用于天然气处理系统的制冷剂流体回路的制冷剂流体的制作方法

1.本发明涉及浮式结构的领域，在该浮式结构中，至少一个发动机被供应天然气，并且该浮式结构还使得可以容纳或运输液化天然气。更具体地说，本发明涉及一种用于天然气处理系统的制冷剂，该天然气用作浮式结构的一个或多个发动机的燃料。


背景技术：

2.为了更容易地长距离运输和/或储存气体，例如天然气，通常通过将气体冷却到低温，例如大气压下的-163℃来液化气体，以获得液化天然气，通常缩写为
″
lng
″
，代表
″
liquefied natural gas(液化天然气)
″
。然后，该液化天然气被装载到浮式结构的专用储罐中。
3.然而，这种罐从来不是完全绝热的，因此气体的自然蒸发是不可避免的，这种现象被称为bog，是boil-off gas(汽化气体)的缩写。因此，浮式结构的储罐包括液态天然气和气态天然气，气态天然气形成充气罐顶。
4.众所周知，以气态形式存在于罐中的至少一部分天然气可用于供应发动机，该发动机被设置成提供浮式结构的操作能量需求，特别是用于其推进和/或其为船上设备发电。为此，众所周知的做法是使气态天然气流通通过至少一个天然气处理系统，以允许其被加热，所述系统包括用作过热器的热交换器和压缩机，两者都位于发动机的上游。
5.还已知的实践是以这样的方式配置天然气处理系统，使得它可以允许气态天然气的提取部分冷凝。当罐中蒸发的天然气的量与浮式结构的操作能量需求相比太大时，天然气的冷凝可能是特别需要的，天然气处理系统使得可以冷凝罐中存在的蒸发的天然气，以便使其以液态返回罐中。这种液化系统尤其可以在浮式结构停止并且其一个或多个发动机的气态天然气消耗为零或几乎为零时实施。
6.这种天然气处理系统包括通过与流通通过至少一个专用制冷剂回路的制冷剂进行热交换来加热和/或冷凝天然气。
7.这种制冷剂在用于运输或储存天然气的浮式结构中的应用受到许多限制。特别是，在大气压时，制冷剂的状态变化温度必须在-200到15℃之间。此外，制冷剂必须没有腐蚀性或毒性。制冷剂还必须不包括燃烧化合物和环境法规禁止的化合物，例如氯氟烃或
″
cfcs
″
、全氟化碳或
″
pfcs
″
和氢氟碳化合物或
″
hcfcs
″
。


技术实现要素：

8.本发明属于这种情况，并且旨在提出一种新颖的制冷剂，其被优化为在天然气的低温状态变化温度下操作，特别是在主要包含甲烷的天然气的低温状态变化温度下运行，其被特别配置为允许天然气的过冷以及加热。换句话说，制冷剂必须能够从两相状态转变为气态，以便将液态的lng冷却到低于其在大气压力下的液化温度，即-163℃。这种相同的制冷剂还被配置成从气态转变为液态，从而引起bog的加热，使得bog被加热以供应给浮式结构上的消耗器。
9.本发明的另一个目的是提出一种廉价的制冷剂，其中在浮式结构上可以获得其大量的化合物，同时优化所述制冷剂在天然气处理系统内的热效率。
10.本发明涉及一种制冷剂，该制冷剂用于在制冷剂回路中流通，并被配置成与储存在浮式结构的至少一个罐中的液化天然气进行热交换，该制冷剂包括：
11.25至35％mol的氮气或35至50％mol的氩气或35至50％mol的氮气和氩气的混合物，
12.35至55％mol的甲烷；
13.所述制冷剂中甲烷与氮气和/或氩气的比例为制冷剂的70-85％mol，剩余部分包括至少由乙烷和/或丙烷和/或丁烷和/或乙烯和/或丙烯组成的碳氢化合物的混合物。
14.有利地，上述所有剩余部分至少包含乙烷和/或乙烯和/或丙烷和/或丙烯和/或丁烷。
15.必须理解的是，在此以及在下文中，丁烷同样指正丁烷和2-甲基丙烷。
16.应当理解，在本文件中，制冷剂的总组成包括100％mol。
17.根据本发明的制冷剂适合于上述各种约束，特别是与将气体加热以将其输送给消耗器相关的约束，以及与从罐中以液态抽出的气体温度相关的约束。
18.更具体地，在制冷剂回路中，根据本发明的制冷剂经历制冷循环，也就是说，在回路的不同点引发制冷剂的状态变化。因此，制冷剂将能够在回路的蒸发器处从来自储罐的液化天然气中吸收热量。制冷剂还在回路的冷凝器处将热量释放给来自储罐的气相天然气，也就是说bog。在进入冷凝器之前，制冷剂经过膨胀阀，以便冷却制冷剂或者甚至过冷制冷剂，从而在膨胀之后使液体部分最大化，因此在制冷剂进入蒸发器时能够传递有用的冷量。在这样的循环中，在膨胀之前，bog将提供冷量来冷却制冷剂。另一方面，bog被加热以供应浮式结构上的消耗器。在这种情况下，可以理解，一方面，根据本发明的制冷剂也可以包括乙烷和/或乙烯，以增强在蒸发器中产生的热交换。另一方面，制冷剂也可以包括乙烷和/或乙烯和/或丙烷和/或丙烯和/或丁烷，以改善与bog产生的热交换。
19.值得注意的是，在大气压下，可用于本发明制冷剂的各种化合物具有以下汽化温度：
[0020]-氩气(ar)、氮气(n2)：[-200℃至-180℃]；
[0021]
甲烷(c1)：[-180℃至-125℃]；
[0022]-乙烷(c2)、乙烯(c2h4)：[-125℃至-75℃]
[0023]-丙烷(c3)、丙烯(c3h6)、丁烷(c4)：：[-75℃至15℃]。
[0024]
有利的是，甲烷、乙烷和/或乙烯、丙烷和/或丙烯和丁烷在浮式结构中可以大量获得，并且特别是以液化天然气的形式储存在罐中。
[0025]
根据本发明的特征，碳氢化合物的混合物可以包含15-30％的乙烷和/或乙烯和丙烷和/或丙烯或乙烷和/或乙烯和丁烷。根据一个实例，15％至30％的剩余部分因此可以包括乙烷和丙烷或乙烯和丙烷。根据另一个实例，15％至30％的剩余部分可以包括乙烷和丁烷或乙烯和丁烷。在这种情况下，可以理解的是，碳氢化合物的混合物以及因此制冷剂的剩余部分可以包含15-30％的乙烷和/或乙烯以及丙烷和/或丙烯，或者碳氢化合物的混合物以及因此制冷剂的剩余部分可以包含15-30％的乙烷和/或乙烯以及丁烷。
[0026]
根据本发明的特征，制冷剂可包含5至19％mol的乙烷和/或乙烯，剩余部分由丙烷
和/或丙烯和/或丁烷组成。
[0027]
根据本发明，制冷剂可以包含高达15％mol的丙烷和/或丙烯或丁烷。
[0028]
根据本发明的特征，制冷剂中甲烷的含量严格大于40％mol且小于或等于55％mol。换句话说，制冷剂包含40至55％mol的甲烷，不包括40％mol的值。
[0029]
因此，根据本发明的制冷剂可以根据其包含的惰性气体或惰性气体混合物的三个不同实施例来定义。值得注意的是，当制冷剂包含的唯一惰性气体是氮气时，根据第一实施例生产制冷剂，当制冷剂包含的唯一惰性气体是氩气时，根据第二实施例生产制冷剂，并且当制冷剂包含氮气和氩气的混合物时，根据第三实施例生产制冷剂。
[0030]
根据本发明的第一实施例，制冷剂可以至少包括氮气、甲烷、乙烷和/或乙烯和丙烷和/或丙烯，制冷剂中甲烷与氮气的比在1∶1和9∶5之间。换句话说，制冷剂可以包含至少和氮气一样多的甲烷。
[0031]
替代地，制冷剂可以至少包括氮气、甲烷、乙烷和/或乙烯和丁烷，制冷剂中甲烷与氮气的比在4∶5和7∶5之间。
[0032]
制冷剂中甲烷和氮气的存在可以增强在蒸发器处制冷剂和液化天然气之间的热交换。
[0033]
根据第一实施例的特征，制冷剂可以具有24g/mol
±
2g/mol的摩尔质量。
[0034]
根据第一实施例的特征，制冷剂可以包括至少30％mol的氮气、50％mol的甲烷、10％mol的乙烷和10％mol的丙烷。
[0035]
根据第一实施例的特征，制冷剂可以包括至少35％mol的氮气、42％mol的甲烷、15％mol的乙烷和8％mol的丙烷。
[0036]
根据第二实施例，制冷剂可以包括氩气、甲烷、乙烷和/或乙烯、丁烷和/或丙烷和/或丙烯，制冷剂的甲烷与氩气的比在3∶5和6∶5之间。优选地，根据本实施例的制冷剂可以包括与氩气一样多的甲烷。
[0037]
根据第二实施例的特征，制冷剂可以具有31g/mol
±
3g/mol的摩尔质量。
[0038]
根据第三实施例，制冷剂可以至少包括氮气和氩气、甲烷、乙烷和/或乙烯以及丁烷和/或丙烷和/或丙烯，制冷剂中甲烷与氩气和氮气的比在1∶2和13∶10之间。
[0039]
此外，根据第三实施例的制冷剂可以具有30g/mol
±
3g/mol的摩尔质量。
[0040]
本发明还涉及一种制冷剂回路，该制冷剂回路被配置成与至少储存在浮式结构的罐中的液化天然气进行热交换，该制冷剂回路在闭合回路中包含如前所述的制冷剂。
[0041]
因此，根据本发明的制冷剂回路用于允许制冷剂和至少液化天然气之间在低温时进行热交换，液化天然气能够处于气态和/或液态。
″
低温
″
应理解为是指低于-40℃，甚至低于-90℃，并且优选低于-160℃的温度。
[0042]
如前所述的制冷剂因此特别适合于在低温下优化制冷剂回路和天然气之间的这种热交换的效率。
[0043]
根据本发明，制冷剂回路至少包括：
[0044]
配置成压缩制冷剂的压缩机，
[0045]
用作冷凝器的第一热交换器，制冷剂通过该第一热交换器，并且该第一热交换器配置为被天然气通过，
[0046]
制冷剂膨胀装置，
[0047]
用作蒸发器的第二热交换器，制冷剂通过该第二热交换器，并且该第二热交换器配置为被天然气通过。
[0048]
制冷剂回路包括至少第一部分和第二部分，第一部分在压缩机和膨胀装置的入口之间延伸，制冷剂在第一部分中以高压流通，第二部分包含在所述膨胀装置和压缩机的入口之间，制冷剂在第二部分中以低压流通。例如，制冷剂在第一部分中可以具有18至36巴的压力，在第二部分中可以具有1.2至2.5巴的压力。于是，第一部分可以包括冷量接收区，而第二部分可以例如用于传输冷量。
[0049]
因此，当制冷剂通过制冷剂回路的各种部件流通时，它通过热量交换经历了一系列的状态和温度变化。
[0050]
特别地，制冷剂回路的第一部分包括第一热交换器的至少一个第一通道，第二部分包括第二热交换器的至少一个第一通道。
[0051]
当压缩机压缩制冷剂时，其温度升高，并且制冷剂可以将其热量从第一热交换器的第一通道传递到相邻的通道，例如第一热交换器的第二通道，源自罐的、经液化的气态天然气在该第二通道内流通。
[0052]
制冷剂然后在膨胀装置中膨胀，这降低了其压力。例如，膨胀装置可以是焦耳-汤姆逊阀。该制冷剂然后在制冷剂回路的第二部分中流通，并且更具体地在第二热交换器的第二通道中流通，在该第二通道中，制冷剂可以吸收来自另一通道的热量，例如来自第二热交换器的第二通道的热量，来自储罐的液态液化天然气在该第二通道中流通，然后制冷剂返回到压缩机。
[0053]
本发明还涉及一种用于用作浮式结构的发动机的燃料的天然气的处理系统，该处理系统包括如前所述的制冷剂回路，并且该处理系统被配置成与浮式结构的至少一个发动机和至少一个罐协作。浮式结构可以是甲烷油轮，但也可以是船舶，其中罐是用于容纳lng并供应船舶的一个或多个发动机的罐。
[0054]
如前所述，举例来说，发动机可以是浮式结构的推进发动机和/或至少一个船上设备的马达。
[0055]
″
处理
″
被理解为加热和/或冷却，分别用于导致天然气的蒸发或冷凝。因此，天然气处理系统至少包括形成用于制冷剂的闭合回路的制冷剂回路，以及至少确保天然气特别是在罐和发动机之间的流通或处理以及所述天然气和在制冷剂回路中流通的制冷剂之间的热交换的多个管线和/或装置。
[0056]
为了确保至少向发动机供应天然气，根据本发明的处理系统包括用于提取罐中存在的气态天然气的至少一个管线，第一热交换器是该气态天然气和制冷剂之间进行热交换的场所。提取管线通向罐的充气罐顶。特别地，气态天然气在第一热交换器的第二通道中流通，该天然气的温度高于-160℃，更特别地在-120℃和45℃之间。
[0057]
提取管线提取在充气罐顶(也就是说围绕罐的顶壁)中蒸发的天然气。这种气态天然气的提取可以连续或选择性地进行，提取管线则包括用于控制气态天然气提取的至少一个阀。
[0058]
提取的气态天然气然后可以被送到第一热交换器的第二通道，以便与在第一热交换器的第一通道中流通的制冷剂进行热交换，然后至少送到浮式结构的发动机。因此，使得气态天然气的压力和温度与浮式结构的一个或多个发动机的需求相适应。因此，至少提取
管线和第一热交换器的第二通道包括在至少向发动机供应天然气作为燃料的供应回路中，所述供应回路包括在处理系统中。
[0059]
根据本发明的特征，制冷剂回路的压缩机可被配置成压缩至少存储在罐中的天然气。
[0060]
特别地，安装在制冷剂回路中的压缩机被配置成压缩至少被浮式结构的发动机、例如浮式结构的推进发动机用作燃料的气态天然气。
[0061]
换句话说，根据浮式结构的需要，制冷剂回路的压缩机(以下称为第一压缩机)使得可以压缩经液化的气态天然气或制冷剂，这取决于它是用于流通和压缩制冷剂还是用于向发动机供应液化天然气。这种布置显然是为了安全目的而实施的。因此，在处理系统的第二压缩机发生故障的情况下，该第二压缩机仅用于压缩输送到浮式结构的发动机的天然气并且不同于制冷剂回路的第一压缩机，可以使用第一压缩机代替第二压缩机来确保天然气的压缩。因此，第一压缩机确保第二压缩机在其故障的情况下冗余。
[0062]
为此，第一压缩机和/或第二压缩机之前和/或之后可以有至少一个阀。一方面，这种阀使得可以选择性地向第一压缩机供应天然气或制冷剂，另一方面，当第一压缩机为制冷剂回路操作时，相对于发动机隔离所述第一压缩机，或者当第一压缩机操作以至少向发动机供应天然气作为燃料时，相对于制冷剂回路隔离所述第一压缩机。
[0063]
通过该安全系统，第一压缩机受到特定的约束。特别地，第一压缩机必须能够将天然气从大气压量级的压力压缩到大约13巴的压力。例如，为了能够压缩天然气或制冷剂，压缩机优选具有至少13-20％的压缩比和5000m3/h
±
10％的吞吐量。在这种情况下，第一压缩机特别适合于确保天然气的压缩，并且例如可以类似于第二压缩机。有利的是，根据本发明的制冷剂被特别优化，以便降低第一压缩机压缩所述制冷剂所需的功率。
[0064]
该处理系统可以包括天然气过冷装置和/或天然气冷凝装置。
[0065]
″
过冷装置
″
被理解为是指被配置成将液态天然气冷却到低于-160℃的温度的装置，这种现象尤其通过与在制冷剂回路中流通的制冷剂进行热交换来实现，制冷剂回路的成分适于此目的。
[0066]
根据本发明，处理系统可以包括用于提取罐中存在的液态天然气的至少一个提取导管，第二热交换器是该液态天然气和制冷剂之间进行热交换的场所。
[0067]
提取导管可被配置成供应天然气处理系统的过冷装置。例如，从罐中取出的液态天然气然后被送到第二热交换器，更具体地送到第二热交换器的第二通道，以便与在回路的第二部分中、特别是在第一热交换器的第一通道中流通的制冷剂进行热交换。
[0068]
提取导管至少部分地在罐中延伸，但是与存储在罐中的天然气的液体部分接触。值得注意的是，提取导管可以包括至少一个泵。特别地，所述泵至少部分浸没在液化天然气中。
[0069]
处理系统的
″
冷凝装置
″
被理解为是指一种装置，该装置被配置成通过热交换确保最初处于气态的天然气(例如由罐中天然气的自然蒸发产生的bog)转变成液态。特别地，冷凝装置可被配置成确保先前提取的气态天然气的冷凝，以至少用作浮式结构的发动机的燃料。换句话说，至少在处理系统的发动机的供应回路中流通的是气态的天然气。
[0070]
根据本发明，处理系统可以包括过量天然气流穿过的天然气返回管线，处理系统包括第三热交换器，该第三热交换器是过量天然气和源自罐的液态天然气之间进行热交换
的场所。
[0071]
特别地，根据本发明，源自罐的液态天然气从第二热交换器获得。换句话说，来自罐的液态天然气相继在第二热交换器中、然后在第三热交换器中流通，在第三热交换器中其与过量天然气交换热量。
[0072]
返回管线也可以形成冷凝装置的一部分，因为它通过将冷凝的天然气返回到罐中而有助于冷凝功能。
[0073]
″
过量天然气
″
被理解为是指由提取管线提取并被压缩了的气态天然气的一部分，以便至少为发动机供应气态天然气作为燃料，但不被所述发动机使用。例如，过量天然气的压力小于或等于13巴。
[0074]
作为一个例子，返回管线可以提取第二压缩机或第一压缩机与浮式结构的发动机之间的过量天然气。
[0075]
值得注意的是，处理系统的返回管线可以将过量天然气带到第三热交换器，以使其传递其热量，也就是说，它从也在其中流通的液态天然气中获取冷量。
[0076]
特别地，该液态天然气可以预先通过与制冷剂进行热交换而被过冷，使得天然气被输送到第三热交换器的第一通道，而过量天然气通过返回管线被带到第三热交换器的第二通道。
[0077]
因此，用于至少储存在浮式结构的罐中的液化天然气的处理系统可以将制冷剂回路与天然气过冷装置和/或天然气冷凝装置相结合。
[0078]
本发明还涉及一种浮式结构，该浮式结构包括至少一个用于运输或储存液化天然气的罐，该浮式结构包括该浮式结构的至少一个发动机和至少一个如前所述的处理系统，该发动机被配置成被供应至少部分地在处理系统中流通的气态天然气。
[0079]
本发明还涉及一种用于装载或卸载液化天然气的系统，该系统结合了至少一个陆上装置和至少一个用于运输液化天然气的浮式结构，该浮式结构至少包括罐。
[0080]
最后，如前所述，本发明涉及一种用于将液化天然气装载到用于运输液化天然气的浮式结构的罐或从该储卸载液化天然气的方法。
附图说明
[0081]
一方面通过阅读以下描述，另一方面通过参考附图以指示性和非限制性的方式给出的几个示例性实施例，本发明的其他特征、细节和优点将更加清楚地显现，在附图中：
[0082]
[图1]示意性地示出了储存在用于运输或储存天然气的浮式结构的罐中的液化天然气的处理系统；
[0083]
[图2]表示图1所示的天然气处理系统的替代方案；
[0084]
[图3]表示处于第一操作模式的天然气处理系统；
[0085]
[图4]表示实施作为图3所示的第一操作模式的替代的备用操作模式的天然气处理系统；
[0086]
[图5]表示处于第二操作模式的天然气处理系统；
[0087]
图6是浮式结构的罐和用于装载和/或卸载该罐的码头的剖视示意图。
具体实施方式
[0088]
图1表示用于天然气的处理系统1，该天然气用作运输和/或储存所述天然气的浮式结构的发动机2的燃料。处理系统1被配置为至少与用于存储液化形式的所述天然气的浮式结构的发动机2和至少一个罐3协作，处理系统1因此确保来自罐3的天然气至少供应到发动机2。为此，处理系统1包括至少一个制冷剂回路4和至少用于发动机2的燃料供应回路5。
[0089]
作为示例，发动机2可以是浮式结构的推进发动机和/或为至少一个船上设备提供动力的马达。处理系统1，特别是燃料供应回路5，用于加热来自罐的气态天然气，并提高其压力，以便将所述天然气置于与发动机2的需要相适应的压力和温度条件。
[0090]
此外，处理系统1可以包括形成在处理系统1内的至少一个天然气冷凝装置6和/或一个天然气过冷装置14，以便产生至少一次热交换，例如与制冷剂回路4的热交换。
[0091]
在处理系统1内，冷凝装置6和过冷装置14可以独立使用或者彼此结合使用。根据发动机2对气态天然气的需求，它们确保对从罐3中提取的至少一部分天然气进行处理，特别是为了确保气态天然气的冷凝或天然气的液态部分的过冷。这些不同的装置和需要实施其的浮式结构的操作模式将在下文中进一步详述。
[0092]
在处理系统1内，制冷剂回路4包括能够在接近天然气液化时的储存温度的低温下传递热能的单元。值得注意的是，在本发明中，所涉及的液化天然气主要包含甲烷，并且具有从气态到液态的大约-163℃的状态变化温度。
[0093]
制冷剂回路4是制冷剂在其中流通的闭合回路。制冷剂回路4依次包括至少一个压缩机7(称为第一压缩机71)、第一热交换器8、膨胀装置9(例如焦耳-汤姆逊阀)和第二热交换器10。
[0094]
特别地，制冷剂回路4至少包括第一部分151，该第一部分151在第一压缩机71的输出端和膨胀装置9之间延伸，并且制冷剂在该第一部分151中以18至36巴的高压流通。制冷剂回路4的第一部分151构成冷量接收区。为此，它包括设置在压缩机7和膨胀装置9之间的第一热交换器8的至少一个第一通道81。
[0095]
制冷剂回路4包括包含在膨胀装置9的输出端和第一压缩机71之间的至少一个第二部分152，制冷剂在该第二部分152内以低压流通，例如以大约1.2至2.5巴的压力。制冷剂回路的第二部分152旨在用于冷量传输。它包括设置在膨胀装置9和压缩机7之间的第二热交换器10的至少一个第一通道101。
[0096]
因此，在制冷剂回路4中流通的制冷剂首先被压缩机7压缩，然后在作为制冷剂的冷凝器操作的第一热交换器8的第一通道81中流通，并且制冷剂在其中释放热量。然后，制冷剂在膨胀装置9中膨胀，然后被送入作为蒸发器操作的第二热交换器10的第一通道101，在此吸收热量，然后返回压缩机7。
[0097]
根据本发明的制冷剂的组成特别适用于在低温与主要包含甲烷的天然气进行热交换，也就是说其液化温度约为-163℃。因此，当制冷剂承受18-36巴之间的压力时，制冷剂从气态到液态的状态变化温度为-160-20℃。当制冷剂受到大约1.2到2.5巴的压力时，制冷剂从液态到气态的状态变化温度在-183到-50℃之间。根据本发明的制冷剂也是无腐蚀性且无毒的。
[0098]
根据本发明的制冷剂被配置成允许与在处理系统1中流通的天然气进行至少一次热交换。特别地，制冷剂被配置为加热在至少用于发动机的燃料供应回路5中流通的天然
气，以便将所述天然气升高对发动机相适应的温度。特别地，第一热交换器8是制冷剂和用于至少供应给发动机2的天然气之间进行热交换的场所。有利地，处理系统1可以被配置成例如在离开第一热交换器的被冷却的制冷剂和在天然气过冷装置14中流通的处于大约-170℃的温度的液态天然气之间实施至少一次第二热交换。因此，制冷剂特别适合于处理系统1，因为其在大气压下在低于-160℃的温度下不会冻结。
[0099]
在制冷剂回路4中流通的制冷剂包括至少一种惰性气体，更具体地为氮气和/或氩气，其功能是确保天然气在低于处于大气压时的天然气液化温度的低温时的状态变化。
[0100]
制冷剂还包括选自甲烷、乙烷和/或乙烯和/或丙烷和/或丙烯和/或丁烷的碳氢化合物的混合物。甲烷和乙烷和/或乙烯特别适合于与气态天然气进行热交换，例如与bog进行热交换，bog是
″
汽化气体
″
的首字母缩写，也就是说由罐3中天然气的自然蒸发产生的气态天然气，其温度在-140℃和-90℃之间
[0101]
有利的是，可以廉价地生产制冷剂，因为所述制冷剂的一些化合物在浮式结构中可以大量获得，不同的碳氢化合物尤其构成了存储在罐3中的天然气。
[0102]
为了优化制冷剂和供应回路和/或过冷装置14之间产生的热交换的热效率，制冷剂包括至少70-85％mol的甲烷和氮气和/或氩气。它可以根据三种不同类型的组合物来生产：
[0103]
根据第一实施例，制冷剂包含25至35％mol的氮气和选自至少乙烷和/或丙烷和/或丁烷和/或乙烯和/或丙烯的碳氢化合物的混合物；
[0104]
根据第二实施例，制冷剂包括35-50％mol的氩气和适当的碳氢化合物的混合物，该混合物可以与第一实施例的混合物不同或相同；
[0105]
或者，根据第三实施例，制冷剂包括35至50％mol的氮气和氩气的混合物以及碳氢化合物的混合物，该碳氢化合物的混合物可以与第一实施例或第二实施例的混合物不同或相同。
[0106]
特别地，独立于其实施是合理，制冷剂可以包含5至19％mol的乙烷和/或乙烯。此外，制冷剂可以包含高达15％的丙烷或丁烷，后者促进了与bog产生的热交换，也就是说处于更高的温度。
[0107]
当根据第一实施方案生产制冷剂时，其可以至少包含氮气、甲烷、乙烷和/或乙烯和丙烷和/或丙烯，然后制冷剂优选具有的甲烷与氮气的比为1∶1至9∶5。
[0108]
替代地，根据第一实施例的制冷剂可以至少包括氮气、甲烷、乙烷和/或乙烯和丁烷，制冷剂优选地具有的甲烷与氮气的比为4∶5至7∶5之间。
[0109]
有利的是，这种制冷剂的摩尔质量为24g/mol
±
2g/mol。
[0110]
当根据第二实施例生产制冷剂时，其可以至少包括氩气、甲烷、乙烷和/或乙烯、丁烷和/或丙烷和/或丙烯，制冷剂优选地具有3∶5至6∶5的甲烷与氩气的比。
[0111]
此外，所述制冷剂可以具有大约31g/mol
±
3g/mol的摩尔质量。
[0112]
当根据第三实施例生产制冷剂时，其可以至少包含氮气和氩气、甲烷、乙烷和/或乙烯，以及丁烷和/或丙烷和/或丙烯，则制冷剂优选具有的甲烷与氩气和氮气的比为1∶2至13∶10。此外，所述制冷剂可以具有大约30g/mol
±
3g/mol的摩尔质量。
[0113]
表1以非限制性的方式示出了制冷剂组成的不同实例，示例1至8代表制冷剂的第一实施例，实例9和10分别代表第二实施例和第三实施例。
[0114]
[表1]
[0115][0116]
通过其组成，在制冷剂回路4中流通的制冷剂旨在处于气态或气液两相状态。作为示例，制冷剂在压缩机7和制冷剂回路4的第一部分151中基本上处于气态，而在膨胀装置9的出口处，尤其是在膨胀装置9和第二热交换器10之间，制冷剂处于两相状态。其结果是，在制冷剂回路4内，制冷剂可以被带到低温，特别是低于-170℃的温度，例如在膨胀装置9的出口处，但是也可以被升高到大约45℃的温度，例如在压缩机7的出口处。
[0117]
在所示的例子中，如前所述，第一热交换器8允许在第一热交换器8的第一通道81中以20-45℃的温度流通的制冷剂与通过第一热交换器8的第二通道82流通的气态天然气之间进行热量交换，第一热交换器8包括在供应回路5中，具有较低的温度，例如在-140℃和-90℃之间。在第一通道81中流通的制冷剂比天然气更热，然后将热量传递给天然气并接收冷量，从而确保加热在发动机2的燃料供应回路中流通的所述天然气。
[0118]
在第二热交换器10中，以-180℃和-168℃之间的温度进入第一通道101的制冷剂可以与在第二热交换器10的第二通道102中流通的液态天然气进行热交换，该第二热交换器10尤其包括在天然气过冷装置14中，并且具有大约-160℃的温度。比液态天然气冷的制冷剂将冷量传递给液态天然气。制冷剂例如从膨胀装置9之后的大约-178℃的温度转换到第二热交换器10的出口处的大约-172℃的温度。
[0119]
替代地，如图2所示，处理系统1可以以这样的方式生产，即包括代替第一热交换器8和第二热交换器10的组合式热交换器11，组合式热交换器11包括第一通道111、第二通道112、第三通道113和第四通道114，它们分别具有前面解释的图1中描述的与第一热交换器的第二通道、第一热交换器的第一通道、第二热交换器的第一通道和第二热交换器的第二通道相关的特征。有利地，在这种处理系统1中，组合式热交换器11的第二通道112和第三通道相互交换热量，使得在组合式热交换器11的第二通道112中流通的制冷剂将热量传递给在制冷剂回路的第二部分152中、在该同一热交换器的第三通道113中流通的较冷的制冷剂。因此，第二通道112和第三通道113形成结合在组合式热交换器11中的内部交换器。
[0120]
因此，如图1和图2所示的处理系统1的示例性实施例所示，制冷剂回路4被居中地结合在处理系统1中，用于输送和储存在浮式结构的罐3中的天然气，从而允许在制冷剂回
路4中流通的制冷剂和来自罐3的在燃料供应回路5和/或过冷装置14中流通的天然气之间进行热交换。
[0121]
离开第一压缩机71的制冷剂因此参与至少两次热交换，第一次在膨胀装置9上游的第一部分151内进行并引起其冷却，从而导致在处理系统1中流通的天然气的加热，第二次发生在制冷剂回路的第二部分152内并引起制冷剂的加热，从而允许冷却、更具体地说是过冷在过冷装置14中流通的天然气。
[0122]
如上所述，在天然气处理系统1中，燃料供应回路5、过冷装置14和冷凝装置6被配置成确保处理从罐3中提取的至少一部分天然气，这些不同装置的实施取决于燃料需求，也就是说浮式结构的发动机2对气态天然气的需求。图3至5示出了处理系统1的不同操作模式，其可以根据浮式结构的需要来实施。这些不同的操作模式将参照图1所示的处理系统1进行描述，但是应当理解，后者可以变换为根据前面参照图2描述的替代配置生产的处理系统1，也就是说，其中处理系统包括组合式热交换器。
[0123]
图3特别示出了当处理系统1用于向浮式结构的发动机2供应来自充气罐顶3的气态天然气时，处理系统1的操作模式。当浮式结构的发动机2的需求基本上等于罐3内自然产生的bog量时，可以实施这种操作模式。
[0124]
为了供给发动机2，bog通过发动机燃料供给回路的提取管路51提取，并且从罐3输送到至少发动机2。气态天然气的提取可以通过例如设置在罐3中的压力传感器(未示出)来控制，以便测量罐3中bog的压力并检测超过预定压力阈值的情况，超过该预定压力阈值时必须排放气态天然气，例如为了防止对罐3的任何损坏。
[0125]
在处理系统1中，供应回路5的提取管线51将在-140℃和-90℃之间的温度(例如大约-120℃)提取的气态天然气或bog带到第一热交换器8的第二通道82。如上所述，通过其温度，在第一热交换器8的第二通道82中流通的气态天然气从在第一热交换器8的第一通道81中流通的制冷剂中吸收热量。气态天然气因此被加热，并以20-45℃的温度离开第一热交换器8，以被带到处理系统1的第二压缩机72，该第二压缩机72不同于包括在制冷剂回路中的第一压缩机71。因此，气态天然气相继通过第一热交换器和第二压缩机72使得可以使天然气达到与其至少用作浮式结构的发动机的燃料相适应的温度。
[0126]
第二压缩机72具有例如13的压缩比和大约5000m3/h的吞吐量。气态天然气一旦被压缩，就具有大约43℃的温度，并且可以经由供给回路5的至少一个供应管线53被输送到至少浮式结构的发动机2，例如推进发动机2或船载设备的马达2。
[0127]
因此，制冷剂的组成特别适合于确保加热在至少发动机的燃料供应回路5中流通的天然气。如前所述，离开第一交换器8的制冷剂然后穿过膨胀装置9，然后被带入第二热交换器10。
[0128]
在所示的例子中，该第二热交换器用作制冷剂的蒸发器，并且是在第二热交换器的第一通道101中流通的制冷剂和从罐3中以液态提取的、在第二热交换器10的第二通道102中流通的天然气之间进行热量交换的场所，从而允许冷却至少一部分天然气。
[0129]
有利的是，由第一热交换器8中的制冷剂释放的热量，换句话说，由制冷剂回路在第一热交换器8中执行的一系列热量交换中产生的低温能量，可以用于将从罐3中以液态提取的一部分天然气过冷到大约-170℃的温度。在这种操作模式下，因此，处理系统1可以同时确保经由供应回路5向至少发动机2供应气态天然气作为燃料，并且操作过冷装置14。
[0130]
处理系统1的过冷装置14包括用于液态天然气的提取导管61。与提取管线51不同，提取导管61被浸没以提取液态天然气。为此，提取导管61可以包括泵54，例如潜水泵。液态天然气的提取可以由至少一个提取阀64控制，该提取阀64设置在第二热交换器10上游的提取导管61上。
[0131]
在所述第二热交换器10的第二通道102中，提取导管61将液态天然气带到第二热交换器10。例如，在第二热交换器10的入口处，液态天然气可以具有低于或等于-159℃的温度，这取决于其组成。
[0132]
如前所述，在第二热交换器10的第二通道102中流通的液态天然气比在第二热交换器10的第一通道101中流通的制冷剂更热，将热量传递给温度在-180℃和-168℃(例如大约-178℃)之间的制冷剂。比液态天然气更冷的制冷剂因此被加热，同时天然气被过冷，后者以-165℃和-172℃之间的温度离开第二热交换器10。然后，过冷的天然气经由回注导管63回注到天然气储罐3中，特别是在罐3的下部分中，从而形成冷量存储层145，该冷量存储层145可以随后被再次使用。
[0133]
图4示出了替代操作模式，特别是处理系统1的供应回路5的备用系统的操作模式，其可以在供应回路5的第二压缩机72发生故障的情况下实施。事实上，在处理系统1内，制冷剂回路4的压缩机7或第一压缩机71可被配置成压缩由提取管线51提取的气态天然气，并旨在向至少发动机2供应气态天然气作为燃料。出于安全目的，至少供应浮式结构的发动机2的压缩机7的这种冗余被放置在位，使得在第二压缩机72发生故障的情况下，压缩气态天然气到发动机2的供应可以继续。
[0134]
通过这种结构，第一压缩机71可以类似于第二压缩机72，也就是说，除了制冷剂压缩功能之外，它还受到与其天然气压缩功能相关的各种约束。特别地，第一压缩机71具有例如13的压缩比和大约5000m3/h的吞吐量。
[0135]
如前所述，为了实施该备用系统的目的，制冷剂的成分被特别调整和优化以最小化第一压缩机71的消耗，该第一压缩机71被配置为压缩制冷剂或天然气。
[0136]
为了允许在制冷剂回路4或至少发动机2的燃料供应回路5中使用第一压缩机71，第一压缩机71的输入一方面连接到包括在制冷剂回路4中的第二热交换器10的第一通道101，另一方面连接到天然气在其中流通的第一热交换器8的第二通道82的输出。第一热交换器8的第二通道82的输出和第一压缩机71之间的连接通过替代管线52实现。
[0137]
为了控制离开第一热交换器8的第二通道82朝向第一压缩机71和/或第二压缩机72的天然气的流通，第一压缩机71和第二压缩机72之前还设有至少一个分段阀12。特别地，至少一个第一分段阀121可以设置在第一压缩机71的上游和/或下游，例如在替代管线52中。此外，制冷剂回路4可以包括至少一个截止阀45，也设置在第一压缩机71的上游。
[0138]
换句话说，如图3所示，默认情况下，也就是说当第二压缩机72操作并用于向至少发动机2供应天然气时，第一分段阀121关闭，截止阀45打开，以便将第一压缩机71与处理系统1的供应回路5中的天然气流通隔离，并在制冷剂回路4中使用它来压缩制冷剂。
[0139]
相反地，如图4所示，当第二压缩机72发生故障并且备用系统被实施时，设置在第二压缩机72上游的至少一个第二分段阀122被关闭，第一分段阀121被打开并且截止阀45被关闭。离开第一热交换器8的第二通道82的天然气然后被第一压缩机71吸入，并且至少可以供应发动机2。
[0140]
图5表示当实施冷凝装置6时的处理系统1。当相对于发动机2的需求产生过量的bog时，可以特别使用第二操作模式。例如，当浮式结构以低速移动时，情况尤其如此。在这种情况下，一部分气态天然气或bog，其已经作为燃料被送入供应回路5，并且不被浮式结构的发动机2使用，然后被提取并被送入冷凝装置6，用于其液化，然后被重新注入罐3。送到冷凝装置6的这部分天然气在下文中被认为是过量天然气。
[0141]
过量天然气通过冷凝设备6的返回管线62从处理系统1的供应回路5中提取。特别地，返回管线62可以在第二压缩机72和至少浮式结构的发动机2之间产生过量天然气的泄放，然后过量天然气被压缩并且具有20至45℃之间的温度和低于或等于13巴的压力。这种泄放可以选择性地进行，并且例如可以由设置在返回管路62上的泄放阀65控制。
[0142]
此外，冷凝装置包括第三热交换器13，该第三热交换器13被配置成确保在第三热交换器13的第二通道132中流通的过量天然气和来自罐3的在第三热交换器13的第一通道131中流通的液态天然气之间的热量交换。
[0143]
有利地，在第三热交换器13的第一通道131中流通的液态天然气可以是来自第二热交换器10的天然气，也就是说在过冷装置14中流通的天然气，其通过与第二热交换器10中的制冷剂进行热量交换而被过冷。这种过冷天然气可以尤其以在-165℃和-172℃之间的温度离开第二热交换器10
[0144]
根据未示出的替代方案，在第三热交换器的第一通道131中流通的液态天然气可以从罐3中提取出，以被直接带到第三热交换器13。
[0145]
因此，过量天然气流被带到处理系统1的第三热交换器13的第二通道132，以便在被重新注入罐3之前被冷却和重新液化。通过与液态天然气或被过冷装置14过冷的天然气进行热交换，确保了温度约为43℃的过量天然气的液化。该过冷天然气比在第三热交换器13的第二通道132中流通的过量天然气冷，然后从后者吸收热量，从而冷却过量天然气并使其冷凝。在第三热交换器13的出口，在第三热交换器的第一通道131中流通的液态天然气具有大约-152℃的温度，而在同一第三热交换器13的第二通道132中流通的冷凝天然气具有大约-158℃的温度。
[0146]
第三热交换器13的通道的输出连接到回注导管63，以允许液态天然气和再冷凝的天然气(本身也是液体)混合，然后再引入罐3中。该再注入步骤可以选择性地进行，例如通过形成在再注入导管63上的再注入阀66。以类似于先前解释的过冷天然气的再注入的方式，再注入导到在罐3的底部附近。
[0147]
当处理系统1根据该第二操作模式操作时，也就是说当它实施过量天然气的冷凝时，制冷剂回路4间接涉及冷凝装置14，如前所述，制冷剂回路4用于过冷由提取导管61提取的液态天然气，并用于从过量天然气中获取热量。因此，液化更有效，因为通过第三交换器13的第一通道131的液态天然气的温度特别低，并且明显低于以液态储存在罐3中的天然气的温度。
[0148]
制冷剂回路4、燃料供应回路5、过冷装置14和冷凝装置6因此在处理系统1内彼此直接或间接协作，一方面是为了确保旨在至少供应浮式结构的发动机2的气态天然气的温度设定，另一方面是为了确保液态天然气的过冷和储存，最后，当气态天然气过量存在时，为了确保气态天然气的冷凝和再注入。
[0149]
最后，图6是浮式结构15的剖面图，示出了安装在浮式结构15的双壳16中的天然气
储罐3，该天然气储罐3由至少一个主密封膜、设置在主密封膜和浮式结构15的双壳16之间的副密封膜以及分别形成在主密封膜和副密封膜之间以及副密封膜和双壳16之间的两个隔热层的组件形成。
[0150]
布置在浮式结构15的顶部甲板上的装载和/或卸载管道17可以通过适当的连接器连接到海运或港口码头18，以便将液态天然气货物从罐3输送出或输送到罐3。
[0151]
通过阅读上文可以理解，本发明提出了一种用于在天然气处理系统的制冷剂回路中流通的制冷剂，该制冷剂具有特别适合于在低温下与储存在浮式结构的至少一个罐中并从该罐中取出的所述液化天然气进行热交换的成分。因此，根据本发明的制冷剂旨在优化与天然气产生的任何热交换，还旨在最小化处理系统的压缩机的消耗，该压缩机被配置为压缩所述制冷剂或源自罐的天然气。本发明还涉及包括所述制冷剂的制冷剂回路和包含所述制冷剂回路的处理系统。
[0152]
然而，本发明不应该局限于这里描述和说明的装置和构造，并且它还扩展到任何等同的装置或构造以及这些装置的任何技术上可行的组合。特别地，热交换器的数量将能够被修改，不同的热交换器尤其能够被组合以减少其数量，只要处理系统最终实现与本文中描述的功能相同的功能。