УСТАНОВКА ДЛЯ СЖИЖЕНИЯ ГАЗОВ
GAS LIQUEFACTION UNIT

Изобретение относится к криогенной технике, и в частности к криогенным компрессорно-детандерным установкам для сжижения газов, включая горючие и особо чистые газы, а также относится к жидкостным криогенным системам и может быть использовано для хранения, выдачи и транспортировки криопродуктов в бездренажном режиме.
Из уровня техники известна компрессорно-детандерная установка для сжижения природного газа и горючих газовых смесей, реализующая известный способ сжижения природного газа [Заявка RU 2007125077, МПК F25J 1/00, 2007], которая содержит: компрессор продукционного потока газа, привод компрессора от дизель-электрогенератора или от газотурбинного электрогенератора, блок осушки и очистки продукционного потока газа, блок осушки технологического потока газа, предварительный и основной теплообменники, детандер-компрессорный агрегат, дроссельный вентиль, сборник-сепаратор сжиженного газа.
Недостаток известной установки для сжижения природного газа и других горючих газовых смесей состоит в повышенной пожаровзрывоопасности процесса сжатия горючего продукционного газа в компрессоре с приводом от дизельного или от газотурбинного электрогенератора.
Наиболее близким известным техническим решением в качестве прототипа является установка для сжижения газов, реализующая известный способ сжижения газов [Патент SU 119539, F25J 1/02, F25J 5/00, 1958] в компрессорно-детандерной криогенной установке, которая содержит теплообменник-охладитель, теплообменник-сжижитель продукционного газа; газгольдер с негорючим газом-хладагентом холодильного циркуляционного цикла; турбокомпрессор низкого давления для сжатия негорючего газа, используемого в холодильном циркуляционном цикле с газопаровым детандером; компрессор среднего давления с электроприводом для сжатия сжижаемого продукционного газа или газовой смеси; газопаровой турбодетандер для расширения негорючего газа холодильного циркуляционного цикла; теплый газгольдер негорючего газа холодильного цикла; дроссельный вентиль на потоке продукционного газа и криогенный сосуд-накопитель сжиженного газа (криопродукта в состоянии насыщенной жидкости).
Недостатками прототипа является:
1) повышенная пожаровзрывоопасность компрессора с электроприводом для сжатия горючих продукционных газов и газовых смесей (метана, природного газа и др.);
2) повышенные энергетические затраты на получение сжиженного криопродукта, обусловленные:
- низкой термодинамической эффективностью используемого в установке холодильного циркуляционного цикла с газопаровым детандером по сравнению с циклом с влажно-паровым детандером;
- низкой термодинамической эффективностью используемого в установке холодильного цикла с дроссельной ступенью окончательного охлаждения продукционного газа по сравнению с циклом с жидкостно-паровой детандерной ступенью окончательного охлаждения;
- значительными потерями сжиженного криопродукта при его хранении, выдаче и транспортировке в дренажном режиме.
Техническим результатом изобретения является повышение пожаровзрывобезопасности и экономичности компрессорно-детандерной криогенной установки для сжижения газов, включая горючие и особо чистые газы.
Техническая задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить достижение заявленного единого и неделимого технического результата путем использования:
- энергии, полученной при детандировании части неохлажденного сжатого негорючего газа холодильного циркуляционного цикла, для пожаровзрывобезопасного компримирования горючего продукционного газа;
- термодинамически эффективного процесса жидкостно-парового детандирования вместо используемого в прототипе процесса дросселирования потока продукционного газа;
- использования теплоты испарения жидкости, полученной в процессе влажно-парового детандирования газа холодильного циркуляционного цикла, для охлаждения сжиженного криопродукта до состояния недогретой жидкости для его последующего хранения, выдачи и транспортировки в бездренажном режиме.
Сущность изобретения состоит в том, что, кроме известных и общих с прототипом существенных отличительных признаков, которые характеризуются тем, что установка для сжижения газов включает теплообменник-охладитель, теплообменник для сжижения продукционного газа; газгольдер с негорючим газовым хладагентом холодильного циркуляционного цикла и криогенный сосуд-накопитель сжиженного продукционного газа, предлагаемая установка для сжижения газов содержит компрессор с концевым холодильником для охлаждения части потока сжатого негорючего газа холодильного циркуляционного цикла; делитель потока сжатого неохлажденного негорючего газа; догреватель части потока сжатого негорючего газа; компрессор продукционного газа, механически связанный с газовым детандером, установленным после делителя на части потока неохлажденного сжатого негорючего газа холодильного циркуляционного цикла; концевой охладитель сжатого продукционного газа; дожимающий компрессор продукционного газа, установленный после компрессора продукционного газа, который механически связан с влажно-паровым детандером, установленным на потоке сжатого охлажденного негорючего газа холодильного циркуляционного цикла после теплообменника-охладителя; концевой холодильник, установленный после дожимающего компрессора продукционного газа; насос жидкого криопродукта, который механически связан с жидкостно-паровым детандером, установленным на потоке сжиженного продукционного газа, и детандерный сборник-отделитель негорючего сжиженного газа с погружным теплообменником-охладителем сжиженного криопродукта.
Новизна изобретения заключается в том, что предлагаемая установка для сжижения газов содержит компрессор с концевым холодильником для охлаждения части потока сжатого негорючего газа холодильного циркуляционного цикла; делитель потока сжатого неохлажденного негорючего газа; догреватель части потока сжатого негорючего газа; компрессор продукционного газа, который механически связан с газовым детандером, установленным после делителя на части потока сжатого неохлажденного негорючего газа холодильного циркуляционного цикла; концевой охладитель сжатого продукционного газа, дожимающий компрессор продукционного газа, установленный после компрессора продукционного газа, который механически связан с влажно-паровым детандером, установленным на потоке сжатого охлажденного негорючего газа холодильного циркуляционного цикла после теплообменника-охладителя; концевой холодильник, установленный после дожимающего компрессора продукционного газа, насос жидкого криопродукта, который механически связан с жидкостно-паровым детандером, установленным на потоке сжиженного продукционного газа, и детандерный сборник-отделитель негорючего сжиженного газа с погружным теплообменником-охладителем сжиженного криопродукта, что обеспечивает повышение пожаровзрывобезопасности и экономичности компрессорно-детандерной криогенной установки для сжижения газов.
т
Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, представленным на фиг. 1, на которой изображена блок-схема компрессорно-детандерной установки для сжижения газов. Графические зависимости термодинамического КПД (η) от давления перед детандированием известного газопарового и предлагаемого влажно-парового детандерных циклов представлены на фиг. 2. На фиг. 1 и 2 обозначено:
1 - компрессор продукционного газа; 2 - концевой охладитель; 3 - дожимающий компрессор продукционного газа; 4 - концевой охладитель; 5 - адсорбционный блок комплексной очистки; 6 - теплообменник-охладитель; 7 - теплообменник-сжижитель; 8 - жидкостно-паровой детандер; 9 - детандерный сборник-отделитель сжиженного криопродукта; 10 - детандерный сборник-отделитель негорючего сжиженного газа с погруженным теплообменником-охладителем сжиженного криопродукта; 11 - насос жидкого криопродукта; 12 - делитель; 13 - резервуар-накопитель сжиженного криопродукта; 14 - транспортный резервуар сжиженного криопродукта; 15 - газгольдер негорючего газа; 16 - смеситель; 17 - компрессор негорючего газа; 18 - делитель; 19 - концевой охладитель; 20 - влажно-паровой детандер; 21 - смеситель; 22 - газовый детандер; 23 - измеритель давления; 24 - измеритель температуры; 25 - измеритель давления; 26 - измеритель температуры; 27 - измеритель давления; 28 - измеритель температуры; 29 - измеритель давления; 30 - измеритель температуры; 31 - дроссельный вентиль на обратном потоке; 32 - смеситель; 33 - догреватель сжатого негорючего газа; 34 и 35 - дифференциальный манометр; 36 - зависимость КПД при одноступенчатом детандерном цикле с газовым детандером; 37 - зависимость детандерного цикла с влажно-паровым детандером.
В исходном положении компрессор продукционного газа 1, концевой охладитель 2, дожимающий компрессор продукционного газа 3, концевой охладитель 4, адсорбционный блок комплексной очистки 5, теплообменник-охладитель 6, теплообменник-сжижитель 7, жидкостно-паровой детандер 8, детандерный сборник-отделитель сжиженного криопродукта 9, дроссельный вентиль на обратном потоке 31, смеситель 32 соединены между собой в виде последовательной цепи. Паровой выход отделителя жидкости детандерного сборника-отделителя сжиженного криопродукта 9 подключен через дроссельный вентиль на обратном потоке 31, теплообменник-сжижитель 7 и теплообменник-охладитель 6 к входу компрессора продукционного газа 1. Жидкостный выход детандерного сборника-отделителя сжиженного криопродукта 9 подключен через детандерный сборник-отделитель негорючего сжиженного газа с погружным теплообменником-охладителем сжиженного криопродукта 10 и через делитель 12 к входу насоса жидкого криопродукта 11 и к входу транспортного резервуара сжиженного криопродукта 14. Газгольдер негорючего газа 15, смеситель 16, компрессор негорючего газа 17, делитель 18, концевой охладитель 19, теплообменник-охладитель 6, влажно-паровой детандер 20, детандерный сборник-отделитель негорючего сжиженного газа 10, теплообменник-сжижитель 7, смеситель 21 соединены между собой в виде последовательной цепи. Выход делителя 18 подключен к входу догревателя сжатого негорючего газа 33, затем к входу газового детандера 22, механически связанного с компрессором продукционного газа 1. Выход газового детандера 22 подключен к входу смесителя 21. Выходы измерителей давления и температуры 23 и 24 подключены к входу влажно-парового детандера 20, а выходы измерителей давления и температуры 25 и 26 подключены к выходу влажно-парового детандера 20. Выходы измерителей давления и температуры 27 и 28 подключены к входу жидкостно-парового детандера 8, а выходы измерителей давления и температуры 29 и 30 подключены к выходу жидкостно-парового детандера 8. Дифференциальный манометр 34 подключен к детандерному сборнику-отделителю негорючего сжиженного газа с погруженным теплообменником-охладителем сжиженного криопродукта 10, а дифференциальный манометр 35 подключен к детандерному сборнику-отделителю сжиженного криопродукта 9.
Установка для сжижения газов работает следующим образом. Компрессор продукционного газа 1 сжимает продукционный газ от докритического давления до давления выше критического и подает его через концевой охладитель 2 в дожимающий компрессор продукционного газа 3, затем через концевой охладитель 4 и адсорбционный блок комплексной очистки 5 продукционный газ направляют в теплообменник-охладитель 6, а затем в теплообменник-сжижитель 7, в которых прямой поток продукционного газа охлаждают за счет холода двух обратных потоков низкого давления: паров продукционного газа из детандерного сборника-отделителя сжиженного криопродукта 9 и паров негорючего газа из детандерного сборника-отделителя негорючего сжиженного газа с погруженным теплообменником-охладителем сжиженного криопродукта 10.
Охлажденный и сжиженный в теплообменнике-охладителе 6 и теплообменнике-сжижителе 7 прямой поток продукционного газа детандируют в жидкостно-паровом детандере 8, после чего из расширенного прямого потока в детандерном сборнике-отделителе сжиженного криопродукта 9 получают жидкую фазу - сжиженный криопродукт в состоянии насыщенной жидкости и насыщенный пар криопродукта, который через дроссельный вентиль на обратном потоке 31 направляют в теплообменник-сжижитель 7 и теплообменник-охладитель 6. Контролируют процесс детандирования сжатого продукционного газа перед жидкостно-паровым детандером 8 по давлению - манометром 23, по температуре - термометром сопротивления 24. Сжиженный криопродукт в состоянии насыщенной жидкости направляют через погружной теплообменник-охладитель детандерного сборника-отделителя негорючего сжиженного газа 10 в насос жидкого криопродукта 11, из которого через делитель 12 одну часть потока криопродукта в состоянии недогретой жидкости направляют в резервуар-накопитель сжиженного криопродукта 13, а другую часть потока криопродукта - в транспортный резервуар сжиженного криопродукта 14.
Компрессор негорючего газа 17 сжимает негорючий газ холодильного циркуляционного цикла до давления ниже критического и подает его через делитель 18 и концевой охладитель 19 в теплообменник-охладитель 6, из которого негорючий газ направляют во влажно-паровой детандер 20. Контролируют процесс детандирования негорючего газа перед влажно-паровым детандером 20 по давлению - манометром 23 и по температуре - термометром сопротивления 24, а после влажно-парового детандера 20 по давлению - манометром 25, по температуре - термометром сопротивления 26 и по степени влажности - указателем уровня детандерного сборника-отделителя 10. Насыщенный пар негорючего газа из детандерного сборника-отделителя 10 через теплообменник-сжижитель 7, теплообменник-охладитель 6, смесители 21 и 16 подают в компрессор негорючего газа 17.
Часть потока негорючего газа, сжатого в компрессоре негорючего газа 17, направляют из делителя 18 через догреватель сжатого негорючего газа 33 в газовый детандер 22, механически связанный с компрессором продукционного газа 1.
Работая с помощью предлагаемого устройства, можно достичь повышения пожаровзрывобезопасности процесса компримирования продукционного горючего газа за счет использования в качестве привода компрессора продукционного газа 1 газового детандера 22, установленного на части потока негорючего газа, сжатого в компрессоре негорючего газа 17. Кроме того, только за счет использования процесса влажно-парового детандирования вместо газопарового, используемого в прототипе, в холодильном циркуляционном цикле можно на 30…50% повысить термодинамическую эффективность этой наиболее энергоемкой холодопроизводящей части установки для сжижения газов.
т
Графические зависимости термодинамического КПД (η) от давления перед детандированием известного в прототипе газопарового и предлагаемого влажно-парового детандерных циклов из работ [Микулин Е.И. и др. Сравнительный анализ криогенных циклов установок обратной конденсации паров азота // Химическое и нефтяное машиностроение, 1993. №2, с. 14-17] и [Микулин Е.И. и др. Принципиальные структурные схемы рефрижераторных и ожижительных установок для многорежимной азотной криогенной системы АЭС. «Известия института инженерной физики», 2012, №2, с. 60-65] представлены на фиг. 2. Зависимость 36 относится к одноступенчатому детандерному циклу с газовым детандером, а зависимость 37 - к детандерному циклу с влажно-паровым детандером.
т
2
т
2
т
2
т
2
т
В соответствии с данными вышеприведенных работ термодинамический КПД (η) одноступенчатого воздушного детандерного цикла при давлении после компрессора (P) 0,7 МПа и паросодержании x=1,0 после газового детандера величина термодинамического КПД η=10%. При х=0,93 после влажно-парового детандера и P=1,2 МПа η увеличивается до 15,6%, т.е. в 1,56 раза. При работе на низком давлении (P=1,2 МПа) КПД влажно-парового цикла η=15,6%, тогда как КПД газопарового цикла (P=0,7 МПа) η=10,0%.
Дополнительное повышение термодинамической эффективности установки для сжижения газов достигается за счет:
- использования жидкостно-парового детандирования вместо дросселирования в холодильном цикле продукционного газа [Давыдов А.Б., Кобулашвили А.Ш. Расчет и конструирование турбодетандеров. М.: Машиностроение, - 1987. - 232 с.];
- получения сжиженного криопродукта при повышенном давлении (до 0,8…1,0 МПа) и соответственно при температуре более высокой, чем у криопродукта в состоянии насыщенной жидкости при P=0,1 МПа [Микулин Е.И. и др. Принципиальные структурные схемы рефрижераторных и ожижительных установок для многорежимной азотной криогенной системы АЭС. «Известия института инженерной физики», 2012, №2, с. 60-65].
В предлагаемом устройстве с помощью манометров 23, 25 и термометров сопротивления 24 и 26 отслеживаются параметры детандерного потока негорючего газа до и после его адиабатического расширения во влажно-паровом детандере 20, которое заканчивают в области влажного пара при степени влажности не более 20% и при давлении, близком к атмосферному.
С помощью манометров 27 и 29 и термометров сопротивления 28 и 30 отслеживаются параметры прямого потока продукционного газа до и после его адиабатического расширения в жидкостно-паровом детандере 8, которое заканчивают в области влажного пара при давлении, превышающем атмосферное.
Промышленная осуществимость предлагаемого изобретения обосновывается тем, что в нем использованы известные агрегаты, механизмы и узлы, указанные в аналоге и прототипе, по своему прямому функциональному назначению. В организации-заявителе разработана модель устройства для сжижения газа в 2014 году.
Положительный эффект от использования изобретения состоит в том, что повышается пожаровзрывобезопасность установки для сжижения горючих и пожароопасных газов, а также снижаются удельные энергетические затраты не менее чем на 25…30%.