СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА "АРКТИЧЕСКИЙ КАСКАД МОДИФИЦИРОВАННЫЙ" И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR LIQUEFITING NATURAL GAS "MODIFIED ARCTIC CASCADE" AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к технологиям сжижения природного газа для дальнейшей его перевозки речным и морским транспортом с последующей его регазификацией.
Известно множество способов сжижения природного газа, преимущественно основанных на отводе теплоты внешним хладагентом.
Известен способ для сжижения природного газа, раскрытый в EP 0358100 A2, 30.08.1989, который заключается в том, что образовавшийся в системе хранения СПГ отпарной газ компримируют до выбранного уровня давления, а затем последовательно охлаждают и переохлаждают в теплообменных аппаратах в контуре азотного хладагента, в котором перегретый азот компримируют с отводом теплоты компримирования, далее происходит разделение азота на две части, которые подают раздельно на охлаждение в теплообменные аппараты параллельно со сжижаемым газом путем теплообмена с потоком азота низкого давления, один из потоков после охлаждения изоэнтальпийно расширяют на клапане Джоуля-Томсона, второй поток после охлаждения изоэнтропийно расширяют на детандере с отводом энергии для возможного использования энергии привода последней ступени компримирования и далее используют в охлаждении указанных первого и второго потоков азота и потока сжижаемого газа. Перегретый за счет рекуперации поток азота низкого давления смешивают с азотом после первой ступени компримирования и направляют на последующее компримирование вновь, а изоэнтальпийно расширенный поток азота также используют для охлаждения первого и второго потоков азота и сжижаемого газа, за счет чего его перегревают и далее направляют на первую или третью ступень компримирования в зависимости от необходимой температуры охлаждения газа, а сжиженный газ, образовавшийся при понижении давления переохлажденной жидкости выводят из теплообменного аппарата и насосом перекачивают в систему хранения.
Недостаток известных способа и реализующей его установки заключается в том, что их применение ограничивается отпарным газом с высоким содержанием низкокипящих компонентов, в частности азота, и низкой начальной температурой (порядка -94…-130 град. С) газа, и низкоэффективно для сжижения природного газа с начальными температурами близкими к температуре окружающей среды. Помимо этого разделение потоков азота после отвода теплоты компримирования, и их изоэнтропийное и изоэнтальпийное расширение до разных давлений требует применения многоходовых теплообменников с несколькими потоками как по теплой стороне, так и по холодной, что влечет за собой использование теплообменников пластинчато-ребристого типа и делает невозможным применение технологии на больших производительностях в том числе для средне- и крупнотоннажного производства СПГ, а также усложняет регулирование процесса.
Наиболее близкими к предложенным являются способ сжижения природного газа «Арктический каскад» и установка для его осуществления по патенту RU 2645185 C1 компании ПАО «НОВАТЭК», применяемые на заводе «Ямал СПГ» в п. Сабетта на четвертой очереди сжижения природного газа (приняты за прототип). Способ заключается в том, что подготовленный природный газ предварительно охлаждают, отделяют этан, переохлаждают сжижаемый газ с использованием охлажденного азота в качестве хладагента, снижают давление сжижаемого газа, отделяют несжиженный газ и отводят сжиженный природный газ. При этом перед предварительным охлаждением природный газ компримируют, отделение этана осуществляют в процессе многоступенчатого предварительного охлаждения сжижаемого газа с одновременным испарением этана с использованием охлажденного этана в качестве хладагента. Этан, полученный при испарении, компримируют конденсируют и используют в качестве хладагента при охлаждении сжижаемого газа и азота, причем азот компримируют, охлаждают, расширяют и подают на стадию переохлаждения природного газа. Установка сжижения содержит линию сжижения природного газа, контур этана и контур азота, линия сжижения природного газа включает последовательно соединенные компрессор природного газа, аппарат охлаждения, испарители этана, концевой теплообменник переохлаждения и сепаратор, контур этана включает последовательно соединенные по меньшей мере один компрессор этана, аппарат охлаждения, указанные испарители этана, выходы которых соединены с входами, по меньшей мере, одного компрессора, контур азота включает последовательно соединенные, по меньшей мере, один компрессор азота, аппарат охлаждения, указанные испарители этана, между которыми подсоединены теплообменники азот-азот, турбодетандер, указанный концевой теплообменник переохлаждения, указанные теплообменники азот-азот и турбокомпрессор, соединенный с входом компрессора азота.
Особенностями данных способа и установки является охлаждение азота в теплообменниках азот-азот, что усложняет технологическое оформление процесса и увеличивает количество единиц оборудования, а также понижение температуры в контуре азота происходит исключительно за счет расширения в турбодетандере, что ведет к недоохлаждению природного газа перед расширением, снижению количества СПГ и увеличению количества отпарного газа и, следовательно, увеличению нагрузки на компрессор отпарного газа и снижению энергоэффективности.
Технической проблемой, решаемой предлагаемой технологией сжижения природного газа, является упрощение технологического процесса, расширение области применения процесса, уменьшение единиц используемого оборудования, уменьшение энергозатрат на производство СПГ и увеличение производительности технологии по продукту.
Техническая проблема решается способом сжижения природного газа, заключающимся в том, что по предложенному способу сжижения природного газа подготовленный природный газ компримируют, снимают теплоту компримирования, предварительно многоступенчато охлаждают за счет испарения тяжелого хладагента, переохлаждают за счет рекуперации холода паров легкого хладагента и его предварительного испарения снижают давление сжижаемого газа, отделяют несжиженный газ и отводят сжиженный газ, при этом тяжелый хладагент полученный при испарении, компримируют, конденсируют и вновь используют при предварительном многоступенчатом охлаждении природного газа, а легкий хладагент компримируют, охлаждают и используют при переохлаждении природного газа, при этом, согласно изобретению, легкий хладагент перед охлаждением компримируют, снимают теплоту компримирования, после чего осуществляют его охлаждение последовательно легким хладагентом низкого давления и испаряющимся тяжелым хладагентом, после этого разделяют легкий хладагент высокого давления на два потока, осуществляют изоэнтропийное расширение первого потока и последовательное охлаждение, изоэнтальпийное расширение и испарение второго потока за счет переохлаждения природного газа, затем потоки смешивают при равном давлении и используют в качестве единого потока легкого хладагента низкого давления для охлаждения природного газа, второго потока легкого хладагента перед его изоэнтальпийным расширением и испарением и охлаждения единого потока легкого хладагента высокого давления.
Кроме того, предварительное многоступенчатое охлаждение газа целесообразно осуществлять при различных уровнях давления кипения тяжелого хладагента на ступенях, которые обеспечивают путем понижения давления тяжелого хладагента до кипения перед каждой ступенью, при этом по меньшей мере последнюю ступень используют для охлаждения легкого хладагента высокого давления.
Кроме того, энергию, выделяющуюся при изоэнтропийном расширении первого потока, целесообразно использовать при компримировании легкого хладагента.
Кроме того, в качестве легкого хладагента можно использовать азот, а в качестве тяжелого хладагента - этан или этилен.
Кроме того, давление сжижаемого газа в зависимости от его состава после переохлаждения за счет рекуперации холодных паров легекого хладагента могут дополнительно понижать до давления, исключающего образование двухфазного потока для взятого состава газа.
Техническая проблема также решается установкой для сжижения природного газа, которая содержит линию предварительного охлаждения природного газа, линию переохлаждения природного газа, контур тяжелого хладагента, и контур легкого хладагента, линия предварительного охлаждения природного газа включает последовательно соединенные по меньшей пере один компрессор природного газа, по меньшей мере один аппарат воздушного или водяного охлаждения и трубные пространства испарителей тяжелого хладагента, линия переохлаждения включает кожухотрубный теплообменник и первое средство понижения давления, контур тяжелого хладагента включает последовательно соединенные по меньшей мере один компрессор тяжелого хладагента, по меньшей мере один аппарат воздушного или водяного охлаждения и межтрубные пространства испарителей тяжелого хладагента, выходы которых соединены с компрессором тяжелого хладагента, контур легкого хладагента включает последовательно соединенные по меньшей мере два компрессора легкого хладагента, по меньшей мере один аппарат воздушного или водяного охлаждения расположенный после каждого компрессора легкого хладагента, а также двухпоточный перегреватель легкого хладагента, трубное пространство испарителя тяжелого хладагента, первое трубное пространство кожухотрубного теплообменника и детандер, при этом, согласно изобретению, линия переохлаждения природного газа включает второе трубное пространство кожухотрубного теплообменника, выход которого соединен с первым теплообменным пространством испарителя легкого хладагента, с выходом которого соединено первое средство понижения давления, в контуре легкого хладагента с последним аппаратом воздушного или водяного охлаждения последовательно соединены первое теплообменное пространство двухпоточного перегревателя и второе трубное пространство испарителя тяжелого хладагента, выход по легкому хладагенту которого соединен с двумя линиями легкого хладагента, первая линия включает указанный детандер, а вторая линия включает последовательно соединенные первое трубное пространство кожухотрубного теплообменника, второе средство понижения давления и второе теплообменное пространство испарителя легкого хладагента, выход по газу которого совместно с выходом детандера соединены с межтрубным пространством кожухотрубного теплообменника, выход которого соединен со вторым теплообменным пространством двухпоточного перегревателя, соединенным по выходу с первым по ходу потока компрессором легкого хладагента.
Кроме того, линия переохлаждения может содержать третье средство понижения давления, которое по входу соединено с выходом первого трубного пространства кожухотрубного телпообменника, а выходом - с входом первого теплообменного пространства испарителя легкого хладагента.
Кроме того, целесообразно, чтобы детандер был кинематически связан по меньшей мере с одной ступенью компрессора легкого хладагента.
Технический результат, достигаемый при использовании предложенных способа и устройства, заключается в более глубоком захолаживании природного газа, что снижает количество отпарного газа и уменьшает нагрузку на его повторное компримирование и направление на рецикл, а также в более простом аппаратурном оформлении теплообменных аппаратов.
По сравнению с технологией «Арктический каскад» (прототип) в предлагаемой технологии контур азотного охлаждения включает в себя кипение легкого хладагента, что увеличивает глубину захолаживания сжиженного природного газа, снижает количество отпарного газа, а также исключается охлаждение легкого хладагента на каждой ступени много ступенчатого предварительного охлаждения с межступенчатым охлаждением в теплообменниках азот-азот. В первую очередь это приводит к уменьшению количества единиц и размеров технологического оборудования, что ведет к упрощению аппаратурного оформления процесса и снижению площади застройки, так как охлаждение азота происходит только в последней ступени предварительного охлаждения и за счет рекуперации холода испарившегося легкого хладагента снижая гидравлические сопротивления и теплопотери.
По сравнению с техническим решением EP 0358100 A2 в предлагаемых способе и установке присутствует дополнительное охлаждение природного газа и легкого хладагента высокого давления за счет испаряющегося тяжелого хладагента, что позволяет снизить энергозатраты на охлаждение и применять изобретение для сжижения природного газа с высокими температурами на входе. Кроме того, разделение потоков легкого хладагента в контуре происходит после охлаждения перегретыми парами и тяжелым хладагентом, что приводит к возможности применения двухпоточного теплообменного аппарата кожухотрубного типа. Также отличие предлагаемого технического решения заключается в том, что давление второго потока после испарения и первого потока после изонтропийного расширения равны, что позволяет осуществить их смешение и использовать единым потоком в кожухотрубном теплообменном аппарате.
На фиг. 1 изображена схема исполнения предложенной установки.
Установка для сжижения природного газа содержит линию предварительного охлаждения природного газа, линию переохлаждения природного газа, контур тяжелого хладагента, контур легкого хладагента.
Линия предварительного охлаждения природного газа включает последовательно соединенные компрессор 1 природного газа, аппарат 2 или аппараты воздушного или водяного охлаждения и трубные пространства испарителей 3 тяжелого хладагента, в данном случае этана.
Линия переохлаждения природного газа включает последовательно соединенные второе трубное пространство кожухотрубного теплообменника 7, третье средство 9 понижения давления, в частности, дроссель, первое теплообменное (в частности, трубное) пространство испарителя 8 легкого хладагента, в данном случае азота, и второе средство 10 понижения давления, в частности, дроссель.
Контур тяжелого хладагента включает последовательно соединенные компрессор 4 (компрессоры) тяжелого хладагента, по меньшей мере один аппарат 5 воздушного или водяного охлаждения и межтрубные пространства испарителей 3 тяжелого хладагента. На входе каждого испарителя 3 установлен дроссель 6. Выходы по газу межтрубных пространств испарителей 3 соединены с компрессором 4 (компрессорами). В контуре тяжелого хладагента могут быть установлены последовательно два или более компрессоров в зависимости от мощности компрессоров и требуемого давления хладагента.
Контур легкого хладагента включает последовательно соединенные по меньшей мере два компрессора 11 легкого хладагента и по меньшей мере один аппарат 12 воздушного или водяного охлаждения после каждого компрессора 11, первое теплообменное пространство двухпоточного перегревателя 13, второе трубное пространство испарителя 3 легкого хладагента, выход которого соединен с двумя линиями легкого хладагента. Первая линия включает детандер 14. Вторая линия легкого хладагента включает последовательно соединенные первое трубное пространство кожухотрубного теплообменника 7, дроссель 15 и второе теплообменное (в частности, межтрубное) пространство испарителя 8 легкого хладагента, которое выходом по газу, совместно с выходом детандера 14 первой линии легкого хладагента, соединено с входом холодной стороны межтрубного пространства кожухотрубного теплообменника 7. Выход холодной стороны межтрубного пространства кожухотрубного теплообменника 7 соединен с холодной стороной второго теплообменного (в частности, межтрубного) пространства двухпоточного перегревателя 13, в свою очередь по выходу соединенного с входом первого по ходу потока компрессора 11 легкого хладагента.
В качестве приводов компрессора 1 природного газа, компрессора 4 (компрессоров) тяжелого хладагента и компрессоров 11 легкого хладагента предлагается применять газотурбинные двигатели или электродвигатели, но не ограничиваясь ими, которые могут быть соединены с компрессорами посредством мультипликаторов (на схеме не показаны).
Для работы одного из компрессоров 11 легкого хладагента также можно использовать часть генерируемой на детандере 14 мощности путем обеспечения его кинематической связи с валом компрессора 11.
Способ сжижения природного газа осуществляется следующим образом.
Подготовленный к сжижению природный газ (ПГ) (очищенный от паров воды, углекислого газа и других загрязняющих примесей) поступает на компрессор 1 природного газа, где его компримируют до давления порядка 10 МПа, далее его охлаждают за счет холода окружающей среды в аппарате 2 или аппаратах воздушного либо водяного охлаждения до температуры порядка +15 град.C и направляют в испарители 3 тяжелого хладагента для предварительного многоступенчатого охлаждения. После последовательного охлаждения в испарителях 3 сжижаемый газ с температурой порядка -84 град.С направляют во второе теплообменное пространство, где его охлаждают до температур порядка -144,5 град.С и далее подают на расширение в третье средство 9 понижения давления, где его давление снижается до порядка 2 МПа, исключающего образование двухфазного потока для данного состава газа. Далее в испарителе 8 газ переохлаждают до температур -152,3 град.С и направляют в первое средство 10 понижения давления, где его давление снижают до 0,1 МПа с образованием парожидкостного потока, жидкая часть которого является сжиженным природным газом.
В качестве тяжелого хладагента применяют этан, но применение не ограничивается им. Газообразный этан от испарителей 3 с различными давлениями поступает на многоступенчатый компрессор 4 (компрессоры) тяжелого хладагента, где его дожимают до давления порядка 3 МПа и конденсируют в аппарате 5 или аппаратах воздушного или водяного охлаждения при температуре +10 град.C. Жидкий этан направляют в испарители 3, в которых на различных уровнях давления тяжелый хладагент охлаждает природный газ до температуры порядка -84 град.С., при этом по меньшей мере на последнем испарителе 3 тяжелый хладагент помимо природного газа охлаждает поток легкого хладагента. Разные уровни давления тяжелого хладагента в испарителях 3 достигаются за счет снижения давления на дросселях 6. Газообразный этан от испарителей 3 направляют к компрессору 4 тяжелого хладагента, компримируют, конденсируют и далее по циклу вновь используют при предварительном многоступенчатом охлаждении природного газа.
В качестве легкого хладагента применяется азот, но применение не ограничивается им. Газообразный легкий хладагент низкого давления от двухпоточного перегревателя 13 поступает по меньшей мере на один компрессор 11 легкого хладагента и по меньшей мере один аппарат 12 воздушного или водяного охлаждения, где его дожимают до давления 10,3 МПа и охлаждают до температуры +15 град.C. Полученный газообразный азот высокого давления направляют в двухпоточный перегреватель 13, в котором он охлаждается за счет рекуперации холода азота низкого давления до температуры порядка -65 град.С, и далее разделяют на два потока. Первый поток направляют по первой линии на детандер 14, где происходит его изоэнтропийное расширение с отводом энергии, в результате чего его давление снижают до 2,1 МПа, а температура до -147,5 град.С. Второй поток направляют по второй линии в кожухотрубный теплообменник 7, где охлаждают за счет рекуперации холода суммарного потока легкого хладагента до температуры порядка -139 град.С. и на втором средстве 15 понижения давления осуществляют его изоэнтальпийное расширение до давления 2,1 МПа с образованием парожидкостного потока. Парожидкостной поток легкого хладагента низкого давления направляют в испаритель 8, где его испаряют за счет переохлаждения потока природного газа и, смешавшись с первым потоком легкого хладагента низкого давления, направляют единым суммарным потоком в кожухотрубный теплообменник 7, где его нагревают, охлаждая второй поток легкого хладагента высокого давления и поток природного газа. Далее суммарный поток азота из теплообменника 7 направляется в двухпоточный перегреватель 13, где перегревается за счет охлаждения азота высокого давления после аппарата 12.
При этом энергию, выделяющуюся при изоэнтропийном расширении на детандере 14, можно использовать в качестве энергетического привода по меньшей мере одного компрессора 11.
Технологическая схема работает в номинальном режиме при температуре окружающей среды +5 град.C и ниже. При температуре выше +5 град.C производительность технологической нитки начинает снижаться. Поскольку технология разрабатывается для арктических и антарктических широт, то для конденсации тяжелого хладагента (в частности, этана) в аппаратах охлаждения в жаркий период также могут быть использованы воды арктических, либо антарктических морей, заливов и иных водоемов, которые даже в летний период имеют низкую температуру.