СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА
NATURAL GAS LIQUEFACTION METHOD

ПРИОРИТЕТ
В настоящей заявке испрашивается приоритет по предварительной заявке на патент США № 60/977340.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты настоящего изобретения относятся к способу сжижения природного газа и других газовых потоков с высоким содержанием метана и более конкретно к способу производства сжиженного природного газа (СПГ).
ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Природный газ, благодаря чистому сгоранию и удобству в использовании, в последние годы находит все более широкое применение. Многие источники природного газа находятся в удаленных местах, на большом удалении от коммерческих рынков газа. Иногда для транспортировки природного газа на коммерческий рынок используют газопроводы. Если транспортировка по газопроводу экономически не оправдана, добытый природный газ часто перерабатывают в сжиженный природный газ (именуемый "СПГ") для транспортировки на рынок.
При проектировании экономически и технически эффективной установки по сжижению природного газа, которая является технологической установкой по преобразованию природного газа из газообразной формы в жидкость, для сжижения природного газа охлаждением использовалось много циклов охлаждения. В настоящее время в установках по производству СПГ наиболее широко используются процессы трех типов: (1) "каскадный цикл", при котором в последовательно соединенных теплообменниках используется множество однокомпонентных хладагентов, понижающих температуру газа до температуры сжижения; (2) "многокомпонентный цикл охлаждения", в котором используется многокомпонентный хладагент в теплообменниках особой конструкции, и (3) "цикл расширения", при котором газ расширяется от давления подачи газа до низкого давления с сопутствующим падением температуры. Варианты последнего из упомянутых процессов или цикла расширения оказались существенным достижением в этой области техники, см. WO-А-2007/021351, опубликованный 22 февраля 2007 года. Как описано в этом источнике, используя часть потока подаваемого газа в контуре высокого давления экспандера, можно создать поток хладагента для обработки подаваемого газа в теплообменнике, что позволяет исключить использование внешних хладагентов и повысить эффективность установки.
Однако, несмотря на значительные преимущества по сравнению с предшествующими способами, в которых используется цикл охлаждения расширением, процесс по WO-А-2007/021351 все же является неэффективным с точки зрения термодинамики, в частности, когда локальные высокие температуры окружающей среды препятствуют эффективному использованию воздуха или воды, имеющей температуру окружающей среды, для охлаждения, чтобы эффективно понижать температуру технологических потоков газа или жидкости. А когда на больших глубинах теоретически имеется более холодная вода, даже если температура воды у поверхности высока, установка и эксплуатация насосов, подающих воду с глубины на платформу СПГ, особенно на плавучих производственных системах, может потребовать существенных затрат. Постоянное движение плавучей производственной системы создает напряжения в шарнирно соединенных трубопроводах, уходящих вниз от платформы, создавая проблемы, связанные с опорной структурой. Кроме того, необходимое количество воды при больших глубинах может потребовать использования мощных насосов, при этом мощность очевидно должна увеличиваться с увеличением глубины, с которой забирается вода для охлаждения.
Целью разработки способа сжижения природного газа является попытка согласовать кривую охлаждения природного газа с кривой нагрева хладагента. Для системы сжижения, основанной на хладагентах, это значит разделение хладагента на два потока, которые охлаждены до разных температур. Типично холодную кубовую часть охлаждают хладагентом, состав которого подбирают так, чтобы кривая нагрева хорошо согласовывалась с кривой охлаждения природного газа в диапазоне низких температур. Теплую кубовую часть обычно охлаждают пропаном по экономическим соображениям, но и здесь можно использовать хладагент со специально подобранным составом, чтобы лучше согласовать кривую охлаждения природного газа для теплого конца. Кроме того, для процесса сжижения, происходящего в условиях высокой температуры охлаждающей среды, системы предварительного охлаждения (нагретой кубовой части) становятся чрезмерно громоздкими и дорогими. В процессе по WO-А-2007/021351 она может потреблять более 70% мощности, затрачиваемой на сжатие. Классическим подходом является дальнейшее разделение диапазона температур охлаждения и добавление еще одного контура охлаждения. Такой подход является типичным для каскадного цикла сжижения, в котором типично используют три хладагента. Это усложняет процесс и заставляет использовать дополнительное оборудование, и приводит к увеличению затрат.
Соответственно, все еще имеется потребность в процессе, основанном на цикле расширения при высоком давлении, имеющем более высокую эффективность, когда температуры воздуха и воды окружающей среды не обеспечивают достаточного охлаждения для минимизации требуемой мощности и расходов на весь цикл. В частности, большой интерес представляет процесс, позволяющий снизить общую потребность в мощности установки по сжижению природного газа, в частности, работающий при высокой температуре окружающей среды.
Другая связанная с этой проблемой информация может быть найдена в WO2007/021351; Foglietta, J.H. et al., Consider Dual Independent Expander Refrigeration for LNG Production New Methodology May Enable Reducing Cost to Produce Stranded Gas, Hydrocarbon Processing, Gulf Publishing Co., vol. 83, no/ 1 pp. 39-44 (January 2004); заявке на патент США № US2003/089125; в патентах США №№ 6,412,302; 3,162,519 и 3,323,315 и в патенте Германии № DE19517116.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способу сжижения потока газа с высоким содержанием метана, содержащему этапы, при которых (а) создают поток газа с абсолютным давлением менее 1200 фунтов на кв. дюйм (8273,709 кПа); (b) отбирают часть газа из потока для использования в качестве хладагента; (с) сжимают этот хладагент до давления, превышающего его давление на этапе (а) для получения сжатого хладагента; (d) охлаждают полученный сжатый хладагент косвенным теплообменом с охлаждающей текучей средой, имеющей температуру окружающей среды до технологической температуры выше прибл. 35°F (1,666667°C), (е) подвергают охлажденный сжатый хладагент дополнительному охлаждению для дополнительного понижения его температуры, тем самым получая дополнительно охлажденный сжатый хладагент; (f) расширяют хладагент, полученный на этапе (e) для дополнительного охлаждения хладагента, получая тем самым расширенный, дополнительно охлажденный хладагент, при котором дополнительно охлажденный, сжатый хладагент, полученный на этапе (е) имеет температуру на 10-70°F (6-39°C) ниже технологической температуры; (g) подают расширенный, дополнительно охлажденный хладагент в зону теплообмена и (h) пропускают потока газа с этапа (а) через указанную зону теплообмена для охлаждения по меньшей мере части потока газа путем косвенного теплообмена с расширенным, дополнительно охлажденным хладагентом, тем самым формируя поток охлажденной жидкости. Этот охлажденный поток может содержать охлажденный газ, двухфазную смесь газа и сжиженного газа или переохлажденный сжиженный газ, в зависимости от давления газа. В других вариантах для повышения эффективности после одного или более этапов сжатия хладагента может осуществляться дополнительное охлаждение для утилизации паров газа, вышедших из сжиженного СПГ и дополнительное охлаждение самого подаваемого газа перед входом в зону первичного теплообмена.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - график, иллюстрирующий сравнительное потребление мощности для разных процессов охлаждения.
Фиг.2 - схема одного варианта способа получения СПГ по настоящему изобретению, где дополнительное охлаждение осуществляют в контуре хладагента под высоким давлением после охлаждения окружающей средой косвенным теплообменом.
Фиг.3 - схема второго варианта способа получения СПГ, аналогичного способу по фиг.2, за исключением того, что для повышения эффективности в нем используются множество точек дополнительного охлаждения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Варианты настоящего изобретения относятся к способу сжижения природного газа с помощью экспандеров первичного газа плюс дополнительное охлаждение внешним хладагентом в стратегически расположенных точках для минимизации потребляемой мощности всего процесса сжижения газа. Такой цикл сжижения, в дополнение к охлаждающему контуру высокого давления, требует только дополнительного охлаждения с помощью внешнего хладагента в замкнутом контуре и такие установки дополнительного охлаждения могут иметь оптимальный размер для увеличения до максимума термодинамической эффективности процесса, связанного только с расширением газа для данных условий окружающей среды, в то же время сокращая общую потребность в мощности и, следовательно, потребление энергии. Поскольку в предпочтительных процессах расширения в качестве единственного источника охлаждающей текучей среды используется вода или воздух при температуре окружающей среды, которые используются для промежуточной ступени компрессора или для доохлаждения, настоящее изобретение обеспечивает возможность более эффективной работы.
Способ по WO2007/021351, в котором используется детандер, представляет высокоэффективный процесс сжижения природного газа. В WO2007/021351 имеется контур хладагента, который по существу содержит ступень для охлаждения хладагента путем косвенного теплообмена с воздухом или водой, имеющей температуру окружающей среды после того, как он был нагрет на этапе сжатия потока хладагента до высокого давления, под которым работает контур хладагента высокого давления. После охлаждения путем теплообмена хладагент под высоким давлением расширяется в одном или более турбодетандере для дальнейшего охлаждения перед тем, как он будет подан в теплообменник для охлаждения подаваемого потока газа. Охлажденный таким способом поток газа становится жидким, по меньшей мере, частично, и, при необходимости дополнительно охлаждается, сепарируется от любых остающихся паров газа и становится СПГ.
По меньшей мере, в одном варианте способа по WO2007/021351 процесс, как было обнаружено, по меньшей мере, столь же эффективен или менее эффективен, что и стандартный процесс со смешанным хладагентом при температурах выше 65°F (18,33…°C). На фиг.1 представлен график, иллюстрирующий сравнительную потребляемую мощность различных процессов охлаждения. На графике 1 на вертикальной оси 1а показана полезная мощность относительно технологической температуры на горизонтальной оси 1b. Следует отметить, что технологическая температура может быть на несколько градусов выше температуры окружающей среды. Например, технологическая температура может быть прибл. на 1-5°F (прибл. 0,5554-2,7777°С) выше температуры окружающей среды. Линия 2а представляет применение смешанного хладагента, а линия 2b представляет один вариант цикла охлаждения под давлением по WO2007/021251. Как показано на графике, потребность в полезной мощности для цикла 2а со смешанным хладагентом такая же или ниже, чем для цикла 2b охлаждения под давлением при температуре выше прибл. 65°F (18,33…°С)
Было обнаружено, что можно значительно повысить эффективность, если после косвенного теплообмена, но до расширения хладагента для последнего охлаждения и до подачи хладагента в зону теплообмена, в которой охлаждается основной поток газа, использовать дополнительное, внешнее вспомогательное охлаждение хладагента. Вообще говоря, мощность, необходимая для охлаждения любого объекта, увеличивается с увеличением температуры окружающей среды, куда необходимо отводить теплоту, отобранную охлаждением. Далее, существенное количество энергии, которую нужно удалить для сжижения природного газа, зависит от начальной температуры газа - чем выше температура, тем больше энергии следует удалить и, следовательно, тем выше потребность в охлаждении. Соответственно, мощность, необходимая для сжижения природного газа, увеличивается с температурой окружающей среды, которая определяет начальную (технологическую) температуру подаваемого потока и технологических потоков. Температура окружающей среды определяет начальную температуру подаваемого потока природного газа, а также потока хладагента, поскольку для начального охлаждения подаваемого потока и в промежуточных охладителях и в доохладителях компрессора хладагента используется окружающая среда (воздух или вода). Поэтому начальная температура подаваемого природного газа и сжатого хладагента по существу на 5°F (2,8°С) превышают температуру окружающей среды (т.е. технологическую температуру).
Для целей настоящего описания и формулы изобретения термин "дополнительное охлаждение" и термин "внешнее охлаждение" являются взаимозаменяемыми и каждый из них относится к одной или более холодильной установке, в которой используются традиционные циклы охлаждения с хладагентами, независимыми от обрабатываемого потока хладагента. Ввиду того, что поток хладагента отбирается из подаваемого потока, его температурный диапазон типично близок к температуре окружающей среды; по существу можно использовать любые известные системы хладагентов. Хорошо подходят обычные пакеты охладителей, которые требуют лишь минимального увеличения мощности, потребляемой всей установкой. Хладагентами в такой обычной внешней системе охлаждения могут быть любые известные хладагенты, включая фторуглероды, например, R-134a (тетрафторметан), R-410a (смесь 50:50 дифторметана (R-32) и пентафторэтана (R-125)), R-116 (гексафторэтан), R-152а (дифторэтан), R-290 (пропан) и R-744 (диоксид углерода) и прочие. Для морских платформ СПГ, где важно минимизировать оборудование, можно использовать хладагенты, не содержащие хлорфроруглероды, чтобы минимизировать требуемый расход хладагентов и уменьшить габариты оборудования.
Внешние источники охлаждения требуют энергии. Эта энергия зависит от двух основных параметров: степени охлаждения и температуры, до которой необходимо осуществлять охлаждение. Чем ниже температура, до которой следует осуществлять охлаждение (т.е. чем больше разница с температурой окружающей среды), тем больше энергии затрачивается на охлаждение. Далее, чем больше разница с температурой охлаждающей среды, тем выше охлаждающая нагрузка (т.е. количество требуемого охлаждения) и, следовательно, потребляемая мощность. Таким образом, потребляемая мощность для внешнего источника охлаждения быстро растет при понижении целевой температуры технологического потока (или при увеличении разницы с температурой окружающей среды). Для очень большой разницы мощность, затрачиваемая на внешнее охлаждение, становится существенной частью общей потребляемой мощности, что приводит к снижению общей эффективности процесса. Было обнаружено, что эффективной целевой температурой охлаждения является понижение температуры на 30°F (17°C)-70°F (39°C) относительно температуры окружающей среды, особенно когда такая температура окружающей среды находится в диапазоне 50-110°F (10-44°C).
На фиг.2 показан один вариант настоящего изобретения, в котором используется контур 5 детандера (т.е. цикл детандера) и цикл 6 переохлаждения. Для ясности контур 5 детандера и контур 6 переохлаждения на фиг.2 показаны толстыми линиями. В настоящем описании и приложенной формуле термины "контур" и "цикл" являются взаимозаменяемыми. На фиг.2 поток 10 газа, подаваемого в процесс сжижения, имеет абсолютное давление менее чем прибл. 1200 фунтов на кв. дюйм (8273,8 кПа), или менее прибл. 1100 фунтов на кв. дюйм (7,584,2 кПа), или менее прибл. 1000 фунтов на кв. дюйм (68,94 кПа), или менее прибл. 900 фунтов на кв. дюйм (6205,3 кПа), или менее прибл. 800 фунтов на кв. дюйм (5515,8 кПа), или менее прибл. 700 фунтов на кв. дюйм (4826,3 кПа), или менее прибл. 600 фунтов на кв. дюйм (4136,9 кПа). Типично давление потока 10 газа составляет прибл. 800 фунтов на кв. дюйм (5515,8 кПа). Подаваемый поток 10 газа содержит природный газ, обработанный для удаления загрязнений известными способами и устройствами. Факультативно перед подачей в теплообменник часть потока 10 подаваемого газа отбирается для формирования бокового потока 11, тем самым создавая, как будет очевидно из нижеследующего описания, хладагент под давлением, соответствующим давлению подаваемого газа в потоке 10, т.е. под любым из указанных выше давлений, включая давление менее прибл. 1200 фунтов на кв. дюйм (8273,8 кПа). Хладагентом может быть любой подходящий компонент газа, предпочтительно доступный на установке для переработки газа, и наиболее предпочтительно, как показано, часть подаваемого газа с высоким содержанием метана. Таким образом, в варианте по фиг.2 часть подаваемого потока газа используется в качестве хладагента для контура 5 детандера. Хотя в варианте, показанном на фиг.2, используется боковой поток, отбираемый из подаваемого потока 10 до того, как газовый поток 10 достигнет теплообменника, этот боковой поток подаваемого газа для использования в качестве хладагента в контуре 5 детандера может отбираться и после того, как подаваемый газ пройдет зону теплообмена. Таким образом, в одном или более варианте настоящего изобретения предлагаемый способ является любым из других описанных вариантов, при котором часть подаваемого потока газа, используемая в качестве хладагента, отбирается из области теплообмена, расширяется и возвращается назад в область теплообмена для выполнения по меньшей мере части работы по охлаждению в области теплообмена.
Боковой поток 11 подают на компрессор 20, где его сжимают до давления, превышающего прибл. 1500 фунтов на кв. дюйм (10342 кПа), формируя тем самым поток 12 сжатого хладагента. Альтернативно боковой поток 11 сжимают до давления, равного или превышающего прибл. 1600 фунтов на кв. дюйм (11031 кПа), или равного или превышающего 1700 фунтов на кв. дюйм (11721 кПа), или равного или превышающего прибл. 1800 фунтов на кв. дюйм (12411 кПа), или равного или превышающего прибл. 1900 фунтов на кв. дюйм (13100 кПа), или равного или превышающего прибл. 2000 фунтов на кв. дюйм (13799 кПа), или равного или превышающего прибл. 2500 фунтов на кв. дюйм (17237 кПа), или равного или превышающего прибл. 3000 фунтов на кв. дюйм (20864 кПа), формируя поток 12 сжатого хладагента. В настоящем описании и приложенной формуле изобретения термин "компрессор" любой один тип или комбинацию сходных или разных типов компрессорного оборудования и может включать известное вспомогательное оборудование, используемое для сжатия вещества или смеси веществ. Иллюстративные компрессоры могут включать, помимо прочего, компрессоры объемного типа, такие как, например, поршневые и роторные компрессоры, и динамические компрессоры, такие как, например, центробежные и осевые компрессоры.
После выхода из компрессора 20 поток 12 сжатого хладагента подают на холодильник 30, где его охлаждают косвенным теплообменом с окружающим воздухом или водой для получения сжатого, охлажденного хладагента 12а. Температура потока 12а сжатого хладагента, когда он выходит из холодильника 30, зависит от внешних условий и охлаждающей среды и типично составляет от прибл. 35°F (1,7°C) до прибл. 105°F (40,6°C). Предпочтительно, когда температура охлаждающей среды превышает прибл. 50°F (10°C), более предпочтительно превышает 60°F (15,6°C) или наиболее предпочтительно 70°F (21,1°C) поток 12а дополнительно пропускают через дополнительный охладитель 30а, работающий на внешнем хладагенте, например, используя поток 12b, и поток 12а выходит из охладителя при температуре на 10°F (5,6°C) - 70°F (38,9°C) ниже, чем температура окружающей среды, предпочтительно, по меньшей мере, на 15°F (8,3°C) ниже, еще более предпочтительно, по меньшей мере, на 20°F (11,1°C) ниже температуры окружающей среды. Следует отметить, что охладитель 30а содержит один или более внешних холодильников, использующих традиционные циклы охлаждения с использованием внешних хладагентов, независимых от потока 12 хладагента.
Поток 12b дополнительного охлажденного сжатого хладагента затем подают на детандер 40, где он расширяется и, следовательно, охлаждается для формирования потока 13 расширенного хладагента. В одном или более из вариантов, детандер 40 является устройством, в котором при расширении совершается работа, например, турбодетандером, который совершает работу, которую можно отбирать, и использовать отдельно, например, для сжатия. Поскольку входной поток 12b имеет температуру ниже, чем она была бы без использования дополнительного охладителя 30а, расширение в детандере 40 происходит при более низкой входной температуре хладагента, что приводит к более высокому давлению на выходе турбины и, следовательно, уменьшает потребляемую мощность на сжатие. Далее, при таком повышенном давлении повышается эффективность теплообменника 50, что уменьшает расход на турбодетандере и, следовательно, потребляемую мощность на сжатие в контуре 5.
Расширенный поток 13 хладагента подают в область 50 теплообмена для выполнения по меньшей мере части работы по охлаждению, выполняемой в области 50 теплообмена. В настоящем описании и в приложенной формуле термины "область теплообмена" означает любой один тип или комбинацию сходных или разных типов известного оборудования, обеспечивающего теплоперенос. Таким образом, "область теплопереноса" может быть заключена в одной единице оборудования или содержать области, заключенные в множестве единиц оборудования. Наоборот, множество областей теплообмена может быть расположено в одной единице оборудования.
После выхода из области 50 теплообмена поток 13 расширенного хладагента подают на компрессор 60 для сжатия и формирования потока 14, который, затем, соединяют с боковым потоком 11. Очевидно, что когда контур 5 детандера заполнен подаваемым газом из бокового потока 11, требуется лишь пополнять имеющийся газ, чтобы возместить потери от утечек, а большая часть газа, входящего в компрессор 20, по существу обеспечивается потоком 14. Часть потока 10 подаваемого газа, не отобранная в виде бокового потока 11, подают в область 50 теплообмена, где газ охлаждают, по меньшей мере частично, косвенным теплообменом с потоком 13 расширенного хладагента и формируют поток охлажденного флюида, который может содержать сжиженный газ, охлажденный газ и/или двухфазный флюид, содержащий и сжиженный, и охлажденный газ и их смеси. После выхода из области 55 теплообмена поток 10 подаваемого газа факультативно подают в область 55 теплообмена для дальнейшего охлаждения. Главной функцией области 55 теплообмена является переохлаждение подаваемого потока газа. Таким образом, в области 55 теплообмена поток 10 газа предпочтительно переохлаждают контуром 6 переохлаждения (который будет описан ниже) для получения потока 10а переохлажденного флюида. Поток 10а переохлажденного флюида затем подвергают расширению в детандере 70 до более низкого давления, тем самым еще более понижая его температуру, и, по меньшей мере, частично сжижают поток 10а переохлажденного флюида для получения жидкой фракции и остающейся паровой фракции. Детандер 70 может быть любым устройством, понижающим давление, включая, помимо прочего, клапан, управляющий клапан, клапан Джоуля-Томпсона, трубку Вентури, жидкостной детандер, гидравлическую турбину и прочие. Частично сжиженный переохлажденный поток 10а подают в сепаратор, например, в буферную емкость 80, в которой сжиженную часть 15 извлекают из процесса, как СПГ, имеющий температуру, соответствующую давлению начала кипения. Остающийся поток 16 газовой части (дроссельной части) используют как топливо для получения энергии для компрессоров и/или в качестве хладагента в контуре 6 переохлаждения, как описано ниже. Перед использованием в качестве топлива весь поток 16 дроссельного газа или его часть можно факультативно пропускать из буферной емкости 80 через области 50 и 55 теплообмена для дополнения охлаждения, осуществляемого в этих областях теплообмена. Поток 16 дроссельного газа также можно использовать как хладагент в контуре 5 охлаждения.
Как показано на фиг.2, часть дроссельного газа 16 отбирают по линии 17 для заполнения контура 6 переохлаждения. Таким образом, часть газа из подаваемого потока 10 отбирают (в форме выделившегося газа из потока 16) для использования в качестве хладагента во вторичном контуре охлаждения расширением, т.е. в контуре 6 переохлаждения. В таком случае также очевидно, что когда контур 6 переохлаждения заполнен газом, может потребоваться только пополняющий газ (т.е. дополнительный дроссельный газ из линии 17) на возмещения потерь, вызванных утечками. Пополняющий газ может состоять из легкодоступного газа, такого как дроссельный газ 16, подаваемый газ 10 или азот из атмосферы. Альтернативно хладагент для этого замкнутого контура 6 переохлаждения может состоять из азота или газа с высоким содержанием азота, особенно, когда подаваемый на сжижение газ содержит мало или много азота. В контуре 6 переохлаждения из детандера 41 выходит расширенный поток 18, который пропускают через области 50 и 55 теплообмена. Поток 18 расширенного дроссельного газа (поток хладагента переохлаждения) затем возвращают в компрессор 90, где он повторно сжимается до высокого давления и нагревается. После выхода из компрессора 90 поток повторно сжатого хладагента переохлаждения охлаждают до температуры окружающей среды в охладителе 31, который по существу может относиться к тому же типу, что и охладитель 30. После охлаждения поток повторно сжатого хладагента переохлаждения подают в область 50 теплообмена, где он дополнительно охлаждается косвенным теплообменом с потоком 13 расширенного хладагента, потоком 18 хладагента переохлаждения и факультативно потоком 16 дроссельного газа. После выхода поток повторно сжатого и охлажденного хладагента переохлаждения расширяют через детандер 41, создавая охлажденный поток, который затем подают через область 55 теплообмена для переохлаждения части потока подаваемого газа перед его окончательным расширением для получения СПГ. Поток расширенного хладагента переохлаждения, выходящий из области 55 теплообмена, вновь направляют через область 50 теплообмена для дополнительного охлаждения перед повторным сжатием. Таким образом, этот цикл в контуре 6 переохлаждения непрерывно повторяется. Поэтому в одном или более варианте настоящий способ является любым из других вариантов настоящего изобретения, далее содержащим этап, при котором обеспечивают охлаждение, используя замкнутый контур (например, контур 6 переохлаждения), заполненный дроссельным газом, полученным при производстве СПГ (например, дроссельным газом 16).
Очевидно, что в варианте, показанном на фиг.2 (и в других описанных вариантах), когда поток 10 подаваемого газа проходит из одной области теплообмена в другую, температура потока 10 газа снижается вплоть до получения переохлажденного потока. Кроме того, поскольку от потока 10 подаваемого газа отбираются боковые потоки (например, поток 10), массовый расход потока 10 подаваемого газа уменьшается. Поток 10 можно подвергать и другим модификациям, например, сжатию. Хотя каждую такую модификацию потока 10 подаваемого газа можно считать созданием нового и другого потока, для ясности и облегчения понимания поток подаваемого газа будет именоваться потоком 10 подаваемого газа, если не указано иное, при этом понимается, что пропускание через области теплообмена, отбор боковых потоков и другие модификации приводят к изменениям температуры, давления и/или расхода потока 10 подаваемого газа.
Как описано выше, настоящее изобретение дает прибл. 20% экономию установленной мощности и прибл. 10% экономию полезной мощности или потребления топлива за счет введения дополнительного охлаждения после косвенного теплообмена с помощью воздуха или воды, имеющих температуру окружающей среды. Возвращаясь к фиг.1, линия 2b представляет иллюстративный вариант системы охлаждения по заявке WO2007/021351. Улучшение, создаваемое настоящим изобретением, можно представить смещением линии 2b на 2-10% или более, в зависимости от типа применяемых хладагентов и циклов. Другими словами, улучшенный цикл охлаждения по настоящему изобретению более эффективен, чем стандартный смешанный цикл охлаждения вплоть до технологических температур 80-90°F (26,7-32,2°С), что позволяет расширить сферу применения усовершенствованного способа. Удивительно, но сокращение потребляемой мощности по настоящему изобретению обусловлено добавлением к циклу внешнего охлаждения.
Дополнительно повышение эффективности, в частности в отношении потребляемой мощности, можно реализовать за счет осуществления описанного дополнительного охлаждения в дополнительных точках, предпочтительно там, где в процессе применяется косвенный теплообмен с воздухом или водой, имеющими температуру окружающей среды. Так, в одном варианте дополнительное охлаждение хладагента осуществляют после сжатия компрессором 60 или, по меньшей мере, перед одной ступенью сжатия, если компрессор 60 имеет более чем одну ступень сжатия. Например, как показано на фиг.3, одно или более дополнительное охлаждающее устройство 102 102а можно установить для потока 14 хладагента между компрессорами 20 и 60 и предпочтительно после одной или более области 102 косвенного теплообмена осуществляют охлаждение потока 14 хладагента между компрессорами 20 и 60 воздухом или водой, имеющей температуру окружающей среды. В контуре 6 переохлаждения может быть установлено охлаждающее устройство 31а после каждого одного или более компрессора 90, которое можно установить на теплом конце для увеличения давления потока 18 до давления подаваемого газа, прошедшего через одну или более область теплообмена (50 и 55). Весьма предпочтительно использовать начальное охлаждение после каждого компрессора охладителями на воздухе или воде при температуре окружающей среды, например охладители 31, с дополнительным охлаждением после каждого охлаждающего теплообменника, но перед расширением. Далее, можно использовать способ, при котором поток газа сжимают, охлаждают путем пропускания через одно или более охлаждающее устройство, использующее воздух или воду при температуре окружающей среды, и затем дополнительно охлаждают в дополнительном охлаждающем устройстве перед подачей в область 50 теплообмена. Более конкретно согласно настоящему изобретению поток 10 подаваемого газа можно сжимать до давления, превышающего давление транспортировки одним или более компрессором 100 перед охлаждением в области 50 теплообмена и в этом случае после сжатия газ можно охлаждать в теплообменнике 101, в котором используется воздух или вода при температуре окружающей среды, после которого установлено дополнительное охлаждающее устройство 101а.
ПРИМЕРЫ
Для иллюстрации экономии потребляемой мощности, которую дает способ по настоящему изобретению, на имитаторе процесса Aspen HYSYS (версия 2004.1) компании Aspen Tech были проведены расчеты и сравнения характеристик. Температура окружающего воздуха была принята за 105°F (40,6°С), а температура хладагента в контуре высокого давления и всех технологических потоков была принята за 100°F (37,8°C). В первом случае дополнительное охлаждение не применялось - данные процесса для этого случая показаны в Таблице 1.1. Во втором случае применялось дополнительное охлаждение так, что температура хладагента была снижена до 60°F (15,6°С) перед входом в турбодетандер хладагента. Данные для этого случая приведены в Таблице 1.1b. Сокращение установленной мощности по расчетам составило 21% для контура хладагента высокого давления, что позволило уменьшить общую установленную мощностью установки на 15,9%. Дополнительные расчеты были проведены для случая, когда дополнительное охлаждение снижало температуру до 20-90°F (-6,7-32,2°С). Как видно из приведенной ниже Таблице 1, установленная мощность уменьшалась на 4,5-23%. Соответствующее уменьшение полезной мощности или потребление топлива составляло до 10%.
В Таблице 1b показаны соответствующие характеристики для случая, когда внешнее охлаждение осуществлялось не только на входе детандера, но и после сжатия всех технологических потоков и потока подаваемого газа. Экономия максимальной полезной мощности увеличилась до более чем 11%, а экономия установленной мощности составила до 20%. Предпочтительным вариантом является охлаждение только потока на входе детандера, что дает наибольшую экономию с минимальными модификациями процесса. Однако другие соображения могут вести к другому оптимуму: например, выбор механической холодильной системы, которая обеспечивает оптимальное охлаждение на конкретном уровне температуры, наличие недорогого механического холодильного оборудования или экономическая выгода, даваемая экономией топлива.
Таблица 1Характеристики для температуры окружающей среды 105°F(40,6°C) (Охлаждение только на входе детандера)
Техн. темп. °F/°C
Выходное давление детандера, (psia/ кПа)
Расходхладагента высокогодавления (mmscfd*/кгмоль/ч)
Установленная мощность компрессоров (тыл. л.с./МВт)
Внешняя холодильная нагрузка(ммбте/ч)(ГДж/ч)
Общая мощность детандеров (тыс. л.с.)
Уменьшение мощности контура высокого давления (%)
% экономии на установке
Контур высокого давления
Контур переох-лаждения
Контур внешнего охлаждения
Полезная мощность (или потреб-ление топлива)
Установленная мощность
100/37,8
241/1658
1620/80695
251,1/187
57,1/42,5
0,0/0,0
0,0/0,0
96,1/71,6
0,0
0,0
0,0
90/32,2
261/1800
1584/78902
237,1/177
56,7/42,3
0,5/0,4
20,7/22
88,1/65,7
5,6
2,7
4,5
80/26,7
283/1951
1547/77059
222,9/166
56,5/42,1
1,6/1,2
42,2/45
80,5/60,0
11,2
5,5
8,8
70/21,1
300/2068
1496/74518
209,5/156
56,6/42,2
3,2/2,4
63,6/67
73,1/54,5
16,6
7,5
12,6
60/15,6
302/2082
1409/70185
197,4/147
56,7/42,3
5,1/3,8
80,5/85
65,9/49,1
21,4
8,8
15,9
50/10,0
304/2096
1328/66150
186,1/139
57,0/42,5
7,6/5,6
95,6/101
59,4/44,3
25,9
9,8
18,6
40/4,4
305/2103
1253/62414
175,8/131
57,3/42,7
10,4/7,8
109,2/115
53,5/39,9
30,0
10,4
21,0
30/-1,1
306/2110
1192/59375
167,8/125
57,5/42,9
13,9/10,3
121,2/128
48,5/36,2
33,2
10,1
22,4
20/-6,7
307/2117
1135/56536
160,4/120
57,0/43,0
17,9/13,3
134,2/142
44,0/32,8
36,1
9,5
23,4
* миллионов стандартных кубический футов в день
Таблица 1bХарактеристики для температуры окружающей среды 105°F(40,6°C) (Охлаждение только технологических потоков)
Техн. темп. °F/°C
Выходное давление детандера, (psia/ кПа)
Расходхладагента высокогодавления (mmscfd*/кгмоль/ч)
Установленная мощность компрессоров (тыл. л.с./МВт)
Внешняя холодильная нагрузка(ммбте/ч)(ГДж/ч)
Общая мощность детандеров (тыс. л.с.)
Уменьшение мощности контура высокого давления (%)
% экономии на установке
Контур высокого давления
Контур переох-лаждения
Контур внешнего охлаждения
Полезная мощность (или потреб-ление топлива)
Установленная мощность
100/37,8
241/1658
1620/80695
251,1/187
57,1/42,5
0,0/0,0
0,0/0,0
96,1/71,6
0,0
0
0
90/32,2
261/1800
1587/79051
231,6/173
56,4/42,0
2,1/1,6
84,4/89
88,2/65,6
7,8
4,8
5,9
80/26,7
283/1951
1554/77407
213,6/159
55,3/41,21
6,2/4,6
168,6/178
80,8/60,2
14,9
8,3
10,7
70/21,1
300/2068
1497/74568
196,0/146
54,1/40,4
12,4/9,3
248,5/262
73,2/54,6
21,9
10,6
14,8
60/15,6
302/2082
1406/70035
180,0/134
53,0/39,5
20,5/15,3
319,8/337
65,8/49,0
28,3
11,5
17,7
50/10,0
304/2096
1328/66150
166,0/124
51,9/38,7
30,7/22,9
387,6/409
59,4/44,3
33,9
10,9
19,3
40/4,4
305/2103
1255/62514
153,0/114
50,9/37,9
43,2/32,2
451,8/477
53,6/40,0
39,1
9,1
19,8
30/-1,1
306/2110
1191/59835
141,2/105
49,7/37,1
58,2/43,4
513,6/542
48,5/36,2
43,8
5,8
19,1
20/-6,7
307/2117
1141/56835
130,5/97
48,6/36,5
76,2/56,8
574,1/606
44,0/32,8
48,0
1,1
17,2
* миллионов стандартных кубический футов в день
В другом примере окружающую температуру зафиксировали на 65°F (18,3°С) и проводили дополнительное охлаждение потока хладагента и технологических потоков для температур от 50°F (10°С) до 10°F (-12,2°С). Соответственное уменьшение мощности для контура хладагента высокого давления составило до 33%, что представляет уменьшение общей установленной мощности до 14%.
Таблица 1.1bДанные имитации Aspen HYSYS - с дополнительным охлаждением (только на входе детандера)
Точка воздействия
Температура (°F/°C)
Давление (psia/кПа)
Расход (mmscfd*/кгмоль/ч)
10b
100/37,8
1500/10342
637/31730
14b
100/37,8
1500/10342
1409/70185
12a
100/37,8
3007/20864
1409/70185
13
-161/-107
302/2082
1409/70185
10d
-262/-163
18/124
637/31730
16
-262/-163
18/124
57/2839
18a
100/37,8
1500/10342
264/12254