СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОТОКА ГАЗООБРАЗНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ
METHOD AND DEVICE FOR COOLING FLOW OF GASEOUS HYDROCARBONS

Изобретение относится к способу охлаждения потока газообразных углеводородов для получения потока сжиженных углеводородов.
Типичным потоком сжижаемых углеводородов является природный газ. Существует много видов технологических процессов, которые могут быть использованы для сжижения природного газа. Во многих из этих процессов используют два или большее количество последовательных контуров циркуляции хладагента, зачастую реализованных в каскадной схеме, для постепенного снижения температуры природного газа. Такие контуры циркуляции хладагента обычно содержат компрессоры для повышения давления хладагента в соответствующих контурах после того, как он поглотил тепло от природного газа.
Компрессоры для хладагента могут приводиться в действие с помощью газотурбинных двигателей. Такие газотурбинные двигатели содержат воздушный компрессор для сжатия потока входящего воздуха. Известная характерная особенность газотурбинных двигателей заключается в том, что мощность, которую они вырабатывают, уменьшается при повышении температуры окружающего воздуха. Уменьшение вырабатываемой мощности может быть, по меньшей мере, частично минимизировано за счет охлаждения воздуха, поступающего на вход газотурбинного двигателя.
В патентном документе US 6324867 (заявитель - Exxon Mobil) описаны система и способ сжижения природного газа, в которых для охлаждения воздуха, поступающего в газотурбинные двигатели системы, используют излишнюю охлаждающую способность, располагаемую системой для сжижения природного газа, для улучшения тем самым общей эффективности работы системы. Охлаждающую текучую среду (жидкость), например воду, пропускают через охлаждающие устройства, размещенные перед входным устройством для воздуха каждого газотурбинного двигателя. Охлаждающую жидкость, в свою очередь, охлаждают пропаном, отведенным из контура циркуляции хладагента системы, используемым для первоначального охлаждения охлаждаемого природного газа, который должен быть сжижен. Охлаждающая жидкость протекает через охлаждающие устройства параллельными потоками, поскольку охлажденную охлаждающую жидкость сначала разделяют с тем, чтобы она поступала к каждому охлаждающему устройству, и затем объединяют ниже по потоку от охлаждающих устройств. В каждой трубопроводной линии после указанного разделения установлен регулирующий клапан, который управляется независимо, используя для этого произвольно выбранную характеристику воздуха, входящего в соответствующий газотурбинный двигатель.
Недостаток известного способа заключается в том, что он не принимает во внимание, какой из газотурбинных двигателей налагает наиболее сильное ограничение на производство сжиженного природного газа (СПГ).
Настоящее изобретение обеспечивает способ охлаждения газообразного потока углеводородов для производства потока сжиженных углеводородов, включающий:
охлаждение газообразного потока углеводородов в одном или большем количестве теплообменников, используя первый хладагент из контура циркуляции первого хладагента, в котором указанный первый хладагент сжимают в первом компрессоре, приводимом в действие первым газотурбинным двигателем при наличии первого потока воздуха, входящего в двигатель, при этом указанное охлаждение обеспечивает получение потока охлажденных углеводородов;
сжижение потока охлажденных углеводородов, используя второй хладагент, который сжимают во втором компрессоре, приводимом в действие вторым газотурбинным двигателем при наличии второго потока воздуха, входящего в двигатель, и охлаждают, по меньшей мере, путем теплообмена с указанным первым хладагентом из контура циркуляции первого хладагента, при этом указанное сжижение обеспечивает получение потока сжиженных углеводородов;
получение потока охлажденной охлаждающей жидкости;
деление охлаждающей способности, которой располагает охлажденная охлаждающая жидкость, по крайней мере, на первую и вторую части в соответствии с типичными входными параметрами;
охлаждение одного или обоих указанных первого и второго потоков входящего воздуха с помощью охлажденной охлаждающей жидкости, при этом располагаемую охлаждающую способность первой части используют для охлаждения первого потока входящего воздуха, а располагаемую охлаждающую способность второй части используют для охлаждения второго потока входящего воздуха.
Кроме того, обеспечивается установка для осуществления указанных стадий способа.
Изобретение обеспечивает также установку для охлаждения газообразного потока углеводородов для производства потока сжиженных углеводородов, содержащую:
контур циркуляции первого хладагента, содержащий первый хладагент, первый компрессор, первый газотурбинный двигатель, соединенный с первым компрессором для приведения в действие первого компрессора, и первый поток воздуха, входящего в первый газотурбинный двигатель; первый компрессор, предназначенный для сжатия указанного первого хладагента;
контур циркуляции второго хладагента, содержащий второй хладагент, второй компрессор, второй газотурбинный двигатель, соединенный со вторым компрессором для приведения действие второго компрессора, и второй поток воздуха, входящего во второй газотурбинный двигатель; второй компрессор, предназначенный для сжатия указанного второго хладагента;
один или большее количество первых теплообменников, размещенных для приема и охлаждения газообразного потока углеводородов и второго хладагента, используя для указанного охлаждения первый хладагент, обеспечивая получение потока охлажденных углеводородов и потока охлажденного второго хладагента;
один или большее количество теплообменников, размещенных для приема и сжижения потока охлажденных углеводородов, используя поток охлажденного второго хладагента, с тем чтобы получить поток сжиженных углеводородов;
поток охлажденной охлаждающей жидкости;
делитель потока для разделения охлажденной охлаждающей жидкости, по меньшей мере, на первую и вторую части в соответствии с типичным входным параметром;
первый теплообменник для охлаждения входящего воздуха, размещенный в первом потоке входящего воздуха для охлаждения первого потока входящего воздуха с помощью первой части охлажденной охлаждающей жидкости;
второй теплообменник для охлаждения входящего воздуха, размещенный во втором потоке входящего воздуха для охлаждения второго потока входящего воздуха с помощью второй части охлажденной охлаждающей жидкости.
Изобретение далее будет иллюстрировано с помощью примера и со ссылками на одну или большее число фигур на сопровождающих описание чертежах.
Фиг.1 - схема, иллюстрирующая установку и способ для охлаждения и сжижения потока углеводородов в соответствии с одним воплощением изобретения.
Фиг.2 - схема, иллюстрирующая пример контура охлаждения хладагента для эффективного охлаждения хладагента.
Фиг.3 - схема альтернативного привода, которая может быть использована в настоящем изобретении.
Фиг.4 - схема другого альтернативного привода, которая может быть использована в настоящем изобретении.
Фиг.5 - схема еще одного альтернативного привода, которая может быть использована в настоящем изобретении.
При описании перечисленных чертежей здесь и далее единым ссылочным номером позиции обозначены как трубопровод (трубопроводная линия), так и поток, транспортируемый по этому трубопроводу. Одинаковые элементы, потоки и трубопроводы обозначены на чертежах одинаковыми номерами позиции.
Согласно изобретению предлагается разделять охлаждающую способность, которой располагает охлажденная охлаждающая жидкость, по меньшей мере, на первую и вторую части в соответствии с типичным входным параметром, и охлаждать, по меньшей мере, первый и второй потоки воздуха, входящего в газотурбинные двигатели, с помощью охлажденной охлаждающей жидкостью, при этом располагаемую охлаждающую способность первой части используют для охлаждения первого потока входящего воздуха, а располагаемую охлаждающую способность второй части используют для охлаждения второго потока входящего воздуха.
За счет разделения располагаемой охлаждающей способности охлажденной охлаждающей жидкости в соответствии с типичным входным параметром может быть достигнут лучший оптимум при делении располагаемой охлаждающей способности для охлаждения, по меньшей мере, двух потоков входящего воздуха.
Например, если типичным входным параметром является параметр, представляющий окружающую температуру, деление охлаждающей способности может быть произведено в зависимости от окружающей температуры. В зависимости от окружающей температуры мощность, расходуемая на сжатие воздуха в процессе охлаждения углеводородов, необходимая в первом и втором компрессорах, а также располагаемая мощность в первом и втором газотурбинных двигателя, изменяется. При низкой окружающей температуре давление конденсации первого хладагента относительно низкое и, следовательно, необходима относительно меньшая мощность на сжатие в первом компрессоре по сравнению со вторым компрессором, что делает мощность, расходуемую на сжатие в контуре основного хладагента, ограничивающим фактором для количества производимого СПГ. В этом случае деление охлаждающей способности может быть произведено с тенденцией, направленной на повышение охлаждающей способности второй части потока охлаждающей воды для увеличения располагаемой мощности на сжатие во втором компрессоре.
Однако с повышением окружающей температуры ограничивающим производство СПГ постепенно становится первый компрессор из-за увеличения давления нагнетания первого компрессора. Поэтому указанное деление охлаждающей способности может быть произведено иным образом: с меньшим предпочтением для второй части охлаждающей жидкости и созданием тем самым возможности повышения охлаждающей способности первой части. В результате может быть достигнуто максимальное производство СПГ и/или может быть минимизировано потребление мощности для фиксированной производительности процесса получения СПГ.
Располагаемая охлаждающая способность в охлажденной охлаждающей жидкости может быть разделена между первой и второй частями в любом отношении, с изменением в интервале от 0:1 до 1:0. Например, в условиях холодной окружающей среды охлаждающая способность первой части может быть равной нулю, так что вся располагаемая охлаждающая способность в охлажденной охлаждающей жидкости может быть использована для охлаждения второго потока входящего воздуха.
Предпочтительно указанное деление охлаждающей способности по типичному входному параметру включает определение оптимального отношения деления, основанного на использовании типичного входного параметра, и регулирование указанного отношения, при котором располагаемая охлаждающая способность охлажденной охлаждающей жидкости обычно распределяется между первой и второй частями так, чтобы это отношение изменялось в пределах достижения полученной расчетом оптимальной величины или поддерживалось при этой оптимальной величине.
Для целей настоящего описания под термином «охлажденная охлаждающая жидкость» следует понимать жидкость, которая имеет температуру ниже, чем температура окружающего воздуха. Охлажденная охлаждающая жидкость может быть получена путем интенсивного охлаждения жидкости, используя охлаждающую способность любого потока хладагента или холодного потока, включая охлаждающую способность, заимствованную из контура с первым хладагентом и/или охлаждающую способность, заимствованную из контура со вторым хладагентом, и/или охлаждающую способность контура хладагента любого типа.
В процессе сжижения углеводородов задействованы также и другие холодные потоки, которые не циркулируют в контурах с хладагентом. Примеры таких потоков включают жидкий нижний поток, отводимый из экстракционной колонны и/или колонны фракционирования, и/или верхний поток, отводимый из колонны фракционирования, поток газа конечного мгновенного испарения, который может быть образован при снижении давления потока сжиженных углеводородов, а также поток испаряющегося газа, который может испаряться из сжиженных углеводородов при их хранении. Типичные примеры экстракционных колонн, используемых в технологической схеме сжижения углеводородов, включают газожидкостный фазовый сепаратор или более совершенную колонну фракционирования, например скруберную колонну и экстракционную колонну для газоконденсата, которая обычно работает при более низком давлении, чем скруберная колонна. Типичными колоннами фракционирования, используемыми в цепочке колонн фракционирования газоконденсата, являются деметанайзер, деэтанайзер, депропанайзер и дебутанайзер.
Один или большее число типичных входных параметров может быть использовано вместо или в дополнение к параметру, показывающему окружающую температуру. Подходящие примеры включают параметры, характеризующие: давление нагнетания первого компрессора, температуру границы разделения фракции между циклами с первым и вторым хладагентом; мощность, потребляемую первым компрессором; мощность, потребляемую вторым компрессором; разность между выходной мощностью первого и второго газотурбинного двигателя; расход сжиженного углеводорода.
На фиг.1 представлена схема установки для охлаждения потока 10 газообразных углеводородов с целью производства потока 20 сжиженных углеводородов. Установка содержит контур 100 циркуляции первого хладагента и контур 200 циркуляции второго хладагента.
Контур 100 циркуляции первого хладагента включает в себя систему трубопроводов с находящимся в них первым хладагентом, который может циркулировать по контуру. Контур циркуляции второго хладагента содержит отдельную систему трубопроводов со вторым хладагентом, который может циркулировать по контуру 200 циркуляции второго хладагента.
Контур 100 циркуляции первого хладагента содержит первый компрессор 110. С указанным первым компрессором 110 соединен первый газотурбинный двигатель 120 с помощью первого приводного вала 115 для непосредственного приведения первого компрессора 110 в действие. Первый газотурбинный двигатель 120 связан с первым потоком 125 входящего воздуха, подводимым к первому газотурбинному двигателю 120. Первый компрессор 110 предназначен для сжатия первого хладагента, проходящего по трубопроводу 130. В качестве меры предосторожности хладагент, подводимый в первый компрессор по трубопроводу 130, может проходить через используемый по усмотрению входной сепаратор 132, предотвращающий поступление в первый компрессор 110 жидких компонент.
Контур 200 циркуляции второго хладагента содержит второй компрессор 210 и второй газотурбинный двигатель 220. Второй газотурбинный двигатель 220 соединен со вторым компрессором 210 посредством второго приводного вала 215 для приведения второго компрессора 210 в действие. Второй газотурбинный двигатель 220 связан со вторым потоком 225 входящего воздуха, подводимым ко второму газотурбинному двигателю. Второй компрессор 210 предназначен для сжатия второго хладагента, проходящего по трубопроводу 230. В качестве меры предосторожности хладагент, подводимый по трубопроводу 230 во второй компрессор, может проходить через используемый по усмотрению входной сепаратор 232, который предотвращает поступление жидких компонент во второй компрессор 210.
Первый и второй газотурбинный двигатели 120, 220 соединены каждый с теплообменником для охлаждения входящего воздуха, выполненным в виде первого теплообменника 127 для охлаждения входящего воздуха и второго теплообменника 227 для охлаждения входящего воздуха соответственно. Эти теплообменники для охлаждения входящего воздуха размещены в первом и втором потоках 125, 225 входящего воздуха соответственно для охлаждения первого и второго потоков входящего воздуха. По усмотрению в первом и втором потоках 125, 225 входящего воздуха могут быть установлены фильтры (не показаны), предназначенные для фильтрования воздуха перед его сжатием в соответствующем газотурбинном двигателе 120, 220. Ниже по ходу движения потока от теплообменников 127, 227 для охлаждения входящего воздуха могут быть размещены сепараторы (не показаны), например вертикальные сепараторы крыльчатого типа и связанные с ними водоотводящие устройства, служащие для удаления влаги, которая может конденсироваться в процессе охлаждения потока (потоков) входящего воздуха. Водоотводящие устройства могут быть также размещены в теплообменниках 127, 227 для охлаждения входящего воздуха с целью удаления влаги из этих теплообменников.
Всасывающий патрубок второго компрессора 210 соединен с выходным патрубком 262 для второго хладагента второго теплообменника 260 посредством трубопровода 230 и необязательного входного сепаратора 232 компрессора. Второй теплообменник 260 представляет собой один или большее количество теплообменников, размещенных для приема и сжижения потока охлажденных углеводородов, транспортируемых по трубопроводу 80, с тем, чтобы получить поток 20 сжиженных углеводородов.
Выходной патрубок второго компрессора 210 соединен с трубопроводной линией 119, на которой установлены один или большее количество охлаждающих аппаратов 217, использующих для охлаждения окружающую среду.
Выходной патрубок первого компрессора 110 соединен с один или большим количеством первых теплообменников 140а, 140b посредством трубопроводной линии 119 для хладагента. Выше по ходу движения потока от одного или большего количества первых теплообменников 140а, 140b на трубопроводной линии 119 размещены один или большее количество охлаждающих аппаратов 117, использующих для охлаждения окружающую среду. Выше по потоку от одного или большего количества первых теплообменников 140а, 140b размещены устройства 142а, 142b для снижения давления, предназначенные для регулирования давления в этих теплообменниках. Указанные один или большее количество первых теплообменников 140а, 140b имеют выходные патрубки для хладагента, которые посредством трубопроводов 134а и 134b подключены к первому компрессору 110 для сжатия хладагента. В воплощении, представленном на фигуре трубопроводы 134а и 134b соединены с первым компрессором 110 для хладагента через используемый по усмотрению входной сепаратор 132 компрессора.
В иллюстрируемом воплощении два из одного или большего числа теплообменников 140а, 140b размещены по параллельной схеме, и каждый из них имеет теплую трубу или пучок теплых труб 141а, 141b. В качестве альтернативы в одном теплообменнике могут быть размещены две параллельные теплые трубы или два пучка теплых труб. Указанные теплообменники могут быть теплообменниками различного типа, например типа котла-испарителя, такой как показан на фиг.1, и катушечного типа, как, например, показанный в патентном документе US 6370910.
Один из одного или большего числа первых теплообменников размещен для приема и охлаждения потока 10 углеводородов. Этот один теплообменник будет именоваться здесь как первый теплообменник 140а для углеводородного сырья. По усмотрению используют один или большее число других теплообменников, установленных на линии трубопровода 10 углеводородного сырья выше по потоку от первого теплообменника 140а для углеводородного сырья с тем, чтобы он работал при более высоких давлениях, чем первый теплообменник 140а для углеводородного сырья.
Трубопровод 40 ниже по потоку от первого теплообменника для углеводородного сырья может быть соединен непосредственно с трубопроводом 80, который присоединен ко второму теплообменнику 260, для подачи охлажденного потока углеводородов к трубопроводу 80. Однако, как показано в воплощении на фиг.1, трубопровод 40 соединен со средством отделения в виде необязательного газожидкостного сепаратора 50, который предназначен для приема потока 40 углеводородов приблизительно прибавлении газа в углеводородном сырье после прохождения этого потока через первый теплообменник 140а для углеводородного сырья. Используемым по усмотрению газожидкостным сепаратором 50 приемлемо может быть экстракционная колонна для газоконденсата и/или колонна, служащая для целей отбензинивания газоконденсата. Типичные примеры экстракционных колонн, используемых в цепочке аппаратов для сжижения углеводородов, служащих для отбензинивания газоконденсата, включают обычный газожидкостный корпусной сепаратор или более совершенную перегонную колонну, например скруберную колонну и экстракционную колонну для газоконденсата, которая обычно работает при более низком давлении, чем давление в скруберной колонне. В одном воплощении, иллюстрируемом на фиг.1, используемый по усмотрению газожидкостный сепаратор выполнен в виде скруберной колонны.
Необязательный газожидкостный сепаратор 50 имеет верхний патрубок для отвода парообразного верхнего потока 60 и нижний патрубок для отвода жидкого нижнего потока 70. Трубопровод 60 для парообразного верхнего потока 60 может быть соединен с трубопроводом 80 для получения в трубопроводе 80 потока охлажденных углеводородов. В трубопроводе 60 или в трубопроводе 80 может быть установлен делитель 63 потока, служащий для отвода потока 62 горючего газа от парообразного верхнего потока 60.
Жидкий нижний поток 70, который может, как правило, содержать углеводородные компоненты от С2 до С4, а также С5+, может быть направлен в используемую по усмотрению линию 75 фракционирования, предназначенную для фракционирования, по меньшей мере, части жидкого нижнего потока 70 с получением потоков 76 продуктов фракционирования. Теплообменник 73 для нижнего жидкого потока может быть, по усмотрению, приспособлен для подвода теплоты, по меньшей мере, к части нижнего потока 70. Часть нижнего потока 70 может быть возвращена обратно к необязательному газожидкостному сепаратору 50 в качестве потока 74 повторного кипячения, предпочтительно содержащего, более предпочтительно состоящего из паров, предназначенных для использования в необязательном газожидкостном сепараторе 50 в качестве паров для отпаривания. Источник теплоты (для образования паров) может быть образован потоком 320, например, за счет использования потока 70 кубового остатка в качестве теплоносителя CF. Преимущество такой схемы заключается в том, что часть жидкого нижнего потока 70, которую необходимо возвращать обратно в используемый по усмотрению газожидкостный сепаратор 50, является холодной, и к ней необходим подвод теплоты с целью образования потока 74 повторного кипячения, в то же время в наличии имеется охлаждающая жидкость и необходимо, чтобы она была охлаждена.
Другой один или большее количество первых теплообменников, который здесь и далее будет именоваться первым теплообменником 140b для второго хладагента, размещен для приема второго хладагента из трубопровода 219. С этой целью трубопровод 219 подключен к теплой трубе (или теплому пучку труб) 141b. По усмотрению используется один или большее количество первых теплообменников, установленных на линии трубопровода 219 хладагента выше по потоку от первого теплообменника 140b для второго хладагента, который должен будет работать при более высоком давлении, чем указанный первый теплообменник 140b для второго хладагента. Ниже по потоку от указанного первого теплообменника со вторым хладагентом размещен необязательный газожидкостный сепаратор 250 хладагента, предназначенный для подачи в него потока 240 охлажденного второго хладагента, после того, как он прошел через первый теплообменник 140b для второго хладагента, и разделения этого потока, охлажденного, по меньшей мере, посредством теплообмена с указанным первым хладагентом из контура с первым хладагентом.
Охлажденный поток 80 углеводородов и поток 240 второго хладагента (или парообразный и жидкий потоки второго хладагента 252 и 254 соответственно) подают в один или большее количество вторых теплообменников для дальнейшего охлаждения и сжижения охлажденного потока 80 углеводородов с получением, по меньшей мере, промежуточного потока 90 сжиженных углеводородов и, по меньшей мере, потока 265 частично или полностью испаренного хладагента в выходном патрубке 262.
Трубопровод 90 может быть соединен с оборудованием для снижения давления, содержащим необязательное оборудование для разделения фаз, служащее для отделения паров быстрого испарения от оставшейся жидкости. Оно может быть использовано в качестве средства удаления одной фракции из потока углеводородов, который может быть использован как поток теплоносителя CF в охлаждающем устройстве 325 для получения холодной охлаждающей жидкости 320. В уровне техники известны различные системы средств снижения давления. В качестве примера оборудование для снижения давления воплощено здесь в виде одного или большего числа расширительных устройств 97 для получения потока 98 с пониженным давлением, после которых размещен фазовый сепаратор 99. Расширительные устройства могут быть воплощены в виде устройства изоэнтропийного расширения, например расширительного устройства 95, совершающего работу, которым может быть турбина, и/или устройство изоэнтальпийного расширения, такое как клапан 96 Джоуля-Томпсона. В представленном на фиг.1 воплощении устройство 96 изоэнтальпийного расширения подходящим образом размещено ниже по потоку от устройства 95 изоэнтропийного расширения.
Иллюстрируемая на фиг.1 установка, кроме того, содержит контур 300 циркуляции охлаждающей жидкости, которая может циркулировать для охлаждения первого и второго потоков 125, 225 входящего воздуха. В иллюстрируемом воплощении имеется накопительная емкость 310, в которой может находиться указанная охлаждающая жидкость. Указанная охлаждающая жидкость предпочтительно представляет собой жидкую текучую среду и/или невоспламеняемое вещество по причинам безопасности. Подходящие охлаждающие жидкости включают воду и водный раствор солей, возможно смешанные с антизамораживающим веществом, таким как гликоль и/или ингибитор коррозии.
Контур 300 циркуляции охлаждающей жидкости, кроме того, содержит средства ее интенсивного охлаждения для получения охлажденной охлаждающей жидкости 320. В воплощении на фиг.1 для этой цели используют охлаждающий аппарат 325. Охлаждающий аппарат 325 предназначен для подвода теплоносителя CF, способного отводить теплоту от охлаждающей жидкости и обеспечивать тем самым получение в трубопроводе 320 охлажденной охлаждающей жидкости. Теплоноситель CF может быть подведен из различных источников, как это будет дополнительно показано ниже.
Подача теплоносителя CF может быть произведена из одного единственного источника, или он может представлять собой смесь жидкостей из двух или более источников. В качестве альтернативы вместо одного теплоносителя CF может быть использовано два или большее количество теплоносителей, каждый предназначен для отвода теплоты от хладагента, проходящего по трубопроводу 320. В данном случае это может быть подходящий выбор технического решения для использования ряда охлаждающих аппаратов, которые могут быть размещены параллельно или последовательно на линии трубопровода 320. Приемлемо, чтобы для каждого источника теплоносителя был обеспечен отдельный охлаждающий аппарат.
Для нагнетания потока жидкости в контуре с охлаждающей жидкостью используется насос 305. Насос может быть установлен в любом месте контура. Приемлемо, как это представлено в воплощении на фиг.1, чтобы входной патрубок низкого давления насоса 305 был соединен с накопительной емкостью 310 посредством трубопровода 315, а выходной патрубок высокого давления насоса был соединен с охлаждающим аппаратом 325.
Ниже по ходу движения потока от охлаждающего аппарата 325 размещен делитель 335 потока, служащий для разделения охлажденной охлаждающей жидкости 320, по меньшей мере, на первую часть 340 и вторую часть 350. Указанный делитель потока более детально будет описан ниже.
Первый теплообменник 127 для охлаждения входящего воздуха размещен на линии трубопровода 340 и используется для охлаждения первого потока 125 входящего воздуха с помощью первой части охлажденной охлаждающей жидкости. Второй теплообменник 227 для охлаждения входящего воздуха размещен во втором потоке входящего воздуха для охлаждения второго потока входящего воздуха с помощью второй части охлажденной охлаждающей жидкости. Делитель потока такой, как показан на фиг.1, включает в себя соединительный элемент 337, например Т-образный элемент, первый клапан 338 регулирования потока, установленный в трубопроводе 340, и второй клапан 339, установленный в трубопроводе 350. Оба регулирующих клапана показаны на фигуре, как управляемые клапаны, и обеспечивают независимость увеличения потоков. Однако специалистам в данной области техники будет понятно, что в установке, представленной на фиг.1, необходимо, чтобы только один из двух клапанов регулирования потока был управляемым, поскольку ниже по потоку от соединительного элемента 337 проходят только два трубопровода.
Установка согласно воплощению, иллюстрируемому на фиг.1, содержит, помимо того, контроллер С. В предпочтительном воплощении контроллер предназначен для определения оптимального деления располагаемой охлаждающей способности охлажденной охлаждающей жидкости на первую и вторую части 340, 350 на основе общепринятого входного параметра.
Как показано на фиг.1, типичный входной параметр показывает окружающую температуру. Сигнал может быть получен от датчика температуры Та, который размещен, например, в одном или большем количестве потоков 125, 225 входящего воздуха. Для подачи управляющего сигнала к одному или большему числу клапанов 338, 339 регулирования потока используются определенные средства, например контроллер С. Управляющий сигнал может быть сформирован в виде заданного значения регулируемой величины для управления клапаном.
В качестве альтернативы может быть сформирован сигнал, представляющий типичный входной параметр, который является показателем другой релевантной величины. Например, типичный входной параметр может быть показателем давления на выходе компрессора.
Установка работает следующим образом. В каждый из газотурбинных двигателей 120 и 220 поступает поток входящего воздуха и поток топлива, и каждый из газотурбинных двигателей 120 и 220 вырабатывает механическую энергию на соответствующих приводных валах 115, 215. Приводные валы механически соединены с соответствующими первым и вторым компрессорами 110, 120, и в результате компрессоры приводятся в действие.
Первый хладагент в контуре 100 циркуляции первого хладагента сжимается в компрессоре 110, охлаждается окружающим воздухом в одном или большем количестве охлаждающих устройств 117 и распределяется по одному или большему числу первых теплообменников 140а, 140b. Обычно охлаждение первого хладагента в охлаждающем устройстве (устройствах) 117 приводит к частичной, предпочтительной полной, конденсации. Выше по потоку от каждого первого теплообменника давление первого хладагента понижается в редуцирующих устройствах 142а, 142b. Первый хладагент затем испаряется в первых теплообменниках 140а, 140b за счет отвод теплоты от теплых труб или трубных пучков 141а, 141b. Испаренный первый хладагент направляют обратно в первый компрессор 110.
Поток 10 газообразных углеводородов охлаждается в одном или большем количестве первых теплообменников, как показано на фиг.1, за счет прохождения потока газообразных углеводородов через теплую трубу 141а в первом теплообменнике 140а для углеводородного сырья с получением частично сконденсированного потока углеводородов.
Второй хладагент в контуре 200 циркуляции второго хладагента сжимают в компрессоре 210, охлаждают окружающим воздухом в одном или большем количестве охлаждающих устройств 217 и затем дополнительно охлаждают в одном или большем количестве первых теплообменников. Как показано на фиг.1, дополнительное охлаждение второго хладагента достигается за счет его прохождения через теплую трубу 141b в первом теплообменнике 140b для второго хладагента, в котором он охлаждается, по меньшей мере, за счет обмена теплотой с первым хладагентом для получения потока 240 частично сконденсированного второго хладагента.
Поток 240 частично сконденсированного второго хладагента разделяют на паровую и жидкую фазы 252 и 254 второго хладагента соответственно. Эти потоки затем конденсируются и переохлаждаются, переохлаждаются соответственно, в одном или большем количестве вторых теплообменников 260 известным в уровне технике способом.
Поток 40 частично сконденсированных углеводородов разделяют на парообразный верхний поток 60 и жидкий нижний поток 70. По усмотрению, по меньшей мере, часть нижнего потока 70 подогревают в теплообменнике 73 для нижнего потока, и, по меньшей мере, часть подогретого нижнего потока 74 может быть направлена в используемый по усмотрению газожидкостный сепаратор 50 в качестве потока повторного кипячения. Остальную часть нижнего потока обычно направляют в цепочку 75 аппаратов фракционирования, где эту часть потока разделяют на фракции с получением одного или более потоков продуктов фракционирования. Типичными колоннами фракционирования, используемыми в цепочке аппаратов фракционирования газоконденсата, являются деметанайзер, деэтанайзер, депропанайзер и дебутанайзер.
Парообразный верхний поток 60 направляют в трубопровод 80 в качестве охлажденного потока 80 углеводородов. Охлажденный поток 80 углеводородов затем подают в один или большее количество вторых теплообменников 260 известным в уровне техники образом, где он сжижается с помощью второго хладагента. При этом получают промежуточный поток 90 сжиженных углеводородов.
Давление указанного промежуточного потока 90 сжиженных углеводородов может быть уменьшено в одном или более расширительных устройств 97, и поток 98 с уменьшенным давлением направляют в фазовый сепаратор 99, в котором любые парообразные компоненты, главным образом пары быстрого испарения, отделяются от жидких углеводородов, содержащихся в потоке 98. Жидкие углеводороды удаляют из фазового сепаратора 99 в виде потока 20 сжиженного углеводородного продукта, а парообразные компоненты отводят из фазового сепаратора 99 в качестве потока 92 конечного быстрого испарения.
Охлаждающую жидкость, находящуюся в накопительной емкости 310, нагнетают или иным образом направляют в охлаждающий аппарат 325, в котором она интенсивно охлаждается с получением охлажденной охлаждающей жидкости 320 за счет обмена теплотой с теплоносителем CF. Располагаемая охлаждающая способность охлажденной охлаждающей жидкости 320 может быть надлежащим образом использована для охлаждения потока входящего воздуха, по меньшей мере, одного из газотурбинных двигателей.
Указанная располагаемая охлаждающая способность может быть подходящим образом разделена, по меньшей мере, на первую и вторую части. Располагаемая охлаждающая способность может быть, например, разделена путем физического разделения охлажденной охлаждающей жидкости 320 на два или большее число частичных потоков, например, на два частичных потока 340, 350 в воплощении, иллюстрируемом на фиг.1. Первый частичный поток 340 используют для охлаждения первого потока 125 входящего воздуха, а второй частичный поток 350 используют для охлаждения второго потока 225 входящего воздуха.
Разделение охлаждающей способности может быть произведено в соответствии с типичным входным параметром. Это позволяет, как нельзя лучше, регулировать распределение располагаемой охлаждающей способности, по меньшей мере, по двум потокам входящего воздуха. Конечно, всю охлаждающую способность периодически можно передавать только одному из частичных потоков, в зависимости от используемого типичного входного параметра. Предпочтительно, регулирование деления охлаждающей способности в соответствии с типичными входными параметрами позволяет осуществлять контроль баланса энергии между различными контурами с хладагентами.
Предпочтительно типичный входной параметр позволяет контроллеру С определять, какой контур циркуляции хладагента является ограничивающим контуром циркуляции хладагента в том смысле, что он не способен обеспечивать достаточную охлаждающую способность, которая позволила бы одному или большему числу контуров циркуляции хладагента работать при более высокой (или при полной) охлаждающей способности. За счет обеспечения указанным образом большей охлаждающей способности для потока (потоков) воздуха, входящего в газотурбинный двигатель (двигатели), приводящий в действие ограничивающий контур циркуляции хладагента, можно избирательно увеличить эффективность работы газотурбинного двигателя (что дает возможность увеличить выходную мощность на валу двигателя), который является ограничивающим с точки зрения величины выходной мощности, по отношению к другим газотурбинным двигателям, приводящим в действие другие контуры циркуляции хладагента. Это позволяет, таким образом, увеличить производство сжиженного углеводородного продукта (или производить поток сжиженного углеводородного продукта при более низком уровне потребления удельной мощности).
Приемлемо, чтобы типичный входной параметр был показателем окружающей температуры, например температуры Та одного или обоих потоков 125, 225 входящего воздуха. Важный результат использования каскадной схемы охлаждения, представленной на фиг.1, заключается в том, что с увеличением температуры окружающей среды контур 100 циркуляции первого хладагента должен иметь относительно большую охлаждающую способность по отношению к охлаждающей способности, необходимой для контура 200 циркуляции второго хладагента. Упомянутый контроллер может, таким образом, инициировать относительно большую охлаждающую способность охлажденной охлаждающей жидкости, необходимую для охлаждения первого потока 125 входящего воздуха. В зависимости от схемы технологического процесса возможно, чтобы вся охлаждающая способность охлажденной охлаждающей жидкости могла быть направлена на обеспечение охлаждения первого потока 125 входящего воздуха, в частности в таких ситуациях, когда выходная мощность первого газотурбинного двигателя является ограничивающим фактором технологического процесса. Однако в том случае, если мощность дополнительного привода не обеспечивает вообще или является недостаточной для дополнения мощности газотурбинного двигателя с тем, чтобы привести в действие второй компрессор 210, вероятно, предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, некоторую часть охлаждающей способности всегда использовали для охлаждения второго потока 225 входящего воздуха, даже если выходная мощность первого газотурбинного двигателя является ограничивающим фактором. Это необходимо для того, чтобы из-за слишком низкой величины приводной мощности второй компрессор не выходил за пределы диапазона рабочих режимов, попадая в режим помпажа.
При относительно низкой окружающей температуре второй контур 200 циркуляции хладагента может стать ограничивающим контуром, и контроллер в таком случае может инициировать относительно большую охлаждающую способность охлажденной охлаждающей жидкости с тем, чтобы охлаждение второго потока 225 входящего воздуха стало возможным. При очень низкой окружающей температуре контроллер может инициировать направление всей охлаждающей способности охлажденной охлаждающей жидкости для охлаждения второго потока 225 входящего воздуха.
Подобные воздействия могут быть произведены за счет использования другого типичного входного параметра, такого, например, который является показателем одной из величин группы, включающей: давление на выходе первого компрессора; нагрузка/выходная мощность первого газотурбинного двигателя; нагрузка/выходная мощность второго газотурбинного двигателя; открытие клапана для газообразного топлива в первом газотурбинном двигателе; открытие клапана для газообразного топлива во втором газотурбинном двигателе; граничная температура Тс между циклами с первым и вторым хладагентами; мощность, потребляемая первым компрессором; мощность, потребляемая вторым компрессором; разность между выходной мощность первого и второго газотурбинных двигателей; расход сжиженного углеводорода. Последний параметр символически обозначен на фиг.1 датчиком расхода F, который может подавать сигнал на контроллер С (не показан), подобно датчику Та.
После охлаждения первого и/или второго потоков 125, 225 входящего воздуха охлаждающая жидкость может быть объединена и направлена в накопительную емкость 310 для повторного использования.
Потоки 125, 225 входящего воздуха предпочтительно не охлаждают до температуры ниже 5°С с тем, чтобы избежать образования льда.
Охлаждающая способность, необходимая для интенсивного охлаждения охлаждающей жидкости в одном или большем количестве охлаждающих аппаратов 325, может быть получена с использованием широкого круга источников. Например, можно использовать охлаждающую способность, полученную при охлаждении, осуществляемом за счет тепловых процессов. В частности, один или большее число охлаждающих аппаратов 325 может включать в себя один или большее количество охлаждающих аппаратов, функционирующих за счет использования тепловых процессов. Для вышеуказанных охлаждения, осуществляемого за счет тепловых процессов, и/или охлаждающих аппаратов, приводимые в действие с помощью тепловых процессов, может быть использована отходящая теплота процесса сжижения, например, отходящая теплота от одного или более из первого и второго газотурбинных двигателей 120, 220. Охлаждающие аппараты, приводимые в действие за счет тепловых процессов, известны в уровне техники. Относительно известным примером является группа аппаратов, включающая абсорбционные холодильные аппараты. Один пример абсорбционного охлаждения основан на испарении жидкого аммиака в присутствии газообразного водорода с обеспечением охлаждения. Более распространенными в больших промышленных установках являются так называемые абсорбционные бромистолитиевые холодильные аппараты, в которых используют раствор бромистолитиевой соли и воду. Другой пример охлаждающих аппаратов, приводимых в действие с помощью тепловых процессов, известных в уровне техники, образован группой, в которую входят адсорбционные холодильные аппараты. Еще одним примером является группа аппаратов, включающая абсорбционные тепловые насосы. Принцип их работы аналогичен абсорбционным холодильным аппаратам.
В качестве альтернативы или в дополнение к охлаждению, осуществляемому с использованием тепловых процессов, для интенсивного охлаждения охлаждающей жидкости можно использовать охлаждающий хладагент из специально предназначенного для этой цели контура циркуляции охлаждающего хладагента с механическим приводом. Как показано на фиг.2, специальный контур 380 циркуляции охлаждающего хладагента снабжен своим собственным компрессором 381 и средствами отвода теплоты от сжатого охлаждающего хладагента к внешнему охлаждающему агенту, осуществляемому, например, в охлаждающем аппарате 382. Компрессор 381 может быть приведен в действие с помощью любого подходящего привода 383, например подходящего, но не столь необходимого электродвигателя. Охлаждающий аппарат 325 показан на фигуре в виде котла-испарителя. Между котлом-испарителем 325 и охлаждающим аппаратом 382, ниже по потоку от необязательной накопительной емкости 385, размещен клапан 386 Джоуля-Томпсона. В качестве предупредительной меры между котлом-испарителем 325 и всасывающим патрубком компрессора 381 может быть установлен барабанный газожидкостный сепаратор 384. Охлаждающий хладагент может быть образован любой компонентой или смесью, подходящей для отвода теплоты при температуре приблизительно равной температуре окружающей среды. Примерами такого хладагента являются бутан, изобутан, пропан, аммиак.
В качестве альтернативы или дополнительно может быть использована охлаждающая способность потока, который уже имеется в цепочке аппаратов, используемых в процессе сжижения. Например, можно использовать охлаждающую способность, заимствованную от контура циркуляции первого хладагента и/или контура циркуляции второго хладагента.
Из этих двух предпочтительно использовать охлаждающую способность контура 100 с первым хладагентом, поскольку хладагент в контуре 100 циркуляции первого хладагента обычно является более эффективным при отводе теплоты при желаемом уровне температур охлаждающей жидкости. Это может быть, например, осуществлено за счет использования охлаждающего аппарата 325 в виде котла-испарителя, в котором первый хладагент, поступающий по трубопроводу 119, испаряется при желаемом подходящем уровне давления. Ниже по потоку от охлаждающего аппарата 325 давление первого хладагента может быть вновь повышено, например, с помощью специально предназначенного для этой цели компрессора, после чего его объединяют с первым хладагентом в контуре циркуляции первого хладагента ниже по потоку от компрессора 110 для первого хладагента, или же давление первого хладагента может быть вновь повышено с помощью самого компрессора 110 для первого хладагента, например, посредством подачи хладагента в предкомпрессорный газожидкостный сепаратор 132, размещенный ниже по потоку от охлаждающего аппарата 325.
Охлаждающая способность контура циркуляции второго хладагента может быть использована путем отвода части потока, например, от трубопровода 240 для испарения в охлаждающем аппарате 325 и/или прохождения через охлаждающий аппарат 325 при желаемом уровне давления в качестве теплоносителя CF. Указанная отведенная часть потока может быть также отведена из других подходящих мест в контуре 200 циркуляции второго хладагента, например от жидкого потока второго теплоносителя в трубопроводе 254, если используется необязательный газожидкостный сепаратор 250 хладагента. Независимо от источника указанной отведенной части потока ниже по потоку от охлаждающего аппарата эта отведенная часть может быть возвращена обратно во второй компрессор 210 и/или направлена на повторное сжатие с помощью специально предназначенного для этого компрессора.
По усмотрению используется контроллер С для управления выбором в качестве источника производства холода контура первого или контура второго хладагентов, в зависимости от того, какой из этих двух контуров циркуляции хладагента является наименее ограничивающим производительность установки.
В дополнение и/или вместо использования одного или большего количества указанных выше потоков хладагента охлаждающая жидкость может быть охлаждена за счет охлаждающей способности любого другого холодного потока, имеющегося в технологическом процессе. Например, если используется газожидкостный фазовый сепаратор 50, теплоноситель CF может быть отведен от нижнего жидкого потока 70 или представляет собой жидкий нижний поток 70. В этом случае используемый по усмотрению теплообменник 73 может сообщаться с потоком 320, или указанным необязательным теплообменником 73 может быть один из одного или большего числа охлаждающих аппаратов 325.
Другие примеры холодных потоков, которые могут быть использованы для обеспечения части или всей охлаждающей способности для интенсивного охлаждения охлаждающей жидкости, включают поток 62 горючего газа, поток 92 конечного быстрого испарения и какой-либо холодный поток из (необязательной) цепочки 75 аппаратов для фракционирования. На фиг.1 схематически показаны используемые по усмотрению охлаждающие аппараты 61 и 91, которые могут быть использованы в качестве охлаждающего аппарата (аппаратов) 325 или в других случаях могут быть размещены с возможностью сообщения с трубопроводом 320. Испаряющийся газ, например, из накопительной емкости, в которой может аккумулироваться поток 20 сжиженных углеводородов, также может быть использован для обеспечения части или всей охлаждающей способности для интенсивного охлаждения охлаждающей жидкости.
В альтернативных воплощениях второй хладагент после его охлаждения может быть полностью сконденсирован с помощью первого хладагента. В таких воплощениях очевидно, что необходимость в использовании необязательного газожидкостного сепаратора 50 для хладагента отсутствует. Существуют также альтернативные воплощения, в которых второй хладагент конденсируется не полностью, но газожидкостный сепаратор тем не менее необходим, например, поскольку полная конденсация достигается при последующем теплообмене с другим хладагентом или вследствие самопроизвольного охлаждения.
Предложенная установка может иметь различные модификации по сравнению с представленной на фиг.1. Некоторые модификации и альтернативы уже были упомянуты выше. В других используемых по усмотрению модификациях, например первый компрессор 110, может иметь большое количество входов при различных уровнях давления, устроенных так, как это известно в уровне техники. Первый компрессор 110 и второй компрессор 210 могут быть каждый реализованы в виде двух или более последовательно или параллельно расположенных корпусов так, как это известно в уровне техники.
Первый и/или второй газотурбинные двигатели 120, 220 могут быть типа конвертированного авиационного двигателя, такого, например, как Rolls Royce Trent 60 или RB211 и General Electric LMSIOO(TM), LM6000, LM5000 и LM2500. Предложенное в настоящем изобретении охлаждение входящего воздуха выгодно, в частности, при использовании газотурбинных двигателей типа конвертированного авиационного двигателя, поскольку это может исключить необходимость использования вспомогательных приводов (обычно паровая турбина или электрический двигатель) для компенсации потерь энергии. В качестве альтернативы первый и/или второй газотурбинные двигатели для повышения производительности могут быть мощными промышленными двигателями таким, например, как General Electric Frame 6, Frame 7 или Frame 9, хотя в этом случае еще может быть необходим дополнительный привод для запуска турбины. Очевидно, что могут быть использованы и эквивалентные газотурбинные двигатели от других производителей.
По усмотрению известным в уровне техники образом в линию трубопровода 60 может быть включен теплообменник для верхнего потока сепаратора (не показан). Такой теплообменник для верхнего потока может образовать часть одного или большего числа первых теплообменников, и он может быть, например, соединен с трубопроводом 119 для подачи в него части первого хладагента. В том случае, если такой теплообменник для верхнего потока размещен на линии трубопровода 60, ниже по ходу движения потока от указанного теплообменника для верхнего потока размещают необязательный газожидкостный сепаратор для разделения верхнего потока с тем, чтобы удалить из этого верхнего потока любую сконденсированную фракцию ниже по потоку от указанного теплообменника для верхнего потока. Выходной патрубок для отвода паров из газожидкостного сепаратора верхнего потока может быть при этом соединен с трубопроводом 80 для получения охлажденного потока углеводородов. Выходной патрубок для нижнего жидкого потока, имеющийся в упомянутом газожидкостном сепараторе верхнего потока, может быть соединен с газожидкостным сепаратором 50 для возвращения обратно, по меньшей мере, части сконденсированной фракции в качестве потока флегмы. От парообразного верхнего потока сепаратора может быть отведен поток 62 горючего газа.
В одном альтернативном воплощении используемый по усмотрению газожидкостной сепаратор 50 размещен выше по потоку от теплообменника 140а для первого углеводородного сырья. Выходной патрубок для верхнего потока газожидкостного сепаратора может быть в таком альтернативном воплощении соединен с трубопроводом 10, показанном на фиг.1, а трубопровод 40 может быть присоединен непосредственно к трубопроводу 80 для направления охлажденного потока углеводородов во второй теплообменник 260. Такие воплощения могут предусматривать размещение расширительного устройства выше по потоку от необязательного газожидкостного сепаратора 50 и, обычно, одного или большего числа компрессоров повторного сжатия и/или поджимающих бустер-компрессоров выше по потоку от теплообменника 140а для первого углеводородного сырья, и/или других теплообменников для предварительного охлаждения сырья, направляемого к необязательному газожидкостному сепаратору 50. Такие воплощения известны в уровне техники и дальнейшее детальное их описание не является необходимым.
В воплощении, представленном на фиг.1, первый хладагент включает в себя единственную компоненту, содержащую, главным образом, пропан, в то время как второй хладагент является смешанным хладагентом. Смешанный хладагент или поток смешанного хладагента, о котором здесь идет речь, содержит, по меньшей мере, 5 мол.% двух различных компонент. Смешанный хладагент может содержать две или большее число компонент, выбранных из группы, включающей: азот, этан, этилен, пропан, пропилен, бутаны. Обычный состав смешанного хладагента может включать:
Азот
0-10 мол.%
Метан (С1)
30-70 мол.%
Этан (С2)
30-70 мол.%
Пропан (С3)
0-30 мол.%
Бутаны (С4)
0-15 мол.%
Общий состав хладагента содержит 100 мол.%.
nd
Однако описанные здесь способы и установка дополнительно могут включать использование одного или большего количества других хладагентов в отдельных или совмещенных контурах циркуляции хладагента или других контурах охлаждения. Кроме того, первый хладагент может быть смешанным хладагентом (таким, как описанный в патентном документе US 6370910) и/или второй хладагент может быть хладагентом, содержащим единственную компоненту (например, содержащим по существу этан, этилен, метан или азот). Настоящее изобретение может быть также применимо в так называемом процессе Axens LIQUEFIN, описанном, например, в докладе: «LIQUEFIN; AN INNOVATIVE PROCESS TO REDUCE LNG COSTS», P-Y Martin et al, 22 World Gas Conference, Tokyo, Japan (2003).
Газообразный поток 10 углеводородов, охлаждаемый и сжижаемый, может быть отведен от подходящего газового потока и подвергнут охлаждению и сжатию, например поток природного газа, добытый из месторождений природного газа или нефти или угольных пластов. В качестве альтернативы газообразный поток 10 углеводородов может быть получен также из другого источника, включающего, например, искусственный источник, такой как процесс Фишера-Тропша.
Если газообразным потоком 10 углеводородов является поток природного газа, то он обычно содержит, главным образом, метан. Предпочтительно газообразный поток 10 углеводородов содержит, по меньшей мере, 50 мол.% метана, более предпочтительно, по меньшей мере, 80 мол.% метана.
В зависимости от выбранного источника природный газ может содержать различные количества углеводородов, более тяжелых, чем метан, таких, в частности, как этан, пропан и бутаны, и возможно меньшие количества пентанов и ароматических углеводородов. Состав природного газа изменяется в зависимости от сорта и места добычи природного газа.
Обычно углеводороды более тяжелые, чем метан, удаляют настолько, насколько это необходимо для производства потока сжиженного углеводородного продукта в соответствии с желаемыми техническими требованиями. Углеводороды более тяжелые, чем бутаны (С4), удаляют с возможно большей эффективностью из природного газа до осуществления любого значительного охлаждения по нескольким причинам, таким как различие их температур замерзания и сжижения, что может быть причиной блокирования этими углеводородами элементов установки по сжижению метана.
2
2
2
2
2
2
Природный газ может также содержать неуглеводородные компоненты, такие как НO, N, CO, Hg, HS и другие сернистые соединения и тому подобные вещества. Поэтому при желании, поток 10 газообразных углеводородов, содержащий природный газ, может быть предварительно обработан перед охлаждением и, по меньшей мере, частичным сжижением. Такая предварительная обработка включает снижение концентрации и/или удаление нежелательных компонент, таких как CO и HS, или другие стадии обработки, например предварительное охлаждение, предварительное сжатие или тому подобные стадии. Поскольку специалисту в данной области техники эти стадии обработки хорошо известны, принципы их проведения не будут здесь в дальнейшем описаны.
Следует понимать, что настоящее изобретение применимо не только к схеме с приводом, иллюстрируемой, в частности, на фиг.1, но также и к другим схемам с приводами. На фиг.3-5, которые не ограничивают перечень возможных схем, представлены некоторые возможные альтернативные варианты. Подобные и/или различные другие варианты выполнения вкратце также описаны в публикации LNG-14: "REDUCING LNG CAPITAL COST IN TODAY'S COMPETITIVE ENVIRONMENT", Mark J. Roberts et al., paper 2.6 (2004).
Например, на фиг.3 показан первый хладагент, подводимый по трубопроводу 130 к ряду входных патрубков первого компрессора 110, находящихся каждый при различном давлении. Компрессор 210 для сжатия второго хладагента выполнен в виде последовательно размещенных компрессора 210а низкого давления для второго хладагента и компрессора 210b высокого давления для второго хладагента, при этом оба компрессора приводятся в действие на одном валу 215 с помощью второго газотурбинного двигателя 220. Второй хладагент по трубопроводу 230 подают в компрессор 210а низкого давления для второго хладагента, и компрессор 210b высокого давления для второго хладагента нагнетает сжатый хладагент в трубопровод 219.
Как показано на фиг.4, изобретение может быть применимо к схеме расположения холодильного оборудования, называемой Split-MRTM, внедренной компанией Products and Chemicals Inc и кратко описанной, например, в публикации LNG-13: "REDUCING LNG COSTS BY BETTER CAPITAL UTILIZATION", Dr. Yu Nan Liu et al., paper PS5-4 (2001). В сущности, второй компрессор 210, приводимый в действие вторым газотурбинным двигателем 220, функционирует как компрессор 210а низкого давления для второго хладагента, показанный на фиг.3, а первый газотурбинный двигатель 120 приводит в действие, как первый компрессор 110, так и второй компрессор 211, который работает как компрессор 210b высокого давления для второго хладагента, показанный на фиг.3. При этом второй хладагент по трубопроводу 230 направляют во второй компрессор 210, а второй компрессор 211 нагнетает хладагент в трубопровод 219.
Фиг.5 иллюстрирует воплощение, использующее вспомогательный второй компрессор 410, который приводится в действие третьим газотурбинным двигателем 420. Подобно фиг.4, второй компрессор 210 приводится вторым газотурбинным двигателем 220 и функционирует как компрессор 210а низкого давления для второго хладагента в схеме, показанной на фиг.3, но в этом случае третий газотурбинный двигатель 420 посредством вала 415 приводит в действие вспомогательный второй компрессор 410, который функционирует как компрессор 210b высокого давления для второго хладагента в схеме, показанной на фиг.3. При этом второй хладагент по трубопроводу 230 подают во второй компрессор 210, а вспомогательный второй компрессор 410 нагнетает хладагент в трубопровод 219.
Как показано на фиг.5, охлаждаются только потоки 125 и 225 воздуха, входящего в первый и второй газотурбинный двигатели, в то же время поток 425 воздуха, поступающий в третий газотурбинный двигатель 425, подают в третий газотурбинный двигатель при температуре окружающей среды и не охлаждают. В альтернативных воплощениях охлаждают также третий поток 425 воздуха, входящего в третий газотурбинный двигатель 420 (используя часть охлаждающей способности охлажденной охлаждающей жидкости 320 или с помощью отдельного охлаждающего источника), или охлаждают третий поток 425 входящего воздуха вместо второго потока 225 входящего воздуха.
Промежуточный охладитель, например промежуточный охладитель с воздушным или водяным охлаждением, может быть установлен на линии трубопровода между последовательными ступенями давления контура циркуляции второго хладагента, например компрессоров низкого и высокого давления для сжатия хладагента, используемых в любом из воплощений, представленных на фиг.3-5.
Изобретение может быть также применимо к другим схемам приводов. Одна типичная модификация, например схема привода Split-MR такая, как показана фиг.4, включает две ступени давления (например, низкого давления и среднего давления), приводимые в действие вторым газотурбинным двигателем 220, размещенные все на одном валу 215. В этом случае, конечно, компрессор среднего давления нагнетает сжатый поток во второй компрессор 211 (который функционирует в качестве компрессора высокого давления). Подобным образом ступени многоступенчатого компрессора могут приводиться в действие, находясь, как показано на фиг.5, на одном валу 215.
Раскрытое выше изобретение не ограничено двумя контурами циркуляции хладагента. Оно может быть также применимо для деления охлаждающей способности охлажденной охлаждающей жидкости на три или большее число частей для охлаждения трех или более потоков входящего воздуха для привода других контуров циркуляции хладагента.
Описанные выше воплощения охватывают другое изобретение, которое может быть применимо как в комбинации с признаками, характеризующими деление располагаемой охлаждающей способности охлажденной охлаждающей жидкости, по меньшей мере, на первую и вторую части и охлаждение, по меньшей мере, потоков входящего воздуха первого и второго газотурбинного двигателей, и отдельно от этих признаков. Другое изобретение как раз может быть применено в процессах охлаждения и/или сжижения, основанных на цикле с единственным хладагентом. Это другое изобретение, которое относится к способу производства потока сжиженных углеводородов и установке для осуществления этого способа, будет описано в остальной части настоящего описания изобретения.
Другой недостаток способа, описанного в упомянутом патентном документе US 6324867 (Exxon Mobil), заключается в том, что он использует охлаждающую способность контура циркуляции хладагента, которая, таким образом, не может быть использована для охлаждения природного газа, который необходимо подвергнуть сжижению.
Согласно одному аспекту описанное здесь другое изобретение может быть определено как обеспечивающее способ производства потока сжиженных углеводородов, включающий:
косвенный теплообмен потока углеводородов в одном или большем количестве теплообменников с одним или большим числом хладагентов, циркулирующих в одном или более контурах с хладагентом, при этом, по меньшей мере, один из контуров с хладагентом содержит компрессор, приводимый в действие газотурбинным двигателем и посредством которого осуществляют сжатие хладагента указанного контура с хладагентом;
отвод фракции от потока углеводородов после осуществления теплообмена потока углеводородов в одном или большем количестве теплообменников;
получение потока охлажденной охлаждающей жидкости за счет косвенного теплообмена охлажденной охлаждающей жидкости, по меньшей мере, с частью отведенной фракции потока углеводородов;
охлаждение потока входящего воздуха, включающее теплообмен с охлажденной охлаждающей жидкостью с получением охлажденного потока входящего воздуха, и подачу указанного потока охлажденного воздуха, входящего в газотурбинный двигатель;
при этом полученный поток сжиженных углеводородов содержит, по меньшей мере, часть потока углеводородов, который не был отведен.
Таким образом, в воплощениях другого изобретения некоторую фракцию отводят от потока углеводородов после осуществления теплообмена, по меньшей мере, в одном или большем количестве теплообменников, причем отводят приемлемо ниже по ходу движения потока, по меньшей мере, от одного или большего количества теплообменников с целью получения с помощью этой фракции потока охлажденной охлаждающей жидкости, которую, в свою очередь, используют для получения потока охлажденного входящего воздуха, по меньшей мере, за счет теплообмена охлажденной охлаждающей жидкости с потоком входящего воздуха. Охлажденный поток воздуха поступает в газотурбинный двигатель, который приводит в действие контур циркуляции хладагента, используемый для охлаждения потока углеводородов в одном или большем количестве теплообменников, и получения из него потока сжиженных углеводородов.
Указанную фракцию потока углеводородов обычно отводят каким-либо путем от сжижаемого потока углеводородов для различных случаев использования и по различным причинам. Поскольку эту фракцию отводят ниже по потоку, по меньшей мере, от одного или большего числа теплообменников, она способствует охлаждению входящего воздуха перед ее другим использованием или перед отводом.
Следует отметить отсутствие необходимости в заимствовании любой охлаждающей способности, которая может быть обеспечена отведенной фракцией для охлаждения воздуха, входящего в газотурбинный двигатель, из контура хладагента, который предназначен для охлаждения потока сжижаемого углеводорода. Таким образом, изобретение способствует дополнительному увеличению объема производства сжиженного углеводорода при отсутствии необходимости дополнительных затрат энергии на охлаждение.
Примеры отводимых фракций, которые могут быть использованы для охлаждения потока воздуха, входящего в газотурбинный двигатель, включают:
поток газоконденсатных жидкостей, которые были извлечены из потока углеводородов для того, чтобы состав потока сжижаемых углеводородов удовлетворял техническим требованиям;
поток горючего газа, отведенный от потока углеводородов с целью его сжигания, например, в одном или более газотурбинных двигателей;
поток газа конечного быстрого испарения, образованный при снижении давления сжатого потока сжиженных углеводородов;
поток газа, испаряющегося из потока сжиженных углеводородов при его накапливании в накопительной емкости.
В контексте другого изобретения термин «охлажденная охлаждающая жидкость» опять-таки следует понимать как жидкость, которая имеет температуру ниже температуры окружающего воздуха. Но в этом случае охлажденная охлаждающая жидкость может быть получена путем интенсивного ее охлаждения, используя охлаждающую способность любого холодного потока, имеющегося в технологическом процессе сжижения углеводородов, который не циркулирует в контуре с хладагентом.
Подходящие предпочтительные примеры включают жидкий поток кубового остатка экстракционной колонны и/или ректификационной колонны и/или верхний поток ректификационной колонны, поток газа конечного быстрого испарения, который может образоваться при сбросе давления потока сжиженных углеводородов, поток испаряющегося газа, который может испаряться из сжиженного углеводорода при его аккумулировании.
Располагаемая охлаждающая способность одной или большего количества этих отведенных фракций может быть дополнена охлаждающей способностью, полученной от хладагента, циркулирующего в контуре с хладагентом. Примеры включают механическое охлаждение или абсорбционное охлаждение. Охлаждающая способность может быть, например, дополнена за счет использования внешнего охлаждающего оборудования.
Косвенный теплообмен потока углеводородов в одном или большем количестве теплообменников с одним или большим числом хладагентов из контуров циркуляции хладагента может включать:
охлаждение потока углеводородов за счет теплообмена с первым хладагентом из контура циркуляции первого хладагента, в котором указанный первый хладагент сжимают в первом компрессоре, приводимом в действие первым газотурбинным двигателем, в который поступает первый поток воздуха, при этом указанное охлаждение обеспечивает получение охлажденного потока углеводородов;
сжижение, по меньшей мере, части охлажденного потока углеводородов, используя второй хладагент, который сжимают во втором компрессоре, приводимом в действие вторым газотурбинным двигателем, в который поступает второй поток воздуха, и охлаждают, по меньшей мере, посредством теплообмена с указанным первым хладагентом из контура циркуляции первого хладагента, при этом указанное сжижение обеспечивает получение потока сжиженных углеводородов; причем указанное охлаждение указанного потока входящего воздуха включает охлаждение одного или большего числа потоков из первого и второго потоков входящего воздуха с помощью, по меньшей мере, части охлажденной охлаждающей жидкости.
Эти признаки достаточно подробно были раскрыты в предшествующих частях описания. Из изложенных выше частей описания также следует, что преимущества воплощений могут, кроме того, включать:
деление располагаемой охлаждающей способности охлажденной охлаждающей жидкости, по меньшей мере, на первую часть и вторую часть, при этом располагаемую охлаждающую способность первой части используют для охлаждения второго потока входящего воздуха. Указанная охлаждающая способность может быть разделена в соответствии с типичным входным параметром, как было изложено в предшествующих частях настоящего описания, предпочтительно для деления располагаемой охлаждающей способности охлажденной охлаждающей жидкости, например, для обеспечения относительно большей охлаждающей способности для потока воздуха, входящего в газотурбинный двигатель, который приводит в действие тот контур циркуляции хладагента из первого и второго контуров хладагента, который налагает наибольшее ограничение на процесс охлаждения потока углеводородов.
Однако необходимо подчеркнуть, что рассматриваемое здесь другое изобретение не ограничено двумя контурами циркуляции хладагента. Оно может быть, например, применимо для деления охлаждающей способности охлажденной охлаждающей жидкости на три или большее число частей для охлаждения трех или большего количества потоков входящего воздуха, соответствующих другим контурам циркуляции хладагента. И это другое изобретение полезно также при осуществлении процессов сжижения, в которых используют только один контур охлаждения, обычно включающих так называемые процессы с единственным смешанным хладагентом. В качестве одного примера среди других можно привести технологический процесс с единственным смешанным хладагентом, предложенный компании Shell Oil, описанный в патентном документе US 5832745.
Упомянутый отвод некоторой фракции из потока углеводородов после того, как он обменялся теплотой, по меньшей мере, в одном или большем количестве теплообменников может включать:
получение потока частично сконденсированных углеводородов из газообразного потока углеводородов;
прохождение указанного потока частично сконденсированных углеводородов через газожидкостный сепаратор; и
отвод жидкого нижнего потока и парообразного верхнего потока из газожидкостного сепаратора.
В таких воплощениях указанная фракция, отведенная от потока углеводородов, может предпочтительно представлять собой жидкий нижний поток, а указанный поток сжиженных углеводородов производят из парообразного верхнего потока. В качестве альтернативы или в дополнение такие воплощения могут включать удаление потока газообразного топлива из парообразного верхнего потока, и при этом указанная фракция, удаленная из потока углеводородов, содержит поток горючего газа.
Указанный отвод фракции от потока углеводородов после того, как он обменялся теплотой, по меньшей мере, в одном или большем количестве теплообменников может, кроме того или вместо того, включать:
получение, по меньшей мере, промежуточного потока сжиженных углеводородов из потока углеводородов;
снижение давления указанного промежуточного потока сжиженных углеводородов;
подачу потока с пониженным давлением в фазовый сепаратор;
отделение любых парообразных компонент от любых жидких углеводородов, содержащихся в потоке со сниженным давлением;
отвод жидких углеводородов из фазового сепаратора в качестве произведенного потока сжиженного углеводородного продукта;
отвод парообразных компонент из фазового сепаратора,
при этом указанная фракция, отведенная от потока углеводородов, содержит парообразные компоненты, отведенные из фазового сепаратора.
Указанный отвод фракции от потока углеводородов после того, как он обменялся теплотой, по меньшей мере, в одном или большем количестве теплообменников может, кроме того или вместо того, включать:
накапливание произведенного потока сжиженных углеводородов в накопительной емкости; и
отвод из накопительной емкости испаряющегося газа, образующегося из аккумулируемого потока сжиженных углеводородов,
при этом указанная фракция, отведенная от потока углеводородов, содержит указанный испаряющийся газ.
В другом аспекте указанное другое изобретение может быть определено как обеспечивающее установку для производства потока сжиженных углеводородов, содержащую:
один или большее количество контуров циркуляции хладагента, каждый из которых содержит хладагент, при этом, по меньшей мере, один из указанных контуров с хладагентом содержит компрессор, приводимый в действие газотурбинным двигателем, предназначенный для сжатия хладагента этого контура циркуляции хладагента;
поток воздуха, входящего в газотурбинный двигатель;
один или большее количество теплообменников для косвенного теплообмена потока углеводородов с одним или большим количеством хладагентов из одного или более контуров с хладагентом, включающих, по меньшей мере, один;
средства отвода, предназначенные для отвода фракции потока углеводородов ниже по потоку, по меньшей мере, от одного или большего количества теплообменников и получения оставшегося потока углеводородов, из которого была удалена указанная фракция;
охлаждающее устройство, соединенное со средствами отвода и предназначенное для приема, по меньшей мере, части отведенной фракции из указанных средств отвода, и предназначенное также для осуществления косвенного теплообмена охлаждающей жидкости, по меньшей мере, с частью отведенной фракции с получением потока охлажденной охлаждающей жидкости;
теплообменник для охлаждения входящего воздуха, размещенный в потоке входящего воздуха, предназначенный для охлаждения потока входящего воздуха с помощью указанного охлажденной охлаждающей жидкости;
подводящий канал для подачи потока охлажденного входящего воздуха из теплообменника для охлаждения входящего воздуха в газотурбинный двигатель;
трубопроводы для транспортирования потока сжиженных углеводородов, который представляет собой, по меньшей мере, часть оставшегося потока углеводородов.
В воплощениях, описанных в предшествующих частях описания изобретения, один или большее число контуров циркуляции хладагента может содержать:
контур первого хладагента, содержащий первый хладагент, первый компрессор, первый газотурбинный двигатель, соединенный с первым компрессором для приведения в действие первого компрессора, и первый поток воздуха, входящий в первый газотурбинный двигатель; при этом первый компрессор предназначен для сжатия указанного первого хладагента;
контур второго хладагента, содержащий второй хладагент, второй компрессор, второй газотурбинный двигатель, соединенный со вторым компрессором для приведения в действие второго компрессора, и второй поток воздуха, входящий во второй газотурбинный двигатель; при этом второй компрессор предназначен для сжатия указанного второго хладагента; и при этом
один или большее количество теплообменников представляют собой:
один или большее число первых теплообменников, предназначенных для приема и охлаждения газообразного потока углеводородов и второго хладагента, используя указанный первый хладагент после его охлаждения, обеспечивая получение охлажденного потока углеводородов и охлажденного потока второго хладагента;
один или большее количество вторых теплообменников, предназначенных для приема и сжижения охлажденного потока углеводородов, используя охлажденный поток второго хладагента с тем, чтобы получить поток сжиженных углеводородов; и при этом, по меньшей мере, в одном из первого и второго потоках входящего воздуха размещен теплообменник для охлаждения потока входящего воздуха.
Такие воплощения, кроме того, могут содержать:
делитель потока для разделения охлажденной охлаждающей жидкости, по меньшей мере, на первую и вторую части в соответствии с величиной типичного входного параметра;
при этом теплообменник для охлаждения входящего воздуха представляет собой:
первый теплообменник для охлаждения входящего воздуха, размещенный в первом потоке входящего воздуха для охлаждения первого потока входящего воздуха с помощью первой части охлажденной охлаждающей жидкости;
второй теплообменник для охлаждения входящего воздуха, размещенный во втором потоке входящего воздуха для охлаждения второго потока входящего воздуха с помощью второй части охлажденного охлаждающего агента.
В предпочтительных воплощениях средства отвода включают газожидкостный сепаратор, имеющий верхний выход для отвода парообразного верхнего потока, и нижний выход для отвода жидкого нижнего потока. В таких воплощениях указанная фракция потока углеводородов может предпочтительно содержать жидкий нижний поток, а указанный остальной поток представляет собой парообразный верхний поток. В качестве альтернативы или дополнительно такие воплощения, кроме того, могут содержать разделительное устройство, размещенное в парообразном верхнем потоке, служащее для отвода потока газообразного топлива из парообразного верхнего потока, при этом указанная фракция потока углеводорода представляет собой поток газообразного топлива.
В качестве альтернативы или дополнительно указанные средства отвода могут включать в себя:
устройство для снижения давления, размещенное для приема промежуточного потока сжиженных углеводородов, образованных из потока углеводородов и для получения из него потока с пониженным давлением;
аппарат для фазового разделения, размещенный ниже по потоку от указанного устройства для снижения давления, предназначенный для приема и отделения любых парообразных компонент от любых жидких углеводородов, находящихся в потоке с пониженным давлением;
отводящий трубопровод для жидкости, соединенный с аппаратом для фазового разделения, предназначенный для отвода жидких углеводородов из фазового сепаратора в качестве потока произведенного сжиженного углеводородного продукта;
отводящий трубопровод для пара, соединенный с аппаратом для фазового разделения, предназначенный для отвода парообразных компонент из фазового сепаратора, при этом указанная фракция из потока углеводородов содержит парообразные компоненты, удаленные из фазового сепаратора.
Установка может содержать накопительную емкость для аккумулирования потока произведенных сжиженных углеводородов. В таком случае средства отвода могут включать в себя:
трубопровод для испаряющегося газа, соединенный с накопительной емкостью, служащий для отвода испаряющегося газа, образующегося из аккумулируемого потока сжиженных углеводородов, из накопительной емкости. В таких воплощениях указанная фракция, отведенная из потока углеводородов, может содержать испаряющийся газ.
Другое изобретение далее будет пояснено более подробно с помощью примера и со ссылкой на фигуры, представленные на сопровождающих чертежах.
Как показано на фиг.1, поток 20 сжиженных углеводородов производят путем косвенного теплообмена потока 10 углеводородов в одном или большем количестве теплообменников 140 (и/или 260) с одним или большим числом хладагентов, циркулирующих в одном или большем числе контуров 100 (и/или 200) циркуляции хладагента. По меньшей мере, один из этих контуров хладагента содержит компрессор 110 (и/или 210), приводимый в действие газотурбинным двигателем 120 (и/или 220). С помощью указанного компрессора осуществляется сжатие хладагента этого контура циркуляции хладагента. Фракцию 70 (и/или 62 и/или 92) отводят из потока углеводородов после осуществления теплообмена этого потока углеводородов, по меньшей мере, в одном или большем количестве теплообменников, а поток охлажденной охлаждающей жидкости 320 получают за счет косвенного теплообмена охлаждающей жидкости 315, по меньшей мере, с частью теплоносителя CF в виде отведенной фракции указанного потока углеводородов. Поток 125 (и/или 225) входящего воздуха охлаждают с помощью охлажденной охлаждающей жидкости 320 с получением охлажденного потока входящего воздуха, который подают в газотурбинный двигатель. Поток 20 произведенных сжиженных углеводородов включает в себя, по меньшей мере, часть потока углеводородов, который не был отведен.
Настоящим изобретением предложено использовать охлаждающую способность, обеспечиваемую любым холодным потоком, имеющимся в технологическом процессе, который не циркулирует в контуре хладагента. В частности, охлаждающая способность может быть обеспечена за счет фракции, отведенной из потока углеводородов ниже по ходу движения потока от одного из указанных одного или большего числа теплообменников, после того, как поток углеводородов обменялся теплотой, по меньшей мере, в одном из одного или большего числа теплообменников. Приемлемо, чтобы фракция после этого была удалена из процесса или впоследствии использована некоторым образом в этом процессе, там, где необходимо, чтобы она была более нагретой. В обоих этих случаях холод, содержащийся в указанной фракции, выгодно используют для охлаждения входящего воздуха и повышения тем самым производства СПГ.
В соответствии с фиг.1, например, если используется газожидкостный сепаратор 50, он может быть включен в состав средств отвода, и в этом случае теплоноситель CF может быть, например, отведен из жидкого нижнего потока 70 или может включать в себя жидкий нижний поток 70. В этом случае необязательный теплообменник 73 может сообщаться с потоком 320, или необязательный теплообменник 73 может быть одним из одного или большего числа охлаждающих устройств 325.
Согласно фиг.1 другие примеры холодных потоков, которые могут быть использованы для получения части или всей охлаждающей способности для эффективного охлаждения охлаждающей жидкости, включают поток горючего газа 62, поток 92 конечного испарения, и любой холодный поток, отведенный из (необязательной) цепочки 75 аппаратов для фракционирования. Фиг.1 схематически иллюстрирует используемые по усмотрению охлаждающие устройства 61 и 91, которые могут быть использованы в качестве охлаждающего устройства (устройств) 325 или в ином случае могут быть размещены с возможностью сообщения с трубопроводом 320. Испаряющийся газ, например, из накопительной емкости, в которой может накапливаться поток 20 сжиженных углеводородов, может быть использован для обеспечения части или всей охлаждающей способности для эффективного охлаждения указанного охлаждающего агента.
В дополнение к любому одному из этих вышеуказанных потоков для охлаждения входящего воздуха могут быть использованы другие источники охлаждающей способности, включая любой хладагент, циркулирующий в контуре хладагента и подвергаемый в этом контуре сжатию и расширению (как это известно в уровне техники), или циркулирующий хладагент, используемый в процессе охлаждения, осуществляемом за счет тепловых процессов. В этой связи за подробностями можно обратиться к предшествующему описанию фиг.1.
Альтернативные схемы приводов, иллюстрируемые на фиг.3-5, могут быть также применимы с рассмотренным выше другим изобретением.
Специалисту в данной области техники будет понятно, что каждое из настоящих изобретений может быть осуществлено многими различными путями без выхода за пределы объема приложенных пунктов формулы изобретения.