Способ производства сжиженного природного газа на компрессорной станции магистрального газопровода
LIQUEFIED NATURAL GAS MANUFACTURING METHOD IN THE MAIN GAS PIPELINE COMPRESSOR STATION

Изобретение относится к технологиям производства сжиженного природного газа (СПГ) и может быть использовано для производства сжиженного природного газа на компрессорной станции (КС) магистрального газопровода.
Основные месторождения газа в России расположены на значительном расстоянии от крупных потребителей. Подача газа к ним осуществляется по магистральным газопроводам. Для транспортирования по магистральным газопроводам природного газа в достаточном количестве и на большие расстояния строят компрессорные станции (КС), которые устанавливаются на трассе газопровода через каждые 100÷200 км. КС - составная часть магистрального газопровода, предназначенная для обеспечения его расчетной пропускной способности за счет повышения давления газа на выходе КС. Целесообразно использовать имеющийся значительный перепад давлений природного газа, поступающего по магистральному газопроводу на КС, например, для производства сжиженного природного газа (СПГ).
Как правило, запатентованные технические решения по технологиям сжижения природного газа предлагают располагать установки по производству СПГ на газораспределительных станциях, что дает возможность использовать давление газа в газопроводе для реализации технологического цикла и тем самым исключить затраты на компрессоры и энергию для их привода. При реализации подобной схемы сжижается только часть газового потока, а оставшаяся часть с понижением давления направляется потребителю.
Однако, говоря о компрессорных станциях, необходимо отметить, что на выходе из КС давление газа обычно 55 60 атм., а в современных КС - до 120 атм. На входе около 40 атм., а в современных - до 85 атм. В итоге, имеется сжатый газ, энергию которого можно преобразовать в холод и получить сжиженный природный газ (СПГ). Организация производства СПГ на КС позволяет значительно увеличить энергоэффективность самого цикла производства СПГ за счет применения детандера с использованием газа, поступаемого от КС. Кроме этого, за счет дополнительного источника холода, полученного в детандере, увеличивается количество получаемого СПГ. Таким образом, одна из основных характеристик цикла сжижения - удельные энергозатраты на единицу продукта - значительно снижается и может достичь максимально положительного значения 0,21 кВт⋅ч/кг. При этом, применяемые на КС схемы цикла сжижения могут быть различные: дроссельные, детандерные, комбинированные и т.п.
Например, известен «Способ и устройство для охлаждения и/или ожижения углеводородного потока», защищенный патентом РФ №2499962, кл. F25J 1/02, опубл. 27.11.2013 г., при реализации которого поток углеводородов пропускают через несколько этапов охлаждения при помощи теплообменников, в которых испаряют жидкий хладагент.Также известно изобретение «Способ сжижения природного газа и устройство для его осуществления» по патенту РФ №2158400, кл. F25J 1/00, опубл. 27.10.2000 г., в котором способ включает разделение газа на два потока, очистку газа от примесей, охлаждение нерасширившегося газа в теплообменнике холодным газом из вихревой трубы, дросселирование газа и сбор сжиженного газа в накопительной емкости.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ ожижения природного газа по патенту РФ №2127855, кл. F25J 1/00, F25B 9/02, опубл. 20.03.1999 г., включающий разделение потока природного газа высокого давления на технологический и продукционный потоки, расширение технологического потока газа с понижением его температуры и возвращение его обратным потоком с охлаждением продукционного потока газа, дросселирование продукционного потока газа после его охлаждения с образованием парожидкостной смеси, разделение парожидкостной смеси на паровую и жидкостную фазы с последующим направлением в обратный поток несконденсировавшегося природного газа.
Основным недостатком известных технических решений является то, что при осуществлении технологического цикла процесса сжижения природного газа сохраняется достаточно высокое потребление электроэнергии.
Целью изобретения является повышение энергоэффективности процесса производства сжиженного природного газа, снижение удельных энергозатрат на единицу продукта, повышение термодинамической эффективности цикла сжижения.
Техническим результатом изобретения является разработка энергоэффективного способа, при котором процесс производства сжиженного природного газа осуществляют на компрессорной станции магистрального газопровода за счет использования сжатого газа КС.
Поставленная цель достигается тем, что способ производства сжиженного природного газа включает разделение потока природного газа на технологический и продукционный потоки, расширение технологического потока газа с понижением его температуры и возвращение его обратным потоком с охлаждением продукционного потока газа, дросселирование продукционного потока газа после его охлаждения с образованием парожидкостной смеси, разделение парожидкостной смеси на паровую и жидкостную фазы с последующим направлением в обратный поток несконденсировавшегося природного газа. Процесс сжижения организуют на компрессорной станции, используют для этого поток природного газа, поступающий на компрессорную станцию по магистральному газопроводу, при этом, замыкая цикл сжижения, сжимают обратный поток в компрессоре цикла и возвращают сжатый природный газ в цикл. Перед разделением потока в цикле сжижения, поток предварительно охлаждают в предварительном теплообменнике. Пополняя цикл, отбирают дополнительный поток природного газа от компрессора газоперекачивающего агрегата, расширяют дополнительный поток с понижением температуры и направляют в дополнительный теплообменник на охлаждение технологического потока, после чего пропускают через предварительный теплообменник и направляют в цикл сжижения. При этом регулируют расход дополнительного потока природного газа в соответствии с расходом сконденсировавшегося природного газа в цикле.
Такое осуществление способа производства сжиженного природного газа обеспечивает значительное повышение энергоэффективности получения СПГ за счет организации процесса производства на компрессорной станции магистрального газопровода и использования при этом сжатого газа КС. Кроме этого, отбираемый дополнительный поток природного газа от компрессора газоперекачивающего агрегата выступает дополнительным эффективным источником холода, тем самым значительно повышая термодинамическую эффективность процесса сжижения в целом.
Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее подробное описание и прилагаемый чертеж. На чертеже показана упрощенная блок-схема технологического процесса одного, но не ограничиваясь этим, конкретного конструктивного исполнения этого изобретения, иллюстрирующая процесс сжижения в соответствии с практическим применением этого изобретения. Различные требуемые вспомогательные системы, такие как клапаны, смесители потоков, системы регулирования и датчики исключены из чертежа в целях упрощения и ясности представления.
При реализации способа производства сжиженного природного газа процесс сжижения организуют на компрессорной станции магистрального газопровода. Поток природного газа отбирают из магистрального газопровода для направления его в цикл сжижения и разделяют поток природного газа на технологический и продукционный потоки. Далее, расширяют технологический поток газа с понижением его температуры и возвращают его обратным потоком с охлаждением продукционного потока газа. Охлаждают продукционный поток газа и дросселируют. Разделяют парожидкостную смесь на паровую и жидкостную фазы, при этом несконденсировавшийся природный газ направляют в обратный поток. После этого, замыкая цикл сжижения, сжимают обратный поток в компрессоре цикла и направляют сжатый природный газ на ожижение. Для предварительного охлаждения потоков, перед разделением этих потоков, устанавливают предварительный теплообменник. Отбирают дополнительный поток природного газа от компрессора газоперекачивающего агрегата, расширяют дополнительный поток с понижением температуры и направляют в дополнительный теплообменник 9 на охлаждение технологического потока, после чего пропускают через предварительный теплообменник и направляют в цикл сжижения. При осуществлении способа, измеряют и регулируют расход дополнительного потока природного газа в соответствии с расходом сконденсировавшегося природного газа в цикле.
В одном конкретном исполнении установка для реализации способа производства сжиженного природного газа на компрессорной станции магистрального газопровода работает следующим образом.
В данной установке предложена одна из многих возможных схем цикла сжижения - детандерная. Природный газ подают в КС из магистрального газопровода, разделяют поток природного газа на технологический и продукционный потоки. Технологический поток после охлаждения в дополнительном теплообменнике 9 направляют в детандер 4, расширяют и направляют обратным потоком в теплообменник 3 для охлаждения продукционного потока. Затем технологический поток поступает в предварительный теплообменник 2 и далее в компрессор 1 цикла. Продукционный поток охлаждается в теплообменниках 3, 5 и дросселируется посредством дросселя 6. Затем продукционный поток направляют в сепаратор 7, где разделяют образовавшуюся парожидкостную смесь на паровую и жидкостную фазы. Жидкостную фазу направляют потребителю сжиженного газа, а поток несконденсировавшегося природного газа обратным потоком подают через теплообменник 5 и соединяют с технологическим потоком. Обратный поток проходит через теплообменник 3 и предварительный теплообменник 2 и поступает на всасывание компрессора 1.
Вместе с этим, измеряют количество произведенного сжиженного газа и в соответствии с этим, пополняют цикл необходимым количеством природного газа организованным дополнительным потоком. Отбирают дополнительный поток природного газа от компрессора (на рисунке не показан) газоперекачивающего агрегата КС, расширяют дополнительный поток с понижением температуры в детандере 8 и направляют на охлаждение технологического потока в дополнительный теплообменник 9 для улучшения энергетических характеристик цикла. Далее, пропускают через предварительный теплообменник 2 и направляют в цикл сжижения для сохранения баланса масс.
В процессе разработки данного способа сжижения выполнены теплотехнические расчеты. Удельные энергозатраты на единицу продукта при реализации данного способа составляют 0,26 кВтч/кг СПГ. Параметры потока природного газа, рассчитанные при осуществлении данного способа сжижения, показаны в нижеприведенной таблице.
Таким образом, при осуществлении способа сжижения природного газа на компрессорной станции магистрального газопровода повышается термодинамическая эффективность цикла сжижения, значительно снижаются удельные энергозатраты на единицу продукта, повышается энергоэффективность процесса производства сжиженного природного газа.