УСТАНОВКА ДЛЯ СЖИЖЕНИЯ ГАЗА, В ЧАСТНОСТИ СЕТЕВОГО ГАЗА
GAS LIQUEFACTION INSTALLATION, IN PARTICULAR FOR NETWORK GAS

Область техники
Настоящее изобретение относится к установке для сжижения газа, в частности, сетевого газа.
Уровень техники
Известны различные типы установок для сжижения газа, в частности, сетевого газа.
Обычно под сетевым газом подразумевается газовая смесь высоколетучих углеводородов, состоящих главным образом из метана, который присутствует в процентном содержании от 90% до 99%, тогда как оставшаяся часть состоит из этана, пропана и бутана с возможными следами диоксида углерода, азота, благородных газов и сероводорода.
Этот сетевой газ добывают из нефти или месторождений природного газа, или, в альтернативном варианте, получают посредством процессов анаэробной ферментации, и он предназначен как для домашних, так и для автотранспортных применений.
Распределение газа осуществляется, если это возможно, посредством распределительной сети, состоящей из трубопроводов, которая транспортирует газ под высоким давлением.
В альтернативном варианте газ может храниться и транспортироваться должным образом подготовленными танкерами, а затем обрабатываться на территории пользователя на станциях регазификации, где он возвращается в свое газообразное состояние и подается в локальную сеть газового трубопровода.
Однако в некоторых случаях целесообразно транспортировать газ в жидком состоянии в баллонах и т.п. с ограниченным объемом по сравнению с танкерами, что в частности удобно, когда газ предназначен для применения в автотранспортных перевозках.
Сжижение газа представляет собой сложный процесс, для которого необходимо специальное оборудование и потребление большого количества энергии.
Как правило, установки для сжижения газа содержат компрессор, в общем случае типа турбонагнетателя, который повышает давление газа до существенно высоких значений.
После этого сжатый газ поступает в теплообменник, который существенно снижает его температуру.
В этот момент газ подвергается расширению так, чтобы довести его до давления и температуры, чтобы вызвать изменение его состояния от газообразного до жидкого.
В целом невозможно сжижать весь поток обрабатываемого газа, но вместо этого получают смесь газ - жидкость.
Две фазы разделяются газожидкостным сепаратором, что позволяет получить поток сжиженного газа, тогда как фракция в газообразной фазе смешивается с потоком предназначенного для сжижения газа, поступающего в сжижающую установку.
Если скорость потока предназначенного для сжижения газа является высокой, расширение можно проводить посредством турбодетандера, который позволяет осуществлять значительный скачок давления, но также вырабатывает электричество, которое используется для питания самой сжижающей установки.
В этом конкретном случае сжиженный газ хранится в СПГ-танкерах, которые перевозят его от места получения в место потребления.
Этот конкретный тип установки является в особенности преимущественным, поскольку он обеспечивает рекуперацию энергии посредством турбодетандера, но его применение целесообразно только в случае достаточно больших скоростей потока.
Если, с другой стороны, скорость потока предназначенного для сжижения газа ограничена, как в случае газа для применения в автотранспортных целях, сжижающая установка обеспечивает его расширение посредством роликовых клапанов, что, однако не обеспечивает рекуперацию энергии. Кроме того, в случае небольших скоростей потока сжиженный газ хранится в криогенных баллонах и транспортируется так, чтобы быть доступным для применений разного типа, включая автотранспортные перевозки.
Однако эти установки для сжижения газа имеют ряд недостатков.
По факту, установки для сжижения сетевого газа для применения в автотранспортных перевозках включают высокие эксплуатационные расходы, связанные со сжатием газа и его последующим расширением.
Кроме того, учитывая сниженную скорость потока газа, расширение проводится посредством прокатки, поэтому отсутствует возможность рекуперации полезной работы в форме электричества.
Описание изобретения
Основной задачей настоящего изобретения является обеспечение установки для сжижения газа, которая позволяет ограничить эксплуатационные расходы процесса в целом.
В рамках проиллюстрированной задачи целью настоящего изобретения является рекуперация полезной работы в установке.
Другой целью настоящего изобретения является обеспечение установки для сжижения газа, которая позволяет максимизировать получаемую фракцию сжиженного газа, минимизируя таким образом необходимость возвращения фракции в газообразной фазе.
Дополнительной целью настоящего изобретения является обеспечение установки для сжижения газа, которая позволяет преодолеть вышеуказанные недостатки известного уровня техники в рамках простого, рационального, легкого, эффективного и экономного решения.
Вышеуказанные цели достигаются за счет представленной установки для сжижения газа в соответствии с п. 1 формулы изобретения.
Краткое описание графических материалов
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут более очевидны из описания предпочтительного, но не единственно возможного варианта осуществления установки для сжижения газа, проиллюстрированного посредством показательного, но неограничивающего примера на прилагаемых графических материалах, на которых:
на Фиг. 1 представлен схематический вид установки в соответствии с изобретением;
на Фиг. 2 представлен схематический вид в разрезе части установки с Фиг. 1 с гидравлическим распределителем во впускной конфигурации;
на Фиг. 3 представлен схематический вид в разрезе части с Фиг. 2 с гидравлическим распределителем в конфигурации расширения;
на Фиг. 4 представлен схематический вид в разрезе части с Фиг. 2 с гидравлическим распределителем в выпускной конфигурации.
Варианты осуществления изобретения
Касательно конкретно этих иллюстраций позиционным номером 1 в общем случае обозначена установка для сжижения газа.
Установка 1 для сжижения газа, в частности, сетевого газа, содержит:
- по меньшей мере один компрессор 2, выполненный с возможностью повышения давления по меньшей мере одного газа с целью получения сжатого газа;
- по меньшей мере одно охлаждающее устройство 3, соединенное гидравлическим образом с компрессором 2 и выполненное с возможностью охлаждения сжатого газа;
- по меньшей мере один узел расширения 6, 10, 20, который соединен гидравлическим образом с охлаждающим устройством 3 и выполнен с возможностью снижения давления сжатого газа с целью получения сжиженного газа; и
- по меньшей мере одну заправочную станцию 4, которая соединена гидравлическим образом с узлом расширения 6, 10, 20 и выполнена с возможностью наполнения по меньшей мере одного криогенного резервуара 5 сжиженным газом.
В частности, установка 1 предназначена для применения для сжижения криогенных газов, т.е. газов с очень низкими температурами кипения при атмосферном давлении (в общем случае ниже -100°С).
Следует отметить, что установку 1 можно использовать для сжижения любого криогенного газа посредством варьирования рабочих условий давления и температуры в зависимости от обрабатываемого газа.
В конкретном случае сетевого газа он транспортируется по трубопроводам при давлении выше атмосферного давления и при температуре равной атмосферной.
Однако в таких условиях температуры и давления сетевой газ, а также другие криогенные газы, находятся в состоянии сверхкритической жидкости, т.е. газа, который нельзя сжижать простым сжатием.
Следовательно, в установке 1 используется комбинированный эффект сжатия, охлаждения и последующего расширения газа с целью его сжижения.
В частности, газ, который берется из сети, подается в компрессор 2, который повышает давление, доводя его до достаточно высоких значений давления.
В конкретном случае сетевого газа он сжимается от нескольких бар до высоких значений давления, даже 200 бар, так, чтобы компрессор 2 обеспечивал возможность получения высоких коэффициентов сжатия.
Затем сжатый газ, который получают из такого компрессора 2, охлаждается посредством охлаждающего устройства 3, задачей которого является охлаждение газа до температур намного ниже 0°С.
Следовательно, существует криогенный теплообменник, в котором находится охлаждающая жидкость, обычно жидкий азот, которая применяется для охлаждения сжатого газа, доводя его до очень низкой температуры, которая в конкретном случае сетевого газа составляет около -60°С.
Предпочтительно охлаждающее устройство 3 представляет собой криогенный теплообменник «пластинчатого» типа, хотя нельзя исключать возможности применения отличного типа охлаждающего устройства 3.
В конкретном случае применения пластинчатого теплообменника это позволяет получать высокие результаты теплообмена, что включает использование сниженных скоростей охлаждающей жидкости, а также необходимость меньшей теплообменной площади поверхности по сравнению с другими типами теплообменников, что означает меньшие размеры охлаждающего устройства 3.
Такие преимущества имеют положительный эффект на эксплуатационные расходы установки 1 в связи с тем, что необходимо использование меньшего потока жидкого азота и, следовательно, снижаются расходы, связанные как с самой охлаждающей жидкостью, так и с ее эксплуатацией.
С практический точки зрения, так как оно должно работать в контакте с жидкостями при очень низких температурах, охлаждающее устройство 3 выполнено из специальных материалов, например, специальных сталей с добавлением хрома и никеля, которые имеют очень низкую склонность с хрупкому излому.
В этот момент сжатый и надлежащим образом охлажденный газ подается на узел расширения 6, 10, 20, в котором происходит фактическое сжижение газа.
Действительно, снижение давления газа, обеспечиваемое узлом расширения 6, 10, 20, включает дополнительное снижение температуры так, что газ находится в условиях температуры и давлениях так, чтобы получить изменение состояния от газообразного до жидкого с получением сжиженного газа.
В конкретном случае сетевого газа условия получения на выходе из узла расширения 6, 10, 20 сжиженного газа соответствуют 3 барам и -145°С.
В действительности на выходе из установки 1 не получают сжиженный газ, состоящий из потока полностью жидкой фазы, но вместо этого получают туман, т.е. смесь газа и жидкости в форме аэрозоля, в котором, следовательно, жидкая фракция диспергирована внутри газообразной фракции в форме небольших капель.
Тем не менее, установка 1 выполнена с возможностью максимизации получаемой фракции сжиженного газа так, чтобы насколько возможно повысить выход самой установки и снизить общие производственные расходы.
В соответствии с изобретением узел расширения 6, 10, 20 содержит по меньшей мере один поршневой расширитель 6, содержащий по меньшей мере одну расширительную камеру 7, которая идет вдоль первого осевого направления А и имеет по меньшей мере одно впускное и выпускное устье 8 и по меньшей мере один поршень 9, находящийся в расширительной камере 7 и выполненный с возможностью скольжения внутри самой расширительной камеры вдоль первого осевого направления А.
При этом нельзя исключать возможность поршневого расширителя 6, имеющего некоторое количество расширительных камер 7, в каждой из которых может скользить соответствующий поршень 9.
Преимущественно узел расширения 6, 10, 20 может работать с очень высокими давлениями входящего газа, даже выше 150 бар.
По сути, сжатый газ вносится в расширительную камеру 7, а расширение проводится посредством варьирования объема самой расширительной камеры за счет скольжения поршня 9.
В действительности поршень 9 скользит вдоль первого осевого направления А между первым положением, в котором поршень 9 располагается вблизи устья 8, а объем расширительной камеры 7 является наименьшим из возможных, и вторым положением, в котором сам поршень отделен от устья 8, а объем расширительной камеры 7 является наибольшим из возможных.
Другими словами, сжатый газ вносится в поршневой расширитель 6, когда поршень 9 находится в первом положении.
После этого устье 8 закрывается, а поршень 9 перемещается до второго положения, таким образом увеличивая объем расширительной камеры 7 и, следовательно, снижая давление сжатого газа и обеспечивая сжиженный газ.
В этом момент устье 8 снова открывается, а поршень 9 снова перемещается в первое положение так, чтобы выпустить сжиженный газ из расширительной камеры 7.
В частности, поршневой расширитель 6 принадлежит типу криогенного поршневого расширителя, что означает, что он находится в контакте с жидкостью при температуре даже ниже -100°С, поэтому в этом случае также необходимо использовать стали, которые проявляют исключительную устойчивость к хрупкому излому.
Преимущественно поршневой расширитель 6 содержит по меньшей мере один гидравлический распределитель 10, соединенный с устьем 8 и выполненный с возможностью регуляции направления потока газа.
Другими словами, гидравлический распределитель 10 позволяет управлять открытием и закрытием устья 8 поршневого расширителя 6 в соответствии с точными временными рамками так, чтобы гарантировать выпуск сжиженного газа только после того, как произойдет полное расширение, оптимизируя, таким образом, работу установки 1.
По сути, гидравлический распределитель 10 содержит:
- по меньшей мере один корпус клапана 11, содержащий по меньшей мере одну раздвижную камеру 12а, 12b, имеющую по существу удлиненную форму, которая идет вдоль по меньшей мере второго осевого направления В и оборудована по меньшей мере одним впускным отверстием 13 для впуска сжатого газа, по меньшей мере одним выпускным отверстием 14 для выпуска сжиженного газа и по меньшей мере одним устьевым отверстием 15, связанным с устьем 8 для соединения гидравлического распределителя 10 с расширительной камерой 7 поршневого расширителя 6; и
- по меньшей мере один ползунок 16а, 16b, имеющий по существу удлиненную форму, находящийся в раздвижной камере 12а, 12b, выполненный с возможностью скольжения вдоль второго осевого направления В и содержащий по меньшей мере один внутренний газоход 17а, 17b для прохождения сжатого газа и расширенного газа и частично сжиженного, и расположенный с возможностью гидравлического соединения с по меньшей мере двумя из впускного отверстия 13, устьевого отверстия 15 и выпускного отверстия 14.
По сути, факт обеспечения внутреннего газохода 17а, 17b удлиненной формы или, скорее, с шириной, существенно меньшей по сравнению с длиной, позволяет получать большее сопротивление гидравлического распределителя 10 высокому давлению жидкости, которая проходит через него, в частности, сжатого газа, подаваемого в направлении поршневого расширителя 6.
В конкретном варианте осуществления, проиллюстрированном на фигурах, первое осевое направление А и второе осевое направление В являются по существу параллельными друг другу так, что поршневой расширитель 6 и гидравлический распределитель 10 расположены по существу на одной линии друг с другом с получением конфигурации, которая позволяет минимизировать общие размеры узла расширения 6, 10, 20.
При этом нельзя исключать возможность расположения первого осевого направления А и второго осевого направления В по отношению друг к другу отличным от приведенного на иллюстрациях образом.
Преимущественно гидравлический распределитель 10 содержит некоторое количество раздвижных камер 12а, 12b и некоторое количество ползунков 16а, 16b, каждый из которых находится в соответствующей раздвижной камере 12а, 12b и которые выполнены с возможностью скольжения по существу шахматным образом относительно друг друга вдоль второго осевого направления В.
В конкретном варианте осуществления, приведенном на иллюстрациях, гидравлический распределитель 10 содержит:
- по меньшей мере первую раздвижную камеру 12а, в которой находится по меньшей мере первый ползунок 16а, содержащий по меньшей мере первый газоход 17а; и
- по меньшей мере вторую раздвижную камеру 12b, в которой находится по меньшей мере второй ползунок 16b, содержащий по меньшей мере второй газоход 17b.
В частности, первый ползунок 16а и второй ползунок 16b выполнены с возможностью скольжения по существу чередующимся образом относительно друг друга вдоль второго осевого направления В между
- впускной конфигурацией, в которой первый внутренний газоход 17а находится в сообщении с впускным отверстием 13 и устьевым отверстием 15;
- конфигурацией расширения, в которой первый внутренний газоход 17а и второй внутренний газоход 17b изолированы относительно расширительной камеры 7; и
- выпускной конфигурацией, в которой второй внутренний газоход 17b находится в сообщении с устьевым отверстием 15 и с выпускным отверстием 14.
На практике перемещение первого ползунка 16а и второго ползунка 16b происходит по существу синхронизированным образом с перемещением поршня 9 поршневого расширителя 6.
В действительности, когда сжатый газ попадает в расширительную камеру 7 с находящимся в первом положении поршнем 9, гидравлический распределитель 10 находится во впускной конфигурации.
После наполнения расширительной камеры 7 гидравлический распределитель 10 переводится в конфигурацию расширения так, чтобы перекрыть устье 8, в то время как поршень 9 перемещается в направлении второго положения.
И наконец, после завершения расширения газа, сжиженный газ выпускается так, чтобы перевести гидравлический распределитель 10 в выпускную конфигурацию, в то время как поршень 9 снова перемещается в направлении первого положения.
Подобная синхронизация перемещения позволяет, таким образом, оптимизировать расширение сжатого газа с получением наибольшей возможной фракции в жидкой фазе.
Чтобы гарантировать герметичность и предотвратить протекание сжатого газа, гидравлический распределитель 10 имеет некоторое количество затворов 21, которые выполнены с возможностью обеспечения его гидравлической герметизации.
Преимущественно гидравлический распределитель 10 содержит по меньшей мере один линейный электрический привод 18, выполненный с возможностью перемещения по меньшей мере одного из первого ползунка 16а и второго ползунка 16b вдоль второго осевого направления В.
Предпочтительно гидравлический распределитель 10 содержит по меньшей мере два линейных электрических привода 18, выполненных с возможностью перемещения первого ползунка 16а и второго ползунка 16b, соответственно, вдоль второго осевого направления В.
Следовательно, таким образом можно перемещать первый ползунок 16а и второй ползунок 16b автоматически, регулируя с высокой точностью время и перемещение, чтобы обеспечить идеальное регулирование узла расширения 6, 10, 20.
Преимущественно установка 1 содержит по меньшей мере один генератор электрического тока 19, соединенный с поршневым расширителем 6 и выполненный с возможностью вырабатывать электричество, схематически показанный на иллюстрациях.
Кроме того, генератор электрического тока 19 также действует как двигатель, регулируя скорость, запуск и остановку поршневого расширителя 6.
Следовательно, таким образом можно использовать перемещение поршня 9 чтобы вырабатывать электричество, которое используется для питания по меньшей мере части установки 1.
Факт подготовки поршневого расширителя 6, соединенного с генератором электрического тока 19, позволяет рекуперировать полезную работу, выполненную самим поршневым расширителем, с целью выработки электричества, со снижением энергии, подаваемой на установку через сеть и, следовательно, снижением расходов, связанных с производством.
Удобным образом узел расширения 6, 10, 20 также может содержать по меньшей мере один роликовый клапан 20, расположенный между поршневым расширителем 6 и заправочной станцией 4 и выполненный с возможностью снижения давления газа на выходе из поршневого расширителя 6.
В частности, роликовый клапан 20 обеспечивает возможность дополнительного снижения давления сжиженного газа на выходе из поршневого расширителя 6 так, чтобы максимизировать эффект падения температуры и, следовательно, максимизировать фракцию в жидкой фазе, получаемую на выходе из установки 1.
При это нельзя исключать возможность выполнения узла расширения 6, 10, 20 без роликового клапана 20.
Сжиженный газ, получаемый на выходе из узла расширения 6, 10, 20, подается на заправочную станцию 4, где он хранится в криогенном резервуаре 5 для транспортировки к конечному пользователю.
Такой криогенный резервуар 5 выполнен с возможностью поддержания сжиженного газа в условиях температуры и давления, получаемых на выходе из узла расширения 6, 10, 20, поэтому он должен быть выполнен таким образом, чтобы гарантировать надлежащую термоизоляцию по отношению к окружающей среде.
В действительности криогенный резервуар 5 имеет внутреннюю стенку и внешнюю стенку, между которыми определена полость, содержащая материалы с высокими изолирующими свойствами так, чтобы термически изолировать сжиженный газ.
Криогенный резервуар 5 также может содержать систему охлаждения, в которой используется поток охлаждающей жидкости внутри труб, находящихся внутри самого криогенного резервуара, так, чтобы держать сжиженный газ в установленных температурных условиях, чтобы избежать его нагревания и последующего испарения.
С конструкторской точки зрения криогенный резервуар 5 должен быть устойчивым к сверхвысокому давлению и к криогенным температурам, поэтому его выполняют из сталей, устойчивых к хрупкому излому, а толщину стенок определяют в соответствии с рабочим давлением.
Преимущественно гидравлическое соединение внутри установки 1 обеспечивается посредством системы труб, выполненных из материалов, устойчивых как к высоким давлениям, так и к криогенным температурам.
На практике было обнаружено, что описанное изобретение обеспечивает достижение поставленных целей.
В этом отношении подчеркивается факт, что конкретное решение предоставления узла расширения, содержащего поршневой расширитель, обеспечивает возможность ограничивать эксплуатационные расходы установки.
В частности, тот факт, что поршневой расширитель соединен с генератором электрического тока, обеспечивает возможность рекуперации полезной работы, выполняемой самим расширителем, и выработки электрического тока, который используется для питания самой установки, с целью снижения количества электричества, обеспечиваемого сетью.
Кроме того, конкретное решение предоставления гидравлического распределителя позволяет регулировать направление потока газа в поршневой расширитель и из него, оптимизируя его работу и максимизируя фракцию сжиженного газа.