УСТАНОВКА ЧАСТИЧНОГО СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Полезная модель относится к области сжижения газов и их смесей, в частности, к частичному сжижению природного газа на газораспределительных станциях за счет использования перепада давлений между магистральным и распределительным газопроводами.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является установка сжижения природного газа, которая содержит трубопровод газа высокого давления, линию технологического газа с размещенным на ней расширительным устройством в виде охлаждаемой вихревой трубы, линию продукционного потока с размещенными на ней предварительным и основным теплообменниками, дросселирующим устройством, сборником-сепаратором сжиженного газа (RU 2127855 С1, опубл. 20.03.1999, МПК F25J 1/00, F25B 9/02). Сборник-сепаратор сжиженного газа имеет первый выход, соединенный с линией сжиженного газа и второй выход, соединенный с линией обратного потока.
Недостатком известной установки является невозможность ее использования для сжижения природного газа, имеющего в своем составе высокое содержание диоксида углерода, поскольку в процессе эксплуатации возможна кристаллизация диоксида углерода и забивка им аппаратов и арматуры установки.
Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, является повышение производительности и надежности установки частичного сжижения газа, имеющего в исходном составе большое содержание диоксида углерода (не менее 0,6% (6000 ppm)), а также уменьшение доли высококипящих компонентов в сжиженном природном газе.
Технический результат достигается за счет того, что установка частичного сжижения природного газа содержит трубопровод газа высокого давления, соединенный с линией технологического потока и линией продукционного потока, на которой расположены предварительный и основной теплообменники, первый дроссельный вентиль и сборник-сепаратор сжиженного газа, имеющий первый выход, соединенный с линией сжиженного газа и второй выход, соединенный с линией обратного потока. На линии технологического потока последовательно расположены блок осушки потока газа, упомянутый предварительный теплообменник, второй дроссельный вентиль, упомянутый основной теплообменник и третий дроссельный вентиль, на линии продукционного потока дополнительно расположены упомянутый блок осушки потока газа, блок очистки потока газа и дополнительный теплообменник, а на линии обратного потока, охлаждающего технологический и продукционный потоки, расположены последовательно упомянутые дополнительный теплообменник, основной теплообменник и предварительный теплообменник, выход которого соединен с трубопроводом газа низкого давления, причем выход третьего дроссельного вентиля соединен со входом в основной теплообменник линии обратного потока, блок очистки потока газа линии продукционного газа расположен между блоком осушки потока газа и предварительным теплообменником, а дополнительный теплообменник - между выходом из основного теплообменника и входом дроссельного вентиля.
На фиг.1 представлена схема установки частичного сжижения природного газа на газораспределительных станциях. На фиг.2 представлен график зависимости паросодержания в сепараторе (линия продукционного потока) от суммарного содержание высококипящих компонентов (ВКК) в сжиженном природном газе (СПГ).
Установка частичного сжижения природного газа включает в себя источник газа высокого давления 1, например, магистральный трубопровод, трубопровод газа низкого давления 15, например, распределительный трубопровод, линию технологического потока 3, линию продукционного потока 14, линию обратного потока 12, блок осушки технологического и продукционного потоков газа 2, блок очистки продукционного потока от диоксида углерода 13, предварительный теплообменник 4, основной теплообменник 11, дополнительный теплообменник 10, первый дроссельный вентиль 7, второй дроссельный вентиль 5 и третий дроссельный вентиль 6, сборник-сепаратор 9, трубопровод слива жидкости 8 из сборника-сепаратора.
Каждый из блоков осушки и очистки технологического и продукционного потоков газа 2 и 13 может быть выполнен из двух переключающихся адсорберов с системой регенерации адсорбента и предварительного охлаждения осушаемого газа.
Предварительный и основной теплообменники 4 и 11 представляют собой трехпоточные теплообменники, через которые проходят два потока высокого давления линий технологического и продукционного газа 3 и 14, и один поток низкого давления линии обратного потока 12.
Установка работает следующим образом.
2
Поток газа высокого давления отбирают из источника высокого давления 1 и разделяют на технологический 3 (84%) и продукционный 14 (16%) потоки. Технологический поток 3 направляют на адсорбционный блок осушки потока газа 2 и прямым потоком пропускают через предварительный трехпоточный теплообменник 4, где его охлаждают обратным потоком (до температуры 252 K), а затем направляют через второй дроссельный вентиль 5, в котором газ расширяют до промежуточного давления (25 бар), после чего охлаждают в основном теплообменнике 11 до температуры 182 K, далее расширяют в третьем дроссельном вентиле 6 до давления трубопровода газа низкого давления 15 с понижением температуры до 155 K (исходя из максимальной растворимости CO в газе при давлении 6 бар) - температура за третьем дроссельным вентилем 6 определяет температуру перед ним, и в качестве обратного потока пропускают через основной 11 и предварительный 4 теплообменники, охлаждая прямые потоки. Продукционный поток пропускают через блок осушки 2 и блок очистки 13 и прямым потоком направляют последовательно через предварительный трехпоточный теплообменник 4, основной трехпоточный теплообменник 11 и дополнительный теплообменник 10, где его охлаждают обратным потоком и расширяют, пропуская через первый дроссельный вентиль 7. После дросселирования газ направляют в сборник-сепаратор 9, после чего жидкую фазу через трубопровод слива жидкости 8 направляют в емкость (на фиг.1 не показано) для отправки потребителю, а не сжиженную часть газа возвращают через линию обратного потока 12, через теплообменники 10, 11 и 4 в трубопровод газа низкого давления 15.
Схема простого дросселирования предполагает расширение потока сырьевого природного газа в дросселе продукционного потока полностью. При этих параметрах тяжелые углеводороды и углекислый газ, присутствующие в исходном газе, практически полностью сжижаются и растворяются в жидком метане. Доля их в сжиженном природном газе естественным образом увеличивается. С разделением сырьевого потока на продукционный и технологический баланс установки практически не меняется (коэффициент сжижения остается практически неизменным). Однако за счет разделения величина продукционного потока уменьшается. Тогда применимы следующие равенства:
L1
1
k=G(1-φ)
L2
2
k=Gψ(1-φ)
L1
L2
k≈k
2
1
1-φ≈(1-φ)/ψ
1>ψ>0
2
1
φ<φ
L1
L2
1
2
Здесь k, k - коэффициенты сжижения простого дроссельного цикла и двухпоточного дроссельного цикла соответственно; G - массовый расход сырьевого газа; ψ - массовая доля продукционного потока; φ - массовое паросодержание в продукционном потоке простого дроссельного цикла; φ - массовое паросодержание в продукционном потоке двухпоточного цикла. Влияние паросодержания в линии продукционного потока на суммарное содержание высококипящих компонентов в сжиженном природном газе при давлении 0,6 МПа показано на фиг.2 (суммарное содержание высококипящих компонентов в сырьевом газе - 5 мольн.%). На фиг.2 показано, что со снижением паросодержания снижается доля высококипящих компонентов в сжиженном природном газе, следовательно, качество сжиженного природного газа повышается.
Применение двухкратного дросселирования в дроссельных вентилях 5 и 6 позволяет улучшить эффективность предварительного теплообменника, поскольку температура перед дроссельным вентилем будет меньше, чем в случае применения однократного дросселирования (второй дроссельный вентиль 5 отсутствует). Это позволяет уменьшить долю технологического потока, и, соответственно, увеличить производительность установки. В схеме с однократным дросселированием среднелогарифмическая разность температур в теплообменнике составляет 25 K, тогда как для схемы с двухкратным дросселированием среднелогарифмическая разность температур в предварительном теплообменнике составляет 8 K.
2
Чтобы исключить выпадение твердых частиц CO при расширении газа и, как следствие, повысить надежность установки частичного сжижения природного газа, устанавливают третий дроссельный вентиль 6.
2
2
2
Наличие дополнительного теплообменника 10 в установке частичного сжижения природного газа обеспечивает нагрев обратного потока до температуры, достаточной для того, чтобы при смешении обратного и технологического потоков, поступающих в основной теплообменник 11, исключить выпадение CO из смеси, поскольку при смешении технологического потока, имеющего температуру, близкую к температуре вымерзания CO и обратного потока, имеющего наиболее низкую температуру в установке, присутствует повышенный риск выпадения CO из смеси.
Использование данной полезной модели позволяет повысить производительность и надежность установки частичного сжижения газа, имеющего в исходном составе большое содержание диоксида углерода, а также уменьшить долю высококипящих компонентов в сжиженном природном газе.