СПОСОБ ОЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА
METHOD OF LIQUEFYING NATURAL GAS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты осуществления этого изобретения относятся к способу ожижения природного газа и других газовых потоков с высоким содержанием метана, в частности к способу получения сжиженного природного газа (СПГ).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Природный газ благодаря своим качествам чистого горения и удобству его использования стал широко использоваться в последние годы. Многие месторождения природного газа находятся в удаленных районах, на больших расстояниях от коммерческих рынков газа. В некоторых случаях для транспортирования добываемого природного газа на коммерческий рынок имеются газопроводы. Если газопроводное транспортирование неосуществимо, то добываемый природный газ нередко перерабатывают в сжиженный природный газ («СПГ») для его транспортирования на рынок.
При проектировании СПГ-установки одним из важнейших соображений является способ конверсии потока подаваемого природного газа в СПГ. В настоящее время наиболее распространенные способы ожижения используют тот или иной вид холодильных установок. Для ожижения природного газа используются многие холодильные циклы, но три наиболее распространенных типа СПГ-установок сегодня являются следующими: (1) «каскадный цикл», применяющий несколько однокомпонентных хладагентов в теплообменниках, последовательно установленных для понижения температуры газа до температуры ожижения; (2) «многокомпонентный холодильный цикл», использующий многокомпонентный хладагент в теплообменниках специальной конструкции; и (3) «детандерный цикл», который осуществляет расширение газа с давления подаваемого газа до низкого давления, с соответствующим понижением температуры. Большинство циклов ожижения природного газа использует варианты или комбинации этих трех основных типов.
Используемые хладагенты могут быть смесью таких компонентов, как метан, этан, пропан, бутан и азот в многокомпонентных холодильных циклах. Хладагенты могут также быть такими чистыми веществами, как пропан, этилен или азот, - в «каскадных циклах». Необходимы значительные количества этих хладагентов, состав которых должен точно выдерживаться. Причем может возникнуть необходимость в поставках и хранении этих хладагентов с соответствующими требованиями материально-технического обеспечения. Либо некоторые компоненты хладагента можно готовить обычно дистилляцией, являющейся составной частью процесса ожижения.
Для инженеров-технологов интерес представляет использование газовых детандеров для охлаждения подаваемого газа с устранением или некоторым решением проблем материально-технического обеспечения с точки зрения транспортирования/складирования хладагентов. Работа детандерной системы основывается на том, что подаваемый газ можно расширять при помощи турбины расширения, тем самым выполняя работу и снижая температуру газа. Затем газ с пониженной температурой осуществляет теплообмен с подаваемым газом, тем самым создавая требуемое охлаждение. Дополнительное охлаждение обычно требуется для полного ожижения подаваемого газа, и оно может осуществляться холодильной установкой. Получаемая от расширения энергия обычно используется для частичного обеспечения энергии основного сжатия, используемой в холодильном цикле. Типичный детандерный цикл для получения СПГ работает при давлении подаваемого газа, которое обычно составляет около 6895 кПа (1000 фунт/кв.дюйм).
Все предлагавшиеся ранее детандерные циклы имеют меньший термодинамический кпд, чем используемые в настоящее время циклы ожижения природного газа, действующие на основе холодильных систем. Поэтому детандерные циклы пока не предлагают какое-либо преимущество с точки зрения установленной стоимости; и циклы ожижения с применением хладагентов все еще являются предпочтительным вариантом ожижения природного газа.
Поскольку детандерные циклы дают высокую скорость газового потока и высокий кпд для этапа (теплого) предварительного охлаждения, поэтому газовые детандеры обычно используются для последующего охлаждения подаваемого газа, после его предварительного охлаждения, до температуры гораздо ниже -20°С при помощи наружного хладагента в замкнутом цикле, например. Поэтому общей особенностью большинства предлагаемых детандерных циклов является необходимость второго, наружного, холодильного цикла для предварительного охлаждения газа до его поступления в детандер. Этот комбинированный наружный холодильный цикл и детандерный цикл иногда называют «гибридным циклом». Хотя это использующее хладагент предварительное охлаждение устраняет главную причину неэффективности применения детандеров, оно значительно уменьшает преимущества детандерного цикла, т.е. устранение использования наружных хладагентов. Также после детандерного охлаждения может потребоваться дополнительное охлаждение, которое можно обеспечить еще одной системой наружного хладагента, такого как азот или холодно-смешанный хладагент.
Соответственно, по-прежнему существует необходимость в обеспечении детандерного цикла, который устранит потребность в использовании наружных хладагентов и даст повышенный кпд, который, по меньшей мере, будет сопоставимым с используемыми сейчас технологиями.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1
Осуществления настоящего изобретения обеспечивают способ ожижения природного газа и др. газовых потоков с высоким содержанием метана для получения сжиженного природного газа (СПГ) и/или других сжиженных газов с высоким содержанием метана. Термин «природный газ» используется в данном описании, включая прилагаемую формулу изобретения, в значении газообразного сырья, целесообразного для получения СПГ. Природный газ может содержать газ, получаемый из скважины сырой нефти (попутный газ), или из газовой скважины (непопутный газ). Составы природного газа могут значительно отличаться друг от друга. В данном описании природный газ является газом с высоким содержанием метана (C) как главного компонента.
Согласно одному или нескольким вариантам осуществления способа получения СПГ согласно данному изобретению выполняют первый этап, на котором отбирают первую фракцию подаваемого газа, которую сжимают, охлаждают и расширяют до более низкого давления, чтобы охладить отобранную первую фракцию. Остающуюся фракцию исходного потока охлаждают косвенным теплообменом с расширенной первой фракцией в первом теплообменном процессе. На втором этапе, предусматривающем наличие контура дополнительного охлаждения, сжимают состоящий из пара мгновенного испарения отдельный поток, который затем охлаждают и расширяют до более низкого давления, таким образом создавая еще один холодный поток. Этот холодный поток используют для охлаждения остающегося потока подаваемого газа во втором процессе косвенного теплообмена, и тем самым осуществляется дополнительно охлаждающий теплообмен. Расширенный поток, выходящий из второго теплообменного процесса, используют для дополнительного охлаждения в ступени первого косвенного теплообмена. Остающийся подаваемый газ затем расширяют до более низкого давления, тем самым частично ожижая этот поток подаваемого газа. Ожиженную фракцию этого потока выводят из процесса в качестве СПГ, температура которого соответствует давлению температуры начала кипения. Паровую фракцию этого потока возвращают в помощь охлаждению, выполняемому на ступенях косвенного теплообмена. Ставшие теплыми охлаждающие газы из различных источников сжимают и возвращают в цикл.
Согласно одному или нескольким осуществлениям данного изобретения обеспечивают способ ожижения газового потока с высоким содержанием метана; причем упомянутый способ включает в себя следующие этапы: обеспечивают газовый поток с высоким содержанием метана и с давлением менее 1000 фунт/кв.дюйм; обеспечивают хладагент с давлением ниже 1000 фунт/кв.дюйм; сжимают упомянутый хладагент до свыше или равного 1500 фунт/кв.дюйм, чтобы обеспечить сжатый хладагент; охлаждают упомянутый хладагент косвенным теплообменом с охлаждающей текущей средой; расширяют упомянутый сжатый хладагент в целях последующего охлаждения упомянутого сжатого хладагента, получая расширенный, охлажденный хладагент; направляют упомянутый расширенный, охлажденный хладагент в зону теплообмена; и пропускают упомянутый газовый поток через упомянутую теплообменную зону, чтобы охладить, по меньшей мере, часть упомянутого газового потока косвенным теплообменом с упомянутым расширенным, охлажденным хладагентом, тем самым формируя охлажденный газовый поток. Согласно одному или нескольким другим определенным осуществлениям этап обеспечения хладагента под давлением менее 1000 фунт/кв.дюйм включает в себя этап отбора части газа для использования в качестве хладагента. В других осуществлениях часть используемого как хладагент газового потока отбирают из газового потока перед поступлением газового потока в теплообменную зону. Согласно прочим осуществлениям способ согласно изобретению также предусматривает этап предоставления, по меньшей мере, части холодопроизводительности для теплообменной зоны при помощи замкнутого контура, заполненного паром мгновенного испарения, полученным данным способом ожижения газового потока со значительным содержанием метана. Прочие осуществления согласно изобретению будут очевидными специалисту в данной области техники.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - блок-схема одного осуществления способа получения СПГ согласно изобретению.
Фиг.2 - блок-схема второго осуществления получения СПГ, аналогичного способу согласно Фиг.1, за тем исключением, что газообразный хладагент в сжатом, охлажденном и расширенном контуре отделяют от подаваемого газа, и поэтому его состав может отличаться от состава подаваемого газа.
Фиг.3 - блок-схема третьего осуществления получения СПГ по способу изобретения; для повышения кпд используются множество этапов, выполняющих работу расширения для улучшения эффективности.
Фиг.4 - блок-схема четвертого осуществления получения СПГ согласно способу данного изобретения; используются несколько этапов, выполняющих работу расширения, аналогичных Фиг.3; и также используется дополнительный этап и также сжатие подаваемого газа в целях повышения рабочих показателей этапов расширения.
Фиг.5 - блок-схема пятого осуществления получения СПГ согласно способу данного изобретения, аналогичного осуществлению, согласно Фиг.4; но используется дополнительный боковой поток и расширение технологического газа, чтобы обеспечить дополнительное охлаждение.
Фиг.6 - еще одно осуществление, аналогичное осуществлениям согласно Фиг.1 и 2; хладагент для контура дополнительного охлаждения охлаждают в теплообменнике дополнительного охлаждения перед расширением.
Фиг.7 - еще одно осуществление, согласно которому контур дополнительного охлаждения соединен с подаваемым газом.
Фиг.8 - еще одно осуществление показывает альтернативное выполнение контура дополнительного охлаждения.
Фиг.9 - осуществление, аналогичное осуществлению согласно Фиг.8, но используются разделенные потоки, идущие через дополнительный охладитель, в котором используется регулирующий вентиль, клапан Джулса-Томпсона или аналогичный регулирующий вентиль для повышения кпд в дополнительном охладителе.
Фиг.10 - еще одно осуществление, включающее в себя этап отвода азота для ситуаций, когда может стать необходимым отвод азота.
Фиг.11 - еще одно осуществление, согласно которому хладагент для контура дополнительного охлаждения применяет пар мгновенного испарения, поступающий из устройства отвода азота и поэтому имеющий значительное содержание азота.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Осуществления настоящего изобретения обеспечивают способ ожижения природного газа в основном при помощи газовых детандеров газа и с устранением необходимости применения наружных хладагентов. То есть, в некоторых раскрываемых здесь осуществлениях сам подаваемый газ (например, природный газ) используется как хладагент во всех холодильных циклах. Этим холодильным циклам не требуется дополнительное охлаждение, использующее наружные хладагенты (например, хладагенты, не являющиеся самим подаваемым газом, или газом, получаемым в СПГ-установке или при ней), в противоположность обычным предлагаемым газодетандерным циклам, причем эти холодильные циклы имеют повышенный кпд. В одном или нескольких осуществлениях охлаждающая вода или охлаждающий воздух являются единственными наружными источниками охлаждающей текучей среды, и они используются для промежуточного этапа сжатия или после охлаждения.
Фиг.1 показывает осуществление настоящего изобретения, согласно которому используются детандерный контур 5 (т.е. детандерный цикл) и контур 6 дополнительного охлаждения. Для пояснения: детандерный контур 5 и дополнительно охлаждающий контур 6 показаны линиями двойной ширины на Фиг.1. В этом описании и в прилагаемой формуле изобретения термины «контур» и «цикл» взаимозаменяемые. Согласно Фиг.1 поток 10 подаваемого газа поступает в процесс ожижения под приблизительным давлением ниже 1200 фунт/кв.дюйм или ниже 1100 фунт/кв.дюйм, или ниже 1000 фунт/кв.дюйм, или ниже 900 фунт/кв.дюйм, или ниже 800 фунт/кв.дюйм, или ниже 700 фунт/кв.дюйм, или ниже 600 фунт/кв.дюйм. Обычное давление потока 10 подаваемого газа будет около 800 фунт/кв.дюйм. Поток 10 подаваемого газа, как правило, представляет собой природный газ, обработанный для удаления загрязнителей при помощи способов и оборудования известного уровня техники. Перед его поступлением в теплообменник часть потока 10 подаваемого газа отбирают, чтобы сформировать боковой поток 11, тем самым, как поясняется ниже, обеспечивая хладагент с давлением, соответствующим давлению потока 10 подаваемого газа, т.е. любому упоминаемому выше давлению, включая давление около 1000 фунт/кв.дюйм. В осуществлении согласно Фиг.1 часть потока подаваемого газа используется в качестве хладагента для детандерного контура 5. В осуществлении согласно Фиг.1 (не показано) используется боковой поток, отбираемый из потока подаваемого газа 10 перед поступлением потока 10 подаваемого газа в теплообменник; и боковой поток подаваемого газа, используемый в качестве хладагента в детандерном контуре 5, можно отбирать из подаваемого газа после прохождения подаваемого газа в теплообменную зону. Так, согласно одному или нескольким осуществлениям изобретения данный способ является любым из других излагаемых осуществлений, согласно которому часть используемого как хладагент потока подаваемого газа отбирают из теплообменной зоны, расширяют и подают обратно в теплообменную зону, чтобы обеспечить, по меньшей мере, часть холодопроизводительности для теплообменной зоны.
Боковой поток 11 поступает в компрессорную установку 20, где его сжимают до приблизительного давления свыше или равного 1500 фунт/кв.дюйм, таким образом создавая поток 12 сжатого хладагента. Либо боковой поток 11 сжимают до приблизительного давления свыше или равного 1600 фунт/кв.дюйм, либо до давления свыше или равного 1700 фунт/кв.дюйм, либо до давления свыше или равного 1800 фунт/кв.дюйм, либо до давления свыше или равного 1900 фунт/кв.дюйм, либо до давления свыше или равного 2000 фунт/кв.дюйм, либо до давления свыше или равного 2500 фунт/кв.дюйм, либо до давления свыше или равного 3000 фунт/кв.дюйм, тем самым обеспечивая сжатый поток 12 хладагента. В данном описании и в прилагаемой формуле изобретения термин «компрессорная установка» означает любой тип или комбинацию аналогичных или разных типов компрессорного оборудования и может включать в себя вспомогательное оборудование, известное из уровня техники, для сжатия вещества или смеси веществ. «Компрессорная установка» может использовать одну или несколько ступеней сжатия. Примеры, помимо прочих, компрессоров: компрессоры объемного типа, такие как поршневые, ротационные компрессоры; компрессоры динамического типа, такие как центробежные или осевые компрессоры, например.
После компрессорной установки 20 сжатый поток 12 хладагента проходит в охладитель 30, где его охлаждают косвенным теплообменом при помощи соответствующей охлаждающей текучей среды, чтобы получить сжатый и охлажденный хладагент. В одном или нескольких осуществлениях охладитель 30 является охладителем такого типа, который в качестве охлаждающей текучей среды использует воду или воздух, хотя можно использовать любой тип охладителя. Температура потока 12 сжатого хладагента на выходе из охладителя 30 зависит от окружающих условий и используемой охлаждающей среды и обычно равна приблизительно от 35°F до 105°F. Охлажденный поток 12 сжатого хладагента затем проходит в детандер 40, где его расширяют и потом охлаждают, с получением расширенного потока 13 хладагента. В одном или нескольких осуществлениях детандер 40 является устройством выполняющего работу расширения, таким как газовый детандер, выполняющий работу, которую можно использовать для сжатия.
Поток 13 расширенного хладагента поступает в зону 50 теплообмена и обеспечивает, по меньшей мере, часть холодопроизводительности для зоны 50 теплообмена. Согласно данному описанию, включая формулу изобретения, термин «зона теплообмена» означает любой тип или комбинацию аналогичных или разных типов оборудования известного уровня техники для осуществления теплопередачи. Поэтому «зона теплообмена» может находиться в одном элементе оборудования, или может быть зонами, находящимися во множестве элементах оборудования. Наоборот, множественные зоны теплообмена могут находиться в единичной позиции оборудования.
После его выхода из зоны 50 теплообмена поток 13 расширенного хладагента подают в компрессорную установку 60, повышающую давление, с образованием потока 14, который затем присоединяется с боковым потоком 11. Очевидно, что после заполнения детандерного контура 5 подаваемым газом из бокового потока 11 потребуется только компенсирующий подаваемый газ для восполнения потерь из-за утечек; и большей частью газ, поступающий в компрессорную установку 20, обеспечивается, как правило, потоком 14. Та часть потока 10 подаваемого газа, которую не отбирают в виде бокового потока 11, поступает в зону 50 теплообмена, где она, по меньшей мере, частично охлаждается косвенным теплообменом с потоком 13 расширенного хладагента. После теплообменной зоны 50 поток 10 подаваемого газа идет в теплообменную зону 55. Главная функция теплообменной зоны 55: дополнительное охлаждение потока подаваемого газа. Поток 10 подаваемого газа в теплообменной зоне 55 дополнительно охлаждается дополнительно охлаждающим контуром 6 (поясняется ниже) с получением дополнительно охлажденного потока 10а. Дополнительно охлажденный поток 10а затем расширяют до более низкого давления в детандере 70, при этом частично ожижая дополнительно охлажденный поток 10а, чтобы создать жидкую фракцию и остающуюся паровую фракцию. Детандер 70 может быть любым понижающим давление устройством, включая, помимо прочего, клапан, регулирующий клапан, клапан Джулса-Томпсона, устройство Вентури, детандер жидкости, гидротурбину и т.п. Частично ожиженный дополнительно охлажденный поток 10а проходит в уравнительный резервуар 80, где ожиженную фракцию отводят из процесса в качестве СПГ с температурой, соответствующей давлению температуры начала кипения. Остальной поток 16 паровой фракции (пар мгновенного испарения) используется как источник энергии для компрессорных установок и/или как хладагент в дополнительно охлаждающем контуре 6 согласно приводимому ниже описанию. Перед тем, как он будет использован в качестве источника энергии, весь поток 16 пара мгновенного испарения или его часть можно, как вариант, направить из уравнительного резервуара 80 в теплообменные зоны 50 и 55, чтобы дополнить охлаждение, осуществляемое в этих теплообменных зонах.
Снова обращаясь к Фиг.1, часть пара мгновенного испарения 16 отбирают по линии 17, чтобы заполнять дополнительно охлаждающий контур 6. При этом часть подаваемого газа из потока 10 подаваемого газа отбирается (в виде пара мгновенного испарения из газового потока 16 мгновенного испарения) для использования в качестве хладагента в дополнительно охлаждающем контуре 6. Также очевидно, что после заполнения дополнительно охлаждающего контура 6 паром мгновенного испарения потребуется только компенсирующий газ (т.е. дополнительный пар мгновенного испарения из линии 17), чтобы восполнять потери, происходящие из-за утечки. В дополнительно охлаждающем контуре 6 расширенный поток 18 выходит из детандера 41 и отводится через теплообменные зоны 55 и 50. Поток 18 расширенного пара мгновенного испарения (поток дополнительно охлаждающего хладагента) затем возвращается в компрессорную установку 90, где его снова сжимают до более высокого давления, и он там становится теплее. Выйдя из компрессорной установки 90, поток повторно сжатого дополнительно охлаждающего хладагента охлаждается в охладителе 31, который может быть охладителем того же типа, что и охладитель 30, хотя можно использовать любой тип охладителя. После этого охлаждения поток повторно сжатого дополнительно охлаждающего хладагента проходит в теплообменную зону 50, он далее охлаждается косвенным теплообменом с потоком 13 расширенного хладагента, потоком 18 дополнительно охлаждающего хладагента и, как вариант, потоком 16 пара мгновенного испарения. После теплообменной зоны 50 поток повторно сжатого и охлажденного дополнительно охлаждающего хладагента расширяется в детандере 41 с обеспечением охлажденного потока, который затем проходит через теплообменную зону 55, чтобы дополнительно охладить часть потока подаваемого газа, который будет окончательно расширен для получения СПГ. Поток расширенного дополнительно охлаждающего хладагента, выходящий из теплообменной зоны 55, снова проходит через теплообменную зону 50 для обеспечения дополнительного охлаждения перед его повторным сжатием. Таким образом, цикл в дополнительно охлаждающем контуре 6 непрерывно повторяется. В одном или нескольких осуществлениях раскрываемый способ является любым из других описываемых здесь осуществлений, также содержащих этап обеспечения охлаждения с использованием замкнутого контура (например, дополнительно охлаждающего контура 6), заполненного паром мгновенного испарения, получаемым при производстве СПГ (например, пар мгновенного испарения 16).
Из осуществления согласно Фиг.1 (и из других излагаемых здесь осуществлений) с очевидностью следует, что при прохождении потока 10 подаваемого газа от одной теплообменной зоны к другой температура потока 10 подаваемого газа будет понижаться, пока в конечном итоге не будет получен дополнительно охлажденный поток. Помимо этого, при отборе боковых потоков из потока 10 подаваемого газа удельный массовый расход потока 10 подаваемого газа будет уменьшаться. В отношении потока 10 подаваемого газа можно осуществить и прочие модификации, например сжатие. Каждая модификация потока 10 подаваемого газа может считаться создающей новый и отличающийся от других поток, но, для пояснения, поток подаваемого газа будет, кроме оговариваемых случаев, в данном описании называться потоком 10 подаваемого газа, и при этом будет подразумеваться, что прохождение через теплообменные зоны, отбор боковых потоков и другие модификации будут обусловливать изменение температуры, давления и/или расхода потока 10 подаваемого газа.
Фиг.2 показывает еще одно осуществление изобретения, аналогичное осуществлению согласно Фиг.1, за тем исключением, что детандерный контур 5 заменен детандерным контуром 7. Прочие позиции Фиг.2 изложены выше. Детандерный контур 7 показан линиями двойной ширины на Фиг.2 в целях пояснения. Детандерный контур 7 использует по существу то же оборудование, что и детандерный контур 5 (например, упоминаемые компрессор 20, охладитель 30 и детандер 40). Но газообразный хладагент в детандерном контуре 7 отсоединен от подаваемого газа и поэтому может иметь состав, отличающийся от состава подаваемого газа. То есть, детандерный контур 7 по существу является замкнутым контуром, и он не соединен с потоком 10 подаваемого газа. Хладагент для детандерного контура 7 поэтому не является обязательно подаваемым газом, хотя и может им быть. Детандерный контур 7 может быть заполнен любым соответствующим охлаждающим газом, получаемым в СПГ-установке или при ней, в которой используется детандерный контур 7. Например, охлаждающий газ, используемый для заполнения детандерного контура 7, может быть подаваемым газом, таким как природный газ, который только частично обработан для удаления из него загрязнителей.
Аналогично детандерному контуру 5 детандерный контур 7 является газовым контуром высокого давления. Поток 12а выходит из компрессорной установки 20 под приблизительным давлением свыше или равным 1500 фунт/кв.дюйм, или свыше или равным 1600 фунт/кв.дюйм, или свыше или равным 1700 фунт/кв.дюйм, или свыше или равным 1800 фунт/кв.дюйм, или свыше или равным 1900 фунт/кв.дюйм, или свыше или равным 2000 фунт/кв.дюйм, или свыше или равным 2500 фунт/кв.дюйм, или свыше или равным 3000 фунт/кв.дюйм. Температура потока 12а сжатого хладагента на выходе из охладителя 30 зависит от окружающих условий и используемой охлаждающей среды и обычно составляет приблизительно от 35°F до 105°F. Поток 12а охлажденного сжатого хладагента затем поступает в детандер 40, где его расширяют и потом охлаждают, чтобы создать поток 13а расширенного хладагента. Поток 13а расширенного хладагента проходит в теплообменную зону 50, чтобы обеспечить, по меньшей мере, часть холодопроизводительности для теплообменной зоны 50, где поток 10 подаваемого газа, по меньшей мере, частично охлаждается косвенным теплообменом с потоком 13а расширенного хладагента. Выйдя из теплообменной зоны 50, поток 13а расширенного хладагента возвращается в компрессорную установку 20 для его повторного сжатия. В любом из описываемых здесь осуществлений детандерные контуры 5 и 7 могут использоваться взаимозаменяемо. Например, в осуществлении с детандерным контуром 5 детандерный контур 7 может заменить детандерный контур 5.
Фиг.3 показывает еще одно осуществление способа получения СПГ согласно изобретению. Способ согласно Фиг.3 использует несколько выполняющих работу циклов для обеспечения дополнительного охлаждения подаваемого газа и других потоков. Использование этих выполняющих работу циклов повышает общий кпд способа ожижения. Обращаясь к Фиг.3, поток 10 подаваемого газа поступает для ожижения с упоминаемыми выше значениями давления. В осуществлении согласно Фиг.3 боковой поток 11 входит в детандерный контур 5 согласно приводимому выше описанию, но очевидно, что в этом осуществлении замкнутый детандерный контур 7 можно использовать вместо детандерного контура 5, и в этом случае боковой поток 11 не будет необходимым. Детандерный контур 5 действует аналогично излагаемому выше осуществлению со ссылкой Фиг.1, за тем исключением, что поток 13 расширенного хладагента проходит через излагаемую подробнее ниже теплообменную зону 56, чтобы обеспечить, по меньшей мере, часть холодопроизводительности для теплообменной зоны 56.
Часть потока 10 подаваемого газа, которую не отбирают в качестве бокового потока 11, поступает в теплообменную зону 56, где она охлаждается, по меньшей мере частично, косвенным теплообменом с потоком 13 расширенного хладагента и другими потоками, упоминаемыми ниже. После теплообменной зоны 56 поток 10 подаваемого газа проходит через теплообменные зоны 57 и 58, где он далее охлаждается косвенным теплообменом с упоминаемыми ниже дополнительными потоками. Согласно данному осуществлению первый и второй выполняющие работу циклы расширения используются для повышения кпд следующим образом: до поступления газового потока 10 в теплообменную зону 57 боковой поток 11b отбирают из потока 10 подаваемого газа. После выхода потока 10 подаваемого газа из теплообменной зоны 57, но до его вхождения в теплообменную зону 58, боковой поток 11с отбирают из потока 10 подаваемого газа. Таким образом, боковые потоки 11b и 11с отбирают из потока 10 подаваемого газа на разных этапах охлаждения потока подаваемого газа. Т.е. каждый боковой поток отбирают из потока подаваемого газа в другом месте на кривой охлаждения, в результате чего каждый последующий отбираемый боковой поток имеет более низкую исходную температуру, чем предыдущий отбираемый боковой поток.
Боковой поток 11b, являющийся частью первого выполняющего работу цикла, поступает в детандер 42, его расширяют и потом охлаждают для образования расширенного потока 13b. Расширенный поток 13b проходит через теплообменные зоны 56 и 57, чтобы обеспечить, по меньшей мере, часть холодопроизводительности для теплообменных зон 56 и 57. Аналогично, боковой поток 11с, являющийся частью второго выполняющего работу цикла, поступает в детандер 43, где его расширяют и потом охлаждают для образования расширенного потока 13с. Расширенный поток 13с проходит через теплообменные зоны 56, 57 и 58, чтобы обеспечить, по меньшей мере, часть холодопроизводительности для теплообменных зон 56, 57 и 58. Соответственно, поток 10 подаваемого газа также охлаждают в теплообменных зонах 56 и 57 косвенным теплообменом с расширенными потоками 13b и 13с. В теплообменной зоне 58 поток 10 подаваемого газа также охлаждается дополнительным косвенным теплообменом с расширенным потоком 13с.
После их выхода из теплообменной зоны 56 расширенные потоки 13b и 13с поступают в компрессорные установки 61 и 62 соответственно, где они повторно сжимаются и объединяются, создавая поток 14а. Поток 14а охлаждается охладителем 32 перед его повторным соединением с потоком 10 подаваемого газа. Охладитель 32 может быть охладителем того же типа, что и охладители 30 и 31. Детандеры 42 и 43 являются устройствами, выполняющими работу расширения, тип которых хорошо известен специалистам в данной области техники. Примеры, помимо прочих, целесообразных устройств, выполняющих работу расширения: детандеры жидкости и гидротурбины. В осуществлениях согласно Фиг.3 поток подаваемого газа далее охлаждается с помощью нескольких устройств, выполняющих работу расширения. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что дополнительные циклы выполняющего работу расширения можно ввести в осуществление согласно Фиг.3, либо можно использовать один цикл выполняющего работу расширения. Поэтому, как правило, и аналогично вышеизложенному можно использовать одно или несколько устройств выполняющего работу расширения. Каждое устройство выполняющего работу расширения расширяет часть потока подаваемого газа и тем самым охлаждает эту часть, при этом каждая из частей потока подаваемого газа, расширяемая в устройствах выполняющего работу расширения, отбирается из потока подаваемого газа в другой ступени охлаждения потока подаваемого газа (т.е. при разной температуре потока подаваемого газа).
В одном или в нескольких других осуществлениях изобретения: устройства выполняющего работу расширения применяются в соответствии со следующими этапами: отбирают одну или несколько боковых потоков из потока подаваемого газа; направляют упомянутый один или несколько боковых потоков в одно или несколько устройств выполняющего работу расширения; расширяют упомянутый один или несколько боковых потоков, чтобы расширить и охладить упомянутый один или несколько боковых потоков, тем самым формируя один или несколько расширенных, охлажденных боковых потоков; направляют упомянутый один или несколько расширенных, охлажденных боковых потоков, по меньшей мере, в одну теплообменную зону; направляют упомянутый газовый поток через упомянутую, по меньшей мере, одну теплообменную зону; и, по меньшей мере, частично охлаждают упомянутый газовый поток косвенным теплообменом с упомянутым одним или несколькими расширенными, охлажденными боковыми потоками.
Снова обращаясь к Фиг.3, поток 10 подаваемого газа после его охлаждения в теплообменных зонах 56, 57 и 58 потом входит в теплообменную зону 59, где он далее охлаждается с получением дополнительно охлажденного потока 10а. Основная функция теплообменной зоны 59 - дополнительное охлаждение потока 10 подаваемого газа. Дополнительно охлажденный поток 10а затем расширяется до более низкого давления в детандере 85, при этом частично ожижая дополнительно охлажденный поток 10а, чтобы сформировать жидкую фракцию и остальную паровую фракцию. Детандером 85 может быть любое понижающее давление устройство, включая, помимо прочего, клапан, регулирующий клапан, клапан Джулса-Томпсона, устройство Вентури, детандер жидкости, гидротурбину и т.п. Частично ожиженный дополнительно охлажденный поток 10а затем поступает в уравнительный резервуар 80, где ожиженная фракция 15 отбирается из процесса как СПГ, температура которого соответствует давлению температуры начала кипения. Остальной поток 16 паровой фракции (пар мгновенного испарения) используется как источник энергии компрессорных установок и/или как хладагент в контуре 8 дополнительного охлаждения по существу тем же образом, как и согласно описанию дополнительно охлаждающего контура 6. Согласно Фиг.3 дополнительно охлаждающий контур 8 аналогичен дополнительно охлаждающему контуру 6, за тем исключением, что дополнительно охлаждающий контур 8 обеспечивает охлаждение для четырех теплообменных зон (теплообменные зоны 56, 57, 58 и 59).
Фиг.4 показывает еще одно осуществление изобретения. Осуществление согласно Фиг.4 по существу то же, что и осуществление согласно Фиг.3, за тем исключением, что дополнительно введена компрессорная установка 25 и детандер 35. Детандер 35 может быть любым типом детандера жидкости или гидротурбины. Детандер 35 установлен между теплообменными зонами 58 и 59, и поэтому поток 10 подаваемого газа идет из теплообменной зоны 58 в детандер 35, где он расширяется и потом охлаждается, с получением потока 10b расширенного подаваемого газа. Поток 10b затем проходит в теплообменную зону 59, где он дополнительно охлаждается и создает дополнительно охлажденный поток 10с. За счет расширения и последующего охлаждения потока 10 подаваемого газа в детандере 35 для получения потока 10b совокупная тепловая нагрузка на дополнительно охлаждающий контур 8 существенно уменьшается. Таким образом, в одном или в нескольких осуществлениях данный способ является любым из других излагаемых здесь осуществлений, также содержащих этап расширения, по меньшей мере, части потока охлажденного подаваемого газа для получения потока охлажденного, расширенного подаваемого газа (например, потока 10b); и также этап последующего охлаждения потока охлажденного, расширенного подаваемого газа косвенным теплообменом с замкнутым контуром (например, контуром 6 или 8 дополнительного охлаждения), заполненным паром мгновенного испарения, получаемым при производстве СПГ (например, пар мгновенного испарения 16).
Обращаясь также к Фиг.4, компрессорная установка 25 используется для повышения давления потока 10 подаваемого газа до его вступления в процесс ожижения. При этом поток 10 подаваемого газа проходит в компрессорную установку 25, где его сжимают до давления выше давления подачи подаваемого газа или согласно одному или нескольким осуществлениям до приблизительного давления выше 1200 фунт/кв.дюйм. Либо поток 10 подаваемого газа сжимают до приблизительного давления свыше или равного 1300 фунт/кв.дюйм, или свыше или равного 1400 фунт/кв.дюйм, или свыше или равного 1500 фунт/кв.дюйм, или свыше или равного 1600 фунт/кв.дюйм, или свыше или равного 1700 фунт/кв.дюйм, или свыше или равного 1800 фунт/кв.дюйм, или свыше или равного 1900 фунт/кв.дюйм, или свыше или равного 2000 фунт/кв. дюйм, или свыше или равного 2500 фунт/кв.дюйм, или свыше или равного 3000 фунт/кв.дюйм. После его сжатия поток 10 подаваемого газа поступает в охладитель 33, где его охлаждают перед подачей в теплообменную зону 56. Нужно отметить, что поскольку компрессорная установка 25 используется для сжатия потока 10 подаваемого газа (и поэтому боковых потоков 11) до более низкого давления, чем это нужно потоку 12 сжатого хладагента, поэтому для повышения давления можно использовать компрессорную установку 20.
Упоминаемое выше сжатие потока 10 подаваемого газа дает три преимущества. Во-первых, за счет повышения давления потока подаваемого газа давления боковых потоков 11b и 11с также повышаются, в результате чего улучшаются рабочие характеристики устройств 42 и 43 выполняющего работу расширения. Во-вторых, повышается коэффициент теплопередачи в теплообменных зонах. Таким образом, в одном или нескольких его осуществлениях описываемый здесь способ получения СПГ выполняют в соответствии с любым из других излагаемых выше осуществлений, согласно которым подаваемый газ сжимают до упомянутых давлений до его поступления в теплообменную зону. Согласно еще другим его осуществлениям данный способ включает в себя этап обеспечения дополнительного охлаждения для потока подаваемого газа из нескольких устройств, выполняющего работу расширения; при этом каждое из устройств выполняющего работу расширения расширяет часть потока подаваемого газа и тем самым охлаждает эту часть, чтобы сформировать один или несколько расширенных, охлажденных боковых потоков; при этом каждую часть потока подаваемого газа, расширенного в устройствах выполняющего работу расширения, отбирают из потока подаваемого газа на разных этапах охлаждения потока подаваемого газа (т.е. с разной температурой потока подаваемого газа); и охлаждают упомянутый поток подаваемого газа косвенным теплообменом с упомянутым одним или несколькими расширенными, охлажденными боковыми потоками.
Согласно прочим осуществлениям каждая из упомянутых частей подаваемого газа имеет, до расширения, приблизительное давление свыше 1200 фунт/кв. дюйм, или свыше или равное 1400 фунт/кв.дюйм, или свыше или равное 1500 фунт/кв.дюйм, или свыше или равное 1600 фунт/кв.дюйм, или свыше или равное 1700 фунт/кв.дюйм, или свыше или равное 1800 фунт/кв.дюйм, или свыше или равное 1900 фунт/кв.дюйм, или свыше или равное 2000 фунт/кв.дюйм, или свыше или равное 2500 фунт/кв.дюйм, или свыше или равное 3000 фунт/кв.дюйм. В соответствии с другими прочими осуществлениями данный способ является любым из других описываемых здесь осуществлений, также включающих в себя этап сжатия потока подаваемого газа до любого упоминаемого выше давления, чтобы получить поток подаваемого газа повышенного давления; этап введения имеющего повышенное давление потока подаваемого газа в устройство выполняющего работу расширения или в несколько таких устройств; этап расширения потока сжатого подаваемого газа в устройстве(ах) выполняющего работу расширения для дополнительного охлаждения потока подаваемого газа.
Третье преимущество от упомянутого сжатия потока подаваемого газа заключается в том, что повышается холодопроизводительность детандера 35, и поэтому детандер 35 может в еще большей степени уменьшить тепловую нагрузку на дополнительно охлаждающий контур 8. Нужно отметить, что компрессорная установка 25 и/или детандер 35 также целесообразно предусмотреть и в других описываемых выше осуществлениях, чтобы обеспечить аналогичное уменьшение тепловой нагрузки на дополнительно охлаждающие контуры, используемые в этих осуществлениях или в других усовершенствованиях охлаждения; и что компрессорную установку 25 и детандер 35 можно использовать независимо друг от друга в любом осуществлении, раскрываемом в данном описании. Помимо этого, нужно также отметить, что холодопроизводительность детандера 35 (или устройств 42 и 43 выполняющего работу расширения) будет повышена даже без сжатия исходного потока, если исходный поток будет поступать под давлением выше давления температуры начала кипения СПГ. Например, если подаваемый газ поступает под любым из упомянутых давлений в результате сжатия подаваемого газа, то преимущество этого давления будет явно реализуемым и без дополнительного сжатия. Поэтому при обращении к данному описанию, включая прилагаемую формулу изобретения, использование устройств выполняющего работу расширения и/или детандера 35 для расширения потоков с давлениями приблизительно выше 1200 фунт/кв.дюйм не должно истолковываться как требующее использование или присутствие компрессорной установки 25 или другого компрессора или этапа сжатия.
Фиг.5 схематически показывает пятое осуществление способа получения СПГ в соответствии с данным изобретением, которое аналогично осуществлению согласно Фиг.4, но использует еще один этап расширения для дополнительного охлаждения. Обращаясь к Фиг.5, показано, что дополнительно охлаждающий контур 8 в этом осуществлении согласно Фиг.5 отсутствует. Вместо этого боковой поток 11d отбирается из потока 10b и проходит в расширяющее устройство 105, где он расширяется и потом охлаждается, с образованием расширенного потока 13d. Устройство 105 расширения является выполняющим работу детандером, многие типы которого выпускаются промышленностью. Примеры, помимо прочих, этих устройств: детандеры жидкости и гидротурбины. Расширенный поток 13d проходит через теплообменные зоны 59, 58, 57 и 56, обеспечивая, по меньшей мере, часть холодопроизводительности для этих теплообменных зон. Согласно Фиг.5 поток 10b также охлаждается косвенным теплообменом с расширенным потоком 13d и также потоком 16 пара мгновенного испарения. Согласно его одному или нескольким осуществлениям способ согласно изобретению также предусматривает расширение, по меньшей мере, части охлажденного газового потока (потока 10 подаваемого газа) в детандере 35 перед завершающим этапом теплообмена (например, перед теплообменной зоной 59), чтобы получить расширенный, охлажденный газовый поток (например, поток 10b); прохождение части упомянутого расширенного, охлажденного газового потока в производящий работу детандер; последующее расширение упомянутого расширенного, охлажденного газового потока в упомянутом производящем работу детандере; и прохождение потока от упомянутого производящего работу детандера (например, потока 13d) в теплообменную зону для последующего охлаждения, упомянутого расширенного, охлажденного газового потока косвенным теплообменом в упомянутой теплообменной зоне.
После его выхода из теплообменной зоны 56 расширенный поток 13d проходит в компрессорную установку 95, где его повторно сжимают и объединяют с потоками из компрессорных установок 61 и 62, чтобы создать часть потока 14а, которую, как прежде, охлаждают и потом вновь вводят в исходный поток 10.
Еще одно осуществление в соответствии с Фиг.6 аналогично излагаемому выше осуществлению в соответствии с Фиг.1, за тем исключением, что дополнительно охлаждающий контур 6 видоизменен таким образом, что после его выхода из теплообменной зоны 50 поток повторно сжатого и охлажденного дополнительно охлаждающего хладагента далее охлаждают в теплообменной зоне 55 перед его расширением в детандере 41. Это осуществление целесообразно для того случая, когда используют охлаждающую текучую среду, не дающую значительной конденсации после детандера 41.
Фиг.7 показывает еще одно осуществление, в котором дополнительно охлаждающий контур 6а использует часть подаваемого газа 10. Часть подаваемого газа 10 снова сжимают в компрессоре 25 и охлаждают в охладителе 33 из 201 аналогично осуществлению согласно Фиг.4.
Фиг.8 показывает еще одно аналогичное Фиг.7 осуществление с альтернативной компоновкой для дополнительно охлаждающего контура 6. В зависимости от состава подаваемого газа 10 можно использовать дополнительный компрессор (не показан), чтобы предотвращать конденсацию в дополнительно охлаждающем контуре или чтобы обеспечивать надлежащие давления в трубопроводах.
Фиг.9 показывает осуществление, используемое с некоторыми составами и/или давлениями подаваемого газа 10. Для улучшения согласования кривой охлаждения подаваемого газа 10, охлаждаемого для сбора СПГ, с кривой охлаждения той части подаваемого газа 10, которая используется для охлаждения в дополнительно охлаждающей теплообменной зоне 55, может возникнуть необходимость в последующем расширении доли части охлаждающего газа, идущего в дополнительно охлаждающий контур 6. Это осуществляется при помощи регулирующего вентиля 82 или другого детандера (например, при помощи клапана Джулса-Томпсона) для дополнительного охлаждения в дополнительно охлаждающем контуре 6.
Фиг.10 представляет еще одно осуществление, содержащее ступень отвода азота при помощи дистилляционной колонны 81 или эквивалентного устройства, на случай, если есть необходимость в отводе азота, исходя из данного состава подаваемого газа 10. Эта необходимость может возникнуть в целях соответствия техническим условиям по азоту продукции СПГ для поставок и конечного использования.
Фиг.11 представляет еще одно осуществление, содержащее ступень отвода азота, где пар мгновенного испарения из устройства отвода азота используется в качестве хладагента для дополнительно охлаждающего контура. Поэтому получаемый хладагент имеет высокое содержание азота.
ПРИМЕР
1
2
3
2
Для пояснения осуществления согласно Фиг.4 был рассчитан гипотетический баланс массы и энергии согласно приводимой ниже Таблице. Данные были взяты из находящейся в свободной продаже моделирующей программы HYSYS™ (приобретается у компании Hyprotech Ltd., Калгари, Канада); также в свободной продаже имеются и прочие моделирующие программы, которые можно использовать для разработки данных, например, HYSIM™, PROII™, ASPEN PLUS™, известные специалистам в данной области техники. В этом Примере взят следующий состав в мольной концентрации: C: 90,25%; C: 5,70%; С: 0,01%; N: 4,0%; Не: 0,04%. Приводимые в Таблице данные поясняют осуществление согласно Фиг.4, но данное изобретение не следует истолковывать как обязательно ограничивающееся этими данными. Температуры, давления и расходы могут иметь многие варианты в рамках раскрываемого здесь изобретения. Определенные значения температуры, давления и расхода, вычисленные для точек состояния 201-214 (в местоположениях, показываемых на Фиг.4), изложены в Таблице.
Согласно одному из осуществлений способа согласно изобретению путем регулирования температуры потока, получаемого из последней теплообменной зоны, объем потока 16 пара мгновенного испарения регулируют сообразно потребностям в энергии компрессорных установок и другого оборудования. Например, обращаясь к Фиг.4, температуру в точке 207 состояния можно регулировать для получения большего или меньшего количества пара мгновенного испарения (поток 16), в зависимости от потребностей в энергии. Более высокие температуры в точке 207 состояния обусловят получение большего количества пара мгновенного испарения (и поэтому большего количества энергии), и наоборот. Либо температуру можно регулировать таким образом, чтобы расход пара мгновенного испарения превышал потребность в энергии, и в этом случае поток, превышающий потребности в энергии, можно возвращать после сжатия и охлаждения.
Точка состояния
Температура, °F
Давление (фунт/кв.дюйм)
Расход (фунт-моль/ч)
201
262
985
3,35×10<sup>5</sup>
202
100
1500
1,08×10<sup>6</sup>
203
-36
1480
4,85×10<sup>5</sup>
204
-130
1470
3,35×10<sup>5</sup>
205
-213
1460
3,35×10<sup>5</sup>
206
-229
48
3,35×10<sup>5</sup>
207
-236
42
3,35×10<sup>5</sup>
208
-254
18
3,35×10<sup>5</sup>
209
-217
71
3,12×10<sup>5</sup>
210
-140
420
2,29×10<sup>4</sup>
211
100
126
2,57×10<sup>4</sup>
212
-240
44
2,57×10<sup>4</sup>
213
100
3000
8,57×10<sup>5</sup>
214
-40
895
8,57×10<sup>5</sup>
Исходя из данного описания, специалисту в этой области техники будут очевидными многие возможные модификации и варианты описываемых здесь осуществлений. Например, признаки, упоминаемые в одном осуществлении, могут дополнять другие осуществления, таким образом создавая дополнительные осуществления. Поэтому определенные раскрываемые здесь осуществления и пример никоим образом не ограничивают объем изобретения, определяемый приводимой ниже формулой изобретения.