ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА И СПОСОБ РАБОТЫ КОМПЛЕКСА
POWER TECHNOLOGICAL COMPLEX OF NATURAL GAS PROCESSING AND METHOD OF OPERATION OF COMPLEX

Изобретение относится к энергетике, а именно к экологически чистыми экономически выгодным способам и установкам для переработки природного газа.
Известен способ и установка для выработки механической и тепловой энергии (патент РФ №2651918, опубл. 24.04.2018), включающий в себя этапы, на которых: (а) горячие газы из камеры сгорания направляют на вход в парогазовую турбину, при этом давление в камере сгорания составляет по меньшей мере 7,5 МПа; (b) отработанные в парогазовой турбине газы при давлении 0,2-0,9 МПа поступают в блок утилизации тепла и воды, где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из отработанных газов (ОГ) путем ее конденсации, далее сконденсированная вода выводится из блока утилизации тепла и воды; (с) ОГ из блока утилизации тепла и воды, содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в углекислотный компрессор, который сжимает газ до давления по меньшей мере 3,5 МПа; (d) сжатый ОГ подают в блок утилизации тепла и диоксида углерода, где он охлаждается до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода, далее сконденсированный диоксид углерода выводится из блока утилизации тепла и диоксида углерода; (е) некоторую часть слитой воды из блока утилизации тепла и воды подают на вход водяного насоса-регулятора, который закачивает ее в камеру сгорания; (f) некоторую часть диоксида углерода, сконденсированного в блоке утилизации тепла и диоксида углерода, подают на вход углекислотного насоса-регулятора, который закачивает его в камеру сгорания; (g) в камеру сгорания топливным насосом-регулятором и кислородным насосом-регулятором подаются углеродсодержащее топливо и кислород соответственно под давлением, необходимым для осуществления подачи нужного количества в камеру сгорания.
Известен способ регулирования и установка для выработки механической и тепловой энергии, (патент РФ №2698865, опубл. 30.08.2019), выполненный с возможностью сжижения природного газа и включающий определение электромагнитного момента на якоре генератора, соединенного с парогазовой турбиной; оценку текущего рабочего режима установки для выработки механической и тепловой энергии на основе электромагнитного момента на якоре генератора, при этом при уменьшении электромагнитного момента ниже первого порогового значения, повышают производительность блока сжижения, в котором сжиженное углеродсодержащее топливо поступает в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива, а дополнительный жидкий кислород поступает в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного кислорода, а при увеличении электромагнитного момента на якоре генератора выше второго порогового значения, снижают производительность блока сжижения, и включающий этапы, на которых: (а) горячие газы из камеры сгорания направляют на вход в парогазовую турбину; (b) ОГ из турбины поступают в первый охладитель ОГ; (с) ОГ из первого охладителя подают в первый контактный охладитель, где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из ОГ путем ее конденсации, далее сконденсированная вода выводится из первого контактного охладителя; (d) ОГ из первого контактного охладителя, содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в компрессор; (е) сжатые компрессором ОГ подают во второй контактный охладитель, где они охлаждаются; (f) из второго контактного охладителя охлажденные ОГ поступают во второй охладитель, где ОГ охлаждаются до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода, далее сконденсированный диоксид углерода выводится из второго охладителя; (g) некоторая часть выведенной из первого контактного охладителя воды поступает на вход водяного насоса-регулятора, который закачивает ее в камеру сгорания; (h) некоторая часть диоксида углерода, сконденсированного во втором охладителе, поступает на вход углекислотного насоса-регулятора, который закачивает его в камеру сгорания; (i) в камеру сгорания топливным насосом-регулятором и кислородным насосом-регулятором подаются углеродсодержащее топливо и кислород соответственно, под давлением, необходимым для осуществления подачи в камеру сгорания, при этом углеродсодержащее топливо подают из теплоизолированной емкости для накопления углеродсодержащего топлива.
К недостаткам представленных аналогов можно отнести потери мощности и низкую эффективность парогазовой установки при сжижении природного газа и получении жидкого кислорода.
Известен способ сжижения природного газа и установка для его осуществления, выбранный в качестве наиболее близкого аналога (патент РФ №2645185, опубл. 16.02.2018). Способ сжижения природного газа, в котором подготовленный природный газ предварительно охлаждают, отделяют этан, переохлаждают сжижаемый газ с использованием охлажденного азота в качестве хладагента, снижают давление сжижаемого газа, отделяют несжиженный газ и отводят сжиженный газ, перед предварительным охлаждением природный газ компримируют, отделение этана осуществляют в процессе многоступенчатого предварительного охлаждения сжижаемого газа с одновременным испарением этана с использованием охлажденного этана в качестве хладагента, при этом этан, полученный при испарении, компримируют, конденсируют и используют в качестве хладагента при охлаждении сжижаемого газа и азота, причем азот компримируют, охлаждают, расширяют и подают на стадию переохлаждения природного газа. Установка для сжижения природного газа, характеризующаяся тем, что содержит линию сжижения природного газа, контур этана и контур азота, линия сжижения природного газа включает последовательно соединенные компрессор природного газа, аппарат охлаждения, испарители этана, концевой теплообменник переохлаждения и сепаратор, контур этана включает последовательно соединенные по меньшей мере один компрессор этана, аппарат охлаждения, указанные испарители этана, выходы которых соединены с входами, по меньшей мере, одного компрессора, контур азота включает последовательно соединенные, по меньшей мере, один компрессор азота, аппарат охлаждения, указанные испарители этана, между которыми подсоединены теплообменники азот-азот, турбодетандер, указанный концевой теплообменник переохлаждения, указанные теплообменники азот-азот и турбокомпрессор, соединенный с входом компрессора азота. Выход сепаратора для несжиженного отпарного газа соединен с концевым теплообменником переохлаждения, выход которого для отпарного газа соединен с компрессором отпарного газа. Турбодетандер и турбокомпрессор объединены в детандер-компрессорный агрегат. Привод всех компрессоров представляет собой газотурбинный двигатель, соединенный с мультипликатором, который подсоединен к каждому компрессору.
К недостаткам приведенного наиболее близкого аналога можно отнести использование для привода компрессоров газотурбинного двигателя и низкое использование тепловой энергии сред, что обуславливает низкий КПД и ухудшение экологических показателей установки.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных недостатков.
Технический результат заключается в повышении КПД комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет обеспечения возможности полного сбора побочных газовых продуктов и возможности переработки диоксида углерода.
Технический результат достигается энерготехнологическим комплексом переработки природного газа, содержащим источник (2) природного газа, установку (3) криогенного разделения воздуха, завод (4) по производству сжиженного природного газа (СПГ-завод (4)), блок (5) переработки газа и энергетическую установку (6), причем установка (3) криогенного разделения воздуха соединена с СПГ-заводом (4) линией подачи жидкого азота и с энергетической установкой (6) линией подачи жидкого кислорода, источник (2) природного газа соединен с блоком (5) переработки газа и с СПГ-заводом (4), который в свою очередь соединен с блоком (5) переработки газа линией подачи отпарного газа и с камерой сгорания энергетической установки (6) линией подачи сжиженного природного газа, энергетическая установка (6) включает в себя линию подачи воды в камеру сгорания и выполнена с возможностью обеспечения подачи пара из линии подачи воды, а также сконденсированного в энергетической установке (6) диоксида углерода в блок (5) переработки газа, который выполнен с возможностью получения жидких углеводородов и метано-водородной смеси, а энергетическая установка (6) выполнена с возможностью передачи вырабатываемой энергии к блоку (5) переработки газа, СПГ-заводу (4) и к установке (3) криогенного разделения воздуха.
Блок (5) переработки газа выполнен с возможностью получения жидких углеводородов и метано-водородной смеси в ходе синтеза Фишера-Тропша.
Энерготехнологический комплекс выполнен с возможностью обеспечения передачи сжиженного природного газа от СПГ-завода (4), кислорода, аргона, первичного криптоксенонового концентрата, а также неоногелиевой смеси от установки (3) криогенного разделения воздуха, сконденсированного диоксида углерода и выработанной в энергетической установке (6) энергии к внешнему потребителю (7), а также энергетическая установка (6) дополнительно включает замкнутый контур утилизации тепла, работающий по органическому циклу Ренкина (ОЦР), выполненный с возможностью получения тепла низкокипящей рабочей жидкостью от отработанных газов и выработки дополнительной механической энергии от расширения низкокипящей рабочей жидкости на турбине ОЦР и далее выработки дополнительной электрической энергии генератором ОЦР, соединенным с турбиной ОЦР.
Энерготехнологический комплекс выполнен с возможностью обеспечения передачи жидких углеводородов и метано-водородной смеси от блока (5) переработки газа к внешнему потребителю (7).
Установка (3) криогенного разделения воздуха также соединена с СПГ-заводом (4) и энергетической установкой (6) линией подачи криогена (холода).
Также технический результат достигается способом работы энерготехнологического комплекса переработки природного газа, заключающим в том, что пар из линии подачи воды в камеру сгорания и сконденсированный в энергетической установке (6) диоксид углерода подают в блок (5) переработки газа, кроме того в блок (5) переработки газа подают природный газ от источника (2) природного газа и подают отпарной газ от завода (4) по производству сжиженного природного газа (СПГ-завод), на выходе из блока (5) переработки газа в ходе химических реакций, протекающих в блоке (5), получают жидкие углеводороды и метано-водородную смесь, при этом в СПГ-завод (4) также подают природный газ от источника (2) природного газа и жидкий азот от установки (3) криогенного разделения воздуха, по меньшей мере часть жидкого кислорода из установки (3) криогенного разделения воздуха и по меньшей мере часть сжиженного природного газа из СПГ-завода (4) подают в камеру сгорания энергетической установки (6), от которой выработанную энергию подают к блоку (5) переработки газа, СПГ-заводу (4) и установке (3) криогенного разделения воздуха.
Жидкие углеводороды и метано-водородную смесь получают в ходе синтеза Фишера-Тропша.
Дополнительно по меньшей мере другую часть сжиженного природного газа из СПГ-завода (4), сконденсированный диоксид углерода и выработанную энергию в энергетической установке (6) выводят из комплекса для внешнего потребителя, а кроме того, дополнительно из установки (3) криогенного разделения воздуха кислород, аргон, первичный криптоноксеноновый концентрат и неоногеливую смесь подают к внешнему потребителю, а также в энергетической установке (6) по меньшей мере часть тепла от отработанных газов передают низкокипящей рабочей жидкости замкнутого контура утилюации тепла, работающего по ОЦР, выполненному с возможностью выработки дополнительной механической энергии от расширения низкокипящей рабочей жидкости на турбине ОЦР.
Из блока (5) переработки газа жидкие углеводороды и метано-водородную смесь подают к внешнему потребителю.
От установки (3) криогенного разделения воздуха криоген подают в СПГ-завод (4) и энергетическую установку (6).
На представленном чертеже показана схемаэнерготехнологического комплекса переработки природного газа.
На представленном чертеже обозначены следующие элементы.
1 - окружающая среда;
2 - источник природного газа;
3 - установка криогенного разделения воздуха;
4 - завод по производству сжиженного природного газа (СПГ-завод);
5 - блок переработки газа;
6 - энергетическая установка без выхлопа;
7 - внешний потребитель.
Стрелками показаны направления движения сред в комплексе и энергий для обеспечения работоспособности комплекса.
Энерготехнологический комплекс переработки природного газа содержит источник (2) природного газа установку (3) криогенного разделения воздуха, СПГ-завод (4), блок (5) переработки газа и энергетическую установку (6).Установка (3) криогенного разделения воздуха соединена с СПГ-заводом (4) линией подачи жидкого азота и с энергетической установкой (6) линией подачи жидкого кислорода, что позволяет повысить КПД комплекса в целом за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе. Источник (2) природного газа соединен с блоком (5) переработки газа и с СПГ-заводом (4), который в свою очередь соединен с блоком (5) переработки газа линией подачи отпарного газа и с камерой сгорания энергетической установки (6) линией подачи сжиженного природного газа, то есть отпарной газ не подвергается повторному сжижению, а перерабатывается блоком (5) переработки газа и энергетическая установка (6) не несет затраты по сжижению природного газа, что также повышает КПД установки (6) и, следовательно, комплекса в целом. Энергетическая установка (6) включает в себя линию подачи воды в камеру сгорания и выполнена с возможностью обеспечения подачи пара из линии подачи воды, а также сконденсированного в энергетической установке (6) диоксида углерода в блок (5) переработки газа, что повышает КПД комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, а именно использование воды, а также улучшает экологические показатели комплекса, за счет обеспечения возможности переработки диоксида углерода. Блок (5) переработки газа выполнен с возможностью получения жидких углеводородов и метано-водородной смеси, что не только улучшает экологические показатели комплекса за счет переработки диоксида углерода, но и определяет коммерческие преимущества, в том числе за счет увеличения количества вырабатываемых комплексом полезных продуктов.Энергетическая установка (6) выполнена с возможностью передачи вырабатываемой энергии к блоку (5) переработки газа, СПГ-заводу (4) и к установке (3) криогенного разделения воздуха.
Блок (5) переработки газа выполнен с возможностью получения жидких углеводородов и метано-водородной смеси в ходе синтеза Фишера-Тропша.
Энерготехнологический комплекс выполнен с возможностью обеспечения передачи сжиженного природного газа от СПГ-завода (4), кислорода, аргона, первичного криптоксенонового концентрата, а также неоногелиевой смеси от установки (3) криогенного разделения воздуха, сконденсированного диоксида углерода и выработанной в энергетической установке (6) энергии к внешнему потребителю (7), а также энергетическая установка (6) дополнительно включает замкнутый контур утилизации тепла, работающий по ОЦР, выполненный с возможностью получения тепла низкокипящей рабочей жидкостью от отработанных газов и выработки дополнительной механической энергии от расширения низкокипящей рабочей жидкости на турбине ОЦР и далее выработки дополнительной электрической энергии генератором ОЦР, соединенным с турбиной ОЦР, что повышает КПД комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе.
Энерготехнологический комплекс выполнен с возможностью обеспечения передачи жидких угловодородов и метано-водородной смеси от блока (5) переработки газа к внешнему потребителю (7).
Установка (3) криогенного разделения воздуха также соединена с СПГ-заводом (4) и энергетической установкой (6) линией подачи криогена, что повышает КПД комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе.
Устройство работает следующим образом.
Энергетическая установка (6) в комплексе предназначена для выработки тепловой и механической энергии, при этом в камеру сгорания энергетической установки (6) подают углеродсодержащее топливо, например, природный газ метан, который сжигается в смеси кислорода, водяного пара и диоксида углерода. При этом кислород подают из установки (3) криогенного разделения воздуха в сниженном виде, который получают из воздуха окружающей среды (1) и с помощью насосов подают в камеру сгорания энергетической установки (6) под необходимым давлением, составляющим по меньшей мере 7,5 МПа. Продукты сгорания расширяются в парогазовой турбине, соединенной с генератором для выработки электрической энергии. Далее отработанные газы (ОГ)ступенчато охлаждают до температур, необходимых для конденсации воды и диоксида углерода. При этом, по меньшей мере часть тепла от ОГ передают низкокипящей рабочей жидкости замкнутого контура утилизации тепла, работающего ОЦР, выполненному с возможностью выработки дополнительной механической энергии от расширения низкокипящей рабочей жидкости на турбине ОЦР и далее выработки дополнительной электрической энергии генератором ОЦР, соединенным с турбиной ОЦР, что позволяет повысить КПД комплекса в целом за счет повышения использования тепловой энергии. Кроме того, другую часть тепла от ОГ выводят из комплекса, например, в атмосферу и/или вместе с водой и излишками пара к внешнему потребителю (7).
Пар из линии подачи воды в камеру сгорания исконденсированный в энергетической установке (6) диоксида углерода подают в блок (5) переработки газа, кроме того в блок (5) переработки газа подают природный газ от источника (2) природного газа и отпарной газ от завода (4) по производству сжиженного природного газа (СПГ-завод). Таким образом получают на выходе из блока (5) переработки газа в ходе химических реакцийжидкие углеводороды и метано-водородную смесь любым известным способом, например, в ходе синтеза Фишера-Тропша. Таким образом, подача пара из линии подачи воды в камеру сгорания и жидкого диоксида углерода от установки (6) в блок (5) переработки газа, а также отпарного газа от СПГ-завода (4) позволяет повысить КПД комплекса в целом, а также повысить экологические показатели комплекса за счет обеспечения возможности полной переработки излишков диоксида углерода с возможностью получения жидких углеводородов и метано-водородной смеси, которые могут быть использованы в качестве топлива или направлены к внешнему потребителю (7).
В СПГ-завод (4) подают природный газ от источника (2) природного газа и жидкий азот от установки (3) криогенного разделения воздуха, что позволяет использовать жидкий азот в качестве криогена для сжижения природного газа, таким образом повышается использование тепловой энергии сред, что повышает КПД комплекса. По меньшей мере часть жидкого кислорода из установки (3) криогенного разделения воздуха и по меньшей мере часть сжиженного природного газа из СПГ-завода (4) подают в камеру сгорания энергетической установки (6), от которой выработанную энергию подают к блоку (5) переработки газа, СПГ-заводу (4) и установке (3) криогенного разделения воздуха. Таким образом, за счет использования газов в энергетической установке (6) в сжиженном виде, достигается уменьшение расхода энергии на достижение необходимого давления для подачи этих газов в камеру сгорания, что также повышает КПД комплекса в целом.
Излишки тепла, вырабатываемого установкой (3) криогенного разделения воздуха и энергетической установкой (6), отводятся любым известным способ, например, с помощью тепловых насосов в окружающую среду (1).
Дополнительно по меньшей мере другую часть сжиженного природного газа из СПГ-завода (4), сконденсированный диоксид углерода и выработанную энергию в энергетической установке (6) выводят из комплекса для внешнего потребителя, а кроме того, дополнительно из установки (3) криогенного разделения воздуха кислород, аргон, первичный криптоноксеноновый концентрат и неоногеливую смесь подают к внешнему потребителю, что позволяет улучшить экологические показатели комплекса, за счет обеспечения возможности полного сбора побочных газовых продуктов и возможности полной переработки диоксида углерода.