УСТАНОВКА СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА (СПГ) В УСЛОВИЯХ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СТАНЦИИ (ГРС)
NATURAL GAS (LNG) LIQUEFACTION INSTALLATION UNDER CONDITIONS OF THE GAS DISTRIBUTION STATION (GDS)

Изобретение относится к газовой промышленности, конкретно к технологиям сжижения природного газа (СПГ).
Известно устройство для сжижения природного газа (патент РФ №2500959, опубл. 10.12.2013), содержащее адсорбер, фильтр, теплообменник, вихревую трубу с охлаждаемым горячим концом трубы. Помимо это устройство отличается тем, что вихревая труба размещена в трехсекционной емкости-сепараторе вертикально, причем в нижней секции размещен холодный конец трубы, в средней секции размещен горячий конец трубы, имеющий сепарационное устройство в виде соосно установленного внутреннего конуса в конической части горячего конца, для выхода регулируемого расхода газа, в средней секции имеется патрубок тангенциального ввода холодного потока газа после рекуперации холода в теплообменнике исходного потока сжиженного газа, а в верхней секции патрубок вывода газообразного продукта.
Недостатком устройства является установка вихревой трубы - сложного в изготовлении устройства, обладающего низкими показателями надежности, а также узким диапазоном рабочих расходов газа. Помимо этого в устройстве не предусмотрено комонентов, позволяющих осуществлять извлечение избыточной энергии магистрального потока газа, что снижает эффективность применения устройства на ГРС.
Известно устройство для сжижения природного газа (патент РФ №2285212, опубл. 10.10.2006), содержащее фильтр очистки нерасширившегося газа от примесей, узел разделения линии его подачи на линии, первая из которых присоединена к разделительной вихревой трубе, линия отвода охлажденного газа которой подсоединена к потребителю редуцированного газа, а вторая линия присоединена через дроссельное устройство к сборнику конденсата. Также устройство включает узел разделения линии подачи нерасширившегося газа, выполненный в виде узла разделения на три линии, при этом третья линия подсоединена к вихревой трубе с дополнительным потоком, линия отвода охлажденного газа которой подсоединена через дроссельное устройство к рекуперативному теплообменному аппарату системы рекуперативных теплообменных аппаратов, а затем к потребителю редуцированного газа, а линия отвода подогретого газа - к потребителю редуцированного газа более высокого давления, при этом линия отвода охлажденного газа из разделительной вихревой трубы подсоединена к системе рекуперативных теплообменных аппаратов и далее к потребителю редуцированного газа, а линия отвода подогретого газа из нее через дроссельное устройство и теплообменный аппарат подключена к приосевой области вихревой трубы с дополнительным потоком, вторая линия подачи нерасширившегося газа соединена с дроссельным устройством через систему рекуперативных теплообменных аппаратов.
Основной недостаток данного устройства заключается в применении вихревой трубы - сложного в изготовлении устройства, обладающего низкими показателями надежности, а также узким диапазоном рабочих расходов газа. Помимо этого в устройстве не применяется турбодетандерное оборудование, что не позволяет обеспечить использование избыточной энергии магистрального потока газа на ГРС.
Известен комплекс для производства сжиженного природного газа (патент РФ №2541360, опубл. 10.02.2015 г.), содержащий соединенную с магистралью газораспределительной станции трубу, с которой связаны технологическая линия, соединенная с газораспределительной сетью, и продукционная линия, соединенная с хранилищем сжиженного природного газа и включающая компрессор, дроссель, сепаратор. В комплекс также входит детандер, оборудованный турбиной, выполненной с возможностью вращения потоком газа из технологической линии, кинематически связанной с компрессором, при этом комплекс дополнительно оборудован струйным компрессором, вход которого соединен с хранилищем сжиженного природного газа, а выход соединен с технологической линией, сопловой аппарат детандера выполнен из теплопроводящего материала. Узел осушки выполнен в виде единого блока для осушки технологического и продукционного потоков.
Недостатком данного комплекса является установка линий внедряемого оборудования параллельно газораспределительной станции, что приводит к снижению производительности детандера, вызванному снижением расхода газа через агрегат по сравнению с подключением параллельно узлу редуцирования ГРС. Также исполнение компрессора и детандера в виде единого агрегата, в котором компрессор выступает потребителем полезной мощности на валу детандера влечет увеличение взаимной зависимость работы детандера и компрессора, что снижает показатели надежности комплекса. Отсутствие устройства для извлечения тяжелых углеводородов до детандера создает необходимость в их конденсации в сопловом узле детандера и последующем отведении, что не обеспечивает полного исключения попадания конденсата на лопатки рабочего колеса турбины, которое приводит к снижению надежности оборудования.
Известна установка сжижения природного газа (патент РФ №2495341, опубл. 10.10.2013 г.), включающая подающую и возвратную магистрали, последовательно расположенные по прямому потоку первый и второй двухпоточные теплообменники, расширительное устройство и сепаратор, и магистраль детандирования, отличающаяся тем, что установка снабжена трехпоточным теплообменником, расположенным между первым и вторым теплообменниками, первым и вторым волновыми детандерами-компрессорами и магистралью компримирования, соединяющей возвратную магистраль на участке сброса в газовую магистраль низкого давления и подающую магистраль после входа в магистраль детандирования и проходящую через компрессорные части второго и первого детандеров-компрессоров, а магистраль детандирования соединяет подающую магистраль на входе и возвратную магистраль между трехпоточным и вторым двухпоточным теплообменниками и проходит последовательно через детандерную часть первого детандера-компрессора, трехпоточный теплообменник и детандерную часть второго детандера-компрессора.
Основной недостаток установки - применение в ней детандер-компрессорных агрегатов, которые отличаются низкими показателями надежности и высокой сложностью изготовления и обслуживания. Помимо этого, установка не предусматривает соединения линий сброса паровой фазы хранилища СПГ и цикла сжижения газа, что исключает возможность сокращения потерь СПГ от испарения.
Известна установка получения сжиженного природного газа с интегрированным детандером и флэш-циклом, «Integrated methane expander and flash cycle» (Roberts M.J. Briton refrigeration cycles for small-scale LNG / Mark J. Roberts, Fei Chen,  // Gas Processing. - 2015. - Vol. 4(1). - P. 27-32), включающая основной теплообменник, два конденсатосборника с установленным между ними теплообменником флэш-цикла, метановый замкнутый контур с компрессором и интергированным детандером, а также цикл повторного сжижения паровой фазы.
Основным недостатком данной установки является отсутствие турбодетандерного оборудования, позволяющего использовать избыточную энергию магистрального потока газа. Помимо этого, данная установка не предусматривает линий подключения к газораспределительной станции (ГРС), то делает невозможным его применение в исходном виде. Также следует отметить отсутствие линии сброса паровой фазы хранилища СПГ в цикл повторного сжижения газа.
Техническим результатом является создание высокоэффективноой установки получения сжиженного природного газа за счет прменения тубодетандерной установки для извлечения энергии, полученной при расширении от перепада давлений на входе в газораспределительную станцию и на выходе из нее.
Технический результат достигается тем, что узел очистки газа подключен параллельно основной линии ГРС, ведущей к узлу редуцирования ГРС, после узла подогрева ГРС и узла очистки ГРС, за узлом очистки газа установлен турбодетандерный агрегат, турбодетандерный агрегат и компрессор основного цикла выполнены как отдельные, независимые друг от друга агрегаты, к турбодетандерному агрегату в качестве потребителя мощности подключен электрический генератор, после турбодетандерного агрегата установлен узел разделения потока газа на две части, один из выходов которого соединен со входом теплообменника установки сжижения природного газа с внедренным детандером и флэш-циклом, а другой выход - со входом узла одоризации газа ГРС, линии сброса паровой фазы из резервуарного парка склада СПГ подключены к следующему за флэш-циклом конденсатосборнику.
Установка поясняется следующими фигурами: фиг.1 - технологическая схема установки получения сжиженного природного газа в условиях газораспределительной станции, где:
1 - узел очистки ГРС;
2 - узел подогрева ГРС;
3 - узел очистки газа;
4 - узел редуцирования ГРС;
5 - турбодетандерный агрегат с подключенным электрогенератором;
6 - установка дополнительного подогрева газа;
7 - узел одоризации газа ГРС;
8 - компрессор основного цикла с электродвигателем;
9 - теплообменник типа холодильник основного цикла;
10 - детандер основного цикла с подключенным электрогенератором;
11 - основной теплообменник;
12 - конденсатосборник;
13 - конденсатосборник;
14 - флэш-теплообменник;
15 - компрессор цикла сжижения паровой фазы с электродвигателем;
16 - теплообменник типа холодильник цикла сжижения паровой фазы;
17 - резервуарный парк склада СПГ;
18 - факельная установка;
19 - узел отпуска товарного СПГ;
20 - узел разделения потока газа.
Установка сжижения природного газа в условиях газораспределительной станции содержит узел очистки газа 3 (фиг.1), подключенный параллельно основной линии ГРС, ведущей к узлу редуцирования ГРС 4, после узла подогрева ГРС 2 и узла очистки ГРС 1. За узлом дополнительной очистки и подготовки природного газа 3 устанавливается турбодетандерный агрегат с подключенным турбодетандерным агрегатом с подключенным электрогенератором 5, после которого предусмотрен узел разделения потока газа 20.
Первый выход узла разделения потока газа 20 соединен с установкой дополнительного подогрева газа 6, после которой подключены узел одоризации газа ГРС 7 и выходные линии ГРС.
Второй выход узла разделения потока газа 20 соединен с основным теплообменником 11, на выходе из которого установлен конденсатосборник 12. Основной теплообменник 11 включает основной метановый цикл, состоящий из компрессора основного цикла с электродвигателем 8, теплообменник типа холодильник основного цикла 9, детандер основного цикла с подключенным электрогенератором 10. Помимо основного метанового цикла основной теплообменник содержит цикл сжижения паровой фазы, который включает в себя компрессор цикла сжижения паровой фазы с электродвигателем 15, а также теплообменник типа холодильник цикла сжижения паровой фазы 16.
Линия выхода СПГ из конденсатосборника 12 соединена с флэш-теплообменником 14, который включает выходную линию паровой фазы конденсатосборника 13, который установлен после флэш-теплообменника 14. Выходная линия СПГ конденсатосборника 13 подключена к резервуарному парку склада СПГ 17.
Линия выдачи СПГ резервуарного парка склада СПГ 17 подключена к узлу отпуска товарного СПГ 19. Линия сброса паровой фазы резервуарного парка склада СПГ 17 соединена со входом паровой фазы конденсатосборника 13, а также с факельной установкой 18.
Установка работает следующим образом.
Газ из магистрального газопровода поступает на вход ГРС, после чего направляется в узел очистки ГРС 1, где проходит первоначальную очистку от пыли и капельной влаги, затем, при необходимости, газ подогревают в узле подогрева ГРС 2.
После чего, при включении в работу турбодетандерного агрегата с подключенным электрогенератором 5, газ проходит через узел очистки газа 3, где предусматривается удаление капельной жидкости из потока газа чтобы избежать образования гидратов в криогенной секции. Дальнейшая очистка природного газа от водяных паров и диоксида углерода СО2 проводится в аппаратах-осушителях, заполненных адсорбентом. В качестве адсорбента применяются молекулярные сита. Осушенный и очищенный природный газ после осушителей проходит через фильтры-пылеуловители для удаления пыли адсорбента. Для удаления паров ртути предусмотрен специализированный мембранный адсорбер.
В случае же, когда турбодетандерный агрегат простаивает, используется узел редуцирования ГРС 4.
После расширения в турбодетандерном агрегате с подключенным электрогенератором 5 поток газа разделяется в узле разделения потока газа 20 на технологический и продукционный.
Продукционный поток направляется к узлу одоризации газа 7, проходя через устройство дополнительного подогрева газа 6, предназначенное для повышения температуры газа до необходимой величины, требуемой нормативно-технической документацией, после чего производится учет газа и поток направляется в газораспределительные сети к потребителям.
Технологический поток газа при низкой температуре направляется в основной теплообменник 11, пройдя через который, оказывается в конденсатосборнике 12. Охлаждение технологического потока газа в рамках основного теплообменника достигается за счет основного метанового цикла, в котором задействован компрессор основного цикла с электродвигателем 8, теплообменник типа холодильник основного цикла 9, и детандер основного цикла с подключенным электрогенератором 10. Но также эфективность охлаждения потока в основном теплообменнике повышается за счет теплообмена с паровой фазой из конденсатосборников 12 и конденсатосборников 13, которая подвергается повторному сжижению в рамках цикла сжижения паровой фазы, в котором задействован компрессор цикла сжижения паровой фазы с электродвигателем 15 и теплообменник типа холодильник цикла сжижения паровой фазы 16.
При перетекании СПГ из конденсатосборника 12 в конденсатосборник 13 паровая фаза из конденсатосборника 13 перед попаданием в цикл сжижения паровой фазы подвергается теплообмену с СПГ из конденсатосборника 12 в рамках флэш-теплообменника 14, что позволяет значительно сократить затраты энергии в рамках цикла сжижения паровой фазы.
Из конденсатосборника 13 СПГ самотеком поступает в резервуарный парк склада СПГ 17, который состоит из криогенных резервуаров, оснащенных необходимым набором запорной и предохранительной арматуры. Хранение на складе осуществляется при постоянном давлении и постоянной температуре.
Постоянное давление поддерживается за счет постоянного отвода паровой фазы из резервуаров резервуарного парка склада СПГ 17 в линию отвода паровой фазы, пройдя которую она смешивается с паровой фазой в конденсатосборнике 13. Однако, на случай превышения регламентированного давления в резервуарах предусмотрен сброс паровой фазы в факельную установку 18, которая также используется при продувке технологического оборудования.
Отпуск готовой продукции СПГ в автоцистерны осуществляется при помощи специальных насосов для криогенных газов в рамках узла отпуска товарного СПГ 19.