱器)12低壓氮換熱器(低溫側熱介質用換熱器)16焦耳-湯姆遜膨脹閥(減壓閥)
權利要求
1.一種液化方法，其中， 使與單一成分的高壓熱介質進行了熱交換的被液化氣減壓后，使減壓后的所述被液化氣與溫度比所述高壓熱介質低且和所述高壓熱介質為相同種類的低溫側熱介質進行熱交換而發生液化。
2.一種液化裝置，其中， 具備 高溫側熱介質用換熱器，供被液化氣與高溫側熱介質進行熱交換； 減壓閥，對從該高溫側熱介質用換熱器導出的被液化氣進行減壓；以及 低壓熱介質用換熱器，供通過了該減壓閥的被液化氣與低溫側熱介質進行熱交換， 所述高溫側熱介質及所述低溫側熱介質為單一成分且相同種類， 所述減壓閥將被導向所述低溫側熱介質用換熱器的被液化氣減壓至規定壓力。
3.根據權利要求2所述的液化裝置，其中， 具備 并聯復式渦輪，具有被引導蒸汽而被驅動的高壓渦輪、與該高壓渦輪連接的高壓渦輪側軸、被引導從所述高壓渦輪導出的蒸汽而被驅動的低壓渦輪及與該低壓渦輪連接的低壓渦輪側軸； 高溫側熱介質用壓縮機，對被導向所述高溫側熱介質用換熱器的高溫側熱介質進行壓縮； 低溫側熱介質用壓縮機，對被導向所述低溫側熱介質用換熱器的低溫側熱介質進行壓縮；以及 蒸汽產生單元，產生被導向所述高壓渦輪的蒸汽， 使所述高溫側熱介質用壓縮機與所述高壓渦輪側軸連接，使所述低溫側熱介質用壓縮機與所述低壓渦輪側軸連接。
4.根據權利要求2或3所述的液化裝置，其中， 所述高溫側熱介質用換熱器是板式。
5.根據權利要求2 4中任一項所述的液化裝置，其中， 所述蒸汽產生單元以液化氣中的廢氣為燃料而產生蒸汽。
6.一種浮式液化氣制造設備，具備權利要求2飛中任一項所述的液化裝置。
7.根據權利要求6所述的浮式液化氣制造設備，其中， 所述高溫側熱介質及所述低溫側熱介質使用氮。
全文摘要
本發明提供一種能夠在使被液化氣液化時抑制液化效率下降，同時安全性優異且設備能夠實現緊湊化的液化方法、液化裝置及具備該液化裝置的浮式液化氣制造設備。特征在于，對于與單一成分的高壓熱介質進行了熱交換后的被液化氣進行減壓后，使減壓后的被液化氣與溫度比高壓熱介質低且與高壓熱介質為相同種類的低溫側熱介質進行熱交換而發生液化。
文檔編號B63B35/44GK102959351SQ201180031178
公開日2013年3月6日 申請日期2011年10月7日 優先權日2010年10月13日
發明者岡勝 申請人:三菱重工業株式會社