Способ производства сжиженного природного газа на газораспределительной станции
LIQUEFIED NATURAL GAS PRODUCTION METHOD AT GAS DISTRIBUTION STATION

Изобретение относится к технологиям производства сжиженного природного газа (СПГ) и может быть использовано для производства сжиженного природного газа на газораспределительной станции (ГРС) магистрального газопровода.
Ведущими странами мира СПГ признан как один из самых перспективных видов энергоносителей на обозримое будущее. Мировой рынок торговли СПГ стал наиболее динамично развивающимся рынком углеводородов. В среднем его прирост составляет около 7% в год.
Получение СПГ является ключевым звеном в построении инфраструктуры производства, хранения, распределения и потребления сжиженного природного газа. Целесообразно размещать установки по получению СПГ на газораспределительных станциях, что позволяет использовать давление газа в магистральном газопроводе для реализации технологического цикла и тем самым исключить затраты на компрессоры и энергию для их привода.
Известна статья «Российские малотоннажные производства по сжижению природного газа», авторы А.Д. Кондратенко, А.Б. Карпов, A.M. Козлов, И.В. Мещерин, НефтеГазоХимия, 2016, №4, с. 31-32, в которой приведен способ работы установки, работающей по дроссельному циклу, для условий сжижения природного газа на ГРС «Никольская» Тосненского района Ленинградской области. Установка работает в рамках экспериментального комплекса по производству, хранению и отгрузке СПГ. Природный газ направляют последовательно через два теплообменных аппарата, в которых его охлаждают, после чего природный газ дросселируют и направляют в сепаратор, где отделяют СПГ. Основное преимущество известного способа, применяющего цикл внутреннего охлаждения, - весьма низкие энергозатраты на производство СПГ.
Наиболее близким техническим решением 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 реализуются процессы с недостаточной энергетической эффективностью, что отрицательно сказывается на величине коэффициента ожижения.
Целью изобретения является повышение энергетической эффективности процесса производства сжиженного природного газа, повышение термодинамической эффективности цикла сжижения.
Техническим результатом изобретения является разработка энергоэффективного способа производства сжиженного природного газа на ГРС с повышенной термодинамической эффективностью цикла сжижения.
Поставленная цель достигается тем, что способ производства сжиженного природного газа включает разделение прямого 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. Организуют цикл сжижения природного газа на газораспределительной станции, используют для этого природный газ высокого давления, поступающий по магистральному газопроводу, при этом, замыкая цикл сжижения, сжимают обратный поток в компрессоре цикла, после чего охлаждают в аппарате воздушного охлаждения и возвращают в цикл. Отбирают часть потока перед компрессором цикла и направляют для обеспечения работы газотурбинной электростанции. Продукционный поток перед дросселированием охлаждают последовательно в теплообменных аппаратах предварительного, основного и окончательного охлаждения, а технологический поток охлаждают последовательно в теплообменных аппаратах предварительного и основного охлаждения, расширяют и возвращают его в теплообменный аппарат окончательного охлаждения, после чего соединяют с обратным потоком перед нагревом обратного потока в теплообменных аппаратах основного и предварительного охлаждения. Отбирают дополнительный поток природного газа, пропускают через блок учета, осушают в блоке осушки, очищают в блоке очистки и делят на два потока: первый соединяют с прямым потоком цикла перед разделением на технологический и продукционный потоки, а второй охлаждают, расширяют в детандере и соединяют с обратным потоком перед нагревом обратного потока в теплообменных аппаратах основного и предварительного охлаждения. После блока осушки отбирают часть потока, нагревают посредством подогревателя газа и направляют на регенерацию адсорбента осушки, а после блока очистки отбирают часть потока, нагревают посредством подогревателя газа и направляют на регенерацию адсорбента очистки. Отбирают часть обратного потока газа перед компрессором цикла и направляют для обеспечения работы подогревателей газа. Отбирают электроэнергию, вырабатываемую детандером, и направляют на собственные нужды газораспределительной станции.
Такое осуществление способа производства сжиженного природного газа на ГРС обеспечивает значительное повышение энергетической эффективности получения СПГ за счет использования электроэнергии, вырабатываемой детандером, за счет использования части газового потока на нагрев адсорбента и обеспечения работы газотурбинной электростанции. Кроме этого, отбираемый дополнительный поток природного газа не только пополняет цикл, но и выступает дополнительным эффективным источником холода, тем самым повышая термодинамическую эффективность процесса сжижения.
При реализации способа производства сжиженного природного газа, процесс сжижения организуют на ГРС. Способ производства сжиженного природного газа включает разделение прямого 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. Организуют цикл сжижения природного газа на газораспределительной станции и используют для этого природный газ высокого давления, поступающий по магистральному газопроводу. Замыкая цикл сжижения, сжимают обратный поток в компрессоре цикла, после чего охлаждают в аппарате воздушного охлаждения и возвращают в цикл. Отбирают часть потока перед компрессором цикла и направляют для обеспечения работы газотурбинной электростанции. Продукционный поток перед дросселированием охлаждают последовательно в теплообменных аппаратах предварительного, основного и окончательного охлаждения, а технологический поток охлаждают последовательно в теплообменных аппаратах предварительного и основного охлаждения, расширяют и возвращают его в теплообменный аппарат окончательного охлаждения, после чего соединяют с обратным потоком перед нагревом обратного потока в теплообменных аппаратах основного и предварительного охлаждения. Отбирают дополнительный поток природного газа, пропускают через блок учета, осушают в блоке осушки, очищают в блоке очистки и делят на два потока: первый соединяют с прямым потоком цикла перед разделением на технологический и продукционный потоки, а второй охлаждают, расширяют в детандере и соединяют с обратным потоком перед нагревом обратного потока в теплообменных аппаратах основного и предварительного охлаждения. После блока осушки отбирают часть потока, нагревают посредством подогревателя газа и направляют на регенерацию адсорбента осушки, а после блока очистки отбирают часть потока, нагревают посредством подогревателя газа и направляют на регенерацию адсорбента очистки. Отбирают часть обратного потока газа перед компрессором цикла и направляют для обеспечения работы подогревателей газа. Отбирают электроэнергию, вырабатываемую детандером, и направляют на собственные нужды газораспределительной станции.
На чертеже, в соответствии с практическим применением этого изобретения, показана упрощенная блок-схема технологического процесса одного, но не ограничиваясь этим, возможного варианта осуществления способа сжижения природного газа на ГРС. Различные требуемые вспомогательные системы, такие как клапаны, смесители потоков, системы регулирования и датчики исключены из чертежа в целях упрощения и ясности представления.
На ГРС организуют цикл сжижения природного газа с прямым потоком, а дополнительным потоком 1 природного газа, отбираемым из магистрального газопровода, пополняют цикл для улучшения энергетических характеристик цикла и сохранения баланса масс.
Прямой поток природного газа с температурой +40°C и давлением 3230 кПа цикла сжижения разделяют на технологический и продукционный потоки.
Продукционный поток охлаждают в теплообменниках 7, 8, 10, соответственно, предварительного, основного и окончательного охлаждения до температуры минус 137°C и дросселируют посредством дросселя 13. Затем продукционный поток направляют в сепаратор 14, где разделяют образовавшуюся парожидкостную смесь на паровую и жидкостную фазы. Жидкостную фазу потоком 11 с температурой около минус 143°C и давлением 400 кПа направляют потребителю сжиженного газа. Поток несконденсировавшегося природного газа обратным потоком направляют на нагрев до температуры +36°C в теплообменниках 8, 7 и с давлением 340 кПа подают на всас компрессора 15 цикла. После сжатия в компрессоре 15 с последующим охлаждением в аппарате 16 воздушного охлаждения, поток природного газа возвращается в цикл сжижения. Для обеспечения работы газотурбинной электростанции 20 используют часть потока газа (поток 17), отбираемого перед компрессором 15 цикла из обратного потока. Газотурбинная электростанция 20 обеспечивает электроэнергией потребности завода СПГ и газораспределительной станции.
Технологический поток охлаждают в теплообменных аппаратах 7, 8 предварительного и основного охлаждения, направляют в дроссель 12, пропускают противотоком через теплообменник 10 окончательного охлаждения и с температурой минус 111,6°C и давлением 400 кПа соединяют с обратным потоком перед его нагревом в теплообменных аппаратах 8 и 7 основного и предварительного охлаждения.
С целью пополнения цикла, для улучшения его энергетических характеристик и сохранения баланса масс, отбирают дополнительный поток 1 природного газа, поступающий из магистрального газопровода с температурой +15°C и давлением 3230 кПа, пропускают дополнительный поток 1 через блок 2 учета, блок 3 осушки, блок 4 очистки. После блока 3 осушки отбирают часть потока газа (поток 18), нагревают посредством подогревателя 21 газа и направляют на регенерацию адсорбента осушки, а после блока 4 очистки отбирают часть потока газа (поток 19), нагревают посредством подогревателя 22 газа и направляют на регенерацию адсорбента очистки. Для обеспечения работы подогревателей 21 и 22 газа используют поток газа (поток 23), отбираемый перед компрессором 15 цикла из обратного потока.
Далее, дополнительный поток 1 делят на два потока: первый соединяют с прямым потоком цикла перед разделением на технологический и продукционный потоки, а второй охлаждают в теплообменном аппарате 7 предварительного охлаждения, расширяют в детандере 9 и, с температурой минус 120,4°C и давлением 400 кПа, соединяют с обратным потоком перед его нагревом в теплообменных аппаратах 8, 7 основного и предварительного охлаждения. В детандере 9 дополнительно вырабатывается электроэнергия, которую возвращают в сеть для питания энергоемкого оборудования, например, компрессоров, аппаратов воздушного охлаждения.
Таким образом, при осуществлении данного способа сжижения природного газа на ГРС реализуются процессы с высокой энергетической эффективностью и коэффициент ожижения продукционного потока близок к 100%. Кроме этого, охлаждение дополнительного потока 1 и расширение его в детандере 9 существенно улучшают энергетические (термодинамические) характеристики цикла сжижения. В целом, повышается энергоэффективность процесса производства сжиженного природного газа.