СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
NATURAL GAS LIQUEFACTION METHOD AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к технологиям сжижения природного газа.
Известно множество способов сжижения природного газа, преимущественно основанных на отводе теплоты внешним хладагентом.
Известен способ сжижения природного газа по патенту RU 2256130 С2 компании ПАО «Криогенмаш». Способ заключается в том, что исходный природный газ подают на сжижение, 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. Повышают давление прямого потока после отделения жидкой фазы высококипящих компонентов с помощью эжектора за счет энергии расширения в нем рабочего потока, разделяют выходящий из эжектора парожидкостный поток на пар, который направляют в прямой поток, и жидкость с образованием циркуляционного потока, который дросселируют и смешивают с обратным потоком. Предварительное охлаждение прямого потока ведут за счет холода обратного потока.
Недостатками данного способа сжижения являются большое количество оборудования, необходимого для осуществления процесса, большое количество образующегося газа мгновенного испарения, что снижает энергоэффективность сжижения, а также протекание процесса теплообмена в докритической области, что влечет за собой наличие двухфазного потока, который не оптимален для регулирования процессом при охлаждении.
Наиболее близким к предложенным технологическим способом сжижения природного газа и соответствующей установкой являются принятые за прототип способ сжижения природного газа «Арктический каскад» и установка для его осуществления по патенту RU 2645185 С1 компании ПАО «НОВАТЭК», применяемые на заводе «Ямал СПГ» в п. Сабетта на четвертой очереди сжижения природного газа. Способ заключается в том, что подготовленный природный газ предварительно охлаждают, отделяют этан, переохлаждают сжижаемый газ с использованием охлажденного азота в качестве хладагента, снижают давление сжижаемого газа, отделяют газ мгновенного испарения и отводят сжиженный природный газ. При этом перед предварительным охлаждением природный газ компримируют, отделение этана осуществляют в процессе многоступенчатого предварительного охлаждения сжижаемого газа с одновременным испарением этана с использованием охлажденного этана в качестве хладагента. Этан, полученный при испарении, компримируют конденсируют и используют в качестве хладагента при охлаждении сжижаемого газа и азота, причем азот компримируют, охлаждают, расширяют и подают на стадию переохлаждения природного газа. Установка сжижения содержит линию сжижения природного газа, контур этана и контур азота, линия сжижения природного газа включает последовательно соединенные компрессор природного газа, аппарат охлаждения, испарители этана, концевой теплообменник переохлаждения и сепаратор, контур этана включает последовательно соединенные по меньшей мере один компрессор этана, аппарат охлаждения, указанные испарители этана, выходы которых соединены с входами, по меньшей мере, одного компрессора, контур азота включает последовательно соединенные, по меньшей мере, один компрессор азота, аппарат охлаждения, указанные испарители этана, между которыми подсоединены теплообменники азот-азот, турбодетандер, указанный концевой теплообменник переохлаждения, указанные теплообменники азот-азот и турбокомпрессор, соединенный с входом компрессора азота.
Особенностью способа и установки по RU 2645185 С1 является высокая производительность только при низких температурах окружающей среды от +5 град. С и ниже, применение дополнительного контура азота, а также мультипликатора, что усложняет технологическое оформление процесса.
Технической проблемой, решаемой предлагаемой технологией сжижения природного газа, является упрощение технологического процесса, обеспечение высокой производительности, низкие энергетические затраты на работу установки при температуре окружающего воздуха до +35 град. С.
Техническая проблема решается способом сжижения природного газа, заключающимся в том, что подготовленный природный газ компримируют до сверхкритических давлений с помощью компрессора, многоступенчато предварительно охлаждают газ за счет кипения хладагента в испарителях с различным уровнем давления, понижают давление газа, отделяют газ мгновенного испарения и отводят сжиженный природный газ, а хладагент полученный при испарении, компримируют, конденсируют с помощью по меньшей мере одного аппарата воздушного или водяного охлаждения и вновь используют при многоступенчатом предварительном охлаждении природного газа, при этом, согласно изобретению, конденсацию хладагента осуществляют также с помощью абсорбционной бромистолитиевой или водоаммиачной холодильной машины, подсоединенной между теплообменником рекуперации холода испарившегося хладагента и по меньшей мере одним аппаратом воздушного или водяного охлаждения, а в качестве энергетического источника указанной холодильной машины используют тепло дымовых газов привода компрессора, в качестве которого используют газопоршневой или газотурбинный двигатель, выход которого для дымовых газов соединен с рекуперативным теплообменником, выход и вход которого для теплоносителя соединены соответственно с входом и выходом указанной холодильной машины для теплоносителя.
Кроме того, компримирование природного газа и хладагента целесообразно осуществлять на разных ступенях многоступенчатого поршневого компрессора.
Кроме того, предпочтительно охлаждение природного газа в испарителях осуществлять при высоком давлении в однофазном состоянии, исключающем процессы фазового перехода, с получением на выходе однофазного сверхкритического флюида.
Техническая проблема также решается установкой для сжижения природного газа, содержащей многоступенчатый компрессор, последовательно соединенные линию подачи природного газа, линию предварительного охлаждения природного газа и средства понижения давления и сепарирования газа, а также контур хладагента, и линию возврата несжиженного природного газа, линия подачи природного газа включает последовательно соединенные по меньшей мере две ступени компрессора и по меньшей мере один аппарат воздушного или водяного охлаждения, линия предварительного охлаждения природного газа включает испарители хладагента и по меньше мере один теплообменный аппарат рекуперации холода газа мгновенного испарения, контур хладагента включает по меньшей мере одну ступень компрессора и по меньшей мере один аппарат воздушного или водяного охлаждения, указанный по меньшей мере один теплообменный аппарат рекуперации холода испарившегося хладагента и указанные испарители хладагента, выходы которых для хладагента соединены с входом по меньшей мере одной ступени компрессора, при этом выход для хладагента по меньшей мере одного испарителя хладагента соединен с компрессором через теплообменник рекуперации холода испарившегося хладагента, средства понижения давления и сепарирования газа содержат по меньшей мере одну ступень сепарации, каждая из которых включает устройство расширения газа и соединенный с его выходом сепаратор, а линия возврата природного газа включает по меньшей мере одну ступень компрессора и по меньшей мере один аппарат воздушного или водяного охлаждения, при этом контур хладагента дополнительно включает по меньшей мере одну абсорбционную бромистолитиевую или водоаммиачную холодильную машину, подсоединенную между теплообменником рекуперации холода испарившегося хладагента и по меньшей мере одним аппаратом воздушного или водяного охлаждения, а привод поршневого компрессора представляет собой газопоршневой или газотурбинный двигатель, выход которого для дымовых газов соединен с рекуперативным теплообменником, выход и вход которого для теплоносителя соединены соответственно с входом и выходом указанной холодильной машины для теплоносителя.
Кроме того, многоступенчатый компрессор предпочтительно представляет собой многоступенчатый поршневой компрессор.
В одном из вариантов выполнения установки средства понижения давления и сепарирования газа содержат две или более ступеней сепарации, а устройство расширения газа по меньшей мере одной ступени сепарации представляет собой эжектор, один вход которого соединен с высоконапорным потоком газа с линии предварительного охлаждения или с предыдущей ступени сепарации, а другой вход -с низконапорным потоком газа со следующей ступени сепарации.
Возможны также варианты выполнения, когда устройство расширения газа по меньшей мере одной ступени сепарации представляет собой дроссель или детандер.
Возможе также вариант, когда на выходе средств понижения давления и сепарирования газа установлен насос откачки сжиженного природного газа, который кинематически связан с валом детандера по меньшей мере одной ступени сепарации.
Технический результат, достигаемый при использовании предложенных способа и установки, заключается в следующем. По сравнению с прототипом в предлагаемой технологии не используется контур азотного переохлаждения природного газа. Для переохлаждения газа используются устройства расширения газа. Такое решение упрощает аппаратурное оформление процесса.
Использование только одного контура хладагента снижает затраты на производство, уменьшает количество единиц технологического оборудования и снижает размеры склада-хранилища хладагента.
Энергозатраты на производство СПГ предложенного процесса ниже чем в прототипе, поскольку для охлаждения и конденсации хладагента используется абсорбционная бромистолитиевая или водоаммиачная холодильная машина, использующая в качестве энергетического источника тепло дымовых газов, вместо аппарата воздушного или водяного охлаждения, использующего в качестве энергетического источника электрическую энергию.
На чертеже представлена схема предложенной установки.
Установка для сжижения природного газа включает последовательно соединенные линию подачи природного газа, линию предварительного охлаждения, средства понижения давления и сепарирования газа и линию возврата несжиженного газа, а также включает контур хладагента.
В установке использован многоступенчатый компрессор 1. Предпочтительно это поршневой компрессор, все ступени которого расположены в одном корпусе. Линия подачи природного газа включает по меньшей мере две ступени компрессора 1, по крайней мере один аппарат охлаждения, в данном случае аппараты 2, 3. Линия предварительного охлаждения включает испарители 6 хладагента, в данном случае этана, включенные в одну линию между теплообменными аппаратами 5 рекуперации холода газа мгновенного испарения или между трубами одного теплообменного аппарата рекуперации. Средства понижения давления и сепарирования газа включают по меньшей мере одну ступень, каждая ступень включает эжектор либо дроссель, либо детандер, который на выходе соединен с соответствующим сепаратором. На чертеже показаны две ступени, но их может быть больше или одна. Эжектор 7, либо дроссель 14, либо детандер (не показан) на выходе соединен с соответствующим сепаратором 8 или 9. Выход газа мгновенного испарения сепаратора 8, 9 соединен с холодным входом теплообменного аппарата 5 либо с входом низконапорного потока в эжектор 7 предыдущей ступени сепарации в случае ее наличия. Выход сжиженного газа сепаратора 8 соединен с дросселем 14, либо с входом эжектора для высоконапорного потока, либо с детандером (в случае, если следующая ступень понижения давления не является последней), выход которого соединен со входом сепаратора 9 следующей ступени. Сжиженный газ на выходе из сепаратора 9 (в случае последней ступени понижения давления) отводится из системы, например, насосом откачки СПГ (на схеме не показан), а газ мгновенного испарения направляется в качестве низконапорного потока в эжектор 7 предыдущей ступени сепарации, либо в теплообменный аппарат 5 линии предварительного охлаждения, либо на ступень компрессора 1.
Выход газа мгновенного испарения сепаратора 8 соединен с входом теплообменных аппаратов 5 рекуперации холода, выход которых соединен с по меньшей мере с одной ступенью поршневого компрессора 1 и далее с аппаратом 4 охлаждения, соединенным с линией подачи природного газа.
Контур хладагента включает последовательно соединенные по меньшей мере одну ступень поршневого компрессора 1, по меньшей мере один аппарат охлаждения, в данном случае аппараты 10, 11, по меньшей мере одну абсорбционную бромистолитиевую или водоаммиачную холодильную машину 12, генератор 13 энергии холодильной машины, в данном случае рекуперативный теплообменник с дымовыми газами привода поршневого компрессора 1, указанные испарители 6 этана, выходы которых для этана соединены с входом по меньшей мере одной ступени поршневого компрессора 1, при этом выход по меньшей мере одного испарителя 6 хладагента соединен со ступенями компрессора 1 через теплообменник 15 рекуперации холода испарившегося хладагента.
Линия возврата природного газа включает по меньшей мере одну ступень компрессора 1 и по меньшей мере один аппарат 4 охлаждения, который соединен с линией подачи газа.
В качестве привода компрессора 1 предлагается применять газопоршневой или газотурбинный двигатель 16.
Также для передачи крутящего момента с привода можно использовать редукторы, мультипликаторы, электродвигатели или иные устройства.
В случае использования детандера как средства понижения давления газа, можно использовать часть генерируемой на нем мощности для работы насоса откачки СПГ путем обеспечения его кинематической связи с валом детандера.
Способ сжижения природного газа осуществляется следующим образом.
Подготовленный к сжижению природный газ (ПГ) (очищенный от паров воды, углекислого газа и других загрязняющих примесей) поступает по меньшей мере на одну ступень компрессора 1, компримируется до давления выше критического, охлаждается за счет холода окружающей среды в аппаратах 2, 3 (или аппарате) воздушного либо водяного охлаждения до температуры от +5 град. С до +45 град. С в зависимости от температуры окружающей среды и направляется в теплообменные аппараты 5 и испарители 6 этана предварительного многоступенчатого охлаждения. Последовательно охладившись, сжижаемый газ, представляющий собой сверхкритический флюид со свойствами жидкости под высоким давлением, с температурой порядка -84 град. С направляется в систему понижения давления и сепарации, где на последовательно расположенных устройствах расширения - на чертежах на эжекторе 7 и дросселе 14 - давление газа снижается до значений от 0,2 МПа до 0,4 МПа, при этом температура снижается примерно до уровней от -152 град. С до -142 град. С, После каждого из устройств расширения происходит разделение газожидкостного потока на сепараторах 8 и 9. После разделения образовавшегося газожидкостного потока жидкость насосом (на схеме не показан) откачивается в резервуары хранения СПГ. Несжиженный газ мгновенного испарения сепаратора 9 компримируется в эжекторе 7 (в случае его использования) или поступает через теплообменники 5 в компрессоре 1, где газ компримируется до давлений от 0,7 МПа до 1,2 МПа. Часть газа направляется в топливную сеть завода, а другая часть поступает на рецикл в начало процесса сжижения на линию подачи природного газа.
Охлаждение природного газа в теплообменных аппаратах 5 и испарителях 6 осуществляют при высоком давлении в однофазном состоянии, исключающем процессы фазового перехода. Природный газ в теплообменных аппаратах 5 и испарителях 6 находится под давлением выше критического и представляет собой однофазный сверхкритический флюид. Такое состояние природного газа обеспечивает более эффективное его охлаждение, а также исключает наличие двухфазного потока на линии испарителей, который не оптимален для регулирования процессом при охлаждении.
В качестве хладагента применяется этан, но применение не ограничивается им. Газообразный этан от испарителей 6 компримируется на по меньшей мере двух ступенях компрессора 1 до давления от 2,8 МПа до 4,4 МПа, при этом пары этана по меньшей мере одного испарителя 6 хладагента перегреваются в теплообменнике 15 рекуперации холода испарившегося хладагента, охлаждаются и конденсируются в аппарате 11 (или аппаратах) воздушного или водяного охлаждения либо в абсорбционной бромистолитиевой или водоаммиачной холодильной машине 12, либо в совокупности в этих аппаратах при температурах от +5 град. С. до +25 град. С. При этом энергетическим источником абсорбционной бромистолитиевой или водоаммиачной холодильной машины 12 является тепло дымовых газов, рекуперирующееся в генераторе 13 энергии холодильной машины. Жидкий этан переохлаждается в теплообменном аппарате 15 и направляется в испарители 6, в которых на различных уровнях давления этан охлаждает газ до температуры порядка -84 град. С. Газообразный этан от испарителей 6 направляется к компрессору 1 и далее по циклу.
Технологическая схема работает в номинальном режиме при температуре окружающей среды +5 град. С и ниже. При температуре выше +5 град. С производительность установки поддерживается благодаря использованию абсорбционной холодильной машины для конденсации хладагента.