БАЛАНСИРОВКА МОЩНОСТИ В СПЛИТ-СИСТЕМЕ СЖИЖЕНИЯ СО СМЕШАННЫМ ХЛАДАГЕНТОМ
POWER BALANCING IN LIQUEFICATION SPLIT SYSTEM WITH MIXED REFRIGERANT

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[001]
В данной области техники хорошо известен ряд систем сжижения для охлаждения, сжижения и необязательно переохлаждения природного газа, таких как цикл с одним смешанным хладагентом («SMR»), цикл предварительно охлажденного пропаном смешанного хладагента («C3MR»), цикл с двойным смешанным хладагентом («DMR»), гибридные циклы C3MR-азота (такие как AP-X™), цикл азотного или метанового детандера и каскадные циклы. Как правило, в таких системах природный газ охлаждают, сжижают и необязательно переохлаждают путем непрямого теплообмена с одним или большим количеством хладагентов. Могут применяться различные хладагенты, такие как смешанные хладагенты, чистые компоненты, двухфазные хладагенты, газофазные хладагенты и т.д. Смешанные хладагенты («MR»), которые представляют собой смесь азота, метана, этана/этилена, пропана, бутанов и пентанов, применялись во многих установках сжиженного природного газа («LNG») с базовой нагрузкой. Состав потока MR обычно оптимизируют на основе состава сырьевого газа и условий эксплуатации.
[002]
Хладагент циркулирует в контуре хладагента, который включает в себя один или большее количество теплообменников и одну или большее количество систем сжатия хладагента. Контур хладагента может быть замкнутым или незамкнутым. Природный газ охлаждают, сжижают и/или переохлаждают путем непрямого теплообмена с хладагентами в теплообменниках.
[003]
В патенте США № 3763658, выданном Gaumer et al., описан способ сжижения природного газа C3MR с использованием двух систем хладагента: пропана для предварительного охлаждения природного газа и системы смешанного хладагента для сжижения и переохлаждения природного газа. В этом способе компрессор пропана имеет такой размер, который позволяет выполнять многоступенчатое сжатие в одном корпусе. Напротив, сжатие MR является более масштабным и обычно требует двух-трех корпусов. В результате, для компрессора MR требуется примерно вдвое больше мощности, чем для компрессора пропана.
[004]
Некоторые пользователи предпочитают использовать идентичные турбинные приводы в обеих системах сжатия. Если системы сжатия расположены таким образом, что компрессор пропана находится на одном приводе, а все сжатие MR - на другом, то на приводе пропана будет оставаться неиспользованный потенциал мощности, поскольку сжатие MR требует примерно вдвое больше мощности, чем сжатие пропана. Такой дисбаланс механических нагрузок между двумя системами при использовании идентичных приводов приводит к потере потенциала мощности. Чтобы противостоять этому, в некоторых способах сжижения природного газа C3MR используются две газовые турбины в «сплит»-схеме, в которой компрессоры MR низкого давления («LP») и среднего давления («MR») приводятся в действие одним приводом газовой турбины, а компрессор пропана и компрессор MR высокого давления («HP») приводятся в действие вторым приводом. Другими словами, часть мощности, генерируемой приводом компрессора пропана, отводится или осуществляется «сплит» на компрессор MR, что помогает сбалансировать нагрузки в системах и максимизировать производство LNG. Эта технологическая схема предлагается на рынке компанией Air Products and Chemicals, Inc. в качестве технологической схемы привода/компрессора SplitMR.
[005]
Одним из ограничений разветвленной («сплит») технологической схемы является то, что относительное потребление мощности для двух приводов меняется в зависимости от температуры окружающей среды. При проектной температуре окружающей среды дизайн способа и компрессора может быть оптимизирован таким образом, чтобы сбалансировать мощность компрессора с целью полного использования мощности обоих приводов. Но при температуре окружающей среды выше проектной компрессору пропана требуется более высокий процент от общей мощности, в то время как приводы дают меньший выход мощности. В результате привод компрессора пропана и компрессора MR HP в целом потребляет максимально доступную мощность привода в теплое время года. Однако привод компрессора MR LP и MP не может в полной мере использовать доступную мощность. Таким образом, для конфигураций SplitMR производство падает в указанные более жаркие месяцы, поскольку доступная мощность меньше, и не вся доступная мощность может быть использована в полной мере. И наоборот, при температурах окружающей среды ниже проектной, компрессор MR LP/MR MP обычно потребляет максимальную мощность привода, оставляя неиспользованную мощность в компрессорной линии пропана MR HP. В районах с бóльшим диапазоном температур, таких как регионы умеренного климата, арктические или побережье Мексиканского залива США, этот эффект может быть значительным.
[006]
Эта проблема усугубляется при использовании газотурбинных установок на базе авиационного турбинного двигателя. Как правило, газотурбинным установкам на базе авиационного турбинного двигателя свойственно более выраженное снижение мощности при более высокой температуре окружающей среды, чем приводам на базе промышленных газотурбинных установок. Кроме того, при использовании промышленных газотурбинных установок дополнительно может использоваться вспомогательный двигатель. Следовательно, для технологических схем с приводом в виде газотурбинной установки на базе авиационного турбинного двигателя процент снижения мощности при более высокой температуре окружающей среды больше, чем при использовании приводов на базе промышленных газотурбинных установок в сочетании со вспомогательными двигателями.
[007]
Исходя из вышеизложенного, существует потребность в системе сжижения, которая позволяла бы в полной мере использовать преимущества сплит-сжатия MR в широком диапазоне температур окружающей среды.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[008]
Это описание сущности изобретения приведено с целью представления в упрощенной форме выбора концепций, которые дополнительно описаны ниже в Подробном описании изобретения. Это описание сущности изобретения не предназначено для выявления ключевых признаков или основных признаков заявленного предмета изобретения, а также не предназначено для ограничения объема заявленного предмета изобретения.
[009]
В раскрытых типичных вариантах реализации изобретения предлагается, как описано ниже и как определено в формуле изобретения, которая следует ниже, сплит-система сжижения природного газа со смешанным хладагентом («MR»), в которой компрессоры MR низкого давления («LP») и среднего давления («MP») приводятся в действие первым приводом (таким как газовая турбина), а компрессор пропана и компрессор MR высокого давления («HP») приводятся в действие вторым приводом. Сплит-система сжижения MR выполнена с возможностью регулировки параметров компрессора MR HP с целью уменьшения расхода мощности при более высоких температурах окружающей среды и большего расхода мощности при более низких температурах окружающей среды по сравнению с проектной температурой системы. Такая регулировка позволяет сместить баланс мощности между компрессором пропана и компрессором MR HP для повышения эффективности производства LNG.
[0010]
Дополнительно, несколько конкретных аспектов систем и способов по данному изобретению изложены ниже.
[0011]
Аспект 1: Способ эксплуатации системы сжижения углеводородной текучей среды, включающий в себя:
a. предварительное охлаждение сырьевого потока углеводородов путем непрямого теплообмена с потоком хладагента предварительного охлаждения, с получением предварительно охлажденного потока углеводородной текучей среды, имеющего температуру в пределах первого заданного диапазона;
b. сжатие потока хладагента предварительного охлаждения в компрессоре предварительного охлаждения, имеющем по меньшей мере одну ступень сжатия;
c. дополнительное охлаждение и по меньшей мере частичное сжижение предварительно охлажденного потока углеводородов путем непрямого теплообмена со вторым потоком хладагента, с получением охлажденного потока углеводородной текучей среды, температура которого находится в пределах второго заданного диапазона;
d. сжатие потока второго хладагента в последовательности сжатия, содержащей несколько ступеней сжатия;
е. приведение в действие компрессора предварительного охлаждения и по меньшей мере одной ступени сжатия второго хладагента из множества ступеней сжатия второго хладагента при помощи первого привода, имеющего первую максимально доступную мощность;
f. приведение в действие других ступеней сжатия второго хладагента из множества ступеней сжатия смешанного хладагента при помощи второго привода, имеющего вторую максимально доступную мощность; и
g. эксплуатацию по меньшей мере одной ступени сжатия второго хладагента при первом расходе мощности, что дает первую объединенную мощность, используемую первым и вторым приводами;
h. коррекцию расхода мощности по меньшей мере на одной ступени сжатия второго хладагента до второго расхода мощности;
i. эксплуатацию по меньшей мере одной ступени сжатия второго хладагента при втором расходе мощности, что дает вторую объединенную мощность, используемую первым и вторым приводами, причем вторая объединенная мощность больше, чем первая объединенная мощность.
[0012]
Аспект 2: Способ по Аспекту 1, отличающийся тем, что стадия (e) включает в себя приведение в действие компрессора предварительного охлаждения и по меньшей мере одной ступени сжатия второго хладагента из множества ступеней сжатия второго хладагента первым приводом, причем первый привод имеет первую максимально доступную мощность, и при этом, давление на выходе по меньшей мере одной ступени сжатия второго хладагента выше, чем у любой другой ступени сжатия из множества ступеней сжатия второго хладагента.
[0013]
Аспект 3: Способ по любому из Аспектов 1-2, дополнительно включающий в себя проведение стадии (h), причем температура окружающей среды находится за пределами заданной проектной температуры окружающей среды.
[0014]
Аспект 4: Способ по любому из Аспектов 1-3, дополнительно включающий в себя проведение стадии (h), причем температура окружающей среды выше заданной проектной температуры окружающей среды.
[0015]
Аспект 5: Способ по Аспекту 4, отличающийся тем, что стадия (h) включает в себя уменьшение расхода мощности по меньшей мере на одной ступени сжатия второго хладагента.
[0016]
Аспект 6: Способ по любому из Аспектов 1-5, отличающийся тем, что стадия (g) включает в себя эксплуатацию по меньшей мере одной ступени сжатия второго хладагента при первом расходе мощности, что дает первую объединенную мощность, используемую первым и вторым приводами, и при этом, один из первого и второго приводов передает максимально доступную мощность, а другой из первого и второго приводов не передает максимально доступной мощности в результате потребления при сжатии по меньшей мере на одной ступени сжатия второго хладагента и в компрессоре предварительного охлаждения.
[0017]
Аспект 7: Способ по любому из Аспектов 1-6, отличающийся тем, что коррекция расхода мощности по меньшей мере на одной ступени сжатия второго хладагента до второго расхода мощности включает в себя регулировку положения всасывающего дроссельного клапана, находящегося в сообщении по текучей среде со всасывающей стороной по меньшей мере одной ступени сжатия второго хладагента.
[0018]
Аспект 8: Способ по Аспекту 7, отличающийся тем, что коррекция расхода мощности по меньшей мере на одной ступени сжатия второго хладагента до второго расхода мощности включает в себя изменение положения набора регулируемых входных направляющих лопаток, расположенных по меньшей мере на одной ступени сжатия второго хладагента.
[0019]
Аспект 9: Способ по любому из Аспектов 1-8, отличающийся тем, что коррекция расхода мощности по меньшей мере одной ступени сжатия второго хладагента до второго расхода мощности включает в себя изменение передаточного числа редуктора с переменной скоростью вращения, расположенного на ведущем валу первого привода между компрессором предварительного охлаждения и по меньшей мере одной ступенью сжатия второго хладагента.
[0020]
Аспект 10: Способ по любому из Аспектов 1-9, отличающийся тем, что второй хладагент содержит смешанный хладагент.
[0021]
Аспект 11: Способ по любому из Аспектов 1-10, отличающийся тем, что хладагент предварительного охлаждения состоит из пропана.
[0022]
Аспект 12: Способ по любому из Аспектов 1-11, отличающийся тем, что поток хладагента предварительного охлаждения состоит из смешанного хладагента.
[0023]
Аспект 13: Система, содержащая:
подсистему предварительного охлаждения, включающую в себя компрессор предварительного охлаждения, имеющий по меньшей мере одну ступень сжатия первого хладагента и по меньшей мере один теплообменник предварительного охлаждения, причем подсистема предварительного охлаждения приспособлена для охлаждения сырьевого потока углеводородов посредством непрямого теплообмена с потоком первого хладагента, с получением предварительно охлажденного потока углеводородной текучей среды;
подсистему сжижения, включающую в себя несколько ступеней сжатия второго хладагента и по меньшей мере один теплообменник сжижения, причем система сжижения приспособлена по меньшей мере для частичного сжижения предварительно охлажденного потока углеводородов путем непрямого теплообмена с потоком второго хладагента, с получением охлажденного потока углеводородной текучей среды;
первый привод, который приводит в действие компрессор предварительного охлаждения и по меньшей мере одну ступень сжатия второго хладагента из множества ступеней сжатия второго хладагента;
второй привод, который приводит в действие другие ступени сжатия второго хладагента из множества ступеней сжатия второго хладагента;
средства изменения расхода мощности по меньшей мере на одной ступени сжатия второго хладагента; и
контроллер, приспособленный для измерения первого энергопотребления для первого привода и второго энергопотребления для второго привода и для управления расходом мощности по меньшей мере на одной ступени сжатия второго хладагента, первым энергопотреблением первого привода, вторым энергопотреблением второго привода и скоростью по меньшей мере одного потока, выбранного из группы сырьевого потока углеводородов и предварительно охлажденного потока углеводородов.
[0024]
Аспект 14: Система по Аспекту 13, отличающаяся тем, что контроллер запрограммирован на уменьшение разницы между первым энергопотреблением и вторым энергопотреблением посредством регулировки средств изменения расхода мощности по меньшей мере на одной ступени сжатия второго хладагента.
[0025]
Аспект 15: Система по любому из Аспектов 13-14, отличающаяся тем, что давление на выходе по меньшей мере одной ступени сжатия второго хладагента выше, чем для любых других ступеней сжатия второго хладагента из множества ступеней сжатия второго хладагента.
[0026]
Аспект 16: Система по любому из Аспектов 13-15, отличающаяся тем, что средства изменения расхода мощности по меньшей мере на одной ступени сжатия второго хладагента включают в себя всасывающий дроссельный клапан, находящийся в сообщении по текучей среде со всасывающей стороной по меньшей мере одной ступени сжатия второго хладагента.
[0027]
Аспект 17: Система по любому из Аспектов 13-16, отличающаяся тем, что средства изменения расхода мощности по меньшей мере на одной ступени сжатия второго хладагента включают в себя набор регулируемых направляющих лопаток, находящийся в сообщении по текучей среде со всасывающей стороной по меньшей мере одной ступени сжатия второго хладагента.
[0028]
Аспект 18: Система по любому из Аспектов 13-17, отличающаяся тем, что средства изменения расхода мощности по меньшей мере на одной ступени сжатия второго хладагента включают в себя редуктор с переменной скоростью вращения, расположенный на ведущем валу первого привода между компрессором предварительного охлаждения и по меньшей мере одной ступенью сжатия второго хладагента.
[0029]
Аспект 19: Система по любому из Аспектов 13-18, отличающаяся тем, что первый привод включает в себя по меньшей мере два привода, расположенные параллельно.
[0030]
Аспект 20: Система по любому из Аспектов 13-19, отличающаяся тем, что второй привод включает в себя по меньшей мере два привода, расположенные параллельно.
[0031]
Аспект 21: Способ по любому из Аспектов 13-20, отличающийся тем, что поток второго хладагента содержит смешанный хладагент.
[0032]
Аспект 22: Способ по любому из Аспектов 13-21, отличающийся тем, что поток первого хладагента состоит из пропана.
[0033]
Аспект 23: Способ по любому из Аспектов 13-22, отличающийся тем, что поток хладагента предварительного охлаждения состоит из смешанного хладагента.
[0034]
Аспект 24: Способ эксплуатации системы сжижения углеводородной текучей среды, включающий в себя:
а. предварительное охлаждение сырьевого потока углеводородов, подаваемого с первой скоростью потока, путем непрямого теплообмена с потоком хладагента предварительного охлаждения и предварительно охлажденным потоком углеводородной текучей среды, температура которого находится в пределах первого заданного диапазона;
b. сжатие потока хладагента предварительного охлаждения в компрессоре предварительного охлаждения, имеющем по меньшей мере одну ступень сжатия;
c. дополнительное охлаждение и по меньшей мере частичное сжижение предварительно охлажденного потока углеводородов путем непрямого теплообмена с потоком второго хладагента, с получением охлажденного потока углеводородной текучей среды, температура которого находится в пределах второго заданного диапазона;
d. сжатие потока второго хладагента в последовательности сжатия, включающей в себя несколько ступеней сжатия второго хладагента, причем множество ступеней сжатия второго хладагента состоит из первого набора ступеней сжатия второго хладагента и второго набора ступеней сжатия второго хладагента;
e. приведение в действие компрессора предварительного охлаждения и первого набора ступеней сжатия второго хладагента при помощи первого привода;
f. приведение в действие второго набора ступеней сжатия второго хладагента при помощи второго привода;
g. эксплуатацию по меньшей мере одной из первого набора ступеней сжатия второго хладагента при первом расходе мощности, что приводит к первому перепаду мощности между первым приводом и вторым приводом;
h. регулирование расхода мощности при сжатии по меньшей мере на одной ступени из первого набора ступеней сжатия второго хладагента, что приводит ко второму перепаду мощности между первым приводом и вторым приводом, причем второй перепад мощности меньше, чем первый перепад мощности; и
i. увеличение первой скорости сырьевого потока углеводородов до второй скорости потока, одновременно с проведением или после проведения стадии (h), причем температура предварительно охлажденного потока углеводородной текучей среды поддерживается в пределах первого заданного диапазона, а температура охлажденного потока углеводородной текучей среды поддерживается в пределах второго заданного диапазона.
[0035]
Аспект 25: Способ по Аспекту 24, отличающийся тем, что стадия (e) включает в себя приведение в действие компрессора предварительного охлаждения и первого набора ступеней сжатия второго хладагента при помощи первого привода, причем первый набор ступеней сжатия второго хладагента состоит из ступени, имеющей давление на выходе выше, чем у любой ступени из второго набора ступеней сжатия второго хладагента.
[0036]
Аспект 26: Способ по любому из Аспектов 24-25, дополнительно включающий в себя проведение стадии (h), причем температура окружающей среды находится за пределами заданной проектной температуры окружающей среды.
[0037]
Аспект 27: Способ по любому из Аспектов 24-26, дополнительно включающий в себя проведение стадии (h), причем температура окружающей среды выше заданной проектной температуры окружающей среды.
[0038]
Аспект 28: Способ по Аспекту 27, отличающийся тем, что стадия (h) включает в себя уменьшение расхода мощности по меньшей мере на одной ступени из первого набора ступеней сжатия второго хладагента.
[0039]
Аспект 29: Способ по любому из Аспектов 24-28, отличающийся тем, что регулирование расхода мощности при сжатии по меньшей мере на одной ступени из первого набора ступеней сжатия второго хладагента включает в себя регулирование положения всасывающего дроссельного клапана, находящегося в сообщении по текучей среде со всасывающей стороной по меньшей мере на одной ступени из первого набора ступеней сжатия второго хладагента.
[0040]
Аспект 30: Способ по любому из Аспектов 24-29, отличающийся тем, что регулирование расхода мощности при сжатии по меньшей мере на одной ступени из первого набора ступеней сжатия второго хладагента включает изменение положения набора регулируемых входных направляющих лопаток, расположенных по меньшей мере на одной ступени из первого набора ступеней сжатия второго хладагента.
[0041]
Аспект 31: Способ по любому из Аспектов 24-30, отличающийся тем, что регулирование расхода мощности при сжатии по меньшей мере на одной ступени из первого набора ступеней сжатия второго хладагента включает в себя изменение передаточного числа редуктора с переменной скоростью вращения, расположенного на ведущем валу первого привода между компрессором предварительного охлаждения и по меньшей мере одной из первого набора ступеней сжатия второго хладагента.
[0042]
Аспект 32: Способ по любому из Аспектов 24-31, отличающийся тем, что поток второго хладагента содержит смешанный хладагент.
[0043]
Аспект 33: Способ по любому из Аспектов 24-32, отличающийся тем, что поток хладагента предварительного охлаждения состоит из пропана.
[0044]
Аспект 34: Способ по любому из Аспектов 24-33, отличающийся тем, что поток хладагента предварительного охлаждения состоит из смешанного хладагента.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0045]
Для более полного понимания заявленного изобретения, сделана ссылка на следующее подробное описание варианта реализации изобретения, рассматриваемого вместе с прилагаемыми чертежами, на которых:
[0046]
ФИГ. 1 представляет собой схему технологического процесса для способа C3MR в соответствии с предшествующим уровнем техники;
[0047]
ФИГ. 2 представляет собой схему технологического процесса сплит-системы сжижения природного газа со смешанным хладагентом в соответствии с первым типичным вариантом реализации изобретения;
[0048]
ФИГ. 3 представляет собой схему технологического процесса сплит-системы сжижения природного газа со смешанным хладагентом в соответствии со вторым типичным вариантом реализации изобретения;
[0049]
ФИГ. 4А представляет собой вид в перспективе регулируемой входной направляющей лопатки, предназначенной для использования в сочетании со сплит-системой сжижения природного газа со смешанным хладагентом, проиллюстрированной на ФИГ. 3, причем регулируемая входная направляющая лопатка установлена в положение, которое в меньшей степени ограничивает поток (т. е., более открытое);
[0050]
ФИГ. 4B представляет собой вид в перспективе регулируемой входной направляющей лопатки с Фиг. 4А, причем регулируемая входная направляющая лопатка установлена в положение, которое в большей степени ограничивает поток (т. е., более закрытое);
[0051]
ФИГ. 5 представляет собой типичную диаграмму напора и производительности для ступени компрессора со входными направляющими лопатками;
[0052]
ФИГ. 6 представляет собой схему технологического процесса сплит-системы сжижения природного газа со смешанным хладагентом в соответствии с третьим типичным вариантом реализации изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0053]
Последующее подробное описание иллюстрирует только предпочтительные типичные варианты реализации изобретения и не предназначено для ограничения объема, области применения или конфигурации заявленного изобретения. Скорее, последующее подробное описание предпочтительных типичных вариантов реализации изобретения предоставит специалистам в данной области техники описание, позволяющее реализовать предпочтительные типичные варианты реализации заявленного изобретения. Различные модификации могут быть внесены в функцию и расположение элементов без отклонения от сущности и объема заявленного изобретения.
[0054]
Номера позиций, которые вводятся в описании в связи с чертежом на фигуре, могут повторяться на одной или нескольких последующих фигурах без дополнительного объяснения в описании, чтобы обеспечить контекст для других признаков.
[0055]
В формуле изобретения для идентификации заявленных стадий используются буквы (например, (a), (b) и (c)). Указанные буквы используются для облегчения ссылки на стадии способа и не предназначены для указания порядка, в котором осуществляются заявленные стадии, за исключением случаев и только до той степени, в которой такой порядок конкретно указан в формуле изобретения.
[0056]
Направляющие термины могут использоваться в описании и формуле изобретения для описания частей настоящего изобретения (например, верхний, нижний, левый, правый, и т.д.). Указанные направляющие термины предназначены исключительно для упрощения описания типичных вариантов реализации изобретения и не предназначены для ограничения объема заявленного изобретения. Как используется в данном документе, термин «перед входом (на входе, апстрим)» обозначает направление, противоположное направлению потока текучей среды в трубопроводе, исходя из точки отсчета. Подобным образом, термин «на выходе (даунстрим)» обозначает направление, которое совпадает с направлением потока текучей среды в трубопроводе, исходя из точки отсчета.
[0057]
Если в тексте прямо не указано противоположное, то любое и все процентные значения, приведенные в описании, на чертежах и в формуле изобретения, необходимо понимать как основывающиеся на массовом проценте. Если в тексте прямо не указано противоположное, необходимо понимать, что любое и все значения давления, приведенные в описании, на чертежах и в формуле изобретения, означают среднее манометрическое давление.
[0058]
Термин «сообщение по текучей среде», используемый в описании и формуле изобретения, относится к природе соединения между двумя или большим количеством элементов, которое позволяет перемещать жидкости, пары и/или двухфазные смеси между элементами контролируемым образом (т.е., без утечки) прямо или косвенно. Объединение двух или более элементов таким образом, что они находятся в сообщении по текучей среде друг с другом, может подразумевать любой подходящий способ, известный в данной области техники, например, с использованием сварных швов, фланцевых трубопроводов, прокладок и болтов. Два или большее количество элементов могут быть дополнительно объединены посредством других элементов системы, которые могут их разделять, например, клапанов, шлюзов или других устройств, которые могут избирательно ограничивать или направлять поток текучей среды.
[0059]
Термин «трубопровод», используемый в описании и формуле изобретения, относится к одной или большему количеству структур, сквозь которые текучие среды могут перемещаться между двумя или более элементами системы. Например, трубопроводы могут включать в себя трубы, каналы, протоки и их комбинации, по которым транспортируются жидкости, пары и/или газы.
[0060]
Термин «природный газ», используемый в описании и формуле изобретения, обозначает смесь углеводородных газов, состоящую в основном из метана.
[0061]
Термины «углеводородный газ» или «углеводородная текучая среда», используемые в описании и формуле изобретения, обозначают газ/текучую среду, содержащие по меньшей мере один углеводород, в которых углеводороды составляют по меньшей мере 80%, и более предпочтительно по меньшей мере 90% от общего состава газа/текучей среды.
[0062]
Термин «смешанный хладагент» (сокращенно «MR»), используемый в описании и формуле изобретения, обозначает текучую среду, содержащую по меньшей мере два углеводорода, в которой углеводороды составляют по меньшей мере 80% от общего состава хладагента.
[0063]
Термины «пучок» и «трубный пучок» используются в настоящей заявке взаимозаменяемо и являются синонимическими.
[0064]
Термин «окружающая текучая среда», используемый в описании и формуле изобретения, обозначает текучую среду, которая подается в систему при давлении и температуре окружающей среды или близких к ним значениях.
[0065]
Термин «контур сжатия» используется в данном документе для обозначения последовательности элементов и трубопроводов, находящихся в сообщении по текучей среде друг с другом и расположенных последовательно (далее «последовательное сообщение по текучей среде»), которая начинается перед входом в первый компрессор или ступень сжатия и заканчивается на выходе из последнего компрессора или ступени компрессора. Термин «последовательность сжатия» обозначает стадии, выполняемые элементами и трубопроводами, которые составляют объединенный контур сжатия.
[0066]
Термин «всасывающая сторона» используется в данном документе для обозначения стороны с более низким давлением (или входа) ступени сжатия. Подобным образом, термин «напорная сторона» используется в данном документе для обозначения стороны ступени сжатия с более высоким давлением (или выхода). Термин «давление на выходе» обозначает манометрическое давление на напорной стороне ступени сжатия.
[0067]
Используемый в данном документе термин «производительность» ступени сжатия обозначает скорость потока текучей среды, проходящего сквозь эту ступень сжатия в конкретном режиме эксплуатации. Например, в случае ступени динамического компрессора, ее производительность обозначает скорость, с которой текучая среда будет протекать сквозь компрессор при определенной частоте вращения приводного вала компрессора и при определенных параметрах всасывания и выброса.
[0068]
Используемый в данном документе термин «расход мощности», при использовании в связи со ступенью сжатия, обозначает количество мощности, необходимое для работы этой ступени сжатия в конкретном режиме эксплуатации (т.е. скорость потока текучей среды и степень повышения давления).
[0069]
Как используется в описании и формуле изобретения, термины «чрезвычайно высокий», «высокий», «средний» и «низкий» выражают относительные значения для свойства элементов, с которым связаны эти термины. Например, поток чрезвычайно высокого давления указывает на поток, имеющий более высокое давление, чем соответствующий поток высокого давления или поток среднего давления или поток низкого давления, описанные или заявленные в настоящей заявке. Подобным образом, поток высокого давления указывает на поток, имеющий более высокое давление, чем соответствующий поток среднего давления или поток низкого давления, описанный в описании или формуле изобретения, но более низкое, чем соответствующий поток чрезвычайно высокого давления, описанный или заявленный в настоящей заявке. Подобным образом, поток среднего давления указывает на поток, имеющий более высокое давление, чем соответствующий поток низкого давления, описанный в описании или формуле изобретения, но более низкое, чем соответствующий поток высокого давления, описанный или заявленный в настоящей заявке.
[0070]
Используемый в данном документе термин «криоген» или «криогенная текучая среда» обозначает жидкость, газ или гетерогенную текучую среду, имеющие температуру ниже -70 градусов Цельсия. Примеры криогенов включают в себя жидкий азот (LIN), сжиженный природный газ (LNG), жидкий гелий, жидкий диоксид углерода и сжатые гетерогенные криогены (например, смесь LIN и газообразного азота). Используемый в данном документе термин «криогенная температура» обозначает температуру ниже -70 градусов Цельсия.
[0071]
В Табл. 1 определен список сокращений, используемых в описании и на чертежах, для лучшего понимания описанных вариантов реализации изобретения.
Таблица 1
SMR
Один смешанный хладагент
MCHE
Основной криогенный теплообменник
DMR
Двойной смешанный хладагент
MR
Смешанный хладагент
C3MR
Предварительно охлажденный пропаном смешанный хладагент
MRL
Жидкий смешанный хладагент
LNG
Сжиженный природный газ
MRV
Парообразный смешанный хладагент
[0072]
2
2
В описанных вариантах реализации изобретения предлагается эффективный способ сжижения углеводородной текучей среды, причем они особенно применимы к сжижению природного газа. Ссылаясь на ФИГ. 1, проиллюстрирована типичная система сжижения природного газа из предшествующего уровня техники. Сырьевой поток 100, который предпочтительно представляет собой природный газ, очищают и высушивают известными способами в секции предварительной обработки 90 с целью удаления воды, кислых газов, таких как CO и HS, и других загрязнений, таких как ртуть, с получением предварительно обработанного сырьевого потока 101. Предварительно обработанный сырьевой поток 101, который по существу не содержит воды, предварительно охлаждают в системе предварительного охлаждения 118 с получением предварительно охлажденного потока природного газа 105, и дополнительно охлаждают, сжижают и/или переохлаждают в MCHE 108 с получением потока LNG 106. Давление потока LNG 106 обычно понижают, пропуская его сквозь клапан или турбину (не показаны), и затем направляют в резервуар для хранения LNG 109. Пар мгновенного испарения, образующийся в процессе понижения давления и/или выпарки в резервуаре, представлен потоком 107, который может быть использован в качестве топлива на установке, рециркулирован в сырье или сброшен в атмосферу.
[0073]
Предварительно обработанный сырьевой поток 101 предварительно охлаждают до температуры ниже 10 градусов Цельсия, предпочтительно ниже около 0 градусов Цельсия, и более предпочтительно до около -30 градусов Цельсия. Предварительно охлажденный поток природного газа 105 сжижают до температуры от около -150 градусов Цельсия до около -70 градусов Цельсия, предпочтительно от около -145 градусов Цельсия до около -100 градусов Цельсия, а затем переохлаждают до температуры от около -170 градусов Цельсия до около -120 градусов Цельсия, предпочтительно от около -170 градусов Цельсия до около -140 градусов Цельсия. MCHE 108, проиллюстрированный на ФИГ. 1, представляет собой витой теплообменник с тремя пучками. Однако может быть использовано любое количество пучков и любой тип обменника.
[0074]
Термин «по существу не содержащий воды» означает, что любая остаточная вода в предварительно обработанном сырьевом потоке 101 присутствует в достаточно низкой концентрации, чтобы предотвратить эксплуатационные проблемы, связанные с вымораживанием воды в последующем процессе охлаждения и сжижения. В вариантах реализации изобретения, описанных в данном документе, концентрация воды предпочтительно составляет не более 1,0 м.ч., и более предпочтительно от 0,1 до 0,5 м.ч.
[0075]
Хладагент предварительного охлаждения, используемый в способе C3MR, представляет собой пропан. Как проиллюстрировано на ФИГ. 1, пропановый хладагент 110 нагревают путем теплообмена с предварительно обработанным сырьевым потоком 101, с получением теплого потока пропана низкого давления 114. Теплый поток пропана низкого давления 114 сжимают в одном или большем количестве компрессоров пропана 116, которые могут содержать четыре ступени сжатия. Три боковых потока 111, 112 и 113 с промежуточными уровнями давления поступают в компрессоры пропана 116 на всасывающей стороне конечной, третьей и второй ступеней компрессора пропана 116, соответственно. Поток сжатого пропана 115 конденсируют в конденсаторе 117 c получением холодного потока высокого давления, давление которого затем понижают (клапан понижения давления не показан) с получением пропанового хладагента 110, который обеспечивает охлаждающую нагрузку, необходимую для охлаждения предварительно обработанного сырьевого потока 101 в системе предварительного охлаждения 118. Жидкий пропан испаряется по мере охлаждения потока 101 с образованием потока паров пропана низкого давления 114. Конденсатор 117 обычно осуществляет теплообмен с окружающей текучей средой, такой как воздух или вода.
[0076]
Хотя на фигуре проиллюстрированы четыре ступени сжатия пропана, может использоваться любое количество ступеней сжатия. Необходимо понимать, что если описано или заявлено несколько ступеней сжатия, то такие множественные ступени сжатия могут включать в себя один многоступенчатый компрессор, множество компрессоров или их комбинацию. Компрессоры могут быть помещены в один корпус или большее количество корпусов. Процесс сжатия пропанового хладагента обычно называется в данном документе последовательностью сжатия пропана. Последовательность сжатия пропана более подробно описана в заявке на патент США серийный № 14/870557, опубликованной в публикации заявки на патент США № 2017/0089637 А1, раскрытие которой включено в данный документ посредством ссылки в полном объеме.
[0077]
В MCHE 108 по меньшей мере часть и предпочтительно все охлаждение обеспечивается путем испарения по меньшей мере части потоков хладагента после понижения давления в клапанах или турбинах.
[0078]
Поток газообразного MR низкого давления 130 отводят с теплого конца межтрубного пространства MCHE 108, направляют сквозь вакуумный барабан низкого давления 150 для предотвращения попадания захваченных капель в компрессор 151, и поток пара 131 сжимают в компрессоре низкого давления (LP) 151 с получением потока MR среднего давления 132. Поток газообразного MR низкого давления 130 обычно отводят при температуре, равной или близкой к температуре предварительного охлаждения пропана, и предпочтительно около -30 градусов Цельсия, и при давлении менее чем 10 бар абсолютного давления (145 фунт/кв. дюйм). Поток MR среднего давления 132 охлаждают в выходном охладителе низкого давления 152 с получением охлажденного потока MR среднего давления 133, из которого захваченные капли необязательно могут быть удалены в вакуумном барабане среднего давления 153 с получением потока пара среднего давления 134, который дополнительно сжимают в компрессоре среднего давления (MP) 154. Полученный поток MR высокого давления 135 охлаждают в выходном охладителе среднего давления 155 с получением охлажденного потока MR высокого давления 136. Охлажденный поток MR высокого давления 136 необязательно направляют в вакуумный барабан высокого давления 156 для удаления захваченных капель. Полученный поток пара высокого давления 137 дополнительно сжимают в компрессоре высокого давления (HP) 157 с получением потока MR чрезвычайно высокого давления 138, который охлаждают в выходном охладителе высокого давления 158 с получением охлажденного потока MR чрезвычайно высокого давления 139. Охлажденный поток MR чрезвычайно высокого давления 139 дополнительно охлаждают путем теплообмена с испаряющимся пропаном в системе предварительного охлаждения 118, с получением двухфазного потока MR 140. Затем двухфазный поток MR 140 направляют в парожидкостный сепаратор 159, из которого получают поток MRL 141 и поток MRV 143, которые направляют обратно в MCHE 108 для дальнейшего охлаждения. Поток жидкости, покидающий фазовый сепаратор, в промышленности называется MRL, а поток пара, покидающий фазовый сепаратор, в промышленности называется MRV, даже после того, как они впоследствии сжижаются. Процесс сжатия и охлаждения MR после отведения из нижней части MCHE 108, с последующим возвращением в трубное пространство MCHE 108 в виде нескольких потоков, обычно называется в данном документе последовательностью сжатия MR.
[0079]
Как поток MRL 141, так и поток MRV 143 охлаждаются в двух отдельных контурах MCHE 108. Поток MRL 141 переохлаждают в первых двух пучках MCHE 108, что дает холодный поток, давление которого понижают для получения холодного двухфазного потока 142, направляемого обратно в межтрубное пространство MCHE 108 для обеспечения требуемого охлаждения в первых двух пучках MCHE. Поток MRV 143 охлаждают, сжижают и переохлаждают в первом, втором и третьем пучках MCHE 108, понижают давление, пропуская сквозь холодный клапан сброса высокого давления, и вводят в MCHE 108 в виде потока 144 для обеспечения охлаждения на стадиях переохлаждения, сжижения и охлаждения. MCHE 108 может быть любым теплообменником, подходящим для сжижения природного газа, таким как витой теплообменник, ребристый пластинчатый теплообменник или кожухотрубный теплообменник. Витые теплообменники представляют собой теплообменники для сжижения природного газа из предшествующего уровня техники и содержат по меньшей мере один пучок труб, включающий в себя множество спирально навитых труб для протекания технологического потока и потоков теплого хладагента, а также межтрубное пространство для протекания потока холодного хладагента.
[0080]
ФИГ. 2 иллюстрирует первый типичный вариант реализации изобретения. В этом варианте реализации изобретения элементы, общие с системой на ФИГ. 1 (Система 100) представлены номерами позиций, увеличенными на 100. Например, компрессоры пропана 116 на ФИГ. 1 соответствуют компрессорам пропана 216 на ФИГ. 2. В целях ясности, некоторые признаки этого варианта реализации изобретения, которые являются общими со вторым вариантом реализации изобретения, обозначены номерами на ФИГ. 2, но не повторяются в описании. Если номер позиции, приведенный в этом варианте реализации изобретения, не обсуждается в описании, необходимо понимать, что он идентичен соответствующему элементу системы, представленному на ФИГ. 1. Такие же принципы применяются к каждому из последующих типичных вариантов реализации изобретения.
[0081]
ФИГ. 2 иллюстрирует систему сжижения природного газа SplitMR 200, которая включает в себя элементы системы 100 с ФИГ. 1, но отличается способом приведения в действие компрессоров процесса C3MR и процесса MR. Система 200 включает в себя первую газовую турбину 260, которая механически приводит в действие компрессор пропана 216 и компрессор MR HP 257 (имеющий самое высокое давление на выходе из всех компрессоров MR 251, 254, 257). Кроме того, система 200 включает в себя вторую газовую турбину 262, которая механически приводит в действие компрессор MR LP 251 и компрессор MR MP 254. Необязательно, каждая из этих компрессорных линий могла бы содержать вспомогательный/стартовый двигатель 264, 266, соответственно.
[0082]
При проектной температуре (температура окружающей среды, при которой предусмотрена эксплуатация системы 200) или близкой к ней, расход мощности на каждой из трех ступеней сжатия MR (т. е., компрессоров MR LP, MP и HP 251, 254 и 257) и компрессора пропана 216 установлен таким образом, чтобы обе газовые турбины 260, 262 работали почти на полную мощность, когда общая производительность системы 200 работает почти на полную мощность.
[0083]
При температурах окружающей среды, значительно более высоких, чем проектная температура, расход мощности для компрессора пропана 216 увеличивается, тогда как мощность, доступная от первой газовой турбины 260, уменьшается. В таких обстоятельствах давление на выходе компрессора пропана 216 должно повышаться таким образом, чтобы пропан в нем мог конденсироваться в конденсаторе. Это увеличение напора (т.е. работа или энергия в футо-фунтах, необходимая для политропного сжатия и переноса одного фунта данного газа с одного уровня давления на другой) требует, чтобы компрессор пропана 216 использовал бóльшую часть мощности, доступной от первой газовой турбины 260, по сравнению с проектными условиями. Тем не менее, без каких-либо средств независимого изменения параметров компрессора MR HP 257 существует ограниченное количество мощности, которое можно переключать на пропановый компрессор 216 с помощью обычных средств управления, таких как изменение скорости первой газовой турбины 260 или открытие клапанов MR Джоуля-Томсона (JT). Следовательно, поток пропана из компрессора пропана 216 становится узким местом производства при указанных более высоких температурах окружающей среды, поскольку первая газовая турбина 260 работает с максимально доступной мощностью. Хотя на второй газовой турбине 262, приводящей в действие компрессоры LP и MP 251, 254, присутствует доступная мощность (т.е. она не эксплуатируется с максимально доступной мощностью), такая мощность не может быть использована, поскольку любое увеличение циркулирующего потока MR потребовало бы увеличения потока пропана для предварительного охлаждения указанного дополнительного хладагента MR и увеличения расхода мощности в компрессоре MR HP 257. Как используется в настоящей заявке, «максимально доступная мощность» обозначает максимальное использование подачи топлива и воздуха, доступной приводу в текущих условиях эксплуатации. Как отмечено выше, максимально доступная мощность для привода уменьшается при повышении температуры окружающей среды.
[0084]
Для повышения коэффициента полезного действия при таких температурах окружающей среды, сплит-система сжижения MR 200 выполнена с возможностью регулирования параметров компрессора MR HP 257, чтобы уменьшать расход мощности при более высоких температурах окружающей среды и увеличивать расход мощности при более низких температурах окружающей среды по сравнению с проектной температурой. Такая регулировка позволяет сдвигать баланс мощности между компрессором пропана 216 и компрессором MR HP 257.
[0085]
Существует множество средств, которые могут быть предложены для обеспечения возможности регулировки мощности, потребляемой компрессором. Например, система сжижения SplitMR 200 включает в себя всасывающий дроссельный клапан 268, подключенный между компрессором MR HP 257 и охлажденным потоком MR HP 236, принятым от выходного охладителя HP 255, подключенного к компрессору MR MP 254. Степень открытия всасывающего дроссельного клапана 268 можно регулировать для изменения плотности текучей среды и давления всасывания текучей среды, поступающей в компрессор MR HP 257, тем самым изменяя количество мощности, необходимое для эффективной работы компрессора MR HP 257.
[0086]
Когда температура окружающей среды выше проектной температуры для системы сжижения MR 200, всасывающий дроссельный клапан 257 устанавливают в более закрытое положение. Такая регулировка позволяет отводить больше мощности от первой газовой турбины 260 к компрессору пропана 216, что обеспечивает циркуляцию большего потока пропана. Дополнительно, увеличение потока пропана позволяет увеличить общий поток MR, что приводит к более эффективному использованию мощности как от первой, так и от второй газовых турбин 260, 262. В целом, путем регулирования плотности охлажденной текучей среды MR HP посредством всасывающего дроссельного клапана 268, большее количество общей доступной мощности как от первой, так и от второй газовых турбин 260, 262 можно использовать для циркуляции большего количества хладагента, что дает больший объем и более высокую эффективность производства LNG.
[0087]
Наоборот, при температурах окружающей среды ниже проектной, расход мощности для компрессора пропана 216 уменьшается, тогда как мощность, доступная от первой газовой турбины 260, увеличивается. С целью обеспечения большей мощности для компрессора MR HP 257 относительно компрессора пропана 216, который находится на том же ведущем валу, всасывающий дроссельный клапан 268 можно перевести в более открытое положение. Это дает преимущество сдвига большего количества мощности на компрессор MR HP 257, что позволяет процессу C3MR, к которому подключена сплит-система сжижения MR 200, увеличить производство LNG при температурах окружающей среды ниже проектной.
[0088]
Другой способ выражения этих концепций состоит в том, что, когда температура окружающей среды находится за пределами проектного диапазона, «перепад расхода мощности» между приводами 260, 262 больше, чем при проектных условиях окружающей среды. Обычно это означает, что один из приводов 260, 262 работает с «коэффициентом мощности», близким к 1,0, а другой привод - нет. Для целей настоящей заявки, термин «коэффициент мощности» означает соотношение мощности, передаваемой приводом, к максимально доступной мощности для этого привода. Термин «перепад мощности» представляет собой разницу между соотношением мощности первого привода и соотношением мощности второго привода.
[0089]
В этом типичном варианте реализации изобретения положение всасывающего дроссельного клапана 268 и состояние энергопотребления турбин 260, 262 отслеживаются и контролируются контроллером 274. Предпочтительно, контроллер 274 снабжен возможностью измерять (или определять иным образом) температуру окружающей среды и доступную мощность на газотурбинных приводах и запрограммирован для автоматической регулировки положения всасывающего дроссельного клапана 268 и энергопотребления турбин 260, 262 на основе температуры окружающей среды. Контроллер 274 не показан на ФИГ. 3 или 6, но может быть использован в связи с любым из представленных в данном документе типичных вариантов реализации изобретения.
[0090]
Обращаясь теперь к ФИГ. 3 и 4A-B, проиллюстрирован второй вариант реализации сплит-системы сжижения MR 300, который включает в себя другой способ независимого изменения параметров компрессора MR HP 357. В частности, сплит-система сжижения MR 300 включает в себя набор регулируемых входных направляющих лопаток 370 на входе компрессора MR HP 357, который принимает охлажденный поток MR HP 336. При температурах выше проектной, входные направляющие лопатки 370 можно отрегулировать для создания меньшего динамического напора на объемный расход компрессора MR HP 357, как проиллюстрировано на ФИГ. 4B, таким образом, что компрессор MR HP 357 создает меньший динамический напор на входной объемный расход из охлажденного потока MR HP 336, тем самым снижая расход мощности в компрессоре MR HP 357 и увеличивая мощность, доступную для компрессора пропана 316. При температурах окружающей среды ниже проектной, входные направляющие лопатки 370 на компрессоре MR HP 357 могут быть открыты, как проиллюстрировано на ФИГ. 4A, для создания большего динамического напора на объемный расход и увеличения потребления мощности в компрессоре MR HP 357. Входные направляющие лопатки 370, проиллюстрированные на ФИГ. 3, могут быть предпочтительнее всасывающего дроссельного клапана 268, проиллюстрированного на ФИГ. 2, в том, что входные направляющие лопатки 370 позволяют избежать потерь, связанных с дросселированием всасывания компрессора MR HP 257.
[0091]
В другом типичном варианте реализации изобретения регулируемые лопатки диффузора могли бы использоваться для регулировки расхода мощности компрессора MR HP 357 вместо регулируемых входных направляющих лопаток 370. Вместо того, чтобы располагаться на входе (всасывающей стороне) ступени сжатия, направляющие лопатки в диффузоре расположены на выходной (напорной) стороне. При помощи такого способа динамический напор и параметры потока компрессора будут изменяться способом, отличным от входных направляющих лопаток.
[0092]
ФИГ. 5 иллюстрирует типичную диаграмму напора и производительности для ступени компрессора. Если входные направляющие лопатки открыты, то производительность компрессора увеличивается и обеспечивает больший напор на объемный расход, который, в свою очередь, будет поглощать больше мощности привода. И наоборот, закрытие входных направляющих лопаток снижает производительность компрессора и обеспечивает меньший напор на объемный расход, что, в свою очередь, ведет к поглощению меньшего количества мощности привода.
[0093]
ФИГ. 6 иллюстрирует третий вариант реализации сплит-системы сжижения MR, который выполнен с возможностью изменения параметров компрессора MR HP 457 для сдвига мощности к/от компрессора пропана 416. В этом варианте реализации изобретения в сплит-системе сжижения MR модулируется скорость компрессора MR HP 457 с использованием редуктора с переменной скоростью 472, установленного между компрессором пропана 416 и компрессором MR HP 457. Редуктор с переменной скоростью 472 позволяет компрессору MR HP 457 работать с оптимальной скоростью, которая может быть выше или ниже оптимальной скорости компрессора пропана 416. Кроме того, редуктор с переменной скоростью 472 выполнен с возможностью регулировки скорости работы компрессора MR HP в сплит-системе сжижения MR 400 в соответствии с изменениями температуры окружающей среды.
[0094]
Множество дополнительных модификаций сплит-систем сжижения MR 200, 300 и 400 может быть осуществлено без отхода от сущности настоящего изобретения. Например, в одном варианте реализации изобретения газовые турбины (т.е. первая и вторая газовые турбины 260 и 262, 360 и 362, 460 и 462) могут быть заменены паровыми турбинами, турбинами на базе авиационного газотурбинного двигателя или электродвигателями. Все прочие подобные модификации находятся в пределах объема настоящего изобретения. Настоящее изобретение ограничивается только прилагаемой формулой изобретения.