Способ производства сжиженного природного газа из месторождений с аномально высокими термобарическими условиями
METHOD FOR LIQUEFIED NATURAL GAS PRODUCTION FROM DEPOSITS WITH ABNORMALLY HIGH THERMOBARIC CONDITIONS

Изобретение относится к области газовой промышленности, конкретно к технологиям производства сжиженного природного газа (СПГ) из месторождений с аномально высокими термобарическими условиями - давление порядка 150,0 МПа, температура более 100°С.
Известен способ сжижения природного газа (СПГ), включающий а) подачу потока сжатого (высоконапорного) природного газа при первом давлении и первой температуре; b) охлаждение потока сжатого природного газа путем косвенного теплообмена с потоком холодного хладагента с образованием охлажденного потока сжатого газа при второй температуре, которая ниже первой температуры; с) дросселирование потока охлажденного газа в узле дросселирования, в котором работа расширения в узле дросселирования используется для приведения в движение компрессора, который сжимает поток хладагента с образованием сжатого потока хладагента для использования на этапе b), причем в результате дросселирования получают охлажденный поток сырья, подаваемого в секцию сжижения природного газа, при этом охлажденный поток сырья на выходе из узла дросселирования более чем на 90% состоит из паровой фракции; d) охлаждение потока сжатого хладагента и получение охлажденного по меньшей мере частично конденсированного потока сжатого хладагента; е) дросселирование охлажденного по меньшей мере частично конденсированного потока сжатого хладагента с образованием потока холодного хладагента, используемого на стадии b); и f) сжижение охлажденного потока сырья в секции сжижения природного газа (Патент РФ №2382962, МПК F25J 1/02, опубл. 27.02.2010).
Общими признаками известного и предлагаемого способов являются:
- подача потока сжатого природного газа при первом давлении и первой температуре;
- дросселирование (расширение) потока газа, в результате которого получают охлажденный поток сырья, подаваемый в секцию сжижения природного газа.
Основным недостатками этого способа являются:
1) Техническая и технологическая сложность выполнения процесса охлаждения потока сжатого природного газа, имеющего давление порядка 150,0 МПа и температуру более 100°С, путем косвенного теплообмена с потоком холодного хладагента из-за необходимости применять специальную высокопрочную аппаратуру с толстостенными рабочими поверхностями, через которые процесс теплообмена не эффективен. Развитие рабочих поверхностей такого оборудования с целью повышения эффективности теплообмена ведет к чрезмерному повышению материалоемкости.
2) Отсутствие очистки природного газа от водного компонента, который при охлаждении совместно с природным газом образует техногенные гидраты, отложения которых на рабочих поверхностях оборудования, приводят к технологическим осложнениям, снижая эффективность процесса сжижения газа, и авариям.
2
2
3+выше
3) Отсутствие очистки природного газа от примесей (например, N, СО, С), которые уменьшают товарные кондиции сжиженного природного газа.
5
4) Охлаждение природного газа дросселированием является энергетически неэффективным процессом, в связи с тем, что охлаждающий эффект Джоуля-Томпсона для природного газа составляет 0,2-0,3 град/10 Па.
Известен способ производства сжиженного природного газа, в котором
- природный газ подают из магистрального трубопровода, очищают от механических частиц, осушают и компримируют,
- затем разделяют его на продукционный и технологический потоки,
- технологический поток пропускают через детандер, оборудованный газовой турбиной, вращающий момент которой используют для компримирования входящего потока газа,
3+выше
- при этом его очищают от тяжелых углеводородов (С) путем их конденсации в сопловом аппарате детандера.
2
- продукционный поток очищают от СО, охлаждают, расширяя его дросселированием, с получением парожидкостной смеси от которой отделяют жидкую фазу для скачивания потребителю СПГ,
- при этом жидкую фазу переохлаждают перед скачиванием в емкость потребителя (патент РФ №2541360, МПК F25J 1/00, опубл. 10.02.2015).
Общими признаками известного и предлагаемого способов являются:
- подача природного газа,
2
3+выше
- очистка его от воды и примесей типа СО и тяжелых углеводородов (С);
- расширение высоконапорного газа, в результате которого получают охлажденный поток сырья в виде парожидкостной смеси, от которой отделяют и переохлаждают жидкую фазу, предназначенную для скачивания потребителю СПГ.
Основным недостатками этого способа являются.
2
3+выше
1) Техническая и технологическая сложность осушки от воды и очистки от примесей типа СО и тяжелых углеводородов (С) природного газа при давление порядка 150,0 МПа и температуре более 100°С из-за необходимости применения специальной высокопрочной технологической аппаратуры с толстостенными рабочими поверхностями. Как и в предыдущем аналоге это приводит к значительным материальным затратам.
3+выше
2) Очистка природного газа от тяжелых углеводородов (С) путем их конденсации в сопловом аппарате детандера весьма проблематична из-за больших скоростей охлаждаемого газа и его высокой турбулентности.
5
3) Охлаждение природного газа дросселированием является энергетически не эффективным процессом, в связи с тем, что охлаждающий эффект Джоуля-Томпсона для природного газа составляет 0,2-0,3 град/10 Па.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности производства СПГ, из природного газа, имеющего исходное давление порядка 150,0 МПа и температуру более 100°С.
Техническим результатом является уменьшение материальных, энергетических затрат на производство СПГ и повышение его товарной кондиции.
Технический результат достигается тем, что в способе производства сжиженного природного газа (СПГ), включающем:
- подачу исходного высоконапорного природного газа,
3+выше
- очистку его от воды, газообразных примесей и тяжелых углеводородов (С);
- расширение высоконапорного газа, в результате которого получают охлажденный поток сырья в виде смеси, от которой отделяют и переохлаждают жидкую фазу, предназначенную для скачивания потребителю СПГ
новым является то, что
- вначале изоэнтальпийно расширяют одно- или многократно исходный высоконапорный природный газ с получением из него смеси трех фаз: газообразной, жидкой и твердой, содержащей гидраты и лед,
- затем фазы отделяют друг от друга, причем жидкую фазу разделяют на две части: первую содержащую в основном метан - целевой продукт, и вторую - попутный продукт, состоящий из более тяжелых углеводородов, а гидраты и лед переводят в жидкую воду и газ,
- после чего целевой и попутный продукты раздельно подают потребителю и/или на хранение, жидкую воду и газ на технологические нужды производства СПГ, для которых вырабатывают электрическую энергию.
Кроме того, высоконапорный газ изоэнтальпийно расширяют в сопле типа Лаваля.
Кроме того, высоконапорный газ изоэнтальпийно расширяют с получением механической и/или электрической энергии в детандерном агрегате предпочтительно роторного типа с рабочими поверхностями, выполненными в виде гипоциклоид.
Кроме того, газ, жидкость, гидраты и лед, отделяют друг от друга, а также жидкую фазу разделяют на первую и вторую части, осаждением в гравитационном или/и центробежном поле.
Кроме того, гидраты и лед отделяют от газа и жидкости фильтрованием.
Кроме того, гидраты и лед, переводят в жидкую воду и газ, изменяя термобарические условия или/и вводя ингибиторы льдо- и гидратообразования.
Кроме того, вырабатывают электрическую энергию, сжигая газ в газомоторной или газотурбинной электростанции.
Технический прием, заключающийся в одно- или многократном изоэнтальпийном расширении исходного высоконапорного природного газа с получением из него смеси трех фаз: газообразной, жидкой и твердой, содержащей гидраты и лед, позволяет:
- оптимизировать процесс его охлаждения;
- снизить аномально высокие термобарические параметры исходного газа до приемлемых технологических значений, при которых возможно использование типовой техники для его дальнейшей обработки;
- концентрировать по фазам компоненты исходного природного газа.
Технический прием, заключающийся в том, что фазы отделяют друг от друга, позволяет разделить сконденсированные и несконденсированные компоненты, а также компоненты, связанные в гидратах и воду, превращенную в лед. Это позволяет глубоко осушить от воды сконденсированные, несконденсированные компоненты, и тем самым повысить товарные кондиции целевого продукта.
3+выше
Технический прием, заключающийся в разделении жидкой фазы на две части: первую, содержащую в основном метан, и вторую - попутный продукт, состоящий из более тяжелых углеводородов, позволяет получить целевой продукт сжиженный метан - СПГ, и попутный - сжиженные газы С с минимальными энергетическими затратами.
Технический прием, заключающийся в переводе гидратов и льда в жидкую воду и газ, позволяет с минимальными энергетическими затратами отделить воду от газовых компонентов.
Технический прием, заключающийся в раздельной подаче потребителю и/или на хранение целевого и попутного продуктов, позволяет повысить рентабельность производства путем дальнейшей оптимальной реализации углеводородов, содержащихся в СПГ и попутных продуктах.
Технический прием, заключающийся в подаче жидкой воды и газа на технологические нужды производства СПГ, позволяет повысить эффективность производства путем наиболее полного использования ресурсов исходного природного газа.
Технический прием, заключающийся в выработке электрической энергии для технологических нужд производства СПГ, позволяет повысить эффективность производства путем полного использования материальных и энергетических ресурсов исходного газа.
Технический прием, заключающийся в том, что высоконапорный газ изоэнтальпийно расширяют в сопле типа Лаваля, позволяет переохладить газ, повысить эффективность конденсации из него компонентов и, тем самым, увеличить производительность по целевому продукту.
Технический прием, заключающийся в том, что высоконапорный газ изоэнтальпийно расширяют с получением механической и/или электрической энергии в детандерном агрегате, предпочтительно роторного типа с рабочими поверхностями, выполненными в виде гипоциклоид, позволяет:
- во-первых, повысить энергетическую составляющую производства за счет использования исходного давления газа;
- во-вторых, минимизировать массогабаритные параметры основного оборудования, т.к. детандер роторного типа с рабочими поверхностями, выполненными в виде гипоциклоид, является одним из компактных устройств данного назначения.
Технический прием, заключающийся в том, что газ, жидкость, гидраты и лед, отделяют друг от друга, а также жидкую фазу разделяют на первую и вторую части, осаждением в гравитационном или/и центробежном поле, позволяет наиболее простыми методами осуществить этот процесс.
Технический прием, заключающийся в том, что гидраты и лед отделяют от газа и жидкости фильтрованием позволяет оптимизировать процесс фильтрации и регенерации фильтра путем его автоматизации, исходя из величины разности давлений на входе и выходе фильтра в зависимости от накопления твердой фазы.
Технический прием, заключающийся в том, что гидраты и лед, переводят в жидкую воду и газ, изменяя термобарические условия или/и вводя ингибиторы льдо- и гидратообразования, позволяет расширить арсенал средств этого фазового превращения, а именно, сохранить давление, изменяя температуру, сохранить температуру, изменяя давление, сохранить давление и температуру, вводя ингибиторы льдо- и гидратообразования.
Технический прием, заключающийся в том, что, вырабатывают электрическую энергию, сжигая газа в электростанции, позволяет применить на производстве передовую энергетическую технику и тем самым оптимизировать материальные затраты на выработку электрической энергии.
Авторам не известно из существующего уровня техники производство сжиженного природного газа из месторождений с аномально высокими термобарическими условиями подобным образом.
На фиг. 1-3 представлены схемы и рисунки, иллюстрирующие технологическую и техническую стороны реализации способа производство сжиженного природного газа из месторождений с аномально высокими термобарическими условиями.
На фиг. 1 представлена технологическая схема производства СПГ при изоэнтальпийном расширении газа в соплах типа Лаваля.
На фиг. 2 показана технологическая схема производства СПГ при изоэнтальпийном расширении газа в детандарных агрегатах с производством механической и электрической энергии.
На фиг. 3 схема расширения газа в детандере, ротор и статор которого выполнены в виде гипоциклоид.
Практическая реализация предлагаемого способа производства сжиженного природного газа из месторождений с аномально высокими термобарическими условиями происходит следующим образом.
Из скважин по напорным трубопроводам 1 (фиг. 1 и 2) подают под давлением порядка 120,0 МПа исходный высоконапорный природный газ, имеющий температуру 100°С.
2
Исходный высоконапорный природный газ изоэнтальпийно расширяют в соплах 2 типа Лаваля (фиг. 1) или в детандерных агрегатах 3 (фиг. 2) от давления 120,0 МПа до давления 0,4 МПа. Высоконапорный газ изоэнтальпийно расширяют одно- или многократно. В процессе изоэнтальпийного расширения он охлаждается до температуры минус 160°С. При давлении 0,4 МПа и температуре минус 160°С из природного газа образуется смесь, состоящая из трех фаз: газообразной, жидкой и твердой, содержащей гидраты, лед, кристаллы примесей, например, СО.
Затем фазы отделяют друг от друга в сепараторах 4 и 5 (фиг. 1 и 2), причем жидкую фазу разделяют на две части: первую содержащую в основном метан - целевой продукт, и вторую - более тяжелые углеводороды - попутный продукт. Разделение в сепараторах 4 и 5 производят осаждением в гравитационном или/и центробежном поле. Причем гидраты и лед дополнительно отделяют от газа и жидкости фильтрованием. На фиг. 1 и 2 в сепараторах 4 и 5 показаны линии разграничения: 6 целевого (СПГ) и попутного продукта, 7 - попутного продукта, и твердой фазы - гидратов, льда. Разделение производят попеременно, например, вначале в сепараторе 4, а после накопления в нем твердой фазы процесс разделения выполняют в сепараторе 5.
В сепараторе 4 гидраты и лед, переводят в жидкую воду и газ, гидраты и лед, переводят в жидкую воду и газ, изменяя термобарические условия или/и вводя ингибиторы льдо- и гидратообразования. Термобарические условия изменяют, уменьшая давление и/или увеличивая нагревателями 8 температуру до 10-20°С.
Раздельно подают потребителю 9 и/или на хранение целевой 10 и попутный продукт 11, жидкую воду 12 и газ 13 на технологические нужды производства. Для потребителя и технологических нужд производства вырабатывают электрическую энергию, путем сжигания газа в газомоторной или газотурбинной электростанции 14 и/или преобразуя энергию изоэнтальпийно расширяющегося газа в детандерных агрегатах 3 (фиг. 2 и 3), имеющих статор, рабочая поверхность (фиг. 3) которого описана гипоциклоидой 15, и ротор, рабочая поверхность которого описана гипоциклоидой 16. Вход высоконапорного газа в рабочие камеры 17. Выход расширенного газа 18.
При наличии в сжигаемом газе примесей, например, кислых компонентов, последние отделяют в блоке очистки 19 (фиг. 1 и 2).
Основные технологические параметры производства СПГ:
- давление исходного газа до 200,0 МПа;
- температура исходного газа более 100°С;
- максимальная степень расширения газа (отношение давления исходного газа к давлению расширенного газа) - 300;
- величина отношения максимальной температуры к минимальной - 2,5-3,5;
- степень сжижения природного газа 95-98%;
- характерный размер детандера роторного типа D=150 мм;
-1
- число оборотов ротора детандера - 50 с;
- количество энергии, вырабатываемой детандерным агрегатом 3 (фиг. 2) при максимальной степени расширения 1 кг газа - 2000 кДж;
- количество энергии, вырабатываемой электростанцией 14 (фиг. 1 и 2) при сжигании 1 кг газа - 35000 кДж;
3
- максимальный габаритный размер детандера (фиг. 3) производительностью 1,0 млрд м газа в год, - 250 мм.
- глубина осушки СПГ от паров воды по точке росы - минус 160°С.