КОМПЛЕКС СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА (ВАРИАНТЫ)
NATURAL GAS LIQUEFACTION COMPLEX (VERSIONS)

Группа изобретений относится к газоперерабатывающей промышленности и может использоваться при переработке газа для извлечения сжиженных углеводородных газов из природного газа, получения сжиженного природного газа (СПГ).
Природный газ, охлажденный после очистки от примесей до температуры конденсации (-161,5°С), превращается в жидкость - сжиженный природный газ (СПГ). Объем газа при сжижении уменьшается в 600 раз, что является одним из основных преимуществ этой технологии. В настоящее время криогенное сжижение природного газа для транспортировки и хранения имеет все возрастающее значение, обеспечивая долгое хранение СПГ, позволяя создавать запас СПГ, нейтрализовать периодические колебания предложения и спроса.
Ключевыми характеристиками установок для сжижения природного газа являются полнота сжижения газа, как показатель эффективности работы таких установок, а также качество получаемого в технологическом процессе сжиженного природного газа.
Известна установка для сжижения природного газа, Архаров A.M. и др. Криогенные системы: Основы теории и расчета: Учебник для студентов вузов по специальности «Криогенная техника» - 2-е изд., перераб и доп. - М.: Машиностроение, 1988, стр. 242-243, в которой цикл сжижения осуществляется с предварительным охлаждением и дросселированием и включает повышение давления газа, его последовательное охлаждение в первом теплообменнике обратным потоком газа, в испарителе холодильной машины, во втором теплообменнике обратным потоком газа, снижение давления охлажденного газа и его разделение на целевую жидкость и паровую фазу, отвод целевой жидкости потребителю, а паровой фазы во второй теплообменник с образованием обратного потока и затем в первый теплообменник, смешивание обратного потока с новой порцией исходного природного газа и направление его на повышение давления. Основным недостатком известной установки является недостаточная эффективность такого технологического процесса ввиду необходимости сброса давления сырьевого газа до давления в обратном потоке и более высокой необратимости теплообмена.
Известна установка для осуществления способа сжижения природного газа в соответствии с патентом RU 2256130, МПК F25J 1/00, опубл. 10.07.2005 г. на изобретение «Способ сжижения природного газа в дроссельном цикле», при котором в компрессоре повышают давление природного газа с образованием прямого потока, охлаждают прямой поток не менее чем в одной ступени охлаждения, где от него отделяют жидкую фазу высококипящих компонентов и дросселируют ее в обратный поток. Прямой поток после ступени охлаждения дросселируют с образованием газожидкостной смеси, разделяют ее в сепараторе на целевую жидкость и паровую фазу с образованием обратного потока, отводят целевую жидкость потребителю. Обратный поток направляют на охлаждение прямого потока и смешение с исходным природным газом. Прямой поток перед его подачей в ступень охлаждения предварительно охлаждают, отделяют рабочий поток от прямого потока, входящего в ступень охлаждения, снижают давление прямого потока с образованием парожидкостной смеси перед отделением жидкой фазы высококипящих компонентов. Предварительное охлаждение прямого потока ведут за счет холода обратного потока. При эксплуатации известной установки достигается повышение коэффициента сжижения, снижаются удельные затраты на производство сжиженного природного газа, однако, известная установка малоэффективна в силу необходимости сброса давления сырьевого газа до давления в обратном потоке, более высокой необратимости теплообмена, увеличения габаритов сепарационного оборудования из-за отсутствия переохлаждения потока природного газа.
Целью изобретения является повышение эффективности комплекса сжижения, обеспечение полного сжижения природного газа с сохранением качества продукционного СПГ.
Техническим результатом изобретения является разработка простого, надежного и эффективного комплекса, обеспечивающего 100% сжижение природного газа и повышенное его качество, обладающего преимуществами транспортабельности и возможностью использования при освоении малодебитовых месторождений, для организации временных производств СПГ при существующей на объекте установке подготовки газа.
Поставленная цель и требуемый технический результат достигаются за счет того, что в первом варианте комплекс сжижения природного газа выполнен в блочном исполнении, подключен к трубопроводу подачи природного газа и содержит соединенные между собой трубопроводами подвода, отвода природного газа блоки комплексной очистки, компрессии, блок сжижения, смеситель и криогенную емкость для сжиженного природного газа. Блок компрессии подключен к блоку аппаратов воздушного охлаждения и содержит два, но не ограничиваясь этим, параллельно подключенных компрессора, а к блоку сжижения подключен блок холодильной машины. Блок сжижения содержит дроссель-эжектор, дроссельный клапан, дроссельный вентиль, фазовый сепаратор с датчиком уровня жидкой фазы, датчик температуры потока газа и последовательно соединенные первый и второй противоточные теплообменные аппараты, причем между противоточными теплообменными аппаратами подключен последовательно к ним вспомогательный теплообменный аппарат, соединенный трубопроводами подвода, отвода хладоносителя с блоком холодильной машины. Датчики уровня жидкой фазы и температуры потока газа соединены электрической связью с управляющими механизмами соответственно дроссельного вентиля и дроссельного клапана. Трубопровод подвода природного газа с прямым потоком после блока комплексной очистки проходит через смеситель и подключен на вход блока компрессии. На выходе из блока компрессии трубопровод прямого потока проходит последовательно через первый противоточный, вспомогательный и второй противоточный теплообменные аппараты блока сжижения и через дроссель-эжектор подключен на вход фазового сепаратора, на выходе из которого трубопровод прямого потока с жидкой фазой через дроссельный вентиль подключен ко входу криогенной емкости для направления потребителю сжиженного природного газа. Верхний выход криогенной емкости и вход дроссель-эжектора соединены трубопроводом отвода пара. На выходе из второго противоточного теплообменного аппарата на трубопроводе прямого потока установлен датчик температуры потока газа, также, на выходе из второго противоточного теплообменного аппарата от трубопровода прямого потока ответвляется трубопровод дополнительного потока, который подключен на вход дроссельного клапана, после чего проходит последовательно второй и первый противоточные теплообменные аппараты, и, при выходе из блока сжижения, через смеситель, замыкая цикл, подключен на вход блока компрессии. К выходу фазового сепаратора подключен трубопровод обратного потока с паровой фазой, который проходит последовательно второй и первый противоточные теплообменные аппараты и, при выходе из блока сжижения, подключен на вход блока компрессии.
Поставленная цель и требуемый технический результат достигаются также за счет того, что во втором варианте комплекс сжижения природного газа выполнен в блочном исполнении, подключен к трубопроводу подачи природного газа и содержит соединенные между собой трубопроводами подвода, отвода природного газа блоки комплексной очистки, компрессии, блок сжижения, смеситель и криогенную емкость для сжиженного природного газа. Блок компрессии подключен к блоку аппаратов воздушного охлаждения и содержит два, но не ограничиваясь этим, параллельно подключенных компрессора. К блоку сжижения подключен блок холодильной машины. Блок сжижения содержит дроссель-эжектор, дроссельный клапан, дроссельный вентиль, фазовый сепаратор с датчиком уровня жидкой фазы, датчик температуры потока газа и последовательно соединенные первый и второй противоточные теплообменные аппараты, причем между противоточными теплообменными аппаратами подключены последовательно к ним первый и второй вспомогательные теплообменные аппараты, каждый из которых соединен трубопроводами подвода, отвода хладоносителя с блоком холодильной машины. Между вспомогательными теплообменными аппаратами подключен последовательно к ним дополнительный теплообменный аппарат. Датчики уровня жидкой фазы и температуры потока газа соединены электрической связью с управляющими механизмами соответственно дроссельного вентиля и дроссельного клапана. Трубопровод подвода природного газа с прямым потоком после блока комплексной очистки проходит через смеситель и подключен на вход блока компрессии, на выходе из которого трубопровод прямого потока проходит последовательно через первый противоточный, первый вспомогательный, дополнительный, второй вспомогательный и второй противоточный теплообменные аппараты блока сжижения и через дроссель-эжектор подключен на вход фазового сепаратора, на выходе из которого трубопровод прямого потока с жидкой фазой через дроссельный вентиль подключен ко входу криогенной емкости для направления потребителю сжиженного природного газа. Верхний выход криогенной емкости и вход дроссель-эжектора соединены трубопроводом отвода пара. На выходе из второго противоточного теплообменного аппарата на трубопроводе прямого потока установлен датчик температуры потока газа, также, на выходе из второго противоточного теплообменного аппарата от трубопровода прямого потока ответвляется трубопровод дополнительного потока, который подключен на вход дроссельного клапана, после чего проходит последовательно через второй противоточный, дополнительный и первый противоточный теплообменные аппараты, и далее, при выходе из блока сжижения, через смеситель, замыкая цикл, подключен на вход блока компрессии. К выходу фазового сепаратора подключен трубопровод обратного потока с паровой фазой, который проходит последовательно через второй противоточный, дополнительный и первый противоточный теплообменные аппараты, далее, при выходе из блока сжижения, подключен на вход блока компрессии.
Такое конструктивное исполнение вариантов комплекса сжижения природного газа позволяет отнести его к установкам полного сжижения с обеспечением получения в виде СПГ до 100% сырьевого газа, поступающего из блока комплексной очистки. Комплекс может быть подключен практически к любому источнику природного газа.
Конструктивное исполнение вариантов комплекса сжижения природного газа в виде отдельных блоков, допускающее поставку комплекса сжижения в 100% заводской готовности и упрощающее его транспортировку, позволяет использовать такой комплекс при организации временных производств СПГ, при освоении малодебитовых месторождений природного газа. Подключение двух трубопроводов с обратными потоками (трубопровод обратного потока и трубопровод дополнительного потока) позволяет повысить эффективность и универсальность схем комплекса при изменении параметров сырьевого газа, позволяет упростить схемы комплекса в части низкотемпературного сепарационного оборудования, а также понизить паровую нагрузку на такое оборудование. Подключение трубопровода дополнительного потока с одним из обратных потоков позволяет выполнить быстрое захолаживание комплекса, стабилизировать качество продукционного СПГ за счет более глубокого охлаждения прямого потока.
Группа изобретений будет более понятна из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи.
На Фиг. 1 изображена общая схема комплекса по первому варианту.
На Фиг. 2 изображена общая схема комплекса по второму варианту.
Комплекс сжижения по первому варианту исполнения содержит блок 1 комплексной очистки, смеситель (на чертеже не обозначен), блок 5 компрессии, включающий параллельно подключенные компрессора 2, 3, 4, блок 20 сжижения, блок 8 аппаратов воздушного охлаждения с аппаратами 6 воздушного охлаждения и вентиляторами 7, блок 24 холодильной машины с аппаратом 22 воздушного охлаждения и холодильным агрегатом 23, дроссель-эжектор 12, дроссельный клапан 14, дроссельный вентиль 15, фазовый сепаратор 13 с датчиком 17 уровня жидкой фазы, противоточные теплообменные аппараты 9, 11, датчик 16 температуры потока газа, вспомогательный теплообменный аппарат 10 и криогенную емкость 21 для сжиженного природного газа. Кроме этого, на чертеже обозначены трубопровод 19 дополнительного потока и трубопровод 18 обратного потока.
По первому варианту исполнения комплекс работает следующим образом. Сырьевой природный газ проходит блок 1 комплексной очистки, где проходит фильтрацию, осушку, демеркуризацию и, затем, через смеситель поступает в циркуляционный контур комплекса сжижения. Циркуляция природного газа обеспечивается компрессорами 2, 3, 4 блока 5 компрессии, при этом, для обеспечения необходимого количества циркулирующего природного газа предусмотрено параллельное включение нескольких однотипных компрессоров. Охлаждение компрессоров обеспечивается циркуляцией хладоносителя, охлаждаемого в блоке 8 аппаратов воздушного охлаждения, в котором установлены аппараты 6 воздушного охлаждения и вентиляторы 7. В блоке 20 сжижения прямой поток газа в трубопроводе подвода природного газа проходит последовательно через противоточные и вспомогательный теплообменные аппараты 9, 10, 11, в которых прямой поток газа (поток высокого давления) охлаждается до криогенных температур, после чего подается на расширение в дроссель-эжектор 12. Вспомогательный теплообменный аппарат 10, подключенный в блоке 20 сжижения последовательно между противоточными теплообменными аппаратами 9 и 11, имеет внешнее охлаждение за счет циркуляции хладоносителя от блока 24 холодильной машины, в котором установлен холодильный агрегат 23 и аппарат 22 воздушного охлаждения. Организация внешнего охлаждения на уровне температур умеренного холода обеспечивает снижение затрат на выработку холода в основном цикле сжижения.
На выходе дроссель-эжектора 12 подключен фазовый сепаратор 13, отделяющий жидкую фазу от паровой, на выходе из которого трубопровод с жидкой фазой через дроссельный вентиль 15 подключен ко входу криогенной емкости 21 для направления потребителю сжиженного природного газа. Пар, полученный в результате дросселирования в дроссельном вентиле 15 насыщенной жидкости откачивается из криогенной емкости 21 посредством сжатия в дроссель-эжекторе 12, в трубопроводе отвода пара, соединяющем верхний выход криогенной емкости 21 и вход дроссель-эжектора 12. На трубопроводе прямого потока на выходе из противоточного теплообменного аппарата 11 установлен датчик 16 температуры потока газа, соединенный электрической связью с управляющими механизмами дроссельного клапана 14, позволяющий регулировать объем поступления холодного потока в трубопровод 19 при изменении фактической температуры газа в трубопроводе прямого потока. Фазовый сепаратор 13 исполнен с датчиком 17 уровня жидкой фазы, соединенным электрической связью с управляющими механизмами дроссельного вентиля 15, позволяющим регулировать количество отбираемой из фазового сепаратора 13 жидкой фазы, направляемой в криогенную емкость 21.
Трубопровод 18 обратного потока с паровой фазой подсоединен и проходит последовательно через противоточные теплообменные аппараты 11 и 9, где паровая фаза прогревается, отбирая тепло у потока высокого давления. Температура обратного потока в трубопроводе 18 на выходе из противоточного теплообменного аппарата 9 близка к температуре прямого потока трубопровода подвода природного газа на входе в блок 20 сжижения. При выходе из блока 20 сжижения трубопровод 18 с обратным потоком подсоединен ко входу блока 5 компрессии.
От трубопровода подвода природного газа с прямым потоком на выходе из противоточного теплообменного аппарата 11 отделяется трубопровод 19 дополнительного потока, который подключен на вход дроссельного клапана 14, после чего проходит последовательно противоточные теплообменные аппараты 11 и 9, в которых дополнительный поток трубопровода 19 прогревается, отбирая тепло у потока высокого давления. При выходе из блока 20 сжижения, через смеситель, замыкая цикл, трубопровод 19 дополнительного потока подключен на вход блока 5 компрессии. Температура дополнительного потока в трубопроводе 19 на выходе из противоточного теплообменного аппарата 9 близка к температуре прямого потока трубопровода подвода природного газа на входе в блок 20 сжижения. Расход природного газа в трубопроводе 19 дополнительного потока регулируется датчиком 16 температуры потока газа, соединенным электрической связью с управляющими механизмами дроссельного клапана 14. Охлажденный при расширении в дроссельном клапане 14 дополнительный поток служит дополнительным источником холода, позволяет уменьшить нагрузку на нижестоящие аппараты, стабилизировать состав прямого потока.
Комплекс сжижения по второму варианту исполнения содержит блок 1 комплексной очистки, смеситель (на чертеже не обозначен), блок 5 компрессии, включающий параллельно подключенные компрессора 2, 3, 4, блок 20 сжижения, блок 8 аппаратов воздушного охлаждения с аппаратами 6 воздушного охлаждения и вентиляторами 7, блок 24 холодильной машины с аппаратом 23 воздушного охлаждения и холодильным агрегатом 22, дроссель-эжектор 12, дроссельный клапан 14, дроссельный вентиль 15, фазовый сепаратор 13 с датчиком 17 уровня жидкой фазы, противоточные теплообменные аппараты 9, 11, вспомогательные теплообменные аппараты 25, 10, дополнительный теплообменный аппарат 26, датчик 16 температуры потока газа и криогенную емкость 21 для сжиженного природного газа. Кроме этого, на чертеже обозначены трубопровод 19 дополнительного потока и трубопровод 18 обратного потока.
По второму варианту исполнения комплекс работает следующим образом. Сырьевой природный газ проходит блок 1 комплексной очистки, где проходит фильтрацию, осушку, демеркуризацию и, затем, через смеситель поступает в циркуляционный контур комплекса сжижения. Циркуляция природного газа обеспечивается компрессорами 2, 3, 4 блока 5 компрессии, при этом, для обеспечения необходимого количества циркулирующего природного газа предусмотрено параллельное включение нескольких однотипных компрессоров. Охлаждение компрессоров обеспечивается циркуляцией хладоносителя, охлаждаемого в блоке 8 аппаратов воздушного охлаждения, в котором установлены аппараты 6 воздушного охлаждения и вентиляторы 7. В блоке 20 сжижения прямой поток газа в трубопроводе подвода природного газа проходит последовательно через противоточные, вспомогательные и дополнительный теплообменные аппараты 9, 25, 26, 10, 11, в которых прямой поток газа (поток высокого давления) охлаждается до криогенных температур, после чего подается на расширение в дроссель-эжектор 12. Вспомогательные теплообменные аппараты 25 и 10, подключенные в блоке 20 сжижения последовательно между противоточными теплообменными аппаратами 9 и 11, имеют внешнее охлаждение за счет циркуляции хладоносителя от блока 24 холодильной машины, в котором установлен холодильный агрегат 23 и аппарат 22 воздушного охлаждения. Дополнительный теплообменный аппарат 26, подключенный между вспомогательными теплообменными аппаратами 25 и 10, выполненными с внешним охлаждением, необходим для рекуперации «холода» обратных потоков.
На выходе дроссель-эжектора 12 подключен фазовый сепаратор 13, отделяющий жидкую фазу от паровой, на выходе из которого трубопровод с жидкой фазой через дроссельный вентиль 15 подключен ко входу криогенной емкости 21 для направления потребителю сжиженного природного газа. Пар, полученный в результате дросселирования в дроссельном вентиле 15 насыщенной жидкости откачивается из криогенной емкости 21 посредством сжатия в дроссель-эжекторе 12, в трубопроводе отвода пара, соединяющем верхний выход криогенной емкости 21 и вход дроссель-эжектора 12. На трубопроводе прямого потока на выходе из противоточного теплообменного аппарата 11 установлен датчик 16 температуры потока газа, соединенный электрической связью с управляющими механизмами дроссельного клапана 14, позволяющий регулировать объем поступления холодного потока в трубопровод 19 при изменении фактической температуры газа в трубопроводе прямого потока. Фазовый сепаратор 13 исполнен с датчиком 17 уровня жидкой фазы, соединенным электрической связью с управляющими механизмами дроссельного вентиля 15, позволяющим регулировать количество отбираемой из фазового сепаратора 13 жидкой фазы, направляемой в криогенную емкость 21.
Трубопровод 18 обратного потока с паровой фазой подсоединен и проходит последовательно через противоточные и дополнительный теплообменные аппараты 11, 26 и 9, где паровая фаза прогревается, отбирая тепло у потока высокого давления. Температура обратного потока в трубопроводе 18 на выходе из противоточного теплообменного аппарата 9 близка к температуре прямого потока трубопровода подвода природного газа на входе в блок 20 сжижения. При выходе из блока 20 сжижения трубопровод 18 с обратным потоком подсоединен ко входу блока 5 компрессии.
От трубопровода подвода природного газа с прямым потоком на выходе из противоточного теплообменного аппарата 11 отделяется трубопровод 19 дополнительного потока, который подключен на вход дроссельного клапана 14, после чего проходит последовательно противоточные и дополнительный теплообменные аппараты 11, 26 и 9, в которых дополнительный поток трубопровода 19 прогревается, отбирая тепло у потока высокого давления. При выходе из блока 20 сжижения, через смеситель, замыкая цикл, трубопровод 19 дополнительного потока подключен на вход блок 5 компрессии. Температура дополнительного потока в трубопроводе 19 на выходе из противоточного теплообменного аппарата 9 близка к температуре прямого потока трубопровода подвода природного газа на входе в блок 20 сжижения. Расход природного газа в трубопроводе 19 дополнительного потока регулируется датчиком 16 температуры потока газа, соединенным электрической связью с управляющими механизмами дроссельного клапана 14. Охлажденный при расширении в дроссельном клапане 14 дополнительный поток служит дополнительным источником холода, позволяет уменьшить нагрузку на нижестоящие аппараты, стабилизировать состав прямого потока.
В соответствии со вторым вариантом исполнения комплекса, организация внешнего двухступенчатого охлаждения на уровне температур умеренного холода обеспечивает снижение затрат на выработку холода в основном цикле сжижения, а также экономию энергетических затрат за счет снижения потребности в холоде на нижней ступени, а подключение между вспомогательными теплообменными аппаратами 25 и 10, выполненных с внешним охлаждением, дополнительного теплообменного аппарата 26 позволяет снизить неравновесность теплообмена в основном цикле сжижения и потребности в холоде на нижней ступени внешнего охлаждения, повышая эффективность процесса сжижения.
В соответствии со всеми вариантами исполнения, подключение в схемах комплекса сжижения природного газа двух трубопроводов с обратными потоками (трубопровод обратного потока и трубопровод дополнительного потока) ведет к упрощению схем комплекса в части низкотемпературного сепарационного оборудования, понижению паровой нагрузки на такое оборудование, повышает универсальность схем комплекса при изменении параметров исходного сырьевого газа, что ведет к повышению эффективности работы всего комплекса в целом.