СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА, ВКЛЮЧАЮЩИЙ ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД
METHOD FOR LIQUEFYING A NATURAL GAS, INCLUDING A PHASE CHANGE

Настоящее изобретение относится к способу сжижения природного газа с целью получения сжиженного природного газа (СПГ). Еще более конкретно, настоящее изобретение относится к сжижению природного газа, который содержит главным образом метан, предпочтительно, по меньшей мере, 85% метана, вместе с его другими основными компонентами, выбранными из азота, C2-C4 алканов, а именно этана, пропана и бутана.
Настоящее изобретение также относится к установке для сжижения, расположенной на судне, или на плавающей в море опоре, или в открытом море, или в защищенной зоне, такой как порт, или представляющей собой установку на земле для размещения средних и крупных блоков сжижения природного газа.
2
Природный газ на основе метана является либо побочным продуктом нефтяного месторождения, производящимся в небольших или средних количествах, главным образом совместно с сырой нефтью, либо основным продуктом газового месторождения, где ее получают в комбинации с другими газами, в основном С2-С4 алканами, CO и азотом.
В том случае, когда небольшие количества газа сопутствуют сырой нефти, природный газ, как правило, обрабатывают и отделяют, а затем используют на месте газодобычи в качестве топлива в турбинах или поршневых двигателях для производства электроэнергии и тепла, применяющихся в способах добычи или разделения.
В случае, когда количество природного газа велико, или даже очень велико, желательно транспортировать газ так, чтобы он мог быть использован в отдаленных регионах, как правило, на других континентах, а для этой цели предпочтительным способом является транспортировка его в состоянии криогенной жидкости (-165°C), в основном при атмосферном давлении. Специализированные транспортные суда, известные как танкеры-метановозы, обладают танками очень больших размеров и экстремальной теплоизоляцией для того, чтобы ограничить испарение во время рейса.
Газ с целью транспортировки сжижают, как правило, в непосредственной близости от места, где он производится, главным образом, на земле, и эта операция требует крупных установок для достижения мощности нескольких тысяч (метрических) тонн (т) в год, причем крупнейшие из существующих в настоящее время заводов объединяют три или четыре блока сжижения, способные производить от 3 до 4 мегатонн (Мт) в год на блок сжижения.
Этот способ сжижения требует большого количества механической энергии, представляющей собой, как правило, ту механическую энергию, которая производится на месте газодобычи путем использования части газа с целью получения энергии, необходимой для способа сжижения. Эта часть газа затем используется в качестве топлива в газовых турбинах, в паровых котлах, или в поршневых двигателях внутреннего сгорания.
Было разработано несколько термодинамических циклов для оптимизации эффективности использования общей энергии. Существуют два основных типа цикла. Первый тип основан на сжатии и расширении жидкого хладагента с изменением фазы, а второй тип основан на сжатии и расширении газообразного хладагента без изменения фазы. Термины «жидкий хладагент» или «газообразный хладагент» используются для обозначения газа или смеси газов, циркулирующих в замкнутом контуре и подвергающихся стадиям сжатия и также, возможно, сжижения и обмена тепла с окружающей средой, а затем стадиям расширения и также, возможно, испарения; и, наконец, обмена тепла с предназначенным для сжижения метаносодержащим природным газом, который постепенно охлаждается, достигая температуры его сжижения при атмосферном давлении, т.е. примерно -165°C для сжиженного природного газа (СПГ).
Упомянутый выше первый тип цикла с изменением фазы, как правило, используется для установок с большой производственной мощностью, требующих большего количества оборудования. Кроме того, хладагенты, существующие, как правило, в виде смесей, образованы бутаном, пропаном, этаном и метаном, которые являются опасными газами, так как в случае утечки они приводят к риску возникновения взрывов или больших пожаров. Тем не менее, несмотря на сложность необходимого оборудования, они остаются наиболее эффективными и потребляют энергию около 0,3 киловатт-часов (кВт) на килограмм (кг) произведенного СПГ.
Были разработаны многочисленные варианты этого способа первого типа с фазовым изменением жидкого хладагента и различные поставщики технологий или оборудования имеют свои собственные составы смесей, связанные с конкретными единицами оборудования, как для так называемых «каскадных» процессов, в которых использующиеся разнообразные хладагенты представляют собой однокомпонентные жидкости и циркулируют в различных петлях циркуляционного контура, так и для так называемых «смешанных» циклических процессов, имеющих петли многокомпонентных хладагентов. Сложность установок возникает из-за того, что на стадиях, в которых хладагент находится в жидком состоянии, а более конкретно, в сепараторах и соединительных трубах, необходимо устанавливать самотечные коллекторы, также упоминаемые в данном документе как «сепараторные баки», для сбора жидкой фазы и отправки к сердечникам теплообменников, где она затем испаряется при соприкосновении с метаном для охлаждения и сжижения с целью получения СПГ.
Второй тип способа сжижения, т.е. способ без изменения фазы в газообразном хладагенте, содержит цикл Клода или обратный цикл Брайтона с использованием такого газа, как азот. Этот второй тип способа имеет ряд преимуществ с точки зрения безопасности, поскольку газообразный хладагент в этом цикле, как правило, азот, является инертным, и, следовательно, негорючим, а это весьма благоприятно, когда установки сосредоточены на небольшой площади, например, на палубе плавучей опоры, расположенной в открытом море, где такое оборудование часто устанавливается на множестве уровней, один над другим, и на площади, которая сводится к минимуму. Поэтому в случае утечки газообразного хладагента не возникает никакой опасности взрыва и в этом случае бывает достаточно инжектировать потерянную часть газообразного хладагента в контур. В противоположность первому типу способа, эффективность второго типа ниже, так как он, как правило, требует энергии порядка 0,5 кВт⋅ч на килограмм произведенного СПГ.
Несмотря на более низкую энергетическую эффективность способа сжижения без изменения фазы в газообразном хладагенте, он предпочтителен по отношению к способу с изменением фазы, так как способ с изменением фазы является более чувствительным к изменениям в составе газа для сжижения, а именно природного газа, состоящего из смеси, в которой преобладает метан. В цикле с изменением фазы жидкого хладагента, для того, чтобы гарантировать, что эффективность остается оптимизированной, хладагент должен быть адаптирован к характеру и составу газа для сжижения, а состав хладагента может нуждаться в изменении с течением времени в зависимости от изменений в составе смеси природного газа для сжижения, вызванных газовым месторождением. Для таких способов с изменением фазы применяют хладагенты, составленные из смеси компонентов.
В частности, задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа для сжижения природного газа с изменением фазы.
Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу сжижения природного газа, содержащего в основном метан, где упомянутый выше природный газ для сжижения подвергается сжижению посредством протекания потока этого газа, по меньшей мере, через один криогенный теплообменник в непрямом контакте, по меньшей мере, с одним первым потоком первого жидкого хладагента, содержащего первую смесь компонентов, текущую, по меньшей мере, через одну первую замкнутую петлю с изменением фазы, при этом первый поток первого жидкого хладагента входит в контур при температуре, по существу равной температуре Т0, при которой в вышеупомянутый первый теплообменник поступает природный газ, и под давлением Р1, проходит через теплообменник в прямотоке (параллельном потоке) с вышеупомянутым потоком природного газа и выходит из теплообменника в жидком состоянии, далее этот первый поток первого хладагента в жидком состоянии расширяется в первом детандере на холодном конце первого теплообменника до газообразного состояния под давлением Р'1, более низким, чем давление Р1, и при температуре Т1, более низкой, чем температура Т0, а затем покидает теплообменник через его горячий конец в газообразном состоянии и по существу при температуре Т0, после чего первый поток первого хладагента, находящегося в газообразном состоянии, повторно сжижается, по меньшей мере частично, и подается в горячее входное отверстие первого теплообменника, представляя собой подачу первого потока первого хладагента в жидком состоянии, который, таким образом, циркулирует в замкнутом контуре, причем сжижение первого потока первого хладагента, находящегося в газообразном состоянии, состоит, по меньшей мере, из сжатия его в компрессоре, за которым следует, по меньшей мере, конденсация его в конденсаторе, перед тем, как он будет подан, по существу под давлением Р1, во входное отверстие горячего конца первого теплообменника для теплообмена с первым потоком первого хладагента, находящегося в жидком состоянии.
Проблема вышеописанного способа с изменением фазы состоит в том, что состав смеси хладагента изменяется в зависимости от цикла, поскольку фракция более легких компонентов хладагентов имеет тенденцию улетучиваться и/или должна быть введена повторно, как описано ниже при подробном описании изобретения со ссылкой на Фиг. 1А и 1В.
Точнее, было обнаружено, что в таких способах конденсация газовой фазы в расположенных после второго конденсатора участках не является полной. Жидкость, покидающая второй конденсатор в ходе рециркуляции к горячему концу первого теплообменника, может находиться в двухфазном состоянии с малым содержанием газовой фазы, включающей газы, образованные легкими компонентами смеси хладагентов, а также жидкую фазу с более высокой концентрацией тяжелых компонентов. Это небольшое количество газа нельзя отделить или переработать простым способом и, следовательно, оно должно быть устранено. Результатом этого является изменение состава переработанного хладагента, находящегося в жидком виде, и, как следствие, приводит к увеличению низшей температуры Т1, которая может быть достигнута при испарении этого жидкого хладагента в корпусе теплообменника ЕС1. К сожалению, такое испарение является основным термодинамическим теплообменом, участвующим в данном цикле. Для того чтобы преодолеть этот нежелательный эффект и поддержать низшую температуру Т1, нужно увеличить уровень давления, что приводит к увеличению потребления энергии и, следовательно, к уменьшению общей эффективности установки, т.е., к увеличению потребленной энергии в единицах кВт⋅ч на килограмм произведенного сжиженного газа.
Патент US 4339253 описывает способ с изменением фазы, в котором возвращающийся в горячий конец теплообменника жидкий хладагент рециркулирует в двухфазном состоянии.
Патент ЕР 1132698 исследует повторное сжижение газа, испаряющегося из танка для сжиженного газа 4. С этой целью он предлагает смешивание этого испаряющегося газа с частью жидкого газа в пароохладителях 32-38 и 44-46 для того, чтобы вернуть газ в раствор. В патенте ЕР 1132698 конденсаторы на выходах из пароохладителей отсутствуют.
Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить способ сжижения природного газа с изменением фазы, как определено выше, причем этот способ является усовершенствованным, служащим в частности, для решения вышеуказанной проблемы.
Для того чтобы это выполнить, настоящее изобретение обеспечивает способ сжижения природного газа, содержащего большей частью метан, предпочтительно, по меньшей мере, 85% метана, и остальные компоненты, содержащие в основном азот и C2-C4 алканы, в котором упомянутый природный газ для сжижения подвергается сжижению посредством протекания этого газа под давлением Р0, большим или равным атмосферному давлению, предпочтительно, чтобы Р0 было выше атмосферного давления, по меньшей мере, через один криогенный теплообменник в непрямом контакте, по меньшей мере, с одним первым потоком первого жидкого хладагента, содержащего первую смесь соединений, циркулирующую, по меньшей мере, в одной первой замкнутой петле циркуляционного контура с изменением фазы, при этом первый поток первого жидкого хладагента входит в первый теплообменник через первое входное отверстие на «горячем» конце под давлением Р1 и температуре, по существу равной входной температуре Т0 природного газа, поступающего в первый теплообменник, далее хладагент проходит через теплообменник в параллельном потоке с упомянутым выше потоком газа и покидает его через «холодный» конец в жидком состоянии, этот первый поток первого хладагента в жидком состоянии расширяется с помощью первого детандера на холодном конце упомянутого первого теплообменника с целью возвращения в газообразное состояние под давлением Р'1, более низким, чем Р1, и при температуре Т1, более низкой, чем температура Т0, внутри первого теплообменника на его холодном конце, а затем покидает первый теплообменник через выходное отверстие на его горячем конце, находясь в газообразном состоянии и по существу при температуре Т0, затем первый поток первого хладагента в газообразном состоянии повторно сжижается, по меньшей мере, частично и поступает к первому входному отверстию на горячем конце первого теплообменника, представляя собой подачу упомянутого первого потока первого хладагента в жидком состоянии, который, таким образом, циркулирует в замкнутом контуре; причем сжижение первого потока первого хладагента, находящегося в газообразном состоянии, включает первое сжатие в первом компрессоре с последующей первой частичной конденсацией в первом конденсаторе и разделением фаз в первом сепараторном баке, разделяющем первую жидкую фазу первого хладагента и первую газообразную фазу первого хладагента, при этом первая жидкая фаза первого хладагента через нижнее выходное отверстие первого сепаратора подается с помощью насоса, по существу под давлением Р1, по меньшей мере, частично в первое входное отверстие на горячем конце первого теплообменника, представляя собой первый поток первого хладагента в жидком состоянии, а упомянутая выше первая газообразная фаза первого хладагента через верхнее выходное отверстие первого сепаратора нагнетается по существу под давлением Р1 при помощи второго компрессора, а затем конденсируется, по меньшей мере, частично во втором конденсаторе, предпочтительно после того, как смешивается, по меньшей мере, с одной частью первой жидкой фазы первого хладагента.
Согласно настоящему изобретению первая газообразная фаза первого хладагента на выходе из второго компрессора охлаждается в пароохладителе посредством вхождения ее в контакт с частью первой жидкой фазы первого хладагента на выходе из первого сепаратора, при этом перед конденсацией во втором конденсаторе данная часть первой жидкой фазы первого хладагента микронизируется и испаряется, предпочтительно полностью испаряется, внутри данного пароохладителя.
Предпочтительно, чтобы упомянутая часть первой жидкой фазы первого хладагента составляла менее 10% от массы потока, более предпочтительно от 2% до 5% массы общего потока первой суммарной жидкой фазы первого хладагента, с тем, чтобы полностью испариться внутри пароохладителя таким образом, что первый хладагент на выходе из этого пароохладителя находится полностью в газообразной фазе перед тем, как он, по меньшей мере, частично конденсируется во втором конденсаторе, при этом поток упомянутой части первой жидкой фазы первого хладагента регулируется с помощью, по меньшей мере, одного регулирующего клапана.
Испарение первого и второго потоков первого хладагента при помощи первого и второго детандеров составляет основную часть теплообмена внутри первого криогенного теплообменника с охлаждением первого и второго потоков первого хладагента, находящегося в газообразном состоянии внутри первого теплообменника, и поглощением тепла, а также с охлаждением потоков природного газа до температуры Т1, более низкой, чем Т0, и с охлаждением за счет этого первого и второго потоков первого хладагента, находящихся в жидком состоянии.
Микронизация (также известная как «распыление») первой жидкой фазы первого хладагента увеличивает площадь контакта между частицами жидкости и газа, в котором распыляется указанная жидкая фаза, тем самым повышая ее испарение и поглощение тепла, а также охлаждая первую газообразную фазу первого хладагента. Микронизация регулируемого количества, составляющего небольшую часть первой жидкой фазы первого хладагента, позволяет ему таким образом полностью преобразоваться в газообразное состояние и охлаждает первую газообразную фазу первого хладагента, который полностью остается в газообразном состоянии. Предварительное охлаждение этой газообразной фазы первого хладагента посредством смешивания ее с частью жидкой фазы, микронизированной в пароохладителе, обладает тем преимуществом, что дает возможность сконденсировать во втором конденсаторе значительно большую часть газовой фазы и может позволить сконденсировать всю ее.
Кроме того, упомянутая первая газообразная фаза первого хладагента на выходе из первого сепараторного бака легче конденсируется во втором конденсаторе вслед за смешиванием ее, по меньшей мере, с одной частью первой жидкой фазы первого хладагента после микронизации и испарения, так как образующаяся газообразная фаза конденсируется при более высокой температуре и при более низком давлении, чем температура и давление, необходимые согласно предшествующему уровню техники, и, таким образом, требует меньше энергии для запуска второго компрессора.
В первой форме осуществления настоящего изобретения, как описано более полно ниже со ссылкой на Фиг. 3, упомянутая выше газообразная фаза первого хладагента, охлаждающаяся на выходе из пароохладителя, частично конденсируется во втором конденсаторе, а затем происходит второе разделение фаз во втором сепараторном баке, разделяющем вторую жидкую фазу первого хладагента и вторую газообразную фазу первого хладагента, причем вторая жидкая фаза первого хладагента в нижнем выходном отверстии второго сепараторного бака смешивается с остатком первой жидкой фазы первого хладагента и поступает в первое входное отверстие на горячем конце первого теплообменника, образуя первый поток первого хладагента в жидком состоянии по существу при температуре Т0 и под давлением Р1, а вторая газообразная фаза в верхнем выходном отверстии второго сепараторного бака, поступая под давлением Р1 и при температуре, по существу равной Т0, ко второму входному отверстию на горячем конце первого теплообменника, образует второй поток первого хладагента, который проходит через указанный первый теплообменник в газообразном состоянии в параллельном потоке с потоком природного газа и выходит из него в газообразном состоянии, а затем расширяется при помощи второго детандера на холодном конце первого теплообменника, возвращаясь в газообразное состояние под давлением Р'1, более низким, чем Р1, и при температуре Т1, более низкой, чем Т0, внутри первого теплообменника на его холодном конце, и потом выходит через выходное отверстие на его горячем конце в газообразном состоянии и по существу при температуре Т0, поступая далее к первому компрессору вместе с первым потоком первого хладагента в газообразном состоянии через выходное отверстие на горячем конце первого теплообменника.
Описанная выше форма осуществления настоящего изобретения (Фиг. 3) является предпочтительной, поскольку, во-первых, позволяет смешивать первую жидкую фазу первого хладагента с образованием вышеупомянутого первого потока в условиях хорошей стабильности, а во-вторых, не требует использования общего конденсатора.
Во второй форме осуществления настоящего изобретения, которая описана более подробно ниже со ссылкой на Фиг. 2, газообразная фаза первого хладагента охлажденная в пароохладителе, полностью конденсируется во втором конденсаторе, а затем поступает в жидком состоянии по существу под давлением Р1 и при температуре Т0 к горячему концу первого теплообменника для того, чтобы пройти через первый теплообменник в параллельном потоке с потоком природного газа, смешанного с первым потоком первого хладагента, находящегося в жидком состоянии, или, предпочтительно, для того, чтобы сформировать второй поток первого хладагента, находящегося в жидком состоянии, проходящий через первый теплообменник в параллельном потоке с вышеупомянутым потоком природного газа и выходящий из него в жидком состоянии, и далее расширяющийся при помощи второго детандера на холодном конце первого теплообменника с целью возвращения в газообразное состоянии под давлением Р'1, более низким, чем Р1, и температуре Т1, более низкой, чем Т0, внутри первого теплообменника на его холодном конце, а затем выходящий из теплообменника через его выходное отверстие на горячем конце в газообразном состоянии и по существу при температуре Т0, поступая в первый компрессор с первым потоком первого хладагента в газообразном состоянии через выходное отверстие на горячем конце первого теплообменника.
Еще более конкретно, природный газ, выходящий на холодном конце первого теплообменника при температуре, по существу равной Т1, охлаждается и, по меньшей мере, частично сжижается, по меньшей мере, в одном втором криогенном теплообменнике, в котором данный природный газ для сжижения сжижается посредством протекания потока этого природного газа в непрямом контакте, по меньшей мере, с одним первым потоком второго хладагента, содержащим вторую смесь соединений, текущую, по меньшей мере в одной второй замкнутой петле циркуляционного контура с изменением фазы, причем второй поток хладагента входит во второй теплообменник через первое входное отверстие на «горячем» конце второго теплообменника при температуре, по существу равной Т1, и под давлением Р2, проходя через данный второй теплообменник в параллельном потоке с потоком природного газа, и выходит из него при этой же температуре в жидком состоянии на «холодном» конце второго теплообменника, причем первый поток второго хладагента, находящегося в жидком состоянии, расширяется при помощи третьего детандера на холодном конце второго теплообменника с целью возвращения в газообразное состояние под давлением Р'2, более низким, чем Р2, и температуре Т2, более низкой, чем Т1, внутри второго теплообменника на его холодном конце, а затем выходит через выходное отверстие на горячем конце второго теплообменника в газообразном состоянии по существу при температуре Т1; после этого первый поток второго хладагента, находящегося в газообразном состоянии, частично вновь сжижается и поступает к входному отверстию на горячем конце второго теплообменника, представляя собой подачу первого потока второго хладагента в жидком состоянии, который таким образом циркулирует в замкнутом контуре, при этом сжижение первого потока второго хладагента, находящегося в газообразном состоянии, включает сжатие до уровня давления, равного Р2, при помощи третьего компрессора, а затем охлаждение по существу до температуры Т0 в охлаждающем теплообменнике, затем первый поток второго хладагента, находящийся в газообразном состоянии, поступает к входному отверстию на горячем конце первого теплообменника, через который он проходит, выходя на его холодном конце в частично сжиженном состоянии по существу при температуре Т1, а затем подвергается разделению фаз в третьем сепараторном баке, разделяющем жидкую фазу второго хладагента и газовую фазу второго хладагента, причем жидкая фаза второго хладагента через нижнее выходное отверстие третьего сепаратора поступает по существу при температуре Т1 и под давлением Р2 к первому входному отверстию на горячем конце второго теплообменника, формируя первый поток второго хладагента в жидком состоянии, а газообразная фаза второго хладагента через верхнее выходное отверстие третьего сепаратора поступает ко второму входному отверстию на горячем конце второго теплообменника по существу при температуре Т1 и под давлением Р2, образуя второй поток второго хладагента, проходящий через второй теплообменник в газообразном состоянии и выходящий на холодном конце второго теплообменника, перед тем, как выйти через выходное отверстие на горячем конце второго теплообменника и поступить к третьему компрессору вместе с первым потоком второго хладагента, находящегося в газообразном состоянии, предпочтительно смешавшись с ним.
В предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения, природный газ, выходящий на холодном конце второго теплообменника при температуре, по существу равной Т2, и частично сжиженный, охлаждается и полностью сжижается при температуре Т3, более низкой, чем температура Т2, по меньшей мере, в одном третьем криогенном теплообменнике, в котором этот природный газ течет в непрямом контакте в параллельном потоке, по меньшей мере, с одним третьим потоком второго хладагента, питаемым вторым потоком второго хладагента, находящимся в газообразном состоянии, который выходит с холодного конца второго теплообменника по существу при температуре Т2 и давлении Р2, этот третий поток второго хладагента, проходящий в газообразном состоянии через третий теплообменник в параллельном потоке с потоком сжиженного природного газа и выходящий из него по существу в газообразном состоянии, расширяется в четвертом детандере на холодном конце третьего теплообменника, возвращаясь в газообразное состояние под давлением Р2', более низким, чем Р2, и температуре Т3, более низкой, чем температура Т2, внутри третьего теплообменника на его холодном конце, а затем выходит из него через отверстие на его горячем конце в газообразном состоянии и по существу при температуре Т2, поступая затем в отверстие на холодном конце второго теплообменника и покидая его через отверстие на горячем конце этого второго теплообменника, с тем, чтобы поступить в указанный третий компрессор вместе с первым потоком второго хладагента, находящегося в газообразном состоянии, предпочтительно смешавшись вместе с ним.
Согласно другому специфическому признаку настоящего изобретения упомянутые детандеры содержат клапаны с таким процентным соотношением открытия, которое подходит для того, чтобы их регулировали в режиме реального времени.
Также, более конкретно, соединения природного газа и жидкого хладагента выбирают из метана, азота, этана, этилена, пропана, бутана и пентана.
Еще более конкретно, содержание соединений из состава природного газа для сжижения, составляя в сумме 100%, находится в следующих диапазонах:
- метана от 80% до 100%;
- азота от 0% до 20%;
- этана от 0% до 20%;
- пропана от 0% до 20%; и
- бутана от 0% до 20%.
Еще более конкретно, содержание соединений из состава жидких хладагентов, составляя в сумме 100%, находится в следующих диапазонах:
- метана от 2% до 50%;
- азота от 0% до 10%;
- этана и/или этилена от 20% до 75%;
- пропана от 5% до 20%;
- бутана от 0% до 30%; и
- пентана от 0% до 10%.
Также, более конкретно, температура имеет следующие значения:
- Т0: от 10°C до 60°C;
- Т1: от -30°C до -70°C;
- Т2: от -100°C до -140°C; и
- Т3: от -160°C до -170°C.
Также, более конкретно, давление имеет следующие значения:
- Р0: от 0,5 МПа до 10 МПа (от 5 бар до 100 бар);
- Р1: от 1,5 МПа до 10 МПа (от 15 бар до 100 бар); и
- Р2: от 2,5 МПа до 10 МПа (от 25 бар до 100 бар).
Предпочтительно, способ по настоящему изобретению осуществляют на поверхности плавучей опоры.
Настоящее изобретение также предусматривает установку на поверхности плавучей опоры для выполнения способа по настоящему изобретению, причем эта установка отличается тем, что она содержит:
- по меньшей мере, один упомянутый выше первый теплообменник, содержащий, по меньшей мере:
- первый трубопровод для потока, проходящий через первый теплообменник и пригодный для того, чтобы первый поток первого хладагента в жидком состоянии протекал по нему;
- второй трубопровод для потока, проходящий через первый теплообменник и пригодный для того, чтобы второй поток первого хладагента в газообразном или жидком состоянии протекал по нему; и
- третий трубопровод, проходящий через первый теплообменник и пригодный для того, чтобы природный газ для сжижения протекал по нему;
- первый детандер между холодным выходным отверстием вышеупомянутого первого трубопровода и первым входным отверстием на холодном конце корпуса первого теплообменника;
- второй детандер между холодным выходным отверстием вышеупомянутого второго трубопровода и вторым входным отверстием на холодном конце корпуса первого теплообменника;
- первый компрессор с соединительной трубой между выходным отверстием на горячем конце корпуса первого теплообменника и входным отверстием данного первого компрессора;
- первый конденсатор с соединительной трубой между выходным отверстием первого компрессора и входным отверстием данного первого конденсатора;
- первый сепараторный бак с соединительной трубой между выходным отверстием первого конденсатора и данным первым сепараторным баком;
- второй компрессор с соединительной трубой между верхним выходным отверстием первого сепараторного бака и входным отверстием второго компрессора;
- пароохладитель с соединительной трубой между выходным отверстием второго компрессора и входным отверстием для доступа газа в этот пароохладитель;
- второй конденсатор с соединительной трубой между выходным отверстием этого пароохладителя и вторым конденсатором;
- насос, имеющий соединительную трубу между нижним выходным отверстием первого сепараторного бака и этим насосом и соединительную трубу, снабженную первым клапаном между выходным отверстием этого насоса и входным отверстием для доступа жидкости в пароохладитель;
- соединительную трубу между выходным отверстием упомянутого выше насоса и входным отверстием первого трубопровода для первого хладагента; и
- соединительную трубу между выходным отверстием второго конденсатора и входным отверстием второго трубопровода для первого хладагента.
В частности, установка в соответствии с настоящим изобретением дополнительно содержит:
- второй сепараторный бак с соединительной трубой между выходным отверстием второго конденсатора и этим вторым сепараторным баком;
- соединительную трубу между верхним выходным отверстием второго сепараторного бака и входным отверстием второго трубопровода для первого хладагента;
- соединительную трубу между нижним выходным отверстием второго сепараторного бака и входным отверстием первого трубопровода для первого хладагента; и
- соединительную трубу, снабженную вторым клапаном между, во-первых, выходным отверстием упомянутого выше насоса, расположенного на предыдущем по отношению к первому клапану участке, а во-вторых, соединением при помощи этой соединительной трубы нижнего выходного отверстия второго сепараторного бака и входного отверстия первого трубопровода для первого хладагента,
Более конкретно, установка по настоящему изобретению дополнительно содержит:
- четвертый трубопровод, проходящий через первый теплообменник и пригодный для того, чтобы второй поток второго хладагента в газообразном или жидком состоянии протекал по нему;
- второй криогенный теплообменник, содержащий:
- первый трубопровод, проходящий через второй теплообменник и пригодный для того, чтобы первый поток второго хладагента в жидком состоянии протекал по нему;
- второй трубопровод, проходящий через второй теплообменник и пригодный для того, чтобы второй поток второго хладагента в газообразном состоянии непрерывно протекал по нему;
- третий трубопровод, проходящий через второй теплообменник и пригодный для того, чтобы природный газ для сжижения непрерывно протекал через этот третий трубопровод, проходящий также через первый теплообменник;
- третий теплообменник, содержащий:
- первый трубопровод, проходящий через этот третий теплообменник и пригодный для того, чтобы дать возможность второму потоку второго хладагента в газообразном состоянии непрерывно протекать через вышеупомянутый второй трубопровод, проходящий через второй теплообменник; и
- второй трубопровод, проходящий через третий теплообменник и пригодный для того, чтобы дать возможность природному газу для сжижения непрерывно протекать через третий трубопровод, проходящий через второй теплообменник; и
- третий сепараторный бак;
- соединительную трубу между холодным концом упомянутого выше четвертого трубопровода первого теплообменника и этим третьим сепараторным баком;
- соединительную трубу между нижним выходным отверстием третьего сепараторного бака и выходным отверстием на горячем конце второго теплообменника;
- соединительную трубу между верхним выходным отверстием третьего сепараторного бака и горячим концом второго трубопровода второго теплообменника;
- третий детандер между холодным выходным отверстием первого трубопровода во втором теплообменнике и первым входным отверстием на холодном конце корпуса второго теплообменника;
- третий компрессор с соединительной трубой между выходным отверстием на горячем конце корпуса второго теплообменника и входным отверстием во втором компрессоре;
- теплообменник для охлаждения газа с соединительной трубой между выходным отверстием второго компрессора и входным отверстием данного теплообменника для охлаждения газа;
- соединительную трубу между верхним выходным отверстием данного теплообменника для охлаждения газа и входным отверстием на горячем конце четвертого трубопровода первого теплообменника;
- четвертый детандер между холодным концом первого трубопровода третьего теплообменника и первым входным отверстием на холодном конце корпуса третьего теплообменника; и
- соединительную трубу между выходным отверстием на горячем конце корпуса третьего теплообменника и вторым входным отверстием на холодном конце корпуса второго теплообменника.
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут ясны в свете следующего ниже подробного описания различных форм осуществления настоящего изобретения, приведенных со ссылкой на следующие фигуры:
Фиг. 1А представляет собой схему стандартного двухпетлевого способа сжижения с изменением фазы, в котором используются змеевиковые криогенные теплообменники;
На Фиг. 1В показан вариант Фиг. 1А, в котором второй и третий криогенные теплообменники С2 и С3 неразрывно связаны и представляют собой тип теплоизолированного кожуха, называемый «холодный отсек» (изготовленный из спаянных алюминиевых пластин);
Фиг. 2 представляет собой схему способа сжижения по настоящему изобретению, включающую цикл в первой петле охлаждения для возврата части хладагента, находящейся в жидком состоянии, в часть хладагента, находящуюся в газообразном состоянии в пароохладителе, расположенном на предыдущем по отношению к конденсатору для жидкого хладагента участке;
Фиг. 2А представляет собой вид в разрезе сбоку, показывающий детали пароохладителя, изображенного на Фиг. 2; и
На Фиг. 3 показана схема способа сжижения в предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения, включающая сепараторные баки для жидкой фазы и газовой фазы в первичном контуре охлаждения на нижеследующих по отношению к конденсатору из Фиг. 2 участках, причем сам он расположен на нижеследующем участке по отношению к пароохладителю.
Фиг. 1А представляет собой схему технологического процесса (СТП), т.е. схему, показывающую потоки в стандартном двухпетлевом способе сжижения с изменением фазы, известном как способ с использованием смешанного двойного хладагента (СДХ), где в качестве хладагентов используют смеси газов, каждый из которых является специфичным для одной из указанных двух петель и которые именуют, соответственно, как первый хладагент и второй хладагент, причем эти две петли являются полностью независимыми друг от друга.
Природный газ поступает в трубопроводы, имеющие форму змеевика Sg, последовательно проходя через три подряд соединенных друг с другом криогенных теплообменника ЕС1, ЕС2, и ЕС3. Природный газ поступает на участке АА первого криогенного теплообменника ЕС1 при температуре Т0, большей, чем температура окружающей среды, или по существу равной ей, и под давлением Р0, лежащем в диапазоне от 20 до 50 бар (от 2 мегапаскалей (МПа) до 5 МПа). Природный газ выходит на участке ВВ примерно при Т1=-50°C. В этом теплообменнике ЕС1 природный газ охлаждается, но остается в газообразном состоянии. После этого он переходит на участок СС второго криогенного теплообменника ЕС2 при температуре, лежащей в диапазоне от примерно Т1=-50°C на его горячем конце СС до примерно Т2=-120°C на его холодном конце DD. В этом втором теплообменнике ЕС2 весь природный газ становится сжиженным (СПГ) при температуре примерно Т2=-120°C. После этого СПГ переходит на участок ЕЕ третьего криогенного теплообменника ЕС3. В этом третьем теплообменнике ЕС3 СПГ охлаждается до температуры Т3=-165°C, что позволяет СПГ опуститься в нижнюю часть участка FF, а затем дает возможность понизить давление над ним на участке GG установки таким образом, чтобы в итоге иметь возможность хранить СПГ в жидком виде под атмосферным давлением, то есть под абсолютным давлением примерно 1 бар (т.е. примерно 0,1 МПа). Во время такого прохождения газа вдоль контура Sg через различные теплообменники природный газ охлаждается, передавая тепло хладагенту, который в свою очередь нагревается путем испарения, как описано ниже, и должен непрерывно подвергаться термодинамическим циклам с изменением фазы для того, чтобы иметь возможность непрерывно отбирать тепло у природного газа, поступающего на участок АА.
Таким образом, прохождение газа показано в левой части СТП, где этот природный газ течет вниз вдоль контура Sg, причем его температура снижается при этом движении вниз от температуры Т0, которая по существу равна температуре окружающей среды наверху участка АА, до температуры Т3, равной примерно -165°C внизу участка FF; давление по существу равно Р0 на уровне FF холодного выходного отверстия криогенного теплообменника ЕС3.
На Фиг. от 1 до 3 с целью наглядности объяснения холодные концы теплообменников расположены физически ближе к нижним концам этих теплообменников, и наоборот, горячие концы теплообменников находятся в их верхних концах. Кроме того, для наглядности объяснения различные фазы охлаждающих жидкостей представлены следующим образом:
- жидкие фазы представлены жирными линиями;
- газообразные фазы представлены пунктирными линиями; и
- двухфазные фазы представлены с использованием обычных линий.
В правой части СТП показаны термодинамические циклы, которым хладагент подвергаться в двух петлях, как описано ниже.
В общепринятом порядке криогенные теплообменники ЕС1, ЕС2 и ЕС3 образованы, по меньшей мере, двумя контурами текучих сред, которые расположены рядом друг с другом, но текучие среды в этих контурах не сообщаются между собой, а обмениваются теплом через теплообменник вдоль всего их прохождения. Для различных отраслей промышленности были разработаны многочисленные типы теплообменников, а в контексте криогенных теплообменников известны два основных их типа: во-первых, змеевиковые теплообменники и, во-вторых, теплообменники с использованием спаянных алюминиевых пластин, обычно упоминающиеся как «холодные отсеки».
Описание изобретения со ссылкой на Фиг. 1А, 2 и 3 упоминает змеевиковые теплообменники ЕС1, ЕС2 и ЕС3. Змеевиковые теплообменники этого типа известны специалистам в данной области и продаются компаниями-поставщиками Linde (Германия) или Five Cryogénie (Франция). Такие теплообменники содержат герметичный и теплоизолированный корпус 6, а природный газ и хладагенты текут в них по трубам Sg, S1 и S2, имеющим форму змеевиков, причем эти змеевики расположены в упомянутом выше корпусе, который является герметичным и теплоизолированным по отношению к внешней среде таким образом, что теплообмен между внутренним объемом корпуса и различными змеевиками происходит с минимальными потерями тепла наружу, то есть, в окружающую среду. Кроме того, газы и жидкости могут соответственно расширяться или испаряться непосредственно внутри корпуса, а не в трубопроводе внутри корпуса, как описано ниже.
На Фиг. 1В показан вариант Фиг. 1А, в котором криогенные теплообменники представляют собой теплообменники пластинчатого типа: все контуры находятся в тепловом контакте друг с другом для того, чтобы происходил теплообмен, но герметичный и теплоизолированный корпус 6 нужен лишь для того, чтобы термически изолировать различные трубопроводы, которые он содержит, непосредственно в него никаких текучих сред не вводят, таким образом, смешивание всех текучих сред, которые протекают по нему, предотвращено. Эти теплообменники типа «холодные отсеки» известны специалистам в данной области техники и продаются компанией-поставщиком Chart (США).
Способ содержит первую петлю, упоминаемую как первая петля или петля первичного смешанного хладагента (ПСХ), которая состоит в следующем. Первый поток первого хладагента d1 поступает в первый криогенный теплообменник ЕС1 на его холодном конце АА в точке АА1, где его температура по существу равна Т0 и под давлением Р1, причем давление Р1 находится, например, в диапазоне от 1,5 МПа до 10 МПа. Этот первый хладагент проходит в жидком состоянии в первый теплообменник ЕС1 в первую трубу, имеющую форму змеевика S1. Первый поток хладагента выходит из теплообменника ЕС1 на участке ВВ при температуре Т1 равной примерно -50°C, перед тем, как он направиться к первому детандеру D1, который снабжен клапаном с сервоприводом, причем данный клапан сообщается через отверстие ВВ1 с внутренней частью корпуса 6 первого теплообменника ЕС1 на холодном конце этого теплообменника ЕС1. Ввиду расширения до уровня давления Р'1, более низкого, чем Р1, где значение Р'1 лежит, в частности, в диапазоне от 2 МПа до 5 МПа, жидкость первого хладагента испаряется, поглощая тепло из контура природного газа Sg и из других контуров первой петли внутри первого теплообменника, как описано ниже, а также, в случае необходимости, тепло от трубопровода, образующего часть второй петли, как описано ниже, или даже из других петель при использовании нескольких петель, которые называют контурами множественного смешанного хладагента (МСХ).
Первый хладагент в газообразном состоянии проходит от ВВ1 через корпус в противотоке и выходит из корпуса первого теплообменника ЕС1 в отверстие АА3 на его горячем конце АА все еще будучи в газообразном состоянии и при температуре по существу равной Т0. Этот первый поток хладагента, находящегося в газообразном состоянии, затем повторно сжижается и поступает к горячему входному отверстию АА1 первого теплообменника ЕС1, для того, чтобы образовать подачу первого потока первого хладагента в жидком состоянии внутрь трубопровода S1, циркулируя таким образом по замкнутому контуру.
С этой целью поток первого хладагента, выходящий из холодного конца корпуса первого теплообменника ЕС1 через отверстие АА3 все еще в газообразном состоянии, сначала подвергается сжатию в первом компрессоре С1 от давления Р'1 до давления Рʺ1, где значение Рʺ1 лежит в диапазоне от Р'1 до Р1, а затем частично конденсируется в первом конденсаторе Н0. Двухфазная смесь первого хладагента, выходящего из первого конденсатора Н0, подвергается разделению фаз в первом сепараторном баке R1. Первая жидкая фаза первого хладагента извлекается из нижней части первого сепараторного бака R1 и перенаправляется в виде потока d1a под давлением по существу равным Р1 посредством насоса РР на вход второго конденсатора Н1. Газовая фаза первого хладагента извлекается из верхней части сепараторного бака R1 и нагнетается под давлением, по существу равным Р1, как поток d1b вторым компрессором С1А, причем температура на выходе из указанного компрессора равна примерно от 80°C до 90°C. Для облегчения конденсации этой газообразной фазы d1b, ее смешивают с жидкой фазой d1a перед введением двухфазной смеси d1, которая получена во втором конденсаторе Н1.
В известном из уровня техники способе, показанном на Фиг. 1А и 1В, конденсация газовой фазы на выходе из второго конденсатора Н1 не является полной и текучая среда, выходящая из него, все еще может быть двухфазной текучей средой. Газ, который она содержит, приводит к повышению давления хладагента. Однако поскольку трубы предназначены для работы при некотором заданном максимальном давлении, то обычно устанавливается предохранительный клапан, который рассчитан на давление несколько ниже предельного давления, выдерживаемого трубами; этот клапан (не показан) соединен с факелом 5, служащим для удаления выпускаемого газа путем сжигания, учитывая, что его количества, находящиеся в петле, малы по сравнению с массой хладагента. Это порождает проблему, так как та часть газа, которая направляется в факел, богаче более легкими компонентами смеси, составляющими первый хладагент, что приводит к изменению состава смеси хладагента и, следовательно, изменению низшей температуры Т1, которая достигается при испарении жидкого хладагента в первом детандере D1 внутри корпуса первого теплообменника ЕС1.
В этой первичной петле состав охлаждающей смеси, как правило, определяется в виде алкановых компонентов С1, С2, С3 и С4 способом, описанным ниже, для достижения низшей температуры Т1, равной примерно -50°C. Однако как только наиболее легкая часть компонентов устраняется, состав смеси изменяется, и тогда ее низшая температура Т1 становится равна -40°C или -45°C, или даже -35°C. Это приводит к снижению эффективности первичной петли и, следовательно, к снижению общей эффективности способа сжижения.
В усовершенствованной форме способа, показанного на Фиг. 1А и 1В, на нижеследующем по отношению к конденсатору Н1 участке включают дополнительный сборный резервуар R'1 (не показан) с функцией приема жидкой фазы, а в случае необходимости с функцией приема многофазной фазы, так, что газ, содержащийся в многофазной фазе, собирается в верхней части этого сборного резервуара, где он улавливается, а жидкая фаза, содержащаяся в R'1, собирается со дна сборного резервуара и направляется к ЕС1. Если количество газа в резервуаре R'1 возрастает, то давление в R'1 увеличивается и данный газ конденсируется, а перед загрузкой в криогенный теплообменник ЕС1 смешивается с жидкой фазой. Когда давление газа достигает предельного значения, клапан открывается и выпускает часть газа в факел 5 так, чтобы его давление вновь упало до приемлемого уровня, предотвращая таким образом достижение газом самого нижнего участка, в котором жидкая фаза отбирается из сборного резервуара, где она образовала бы двухфазную смесь с жидкой фазой, и где расширение этой смеси в детандере D1 представляло бы собой трудную задачу. Тем не менее, с учетом всех обстоятельств, жидкая фаза, покидая R'1 и циркулируя через S1, представляет собой композицию, содержащую легкие компоненты, количество которых либо неизменно, либо уменьшается.
Адаптация к первичной петле по настоящему изобретению, как описано ниже со ссылкой на Фиг. 2 и 3, дает возможность преодолеть проблему нестабильности и снижения общей эффективности описанного выше способа сжижения, который за этим следует.
Формы осуществления настоящего изобретения, показанные на Фиг. от 1 до 3, включают вторую петлю хладагента, которая взаимодействует со всеми тремя криогенными теплообменниками ЕС1, ЕС2 и ЕС3, как описано ниже.
На холодном выходе ВВ криогенного теплообменника ЕС1 природный газ частично сжижается при температуре Т1, а затем проходит во второй криогенный теплообменник ЕС2, из которого он выходит при температуре Т2 все еще будучи частично сжиженным, перед тем как охладиться и стать полностью сжиженным при температуре Т3 в третьем криогенном теплообменнике ЕС3. Вторая смесь хладагента течет во второй замкнутой петле циркуляционного контура с изменением фазы следующим образом. Второй хладагент достигает горячего конца СС теплообменника ЕС2 через отверстие СС1 в жидком состоянии при температуре Т1 и под давлением Р2, причем Р2 находится в диапазоне, например, от 2,5 МПа до 10 МПа. Второй текучий хладагент в жидком состоянии проходит через второй теплообменник ЕС1 по змеевиковому трубопроводу S2 в противотоке к природному газу, находящемуся в жидком состоянии в контуре Sg. Затем этот первый поток второго хладагента, находящегося в жидком состоянии в виде потока d2a, расширяется в детандере D2 на холодном конце DD второго теплообменника ЕС2 в точке DD1 до уровня давления Р'2, более низкого, чем Р2, и при температуре Т2, более низкой, чем Т1, внутри корпуса второго теплообменника ЕС2. После этого первый поток второго хладагента покидает второй корпус через отверстие СС3 на горячем конце второго теплообменника ЕС2, все еще будучи в газообразном состоянии и под давлением по существу равным Р'2 и при температуре Т1. Этот поток второго хладагента в газообразном состоянии затем сжимается от уровня давления Р'2 до Р2 в компрессоре С2, из которого он выходит при температуре, лежащей в диапазоне примерно от 80°C до 100°C, перед тем как охладиться при температуре охлаждающего теплообменника Н2, из которого он выходит, все еще будучи в газообразном состоянии и при температуре, по существу равной Т0 (от 20°C до 30°C). Затем этот второй хладагент в газообразном состоянии поступает через АА4 на горячем конце АА первого криогенного теплообменника ЕС1, охлаждаясь при прохождении через по змеевиковому трубопроводу S1B, из которого он выходит через ВВ3 на холодном конце ВВ первого теплообменника ЕС1 при температуре, примерно равной Т1=-50°C, в многофазном, то есть, в частично сжиженном состоянии в виде потока d2, и далее разделяется во втором сепараторном баке R2 на жидкую и газообразную фазы. Жидкая фаза направляется в виде потока d2a через СС3 на горячем конце СС второго теплообменника ЕС2, представляя собой подачу первого потока второго хладагента в жидком состоянии внутри змеевика S2 с целью выполнения нового цикла, как описано выше. Газообразная фаза d2b выходит из второго сепараторного бака R2 аналогичным образом, поступая к горячему концу СС второго теплообменника ЕС2, при температуре, по существу равной Т1, и под давлением, по существу равным Р2, поступая через отверстие СС2 другого змеевикового трубопровода S2A внутри второго теплообменника ЕС2. Газообразный поток d2b второго хладагента выходит через DD3 в парообразном состоянии под давлением, по существу равным Р2, и при температуре Т2, примерно равной -120°C, для того, чтобы поступить к горячему концу ЕЕ третьего криогенного теплообменника ЕС3, все еще находясь при температуре Т2, примерно равной -120°C, и охлаждается внутри этого теплообменника в змеевиковом трубопроводе S3. Хладагент выходит из трубопровода S3 на холодном конце FF, будучи все еще в газообразном состоянии под давлением, по существу равным Р2, и при температуре Т3, примерно равной -165°C, перед тем как расшириться до уровня давления Р'2, более низкого, чем Р2 в детандере D3 непосредственно внутри корпуса теплообменника ЕС3 на его холодном конце в трубопроводе FF1, а затем выходит из него на его горячем конце через отверстие ЕЕ1 под давлением примерно равным Р2 и при температуре Т2=-120°C и поступает к холодному концу корпуса второго теплообменника ЕС2 через отверстие DD2. Затем этот второй поток d2b второго хладагента, находящегося в газообразном состоянии, смешивается с первым потоком d2a второго хладагента, испарившегося до газообразного состояния при расширении в детандере D2 на участке DD1; смесь этих двух газов выходит из второго теплообменника ЕС2 в виде потока d2=d2a+d2b через отверстие СС3 для того, чтобы выполнить новый цикл, проходя через компрессор С2 и охладитель Е2, как описано выше.
Криогенные теплообменники на Фиг. 1В представляют собой теплообменники типа «холодный отсек», как описано выше, и газы испаряются из жидкостей при помощи детандеров D1, D2, D3 и направляются по змеевиковым трубопроводам S1C, S2B, и S2C, соответственно, в первый теплообменник ЕС1, второй теплообменник ЕС2 и третий теплообменник ЕС3, а затем выходят на горячем конце первого теплообменника ЕС1 через АА3 и на горячем конце второго теплообменника ЕС2 через СС3.
На Фиг. 1В второй и третий теплообменники ЕС2 и ЕС3 вместе с трубами S2A и S3 непрерывно связаны между собой, начиная от горячего конца СС второго теплообменника ЕС2 до холодного конца FF третьего теплообменника ЕС3. В змеевиковом трубопроводе S2C происходит возвращение газовой фазы из детандера D3 через FF1 к холодному концу третьего теплообменника и через выходное отверстие СС3 на горячем конце второго теплообменника ЕС2. Аналогично, в змеевиковом трубопроводе происходит возвращение газовой фазы из детандера D2 через DD1 на холодном конце второго теплообменника и от DD1 идет в СС3 на горячем конце второго теплообменника.
На Фиг. 2 и 3 показаны два варианта формы осуществления способа по настоящему изобретению. Модификации способа по отношению к предшествующему уровню техники, показанные на Фиг. 1А и 1В, находятся в первой петле первого хладагента.
На Фиг. 2 жидкая фаза первого хладагента под давлением Р1 в виде потока d1a, выходящего из первого сепараторного бака R1, разделяется на два потока или потоки d1c и d1b=d'1, причем только жидкая часть потока d'1 направляется непосредственно к горячему концу АА первого теплообменника ЕС1, образуя подачу первого потока первого хладагента, находящегося в жидком состоянии, в трубопроводе S1. Часть потока d1c, составляющая массовое соотношение с исходным потоком d1a, находящееся в диапазоне от 2% до 5%, направляется в пароохладитель DS, а газовая фаза d1b, выходя из второго компрессора С1А, также поступает во входное отверстие пароохладителя DS, который работает, как описано ниже. Жидкая фракция потока d1c, поступающая в пароохладитель DS, регулируется при помощи с комбинированного действия сервопривода клапана V1 и первого детандера D1, как описано ниже. Эта фракция d1c составляет от 2% до 10%, предпочтительно от 3% до 5% по отношению к потоку d1a, выходящему из насоса PP.
Фиг. 2А представляет собой вид сбоку в разрезе пароохладителя DS, который служит для охлаждения газовой фазы d1b перед ее поступлением в конденсатор Н1. Пароохладитель DS обычно состоит из входной трубы для газа 1, соединенной с внутренней насадкой 3 в виде перфорированной трубки, имеющей множество мелких отверстий 4, распределенных вдоль и по периферии этой насадки. Труба 2, выводящая жидкость из насоса РР, нагнетающего поток d1c, который управляется с помощью сервопривода клапана V1, служит для подачи жидкости в насадку 3 таким образом, чтобы создать туман из мелких капель жидкости, выходящих из отверстий 4 под давлением, заставляющим жидкость разбрызгиваться через насадку 3. Тогда мелкие капли жидкости имеют большую удельную площадь поверхности для обмена с газообразной фазой, поступающей через питающую трубу 1. В этом случае скрытая теплота испарения жидкой фазы обладает эффектом охлаждения поступающей газообразной фазы. Эта газообразная фаза имеет температуру на входе в пароохладитель DS примерно от 80°C до 90°C, а температура на выходе из пароохладителя составляет не более, чем от 55°C до 65°C из-за тепла, поглощенного при испарении жидкости из потока d1c. Количество жидкости из потока d1c, впрыскивающееся в пароохладитель DS, регулируется точно так же, как весь поток, выходящий из пароохладителя DS в газообразном состоянии, и, следовательно, представляет собой однородную композицию газов.
Пароохладитель DS этого типа продается компанией-поставщиком Fisher-Emerson (Франция).
На Фиг. 2 первый хладагент покидает пароохладитель DS, будучи, таким образом, полностью в газообразном состоянии при температуре примерно от +55°C до +65°C перед тем, как полностью сконденсируется во втором конденсаторе Н1, который в этом примере является общим конденсатором. На выходе из второго конденсатора Н1 первый хладагент находится полностью в жидком состоянии и представляет собой поток d1', который поступает при температуре Т0 и под давлением, по существу равным Р1, к горячему входному отверстию АА2 первого теплообменника ЕС1, через которое он проходит внутрь змеевикового трубопровода S1A в параллельном потоке с текучей средой, проходящей через змеевиковые трубы Sg, S1 и S1B, перед тем, как поступить во второй детандер D1A, аналогично снабженный клапаном с сервоприводом, при этом второй детандер D1A сообщается с внутренней стороной теплообменника ЕС1 через его холодный конец на участке ВВ2. На этом уровне второй поток первого хладагента, находящийся в жидком состоянии, испаряется, поглощая при этом тепло из трубопровода для природного газа Sg, а также поглощает тепло из потоков в трубопроводах S1, S1A и S1B.
На Фиг. 2 первый поток или поток d1' и второй поток или поток d1ʺ первого хладагента, испаряющиеся в участках ВВ1 и ВВ2 при помощи, соответственно, первого детандера D1 и второго детандера D1A на холодном конце и внутри корпуса первого теплообменника ЕС1, смешиваются вместе внутри упомянутого корпуса теплообменника ЕС1. Эта смесь покидает его на горячем конце через отверстие АА3, образуя поток d1=d1'+d1ʺ газа из первого хладагента, который затем сжимается в первом компрессоре С1 от давления Р'1 до давления Рʺ1 для того, чтобы подвергнуться новому циклу, как описано выше.
Эта форма осуществления настоящего изобретения, показанная на Фиг. 2 является предпочтительной, так как в ходе предварительного охлаждения первого газообразного потока в пароохладителе DS, легкий газ, поступающий из бака R1, смешивается с паром, образующимся из тяжелой жидкой фазы d1c, и полученная смесь является более тяжелой, чем поступающая газообразная фаза, за счет чего конденсация в конденсаторе Н1 облегчается и становится полной и эффективной.
Тот факт, что первый поток или поток d1' и второй поток или поток d1ʺ первого хладагента, находящиеся в жидком состоянии, выходя, соответственно, из второго конденсатора Н1 и насоса РР, как описано выше, не смешиваются вместе перед прохождением через первый теплообменник ЕС1, а проходят через первый теплообменник ЕС1 по двум отдельным трубопроводам S1 и S1A, также является преимуществом, поскольку два потока представляют собой различные композиции первого хладагента, причем при различных давлениях. Поэтому их смешивание ведет к нестабильности, которая является более проблематичной, чем в предшествующем уровне техники. Тем не менее смешивание упомянутых двух жидких потоков можно контролировать с использованием соответствующих систем регулирования, например, регулирующих клапанов, однако это будет идти вразрез с простотой и надежностью, требующейся для установки этого типа.
На Фиг. 3 показана предпочтительная форма осуществления настоящего изобретения, в которой второй конденсатор Н1 не является общим конденсатором, и лишь часть газообразного потока, выходящего из пароохладителя DS, конденсируется во втором конденсаторе Н1. Двухфазная жидкость, выходящая из второго конденсатора Н1 в виде потока d1e, подвергается разделению фаз во втором сепараторном баке R1A, внутри которого разделяются вторая жидкая фаза и вторая газообразная фаза первого хладагента.
На Фиг. 3 вторая жидкая фаза хладагента из нижнего выходного отверстия сепараторного бака R1A поступает в трубопровод S1 и образует поток d1f. Поток d1a на выходе из насоса РР разделяется на два потока, соответственно d1c, поступающий к пароохладителю DS и регулирующийся первым V1 регулирующим клапаном, и остаточный поток d1d, который регулируется с помощью второго V1A регулирующего клапана, причем эти два регулирующих клапана работают в тесной комбинации друг с другом; затем остаточный поток d1d смешивается с потоком жидкости d1f и поступает в трубу S1 на горячем конце криогенного теплообменника ЕС1 под давлением по существу равным Р1.
На Фиг. 3 вторая газообразная фаза первого хладагента, выходящая из верхнего выходного отверстия второго сепараторного бака R1A, представляет собой поток d1ʺ. Он поступает при температуре Т0 и под давлением, по существу равным Р1, к выходному отверстию АА2 на горячем конце АА первого теплообменника ЕС1 для того, чтобы пройти через него по трубопроводу S1A, будучи в газообразном, а не в жидком состоянии, как в форме осуществления настоящего изобретения, показанной на Фиг. 2. В холодном конце трубопровода S1A на участке ВВ2 второй детандер D1A расширяет газ второй газообразной фазы первого хладагента до уровня давления Р1', более низкого, чем Р1. При расширении газа на участке ВВ2 в трубопроводе S1A с помощью детандера D1A поглощается тепло из петель Sg, S1, S1A и S1B, тем самым охлаждая их и, при необходимости, поглощается тепло из других петель, если имеется несколько контуров (именуемых контурами МСХ, как указано выше). Хладагент в жидком состоянии, выходящий из второго детандера D1A через ВВ2, смешивается с первой частью первого хладагента, испаряющегося на участке ВВ1, и далее выходит через АА3 в виде потока d1, и затем сжимается при помощи первого компрессора С1 от давления Р'1 до давления Рʺ1, причем значение Рʺ1 находится в диапазоне от Р'1 до Р1. После этого он выходит из первого компрессора С1 в виде двухфазной смеси, содержащей жидкую фазу в виде потока d1a, который сжимается до уровня давления, по существу равного Р1, при помощи насоса РР, и газообразную фазу в виде потока d1b, который сжимается до уровня давления Р1 вторым компрессором С1А, а затем охлаждается внутри пароохладителя DS, а после этого частично или полностью конденсируется в конденсаторе Н1, и, наконец, снова разделяется в сепараторе R1A, как описано выше, для совершения нового цикла, как описано выше.
В форме осуществления настоящего изобретения, показанной на Фиг. 3, детандер D1 представляет собой газожидкостный детандер, тогда как детандер D1A является газо-газовым детандером.
Форма осуществления настоящего изобретения, показанная на Фиг. 3, является предпочтительной, поскольку, во-первых, регулирующий клапан V1A, связанный с регулирующим клапаном V1 и детандером D1, позволяет двум жидким фазам смешиваться и дает им возможность испаряться при надлежащих условиях стабильности, а во-вторых, она не требует использования общего конденсатора, тем самым повышая общую стабильность способа и, следовательно, его промышленную надежность. В этом предпочтительном варианте жидкий поток d1' составляет примерно 95% от массы потока первого хладагента, а газообразный поток d1ʺ представляет собой остаток, т.е. примерно 5%.
Конденсаторы Н0 и Н1 и охладитель Н2 могут быть образованы из водяных теплообменников, например, осуществляющих теплообмен при помощи морской или речной воды, либо известных специалистам в данной области техники теплообменников с воздушным охлаждением типа градирни.
Композиции первого и второго жидких хладагентов связаны с технологиями, использующимися в области криогенных теплообменников и конденсаторов, причем все производители и поставщики рекомендуют свои собственные композиции. Однако эти композиции также тесно связаны с составом газа, который подлежит сжижению, поэтому предпочтительно, чтобы компоненты жидких хладагентов являлись регулируемыми в зависимости от времени, всякий раз, когда характеристики природного газа значительным образом изменяются.
В качестве примера, первый хладагент, действующий в петле теплообменника ЕС1, и, следовательно, при температуре от обычной температуры Т0 (от 20°C до 30°C) вплоть до низшей температуры Т1, равной примерно -50°C, состоит из следующей смеси:
- С1 (метан) ≈ 2,5%
- С2 (этан/этилен) ≈ 60%
- С3 (пропан) ≈ 15%
- С4 (бутан) ≈ 20%
- С5 (пентан) ≈ 2,5%
Аналогично, второй хладагент, действующий в петле теплообменников ЕС1, ЕС2 и ЕС3 и, следовательно, при температуре от примерно Т1=-50°C вплоть до самой низкой температуры примерно Т3=-165°C, образован следующей смесью:
- N2 (азот) ≈ 5%
- С1 (метан) ≈ 45%
- С2 (этан/этилен) ≈ 37%
- С3 (пропан) ≈ 13%
Механическая мощность, потребляемая для ежегодного производства 2,5 мегатонн в год (Мт/г) в установке, рассматриваемой в целом, составляет порядка 85 мегаватт (МВт):
50 МВт вводится с помощью компрессора С2, как правило, посредством первой газовой турбины (не показана); и
35 МВт вводится с помощью компрессоров С1 и С1А, как правило, посредством второй газовой турбины, при этом С1 поглощает в основном 2/3 от мощности, а С1А оставшуюся ее треть.
Эти мощности, участвующие в способах по настоящему изобретению, имеют тот же порядок и, по существу, то же распределение, что и мощности, участвующие в способах согласно предшествующему уровню техники. В отличие от последнего, упомянутые выше способы по настоящему изобретению являются намного более стабильными и надежными, а в результате обеспечивают оптимальную промышленную методику.
Выше в контексте двухпетлевых способов описано изобретение, содержащее «горячую» первую петлю, соответствующую контуру S1-S1A-S1B, действующую в теплообменнике ЕС1 (-50°C) и «холодную» вторую петлю, соответствующую контуру S2-S2A-S3, действующую в теплообменниках ЕС2 (-50°C ⇒ -120°C) и ЕС3 (-120°C ⇒ -165°C). Однако в нем существуют похожие способы, в которых «горячая» петля идентична, а «холодная» петля заменена двумя независимыми петлями, каждая из которых имеет свой собственный хладагент, в частности, вторая петля, действующая в теплообменнике ЕС2, т.е. от -50°C до -120°C, а также третья петля, которая действует в теплообменнике ЕС3, то есть от -120°C до -165°C. Во всех этих способах независимо от типа криогенного теплообменника, «горячая» петля, соответствующая теплообменнику ЕС1, остается по существу такой же, как описано выше со ссылкой на Фиг. 1А. Таким образом, изобретение относится практически ко всем способам для сжижения природного газа с использованием нескольких независимых циклов и с изменением фазы.