СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СМЕСИ
LIQUEFACTION METHOD OF NATURAL GAS WITH PRELIMINARY COOLING OF COOLING MIXTURE

Настоящее изобретение относится к области сжижения природного газа.
Сжижение природного газа состоит в конденсации природного газа и его переохлаждении до достаточно низкой температуры, чтобы он мог оставаться жидким при атмосферном давлении. Затем его транспортируют в танкерах для перевозки сжиженного метана.
В настоящее время быстро развивается международная торговля жидким природным газом (ЖПГ), но совокупная производства ЖПГ в совокупности требует значительных инвестиций. Приоритетной целью является снизить уровень этих инвестиций и снизить энергетический (и, следовательно, экологический) фактор, связанный с производством ЖПГ.
В патенте US 6 105 389 раскрыт способ сжижения, содержащий две охлаждающие смеси, циркулирующие в двух независимых замкнутых контурах. Каждый из этих контуров функционирует благодаря компрессору, сообщающему охлаждающей смеси мощность, необходимую, чтобы охладить природный газ.
2
Настоящее изобретение предлагает усовершенствовать способ, раскрытый в патенте US 6 105 389, чтобы улучшить работу и энергетический кпд, то есть получать больший кпд, при меньших выбросах CO, и при сохранении по существу идентичного оборудования.
В широком смысле настоящее изобретение относится к способу сжижения природного газа, в котором осуществляются следующие этапы:
a) сжатие охлаждающей смеси,
b) конденсация, посредством теплообмена, сжатой охлаждающей смеси,
c) помещение конденсированной охлаждающей смеси в резервуар-хранилище, причем резервуар содержит в равновесии жидкую фазу охлаждающей смеси и газовую фазу охлаждающей смеси,
d) отведение охлаждающей смеси в жидкой фазе из резервуара-хранилища,
e) проведение этапа, на котором только охлаждающая смесь, отведенная на этапе d), переохлаждается посредством теплообмена,
f) охлаждение природного газа по меньшей мере теплообменом с переохлажденной охлаждающей смесью, полученной на этапе e).
Согласно изобретению, на этапе e) охлаждающую смесь можно переохлаждать теплообменом с внешней текучей средой, выбранной из воздуха и воды.
В качестве альтернативы, на этапе e) охлаждающую смесь можно переохлаждать теплообменом с частью охлаждающей смеси, причем указанная часть перед теплообменом дросселируется. Например, указанная часть охлаждающей смеси может быть отобрана из указанной отведенной охлаждающей смеси перед осуществлением теплообмена на этапе e). Альтернативно, указанная часть охлаждающей смеси может быть отобрана из охлаждающей смеси, полученной после осуществления теплообмена на этапе e) и перед осуществлением теплообмена на этапе f).
Согласно изобретению, этап e) может проводиться в первом теплообменнике, этап f) может быть проведен в по меньшей мере одном втором теплообменнике, причем первый теплообменник отличается от второго теплообменника.
Охлаждающая смесь может содержать (в мольных процентах): от 0 до 5% метана, от 30 до 70% этана, от 30 до 70% пропана и от 0 до 20% бутана.
На этапе f) природный газ можно охладить до получения жидкого природного газа.
В качестве альтернативы, на этапе f) можно охлаждать природный газ и, одновременно, вторую охлаждающую смесь путем теплообмена с переохлажденной охлаждающей смесью, полученной на этапе e), а после этапа f) можно сжижать и можно переохлаждать природный газ путем теплообмена со второй охлаждающей смесью до получения жидкого природного газа.
Вторая охлаждающая смесь может содержать (в мольных процентах): от 0 до 12% азота, от 20 до 80% метана, от 20 до 80% этана и от 0 до 10% пропана.
Другие характеристики и преимущества изобретения станут более понятными из описания, приводимого со ссылками на фигуры чертежей, на которых:
- Фигура 1 иллюстрирует способ согласно изобретению,
- Фигуры 2 и 3 схематически изображают другие варианты осуществления изобретения.
Фигура 1 иллюстрирует способ сжижения, в котором применяется первый контур охлаждения, изображенный в рамке, показанной пунктирной линией, и помеченный позицией (I), и второй контур охлаждения, указанный позицией (II).
Первый контур охлаждения (I) использует первую охлаждающую смесь, обозначаемую далее MR1, которая может состоять из смеси углеводородов, как смесь этана и пропана, но может также содержать метан и/или бутан. Содержания (в мольных процентах) компонентов MR1 могут быть следующими:
- Метан: 0-5%
- Этан: 30-70%
- Пропан: 30-70%
- Бутан: 0-20%
Второй контур охлаждения (II) использует вторую охлаждающую смесь, обозначаемую далее MR2, которая может состоять, например, из смеси углеводородов и азота, как смесь метана, этана, пропана и азота, но может также содержать бутан. Содержания (в мольных процентах) компонентов MR2 могут быть следующими:
- Азот: 0-12%
- Метан: 20-80%
- Этан: 20-80%
- Пропан: 0-10%
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Природный газ поступает по линии 10 обычно при давлении, составляющем от 4 МПа до 7 МПа, и при температуре, которая может составлять от 0°C до 60°C. Природный газ, циркулирующий в линии 10, первая охлаждающая смесь MR1, циркулирующая в линии 23, и вторая охлаждающая смесь MR2, циркулирующая в линии 31, входят последовательно в теплообменники E, E и E, чтобы перемещаться там в параллельных направлениях и прямоточно. Природный газ выходит из серии теплообменников, образованной теплообменниками E, E и E, по линии 11 при температуре, которая может составлять от -30°C до -75°C. Вторая охлаждающая смесь MR2, поступающая по линии 31, проходит последовательно через теплообменники E, E и E и выводится по линии 32 полностью сконденсированной и предпочтительно переохлажденной до температуры, которая может составлять от -30°C до -75°C.
1
2
3
1
1
2
2
2
3
3
3
1
2
3
1
2
3
1
1
В серии теплообменников E-E-E последовательно отводятся три фракции первой охлаждающей смеси MR1 в жидкой фазе. MR1, выходящая из E, разделяется на две фракции: одна фракция проводится по линии 24 к вентилю V, и одна фракция проводится по линии 26 на теплообменник E. Фракция MR1, выходящая из E, разделяется на две фракции: одна фракция проводится по линии 27 на вентиль V, и одна фракция проводится по линии 29 на теплообменник E. Фракция MR1, выходящая из E, проводится по линии 29b на вентиль V. Фракции MR1 расширяются соответственно через дроссельные вентили V, V, V до трех разных уровней давления, затем испаряется в теплообменниках E, E, E, соответственно, в результате теплообмена с природным газом, второй охлаждающей смесью MR2 и частью первой охлаждающей смеси MR1. Три испаренные фракции проводятся соответственно по линиям 25, 28 и 30 в компрессор K для сжатия. Сжатая первая охлаждающая смесь MR1 конденсируется в конденсаторе C в результате теплообмена с внешней охлаждающей средой, например, водой или воздухом. Затем MR1 вводится в приемный резервуар D.
1
2
3
В способе, иллюстрируемом на фигуре 1, первая охлаждающая смесь MR1 разделена на три отдельные фракции, чтобы оптимизировать сближение в серии теплообменников E-E-E. Согласно изобретению, можно также не разделять первую охлаждающую смесь MR1 или разделять ее на две или четыре фракции, для оптимизации процесса по температуре.
Приемный резервуар D играет роль промежуточного хранилища для уравновешивания, в частности, по давлению, температуре и объему, первой охлаждающей смеси MR1 в контуре (I). В резервуаре D содержится в равновесии часть первой охлаждающей смеси MR1 в жидкой фазе и часть MR1 в газовой фазе. Уровень жидкости в резервуаре D меняется в зависимости от полного количества охлаждающей смеси, присутствующей в контуре. Наличие резервуара D позволяет уравнять давления в контуре (I). Первая охлаждающая смесь MR1 вводится в жидкой форме в резервуар D при давлении и температуре, близких к равновесию жидкой и паровой фаз первой охлаждающей смеси MR1.
1
2
3
1
2
3
2
2
1
2
3
Если бы MR1 напрямую направлялась из резервуара D в теплообменник, как предлагается в уровне техники, был бы риск ее частичного испарения, из-за потери напора, теплового обмена и возможной разницы статического уровня в контурах циркуляции, перед вводом в серию теплообменников E-E-E. Однако трудно равномерно распределить смесь газа и жидкости в разных проходах через теплообменник. Поэтому теплообмен в E-E-E не был бы оптимизирован. Теплообменник C позволяет охладить только первую охлаждающую смесь MR1, то есть не затрагивая охлаждение природного газа. Кроме того, теплообменник C может быть независимым от серии теплообменников E-E-E и поэтому может устанавливаться вблизи приемного резервуара D, чтобы снизить риски испарения первой охлаждающей смеси MR1, отводимой из резервуара D.
2
1
Согласно изобретению, как показано на фигуре 1, после прохождения через приемный резервуар D, первая охлаждающая смесь MR1 отводится в виде жидкой фазы из приемного резервуара D и переохлаждается на несколько градусов (при этом снижение температуры может варьироваться от 2°C до 10°C) в теплообменнике C, чтобы гарантировать, что охлаждающая смесь MR1 войдет в теплообменник E в полностью жидкой форме при температуре значительно ниже точки начала кипения первой охлаждающей смеси MR1. Таким образом, распределение в разных проходах теплообменников оптимизируется.
1
2
3
Природный газ, выходящий из серии теплообменников E-E-E по линии 11, может быть фракционирован, то есть часть углеводородов C2+, содержащая по меньшей мере два атома углерода, отделяется от природного газа в устройстве, известном специалисту.
4
4
4
4
4
4
4
4
2
3
2
2
4
2
2
Природный газ, возможно фракционированный, проводится по линии 11b в теплообменник E, где параллельно и прямоточно ему циркулирует MR2, поступающая по линии 32. MR2, выходящая из теплообменника E по линии 33, расширяется в вентиле V. Отметим, что выше вентиля V или вместо него можно использовать турбину с расширением. Дросселированная вторая охлаждающая смесь MR2, выходящая из V, снова вводится в E в противотоке, чтобы испариться, охлаждая в противотоке природный газ и MR2. Переохлажденный природный газ выводится из теплообменника E по линии 12. На выходе из E испаренная вторая охлаждающая смесь MR2 направляется по линии 35 в компрессор K, затем охлаждается в теплообменнике C в результате теплообмена с внешней охлаждающей средой, например, водой или воздухом. Давление второй охлаждающей смеси MR2 на выходе из K может составлять от 2 МПа до 7 МПа. При необходимости вторая охлаждающая смесь MR2 может выводиться из компрессора K для охлаждения в теплообменнике C, затем вводиться по линии 36 в K для сжатия. Согласно одному варианту осуществления, устройство K может состоять из нескольких компрессоров, соединенных последовательно или параллельно.
4
2
В способе, описанном на фигуре 1, вторая охлаждающая смесь MR2 не делится на отдельные фракции, но, чтобы оптимизировать энергоэффективность в теплообменнике E, ее можно также разделить на две или три фракции, причем каждая фракция дросселируется до разного уровня давлений и проводится затем на разные ступени компрессора K.
1
2
3
Варианты изобретения, описанные со ссылками на фигуры 2 и 3, предлагают использовать фракцию первой охлаждающей смеси MR1, чтобы провести переохлаждение первой охлаждающей смеси MR1 перед введением в серию теплообменников E-E-E.
Позиции для ссылок на фигурах 2 и 3, идентичные позициям на фигуре 1, обозначают одинаковые элементы.
21
21
21
5
21
21
1
21
1
Согласно фигуре 2, первая охлаждающая смесь MR1, выходящая из приемного резервуара по линии 20, входит в теплообменник E, чтобы снизить температуру MR1, снижение составляет от 5°C до 30°C по отношению к температуре MR1 перед входом в E. MR1 выходит переохлажденной из E по линии 21. Затем MR1 делится на две части. Первая фракция первой охлаждающей смеси FMR1, циркулирующая в линии 22, расширяется через дроссельный вентиль V и испаряется в E в результате теплообмена с первой охлаждающей смесью MR1. На выходе из E FMR1 находится полностью в виде пара и возвращается в компрессор K при более подходящем уровне давления. Другая фракция первой охлаждающей смеси MR1, выходящая из E, проводится по линии 23 в теплообменник E.
21
21
21
5
21
21
1
Один вариант изобретения представлен на фигуре 3. Первая охлаждающая смесь MR1, выходящая из приемного резервуара D по линии 20, разделяется по меньшей мере на две фракции 21b и 22b. Фракция 21b поступает в теплообменник E, чтобы снизить температуру первой охлаждающей смеси MR1, снижение составляет от 5°C до 30°C по сравнению с температурой первой охлаждающей смеси MR1 перед входом в E. MR1 выходит переохлажденной из E по линии 23. Фракция 22b расширяется через дроссельный вентиль V и испаряется в E в результате теплообмена с фракцией 21b. На выходе из E фракция 22b находится полностью в виде пара и возвращается в компрессор K с более подходящим уровнем давления.
То, что первая охлаждающая смесь MR1 переохлаждается ее фракцией, позволяет, как показывают ниже численные примеры 1 и 2, снизить энергопотребление охлаждающими контурами.
Пример 1
Способы, описанные на фигурах 1 и 2, иллюстрируются следующим численным примером, который позволяет оценить выгоду, приносимую способом с фигуры 2 по сравнению со способом с фигуры 1.
Природный газ поступает по линии 10 при давлении 6,8 МПа и температуре 20°C. Состав этого газа (в мольных процентах) следующий:
- азот: 1,80%
- метан: 94,00%
- этан: 3,28%
- пропан: 1,23%
- изобутан: 0,25%
- н-бутан: 0,16%.
1
2
3
В серии теплообменников E-E-E используется первая охлаждающая смесь, состав которой (в мольных процентах) следующий:
- метан: 0,5%
- этан: 49,5%
- пропан: 49,5%
- изобутан: 0,5%.
1
2
3
1
2
3
Природный газ, выходящий из серии теплообменников E-E-E по линии 11, находится при температуре -52°C. Вторая охлаждающая смесь MR2, выходящая из серии теплообменников E-E-E по линии 32, имеет температуру -59,5°C.
4
В теплообменнике E используется вторая охлаждающая смесь, состав которой (в мольных процентах) следующий:
- азот: 9%
- метан: 38%
- этан: 52%
- пропан: 1%.
4
На выходе теплообменника E природный газ сжижен до температуры -152,8°C.
1
1
2
1
2
В способе с фигуры 1 первая охлаждающая смесь MR1 сжимается в газовой фазе в многоступенчатом компрессоре K до давления 3,06 МПа. Сжатая MR1 конденсируется при температуре 36°C в результате теплообмена с водой, имеющей температуру 26°C, в C, для которого было предусмотрено сближение в 10°C. В таком случае первая охлаждающая смесь MR1 находится при температуре начала кипения. Именно температура 36°C предписывает сжимать первую охлаждающую смесь MR1 до давления 3,06 МПа. После прохождения в приемный резервуар D, первая охлаждающая смесь MR1 переохлаждается до температуры 31°C в результате теплообмена с водой, находящейся при 26°C, в C, для которого было предусмотрено сближение в 5°C. Температуры охлаждения в C и C ограничены температурой наличной воды.
1
2
3
Так, на фигуре 1 первая охлаждающая смесь MR1 входит в серию теплообменников E-E-E при температуре 31°C, т.е. на 5°C ниже температуры начала кипения при давлении 3,06 МПа.
1
2
3
2
21
1
1
1
1
1
21
5
21
1
Способ, описанный в связи с фигурой 2, позволяет снизить температуру входа первой охлаждающей смеси MR1 в серию теплообменников E-E-E. Так как переохлаждение производится теперь не водой в C, а самой MR1 в E, охлаждение в C можно осуществить до более низкой температуры. MR1 охлаждается до температуры 31°C в результате теплообмена с водой при 26°C в C, для которого можно предусмотреть температурное сближение в конденсаторе C всего в 5°C. Поэтому можно снизить давление сжатия в K: на выходе компрессора K первая охлаждающая смесь MR1 сжата всего до 2,80 МПа. После прохождения в приемный резервуар D, где она находится при температуре начала кипения, первая охлаждающая смесь MR1 переохлаждается в E до температуры 25°C. Чтобы достичь этой температуры, фракция первой охлаждающей смеси FMR1 дросселируется в V до 1,43 МПа, затем она охлаждается в противотоке первой охлаждающей смеси MR1. FMR1 выходит из E полностью в виде пара при температуре 29°C. Затем фракция первой охлаждающей смеси FMR1 перенаправляется на всасывание под высоким давлением компрессора K.
1
2
3
Таким образом, на фигуре 2 смесь MR1 входит в серию теплообменников E-E-E при температуре 25°C, что на 6°C ниже температуры начала кипения при давлении 2,80 МПа.
В указанных выше условиях и согласно способу, описанному в связи с фигурой 1, потребление энергии компрессорами следующее:
K1: 81,0 МВт
K2: 108,2 МВт
4
Выработка ЖПГ на выходе из E составляет 5,3 MTPA (миллион тонн в год).
Таким образом, эффективность циклов охлаждения составляет 35,70 МВт/(MTPA).
В указанных выше условиях и со способом, какой описан на фигуре 2 и какой использует выгоду от изобретения, потребление энергии компрессорами следующее:
K1: 76,4 МВт
K2: 108,2 МВт
4
Выработка ЖПГ на выходе из E всегда равна 5,3 MTPA (миллион тонн в год).
Эффективность циклов охлаждения улучшена на 0,87 МВт/(MTPA) и составляет, таким образом, 34,83 МВт/(MTPA).
Пример 2
Способы, описанные на фигурах 1 и 3, проиллюстрированы следующим численным примером, который позволяет оценить выгоду, даваемую способом с фигуры 3 по сравнению со способом с фигуры 1.
Природный газ поступает по линии 10 при давлении 6,8 МПа и температуре 20°C. Состав этого газа (в мольных процентах) следующий:
- азот: 1,80%
- метан: 94,00%
- этан: 3,28%
- пропан: 1,23%
- изобутан: 0,25%
- н-бутан: 0,16%.
1
2
3
В серии теплообменников E-E-E используется первая охлаждающая смесь, состав которой (в мольных процентах) следующий:
- метан: 0,5%
- этан: 49,5%
- пропан: 49,5%
- изобутан: 0,5%.
1
2
3
1
2
3
Природный газ, выходящий из серии теплообменников E-E-E по линии 11, находится при температуре -52°C. Вторая охлаждающая смесь MR2, выходящая из серии теплообменников E-E-E по линии 32, имеет температуру -59,5°C.
4
В теплообменнике E используется вторая охлаждающая смесь, состав которой (в мольных процентах) следующий:
- азот: 9%
- метан: 38%
- этан: 52%
- пропан: 1%.
4
На выходе из теплообменника E природный газ сжижен до температуры -152,8°C.
1
1
2
1
2
В способе с фигуры 1 первая охлаждающая смесь MR1 сжимается в газовой фазе в многоступенчатом компрессоре K до давления 3,06 МПа. Сжатая первая охлаждающая смесь MR1 конденсируется при температуре 36°C путем теплообмена с водой, имеющей температуру 26°C, в C, для которого было предусмотрено сближение в 10°C. В таком случае она находится при температуре начала кипения. Именно температура 36°C предписывает сжатие первой охлаждающей смеси MR1 до давления 3,06 МПа. После прохождения через приемный резервуар D, первая охлаждающая смесь MR1 переохлаждается до температуры 31°C в результате теплообмена с водой, имеющей температуру 26°, в C, для которого было предусмотрено сближение в 5°C. Температуры охлаждения в C и C ограничены температурой наличной воды.
1
2
3
Таким образом, на фигуре 1 первая охлаждающая смесь MR1 поступает в серию теплообменников E-E-E при температуре 31°C, что на 5°C ниже температуры начала кипения при давлении 3,06 МПа.
1
2
3
2
21
1
1
1
1
1
21
5
21
1
Способ, описанный в связи с фигурой 3, позволяет снизить температуру на входе первой охлаждающей смеси MR1 в серию теплообменников E-E-E. Так как переохлаждение производится теперь не водой в C, а самой первой охлаждающей смесью MR1 в E, охлаждение в C можно осуществить до более низкой температуры. MR1 охлаждается до температуры 31°C в результате теплообмена с водой, имеющей температуру 26°C, в C, для которого можно предусмотреть температурное сближение в конденсаторе C всего в 5°C. Поэтому можно снизить давление сжатия в K: на выходе компрессора K первая охлаждающая смесь MR1 сжата всего до 2,80 МПа. После прохождения через приемный резервуар D, где она находится при температуре начала кипения, первая охлаждающая смесь MR1 переохлаждается в E до температуры 25°C. Чтобы достичь этой температуры, фракцию FMR1 первой охлаждающей смеси MR1, выходящей из резервуара D, дросселируют в V до 1,39 МПа, затем она охлаждается в противотоке остальной фракции первой охлаждающей смеси MR1. Фракция первой охлаждающей смеси FMR1 выходит из E полностью в виде пара при температуре 28°C. Затем она перенаправляется на всасывание высокого давления компрессора K.
1
2
3
Таким образом, на фигуре 3 MR1 поступает в серию теплообменников E-E-E при температуре 25°C, что на 6°C ниже точки начала кипения при давлении 2,80 МПа.
В упомянутых выше условиях, согласно способу, описанному в связи с фигурой 1, потребление энергии компрессорами следующее:
K1: 81,0 МВт
K2: 108,2 МВт
4
Производство ЖПГ на выходе из E равно 5,3 MTPA (миллион тонн в год).
Таким образом, эффективность циклов охлаждения составляет 35,70 МВт/(MTPA).
Со способом, какой описан на фигуре 3, который использует выгоду от варианта изобретения, потребление энергии компрессорами следующее:
K1: 76,4 МВт
K2: 108,2 МВт
4
Выработка ЖПГ на выходе E всегда равна 5,3 MTPA (миллионов тонн в год).
Эффективность циклов охлаждения улучшена на 0,87 МВт/(MTPA), то есть равна 34,83 МВт/(MTPA).