СЖИЖЕНИЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА В ДВИЖУЩЕЙСЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
LIQUEFYING OF NATURAL GAS IN MOVING ENVIRONMENT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к системе и способу сжижения природного газа в движущейся окружающей среде с использованием теплообменника кожухо-сердцевинного типа (типа «core-in-shell»).
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Прежде чем природный газ в его естественной форме можно будет транспортировать экономически обоснованным способом, его нужно сгустить. Использование природного газа значительно возросло в последние годы в связи с его безвредными для окружающей среды, экологически чистыми характеристиками горения. Сгорание природного газа производит меньше углекислого газа, чем любое другое ископаемое топливо, что очень важно, поскольку выбросы диоксида углерода были признаны важным фактором возникновения парникового эффекта. Сжиженный природный газ (СПГ), вероятно, будет находить все большее применение в густонаселенных городских районах, где экологические вопросы вызывают повышенную озабоченность.
Обильные запасы природного газа расположены по всему миру. Многие из этих газовых запасов расположены на шельфе в местах, недоступных по суше, и, как считается, представляют собой прибрежные запасы газа, доступные для разработки на основе применения существующих технологий. Существующие технические запасы газа пополняются быстрее, чем запасы нефти, что делает использование СПГ более важным для удовлетворения потребностей будущего потребления энергии. В жидкой форме СПГ занимает в 600 раз меньше места, чем природный газ в газообразном состоянии. Поскольку многих районов мира нельзя достичь с помощью трубопроводов из-за технических, экономических или политических ограничений, расположение завода по переработке СПГ на шельфе и использование мореходных судов для непосредственной транспортировки СПГ по морю от перерабатывающего завода до транспортного судна может уменьшить первоначальные капитальные вложения и ввести в оборот шельфовые газовые запасы, которые в противном случае были бы экономически нерентабельны.
Плавучие установки по сжижению обеспечивают шельфовую альтернативу расположенным на суше заводам по сжижению и альтернативу дорогостоящему подводному трубопроводу для прибрежных шельфовых запасов. Плавучая установка по сжижению может швартоваться у берегов либо вблизи газового месторождения, либо на нем. Она также представляет собой подвижный актив, который может быть перемещен на новое место, когда газовое месторождение приближается к концу своей производственной выработки или когда этого требуют экономические, экологические и политические условия.
Одной из проблем, с которыми сталкиваются плавучие суда по сжижению, является плескание выпаривающейся текучей среды внутри теплообменников. Плескание в теплообменнике может привести к возникновению сил, которые могут повлиять на устойчивость и управление теплообменником. Если дать выпаривающейся текучей среде свободно плескаться внутри кожуха теплообменника, перемещающаяся текучая среда может оказывать неблагоприятное воздействие на тепловое функционирование сердцевины теплообменника. Кроме того, циклический характер перемещения может привести к цикличности эффективности теплопередачи и, соответственно, может повлиять на технологические условия сжижения природного газа. Эта неустойчивость может привести к ухудшению общей эффективности работы установки, а также к сужению эксплуатационных режимов и ужесточению ограничений существующей производительности.
Таким образом, существует потребность в системе и способе сжижения природного газа в движущейся окружающей среде.
В документе WO 97/01069 A1 раскрыта обычная (базирующаяся на земле) установка для сжижения природного газа, которая включает в себя сепаратор и сердцевину, расположенную в теплообменнике с паровым пространством. В документе WO 01/88447 A1 раскрыта обычная (базирующаяся на земле) установка для сжижения природного газа, которая включает в себя сепаратор (дистилляционную колонну) и теплообменник неопределенного типа, расположенный снаружи относительно сепаратора.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном варианте осуществления система охлаждения или сжижения технологического газа в движущейся окружающей среде включает в себя: (а) разделительный сосуд, при этом разделительный сосуд включает в себя перегородки гашения движения, причем разделительный сосуд разделяет поток хладагента высокого давления, что приводит к образованию потока парового хладагента и потока жидкого хладагента; (b) трубку парожидкостного хладагента для подачи потока жидкого хладагента из разделительного сосуда на наружную сердцевину теплообменника; (с) по меньшей мере одну наружную сердцевину теплообменника, при этом наружная сердцевина теплообменника является наружной по отношению к разделительному сосуду, причем поток жидкого хладагента и более теплый технологический поток подвергают непрямому теплообмену в наружной сердцевине теплообменника, что приводит к образованию охлажденного технологического потока и потока выпаренного хладагента, притом охлажденный технологический поток поступает в место, наружное к наружной сердцевине теплообменника; а также (d) трубку частично выпаренного хладагента для подачи частично выпаренного хладагента из наружной сердцевины теплообменника в разделительный сосуд, притом трубка частично выпаренного хладагента обеспечивает минимальное падение давления, при этом трубка частично выпаренного хладагента обеспечивает поддержание термосифонного эффекта.
В другом варианте осуществления система охлаждения или сжижения технологического газа в движущейся окружающей среде включает в себя: (а) разделительный сосуд, при этом разделительный сосуд отделяет поток хладагента, что приводит к образованию потока парового хладагента и потока жидкого хладагента; (b) трубку парожидкостного хладагента для подачи потока жидкого хладагента из разделительного сосуда на наружную сердцевину теплообменника; (с) по меньшей мере одну наружную сердцевину теплообменника, при этом поток жидкого хладагента и более теплый технологический поток подвергают непрямому теплообмену в наружной сердцевине теплообменника, что приводит к образованию охлажденного технологического потока и потока выпаренного хладагента, (d) трубку частично выпаренного хладагента для подачи частично выпаренного хладагента из наружной сердцевины теплообменника в разделительный сосуд.
В еще одном варианте осуществления способ сжижения природного газа в движущейся окружающей среде включает в себя: (а) введение охлаждения в разделительный сосуд, что приводит к образованию потока парового хладагента и потока жидкого хладагента, при этом разделительный сосуд включает в себя перегородки гашения движения; (b) введение жидкого хладагента в нижнюю часть наружной сердцевины теплообменника; (с) введение более теплого технологического потока в наружную сердцевину теплообменника в месте над потоком жидкого хладагента; (d) охлаждение более теплого технологического потока через непрямой теплообмен с потоком жидкого хладагента, что приводит к образованию охлажденного технологического потока и потока частично выпаренного хладагента; е) удаление охлажденного технологического потока и потока частично выпаренного хладагента из наружной сердцевины теплообменника; (f) подачу потока частично выпаренного хладагента в разделительный сосуд; а также (g) подачу охлажденного технологического потока в место, наружное для наружной сердцевины теплообменника.
В дополнительном варианте осуществления способ сжижения природного газа в движущейся окружающей среде включает в себя: (а) подачу охлаждения в разделительный сосуд, что приводит к образованию потока парового хладагента и потока жидкого хладагента, (b) введение жидкого хладагента рядом с нижней частью наружной сердцевины теплообменника; (с) введение более теплого технологического потока в наружную сердцевину теплообменника в месте над потоком жидкого хладагента; (d) охлаждение более теплого технологического потока через непрямой теплообмен с потоком жидкого хладагента в наружной сердцевине теплообменника, что приводит к образованию охлажденного технологического потока и потока частично выпаренного хладагента; а также е) удаление охлажденного технологического потока и потока частично выпаренного хладагента из наружной сердцевины теплообменника.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение вместе с его дополнительными преимуществами можно лучше понять с помощью ссылки на следующее далее описание в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых:
фиг. 1 представляет собой схематический вид разделительного сосуда в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, включающем в себя наружную сердцевину теплообменника;
фиг. 2 представляет собой схематический вид разделительного сосуда в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, включающем в себя несколько наружных сердцевин теплообменника.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее будут подробно описаны варианты осуществления настоящего изобретения, один или несколько примеров которого показаны на сопровождающих чертежах. Каждый пример приведен путем объяснения изобретения, а не в качестве ограничения изобретения. Специалистам в данной области техники понятно, что различные модификации и вариации могут быть выполнены в настоящем изобретении в пределах объема или сущности настоящего изобретения. Например, признаки, показанные или описанные как часть одного варианта осуществления, могут быть использованы в другом варианте осуществления, чтобы получить еще один вариант осуществления. Таким образом, подразумевается, что настоящее изобретение охватывает такие модификации и вариации, которые входят в объем прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.
Принципиальная конструкция кожухо-сердцевинного теплообменника обеспечивает перекрестный теплообмен горячего технологического питающего потока с холодной выпаривающейся текучей средой. Выпаривающаяся текучая среда находится в сосуде под давлением, где спаянные алюминиевые компактные сердцевины теплообменника смонтированы и полностью погружены в выпаривающуюся текучую среду, которая находится на точке кипения или вблизи нее. Жидкость втягивается в нижнюю поверхность теплообменника, где она вступает в контакт с более горячими поверхностями внутри сердцевины. Затем выпаривающаяся жидкость передает тепло через каналы сердцевины теплообменника. Больший объем теплопередачи генерируется скрытой теплотой испарения выпаривающейся жидкости. Питающий поток охлаждается или сжимается при его прохождении через противоположную сторону каналов в сердцевинах теплообменника.
Тепловые и гидравлические эксплуатационные параметры кожухо-сердцевинного теплообменника зависят от уровня жидкости в теплообменнике. Преобладающий движущей силой циркуляции выпаривающейся жидкости в сердцевинах теплообменника является термосифонный эффект. Термосифонный эффект представляет собой явление пассивной передачи текучей среды, создаваемое природными конвективными тепловыми силами. При возникновении испарения текучей среды текучая среда нагревается и плотность текучей среды уменьшается. Поскольку она естественным образом течет в каналах вверх, в нее всасывается свежая жидкость. Это приводит к естественной циркуляции выпаривающейся текучей среды в сердцевинных каналах, вызванной тепловым градиентом внутри сердцевины. Не вся жидкость в канале выпаривается, и смесь жидкости и паров обычно транспортируется вверх через сердцевинные каналы теплообменника и удаляется через верхнюю часть сердцевины. Над сердцевиной должно быть предусмотрено достаточное пространство для пара и жидкости для разъединения таким образом, чтобы только пар покинул верхнюю секцию стороны кожуха сердцевины. Жидкость, которая отделяется в верхней секции теплообменника, затем повторно циркулирует в нижнюю часть сосуда, где она затем выпаривается в сердцевине. Движущей силой для разделения жидкости и газа в верхней секции кожухо-сердцевинного теплообменника является сила тяжести.
Эффект термосифонной циркуляции в сердечнике повышается или уменьшается наружным гидравлическим давлением (разностью уровней) между фактическим уровнем жидкости внутри сердцевины по сравнению с уровнем жидкости снаружи сердцевины. При падении уровня жидкости в кожухе движущая сила для передачи жидкости в сердцевине теплообменника уменьшается, а эффективная теплопередача уменьшается. Когда уровень жидкости падает ниже сердцевины, циркуляция выпаривающейся текучей среды прекращается из-за потери термосифонного эффекта, что приводит к потере теплопередачи. Если теплообменник работает при уровне жидкости, который выше сердцевины, т.е. затопленной, передача тепла дополнительно затруднена, поскольку пару, выработанному в сердцевине, нужно преодолеть дополнительный напор, чтобы вырваться из сердцевины.
Для преодоления проблемы поддержания необходимого уровня жидкости внутри кожуха спаянную алюминиевую компактную сердцевину теплообменника вынимают из кожуха. На фиг. 1 изображена примерная конфигурация наружной сердцевины 50 теплообменника, соединенной с разделительным сосудом 42.
По меньшей мере часть потока жидкого хладагента высокого давления выходит в установку СПГ через тракт 2 предварительно сконденсированным и транспортируется в дросселирующее средство (показанное как дросселирующий клапан 40), при этом давление потока снижается, что приводит к образованию дросселированной части хладагента в тракте 4. Дросселирующий клапан 40 может быть использован в качестве управляющего клапана для управления уровнем в разделительном сосуде 42. По меньшей мере часть потока дросселированного хладагента вводится в разделительный сосуд 42, в результате чего образуется поток парового хладагента в тракте 6 и поток жидкого хладагента. В одном варианте осуществления разделительный сосуд включает в себя перегородки гашения движения для уменьшения плескания жидкости. Перегородки 52 гашения движения могут быть расположены горизонтально, расположены вертикально или в их сочетании. Уровень жидкости в разделительном сосуде должен контролироваться и управляться. Сосуд может также быть оснащен переливной перегородкой для обеспечения поддержания минимального уровня жидкости в резервуаре.
Часть потока жидкого хладагента вводят в нижнюю часть наружной сердцевины 50 теплообменника через трубку 8 для жидкого хладагента. Более теплый технологический поток также вводят в наружную сердцевину 50 теплообменника через тракт 12, в результате чего более теплый технологический питающий поток охлаждается с помощью непрямого теплообмена с потоком жидкого хладагента, что приводит к образованию охлажденного технологического потока и потока частично выпаренного жидкого хладагента.
Поток частично выпаренного жидкого хладагента рециркулирует в разделительный сосуд через трубку 16. Величиной испарения управляют таким образом, чтобы обеспечить адекватную газовую дисперсию, при этом в дисперсной области поддерживается режим двухфазного потока. Обеспечивается управление размерами трубок и расстояниями, чтобы обеспечить минимальный перепад давления и поддержание термосифонного эффекта. Чем больше перепад давления в трубе, тем выше уровень жидкости, который нужно поддерживать в разделительном сосуде для обеспечения поддержания потока к наружной сердцевине теплообменника. Над транспортировочной трубкой частично выпаренного жидкого хладагента внутри разделительного сосуда обеспечивается адекватное пространство выделения пара, чтобы обеспечить поддержание этого разделения в рециркулированном потоке.
Остальная часть потока жидкого хладагента транспортируется на дросселирующее средство (показанное как дросселирующий клапан 48), при этом давление потока снижается, в результате чего образуется переливной хладагент в тракте 18, который может быть использован на последующих ступенях давления охлаждения ниже по потоку.
Гибкость конструкции заключается в позиционировании наружных сердцевин теплообменника относительно других последующих этапов и возможности приспособления нескольких наружных сердцевин теплообменника для одного разделительного сосуда. Например, на фиг. 2 показано несколько конфигураций, в которых разделительный сосуд соединен с несколькими наружными сердцевинами теплообменника.
Наружная конфигурация теплообменников относительно разделительного сосуда также обеспечивает преимущество устранения ниже по потоку скрубберов компрессора хладагента, поскольку сосуд под давлением может функционировать и в качестве сепаратора хладагента, и в качестве скруббера на всосе компрессора.
Для минимизации размеров разделительного сосуда 42 могут быть установлены внутренние элементы, например каплеотбойники лопастного типа, сетчатые насадки либо циклонные каплеотбойники лопастного типа, чтобы минимизировать размеры разделительного сосуда.
В заключение следует отметить, что рассмотрение любой ссылки не является признанием, что она является прототипом настоящего изобретения, в частности, любая ссылка, которая может иметь дату публикации после даты приоритета этой заявки. В то же время каждый нижеприведенный пункт формулы изобретения настоящим включен в данное подробное описание или спецификацию в виде дополнительного варианта осуществления настоящего изобретения.
Хотя описанные здесь системы и способы были описаны подробно, следует понимать, что различные изменения, замены и вариации могут быть сделаны без отступления от сущности и объема изобретения, как определено последующей формулой изобретения. Специалисты в данной области техники могут быть в состоянии изучить предпочтительные варианты осуществления и определить другие способы для осуществления изобретения, которые не в точности совпадают с описанными в данном документе. В намерение авторов изобретения входило, чтобы вариации и эквиваленты изобретения находились в пределах объема формулы изобретения, при этом описание, реферат и чертежи не должны использоваться для ограничения объема изобретения. Изобретение определенно должно быть ограничено только нижеприведенной формулой изобретения и ее эквивалентами.