СПОСОБ И СИСТЕМА СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА
SYSTEM AND METHOD FOR NATURAL GAS LIQUEFACTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001]
Настоящее изобретение относится к системе сжижения природного газа и к способу для получения сжиженного природного газа с помощью охлаждения сырьевого газа, включающего природный газ.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002]
Природный газ, добытый на газовых месторождениях, сжижают на заводе по сжижению, благодаря чему газ может храниться и транспортироваться в жидкой форме, - то есть в качестве СПГ (сжиженного природного газа). Охлажденный до примерно -162°С, сжиженный природный газ преимущественно имеет значительно меньший объем по сравнению с газообразным природным газом и не требует хранения при высоком давлении. Обычно процесс сжижения природного газа включает удаление примесей, таких как влага, кислые газовые компоненты и ртуть, содержащиеся в сырьевом газе, предварительно по мере необходимости, и также включает, после удаления тяжелых компонентов (циклогексана, бензола, толуола, ксилола или тому подобного), имеющих относительно высокую температуру замерзания, сжижение сырьевого газа с помощью теплообмена с хладагентом.
[0003]
Для удаления кислых газовых компонентов из природного газа известные системы сжижения природного газа включают в себя, например, абсорбционную колонну для абсорбции кислых газов, в том числе углекислого газа, содержащегося в неочищенном природном газе, с помощью приведения в контакт жидкости, абсорбирующей кислый газ (например, аминового раствора), в контакт с неочищенным природным газом, и регенерационную колонну для отделения кислых газов, содержащихся в абсорбирующей жидкости. См. WO 2009/093315 A1 (патентный документ 1).
ДОКУМЕНТ (ДОКУМЕНТЫ) ИЗВЕСТНОГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
ПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ (ДОКУМЕНТЫ)
[0004]
Патентный документ 1: WO 2009/093315 A1
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ЗАДАЧА, РЕШАЕМАЯ ИЗОБРЕТЕНИЕМ
[0005]
Как правило, тяжелые компоненты, содержащиеся в природном газе, удаляются путем отделения сжиженных тяжелых компонентов от природного газа в перегонной колонне. В связи с этим, когда природный газ, подлежащий сжижению, имеет относительно высокое давление (например, более 80 бар абс. (8,0 МПа)), необходимо снизить давление природного газа до предусмотренного уровня, поскольку отделение тяжелых компонентов от метана становится затруднительным при таком высоком давлении.
[0006]
Однако, когда давление природного газа снижается, температура природного газа может понизиться ниже диапазона температур, подходящего для удаления кислых газовых компонентов (например, 35-40 °C). В частности, в случаях, когда природный газ, имеющий высокое давление (например, более 100 бар абс. (10,0 МПа)), подвергают снижению давления, это чрезмерное снижение температуры газа имеет тенденцию происходить значительно чаще.
[0007]
Одним из возможных решений этой проблемы является нагревание природного газа путем теплообмена или с использованием нагревателя до температуры, подходящей для удаления кислых газовых компонентов в месте ниже по потоку, где температура становится относительно высокой (например, перед удалением кислых газов и перед или после удаления влаги). Однако, когда природный газ нагревается за счет теплообмена до удаления влаги, теплообмен может приводить к образованию гидратов, что может вызвать забивание трубопровода или тому подобное из-за наличия влаги в природном газе. Когда природный газ нагревают в местоположении еще ниже по потоку (после удаления влаги), природный газ в этом местоположении не всегда имеет температуру и/или скорость потока, необходимые для повышения температуры. При использовании нагревателя становится необходима относительно большая энергия.
[0008]
Настоящее изобретение было разработано с учетом этих проблем известного уровня техники, и основной задачей настоящего изобретения является предложить способ и систему сжижения природного газа, которые позволяют повысить температуру сырьевого газа без (или при минимальной) дополнительной энергии, подаваемой извне, чтобы кислый газовый компонент мог быть удален из сырьевого газа после снижения в нем давления.
СРЕДСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЗАДАЧИ
[0009]
Первый аспект настоящего изобретения предусматривает систему сжижения природного газа для получения сжиженного природного газа с помощью охлаждения сырьевого газа, включающего природный газ, причем система включает в себя: установку понижения давления для понижения давления сырьевого газа, первый теплообменник для нагревания, с помощью теплообмена с хладагентом, сырьевого газа, давление которого было понижено в установке понижения давления, установку удаления кислого газа для удаления кислого газового компонента из сырьевого газа, который был нагрет в первом теплообменнике, второй теплообменник для охлаждения сырьевого газа, из которого был удален кислый газовый компонент в установке удаления кислого газа причем сырьевой газ охлаждается за счет теплообмена с хладагентом, температура которого была понижена в первом теплообменнике, и установку сжижения для дальнейшего охлаждения сырьевого газа, который был охлажден с помощью второго теплообменника, для получения сжиженного природного газа.
[0010]
В системе сжижения природного газа в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, поскольку сырьевой газ, температура которого была понижена с помощью понижения давления в установке понижения давления, нагревается путем теплообмена с хладагентом в первом теплообменнике, - система позволяет повысить температуру сырьевого газа без (или при минимальной) дополнительной энергии, подаваемой извне, благодаря чему кислый газовый компонент может быть удален из сырьевого газа после понижения давления сырьевого газа. Кроме того, поскольку теплота охлаждения природного газа, создаваемая понижением давления, используется для охлаждения хладагента, также имеется преимущество, заключающееся в том, что энергоэффективность в цикле хладагента может быть повышена.
[0011]
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, система сжижения природного газа также включает в себя нагревательное устройство для нагревания сырьевого газа, который подается из первого теплообменника в установку удаления кислого газа.
[0012]
В системе сжижения природного газа согласно второму аспекту настоящего изобретения, даже когда сырьевой газ не нагревается в достаточной степени с помощью первого теплообменника, - система может корректировать температуру сырьевого газа, подаваемого в установку удаления кислых газов, до подходящего температурного диапазона.
[0013]
В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения система сжижения природного газа также включает в себя установку удаления тяжелого компонента, предусмотренную между установкой удаления кислого газа и вторым теплообменником для удаления тяжелого углеводорода в сырьевом газе.
[0014]
В системе сжижения природного газа согласно третьему аспекту настоящего изобретения система может удалять тяжелые углеводороды (тяжелые компоненты) сырьевого газа, подаваемого во второй теплообменник, тем самым, исключая такие проблемы, как коагуляция тяжелых углеводородов во втором теплообменнике.
[0015]
В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения, первый и второй теплообменники являются составной частью цикла хладагента предварительного охлаждения для предварительного охлаждения сырьевого газа, подаваемого в установку сжижения, и при этом система сжижения природного газа также включает в себя: компрессор для сжатия хладагента, который использовался во втором теплообменнике, и расширительный клапан, предусмотренный между первым и вторым теплообменниками в цикле хладагента, для дросселирования и расширения хладагента.
[0016]
В системе сжижения природного газа в соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения, поскольку охлажденный хладагент, который был охлажден с помощью теплообмена с сырьевым газом в первом теплообменнике, дополнительно охлаждается в расширительном клапане и поступает во второй теплообменник в качестве дополнительно охлажденного хладагента, система позволяет снизить нагрузку на компрессор в цикле хладагента с помощью простой конфигурации.
[0017]
Пятый аспект настоящего изобретения предусматривает способ сжижения природного газа для получения сжиженного природного газа путем охлаждения сырьевого газа, включающего природный газ, причем способ включает в себя: стадию понижения давления для понижения давления сырьевого газа, первую стадию теплообмена для нагревания путем теплообмена с хладагентом сырьевого газа, давление которого было понижено на стадии понижения давления, стадию удаления кислого газа для удаления кислого газового компонента из сырьевого газа, который был нагрет в первом теплообменнике, стадию второго теплообмена для охлаждения сырьевого газа, из которого был удален кислый газовый компонент на стадии удаления кислого газа, причем сырьевой газ охлаждается за счет теплообмена с хладагентом, температура которого была понижена на первой стадии теплообмена, и стадию сжижения для дальнейшего охлаждения сырьевого газа, который был охлажден на стадии второго теплообмена, для получения сжиженного природного газа.
РЕЗУЛЬТАТ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018]
Как понятно из вышеизложенного, система сжижения природного газа настоящего изобретения позволяет повысить температуру сырьевого газа без (или при минимальной) дополнительной энергии, подаваемой извне, чтобы кислый газовый компонент мог быть удален из сырьевого газа после снижения в нем давления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0019]
На фиг.1 приводится принципиальная схема системы сжижения природного газа в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА (ВАРИАНТОВ) ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0020]
Варианты осуществления настоящего изобретения описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.
[0021]
На фиг.1 приводится принципиальная схема системы сжижения природного газа в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Система 1 сжижения производит СПГ (сжиженный природный газ) с помощью охлаждения сырьевого газа, содержащего природный газ. Система 1 сжижения включает в себя установку 2 понижения давления для понижения давления сырьевого газа до предусмотренного давления, установку 3 удаления кислого газа для удаления кислого газового компонента (компонентов), входящего в состав сырьевого газа, установку 4 удаления влаги для удаления влаги, входящей в состав сырьевого газа, установку 5 удаления тяжелого компонента для удаления тяжелых компонентов (например, бензола, толуола, ксилола, более тяжелых углеводородов, таких как С5+ углеводороды или углеводороды тяжелее пентана) в сырьевом газе, и установку 6 сжижения для производства СПГ с помощью охлаждения сырьевого газа путем теплообмена с хладагентом (в дальнейшем в этом документе он называется «хладагент сжижения» или «смешанный хладагент»).
[0022]
Система 1 сжижения также включает в себя систему 7 предварительного охлаждения для предварительного охлаждения путем теплообмена с хладагентом (в дальнейшем в этом документе называемом «хладагент предварительного охлаждения») сырья, подаваемого в установку 6 сжижения. Установка 3 удаления кислого газа включает в себя нагреватель 8 (нагревательное устройство), выполненное с возможностью поддержания температуры поданного сырьевого газа в пределах соответствующего температурного диапазона с помощью нагревания сырьевого газа в местоположении выше по потоку от установки 3 удаления кислого газа. Используемый в настоящем документе термин «сырьевой газ» относится к переработке целевого материала, поступающего в систему 1 сжижения (включая материал в частично сжиженном состоянии в способе), и не означает строго материала в газообразном состоянии.
[0023]
Сырьевой газ, подлежащий обработке в системе 1 сжижения, включает, без ограничения, природный газ, добываемый из известных газовых месторождений. Следует отметить, что сырьевой газ, подлежащий обработке в настоящем изобретении, представляет собой сырьевой газ, имеющий относительно высокое давление (давление по меньшей мере 80 бар абс. (8,0 МПа), более предпочтительно 100 бар абс. (10,0 МПа) или более). Поскольку такой сырьевой газ имеет высокое давление при добыче, а также низкий перепад давления от места извлечения до подачи в систему 1 сжижения, и сжимается после извлечения (например, газ, отделенный от сырой нефти на FPSO (плавучей системе добычи, хранения и отгрузки нефти)), сырьевой газ подается в систему 1 сжижения при высоком давлении.
[0024]
Установка 2 понижения давления включает в себя известный детандер, который понижает давление поступающего сырья с помощью изоэнтропического расширения. В настоящем варианте осуществления, сырьевой газ, подаваемый в систему 1 сжижения (в установку 2 понижения давления в данном контексте) имеет температуру примерно 20°C, давление 150-200 бар абс. (15,0-20,0 МПа), и скорость потока примерно 500000 кг/ч, однако настоящее изобретение этим не ограничивается, и температура, давление и скорость потока сырьевого газа могут изменяться по мере необходимости. Давление сырьевого газа понижается до предусмотренного давления (в данном случае70-80 бар абс. (7,0-8,0 МПа)) с помощью установки 2 понижения давления, благодаря чему сырьевой газ может быть надлежащим образом обработан в установке 5 удаления тяжелого компонента, как подробно описано ниже.
[0025]
Сырьевой газ, давление которого было понижено в установке 2 понижения давления, нагревается путем теплообмена (нагревание) с хладагентом в установке 14 охлаждения для хладагента, как описано подробно ниже, затем нагревается с помощью нагревателя 8 до предусмотренной температуры и далее вводится в установку 3 удаления кислого газа. Температура сырьевого газа, введенного в установку 3 удаления кислого газа, находится в диапазоне от примерно 25°С до 60°C, более предпочтительно от 35°С до 40°C. Если температура сырьевого газа составляет менее 20°C, текучесть среды, абсорбирующей кислый газ, или абсорбирующей жидкости, уменьшается, что вызывает проблемы, такие как нарушение работы установки. Если температура сырьевого газа превышает 60°C, появляется проблема снижения эффективности удаления кислого газа.
[0026]
Установка 2 понижения давления может быть любой известной установкой, отличной от детандера (например, расширительным клапаном), при условии, что установка может снижать давление сырья до желаемого уровня. В качестве нагревателя 8 могут использоваться разные известные источники тепла, при условии, что они могут повысить температуру сырьевого газа до желаемой температуры.
[0027]
Установка 3 удаления кислого газа включает в себя абсорбционную колонну для удаления кислых газов, входящих в состав сырьевого газа, с помощью способа химической абсорбции. К тому же, установка 3 удаления кислого газа оснащена регенерационной колонной (не показана) для регенерации абсорбирующей жидкости, используемой в абсорбционной колонне. Абсорбционная колонна представляет собой тарельчатую колонну, которая снабжена полками через равные интервалы внутри колонны и приводит абсорбирующую жидкость в противоточный контакт с подаваемым сырьевым газом для того, чтобы вызвать поглощение компонентов кислого газа (углекислого газа и тому подобного) в абсорбирующей жидкости. Абсорбирующая жидкость может быть водным раствором алканоламина, такого как моноэтаноламин, диэтаноламин, триэтаноламин, метилдиэтаноламин, диизопропаноламин, дигликольамин или 2-амино-2-метил-1-пропанол. Регенерационная колонна очищает абсорбирующую жидкость при предусмотренном давлении (в данном случае 1-2 бар абс. (0,1-0,2 МПа)) и при температуре (в данном случае 130-140 °C) для удаления кислых газовых компонентов из абсорбирующей жидкости, инициируя циркуляцию регенерированной абсорбирующей жидкости в абсорбционную колонну. Сырьевой газ, из которого кислые газовые компоненты были удалены в установке 3 удаления кислого газа, подается в установку 4 удаления влаги.
[0028]
Установка 4 удаления влаги включает колонну для обезвоживания, заполненную влагопоглотителем (в данном случае молекулярное сито), который физически адсорбирует влагу. В установке 4 удаления влаги осуществляется дегидратация, благодаря чему влагосодержание в сырьевом газе предпочтительно составляет менее 0,1 об.ч/млн (объемных частей на миллион). Удаление влаги в сырьевом газе предотвращает проблемы, вызванные замораживанием или тому подобным в последующем процессе сжижения. Установка 4 удаления влаги может быть любой известной установкой (или конфигурацией), при условии, что она может удалять влагу в сырьевом газе до желаемого уровня или ниже. Сырьевой газ, из которого влага была удалена установкой 4 удаления влаги, подается в установку 5 удаления тяжелого компонента.
[0029]
Установка 5 удаления тяжелого компонента состоит преимущественно из ректификационной колонны, включающей в себя полки, и удаляет тяжелые компоненты, содержащиеся в сырьевом газе, которые имеют относительно высокие температуры замерзания; это означает, что концентрация каждого тяжелого компонента уменьшается до желаемого уровня или ниже. В ректификационной колонне жидкость, содержащая относительно высокие концентрации тяжелых компонентов, отводится из нижней части колонны. Кроме того, в ректификационной колонне сырьевой газ (легкий компонент (компоненты)), содержащий метан, который имеет низкую температуру кипения, в качестве основного компонента, отделяется в виде дистиллята для отведения из верхней части колонны. Отделенный сырьевой газ охлаждается (предварительно охлаждается) с помощью теплообмена с хладагентом в испарителе 16 для хладагента, как описано подробно ниже, и после этого вводится в установку 6 сжижения.
[0030]
Установка 6 сжижения представляет собой главный теплообменник для сжижения сырьевого газа, из которого ненужные компоненты, такие как кислые газы и тяжелые компоненты, были удалены, как описано выше, с помощью теплообмена со смешанным хладагентом. В этом случае, установка 6 сжижения состоит преимущественно из теплообменника спирального типа; то есть теплопередающие трубки (трубный пучок), в которых проходят сырьевой газ и смешанный хладагент, свернуты в форме спирали и помещены в оболочку. Однако, в установке 6 сжижения любая другая известная конфигурация, такая как теплообменник пластинчато-ребристого типа и тому подобное, может использоваться, при условии, что сжижение сырьевого газа является возможным. Сырьевой газ (СПГ), сжиженный при низкой температуре (примерно -162°C) с помощью установки 6 сжижения, подается и хранится в хранилище для СПГ (не показано).
[0031]
В установке 6 сжижения в настоящем варианте осуществления углеводородная смесь, включающая метан, этан и пропан, смешанные с азотом, используется в качестве смешанного хладагента для охлаждения сырьевого газа. Смешанный хладагент, однако, этим не ограничивается и может быть хладагентом сжижения, состоящим из других известных компонентов. Хотя это и не показано, установка 6 сжижения оснащена оборудованием (компрессором, конденсатором и тому подобным) для осуществления известного цикла хладагента (цикла охлаждения) для смешанного хладагента.
[0032]
Система 7 предварительного охлаждения преимущественно включает в себя компрессор 11 для сжатия хладагента предварительного охлаждения, конденсатор 12 для конденсации хладагента предварительного охлаждения, переохладитель 13 для переохлаждения хладагента предварительного охлаждения, устройство 14 охлаждения (первый теплообменник) для охлаждения хладагента предварительного охлаждения с помощью теплообмена с сырьевым газом, расширительный клапан 15 для дросселирования и расширения хладагента, и испаритель 16 (второй теплообменник) для охлаждения сырьевого газа с помощью теплообмена с хладагентом, благодаря чему система 7 предварительного охлаждения осуществляет цикл хладагента для предварительного охлаждения сырьевого газа, подлежащего сжижению в установке 6 сжижения. В этом случае, в качестве хладагента предварительного охлаждения используется пропан. Однако, хладагент предварительного охлаждения этим не ограничивается, и может использоваться любой другой известный компонент.
[0033]
Компрессор 11 представляет собой центробежный компрессор, который сжимает смешанный хладагент, который использовался для охлаждения сырьевого газа в испарителе 16. В данном случае, скорость потока смешанного хладагента, вводимого в компрессор 11 (то есть, для использования в цикле хладагента) составляет примерно 800000 кг/час, и температура и давление хладагента, сжатого компрессором 11, составляют примерно 70°С и примерно 30 бар абс. (3,0 МПа), соответственно.
[0034]
Хладагент предварительного охлаждения, который был сжат компрессором 11, конденсируется в конденсаторе 12 и дополнительно переохлаждается до примерно 30°C воздухом или водой в переохладителе 13. После этого, хладагент предварительного охлаждения поступает из переохладителя 13 в устройство 14 охлаждения, в котором осуществляется теплообмен между хладагентом предварительного охлаждения и сырьевым газом. За счет теплообмена в устройстве 14 охлаждения хладагент предварительного охлаждения охлаждается до примерно -10°C, в то время как сырьевой газ нагревается до примерно 25°C за счет теплоты хладагента предварительного охлаждения.
[0035]
После этого, хладагент предварительного охлаждения поступает из устройства 14 охлаждения в расширительный клапан 15, где хладагент предварительного охлаждения дросселируется и расширяется, демонстрируя низкую температуру и низкое давление (температура составляет примерно -50°C, и давление составляет примерно 3,5 бар абс. (0,35 МПа)). Далее, хладагент предварительного охлаждения подается из расширительного клапана 15 в испаритель 16, в котором осуществляется теплообмен между хладагентом предварительного охлаждения и сырьевым газом. За счет теплообмена в испарителе 16 хладагент предварительного охлаждения нагревается до примерно 10°C теплом сырьевого газа и испаряется, в то время как сырьевой газ охлаждается до примерно -40°C. Хладагент предварительного охлаждения из испарителя 16 подается снова в компрессор 11, так осуществляется циркуляция хладагента предварительного охлаждения.
[0036]
Как описано выше, в системе 1 сжижения, поскольку сырьевой газ, температура которого была понижена с помощью понижения давления в установке 2 понижения давления, нагревается путем теплообмена с хладагентом предварительного охлаждения в устройстве 14 охлаждения, - система позволяет повысить температуру сырьевого газа без (или при минимальной) дополнительной энергии, подаваемой извне, благодаря чему кислые газовые компоненты могут быть удалены из сырьевого газа после понижения давления сырьевого газа.
[0037]
Кроме того, в системе 1 сжижения, поскольку теплота охлаждения природного газа, создаваемая понижением давления на стороне входа, используется для охлаждения предварительно охлажденного хладагента, который предназначен для охлаждения сырьевого газа на стороне выхода (в этом случае, сырьевого газа, из которого были удалены тяжелые компоненты), нагрузка на компрессор 11 снижается, что дает еще одно преимущество, заключающееся в том, что энергоэффективность в цикле хладагента может быть повышена. Это позволяет снизить количество циркулирующего хладагента предварительного охлаждения в системе 7 предварительного охлаждения. В некоторых случаях переохладитель 13 может быть исключен. Кроме того, поскольку охлаждающая способность сырьевого газа улучшается за счет системы 7 предварительного охлаждения по сравнению со случаями, в которых устройство 14 охлаждения не используется, пропускная способность природного газа в системе 1 сжижения (то есть объем производства СПГ) может быть увеличена.
[0038]
В дополнение к этому, поскольку температура сырьевого газа повышается за счет теплообмена с хладагентом предварительного охлаждения, - энергопотребление снижается по сравнению со случаями, когда температура сырьевого газа повышается только с помощью нагревателя 8, предусмотренного к установке 3 удаления кислого газа, - нагреватель 8 может быть уменьшен в размерах, и в некоторых случаях нагреватель 8 может быть исключен. Также существует преимущество, заключающееся в том, что за счет повышения температуры сырьевого газа как путем теплообмена с хладагентом предварительного охлаждения, так и с помощью тепла от нагревателя 8, даже когда сырьевой газ недостаточно нагрет устройством 14 охлаждения, нагреватель 8 может использоваться для корректировки температуры сырьевого газа, подаваемого в установку 3 удаления кислого газа, до подходящего температурного диапазона.
[0039]
Хотя выше были описаны конкретные варианты осуществления, настоящее изобретение не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления. Все элементы способа и системы сжижения природного газа настоящего изобретения в вышеописанных вариантах осуществления необязательно являются существенными и могут быть соответствующим образом выбраны без отклонения от объема настоящего изобретения.
ГЛОССАРИЙ
[0040]
1 - система сжижения
2 - установка понижения давления
3 - установка удаления кислого газа
5 - установка удаления тяжелого компонента
6 - установка сжижения
7 - система предварительного охлаждения
8 - нагреватель (нагревательное устройство)
11 - компрессор
14 - устройство охлаждения (первый теплообменник)
15 - расширительный клапан
16 - испаритель (второй теплообменник)