способ сжижения природного газа

Формула изобретения

1. Способ сжижения природного газа путем его сжатия в компрессорах высокого давления (р 25 МПа), последовательного охлаждения не менее чем в двух рекуперативных теплообменниках, разделение охлажденного газа на жидкую и газовую фазы, причем последняя возвращается в цикл сжижения на вход компрессоров, последовательно проходя указанные теплообменники, дополнительного охлаждения газа высокого давления при помощи контура предварительного охлаждения, отличающийся тем, что в контуре предварительного охлаждения сжатого газа в качестве источника дополнительной холодопроизводительности используется не менее чем один каскад, состоящий из рекуперативного теплообменника и двух вихревых труб, работающих на сжатом газе высокого давления (р 7,5 МПа), поступающем с входа газораспределительной станции, причем "холодный" поток первой вихревой трубы подается в линию среднего давления (р 1,6 МПа) теплообменника контура предварительного охлаждения; охладившийся в нем газ высокого давления (р 7,5 МПа) подается на вход второй вихревой трубы, ее "холодный" поток смешивается с обратным потоком не сжиженного в цикле газа с выхода второго теплообменника и направляется на вход линии среднего давления (р 1,6 МПа) первого теплообменника, в котором прямой поток газа высокого давления (р 25 МПа) охлаждается до температуры Т<245 К и уже затем поступает во второй и последующие рекуперативные теплообменники, при этом "горячие" потоки вихревых труб объединяются и направляются в выходную магистраль газораспределительной станции.

2. Способ сжижения природного газа по п.1, отличающийся тем, что газовый поток среднего давления (р 1,6 МПа), образованный потоком с выхода первого теплообменника, "горячими" потоками вихревых труб и потоками с выхода теплообменников контура предварительного охлаждения, перед подачей в выходную магистраль газораспределительной станции поступает в приемную камеру эжектора ("пассивный" газ), в котором в качестве "активного" газа используется сжатый газ высокого давления (р 7,5 МПа) с входа газораспределительной станции.

3. Способ сжижения природного газа по п.1, отличающийся тем, что процесс сжижения ведут таким образом, что температура обратного потока не сжиженного в цикле газа с выхода второго теплообменника отличается от температуры "холодного" потока вихревой трубы, последней по ходу газа высокого давления (р 7,5 МПа), не более, чем на ±10 К.

4. Способ сжижения природного газа по п.1, отличающийся тем, что на вход второй ступени компрессоров высокого давления (р 25 МПа) автогазонаполнительной станции подается газ высокого давления (р 7,5 МПа) с входа газораспределительной станции.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к криогенной технике, а именно к технологии сжижения природного газа.

Известен способ сжижения природного газа, заключающийся в том, что природный газ из магистрали среднего давления сжимают в компрессоре высокого давления, затем последовательно охлаждают в двух противоточных рекуперативных теплообменниках, осуществляют разделение метана на жидкую и газовую фазы, причем последнюю возвращают в цикл ожижения, при этом после второго теплообменника осуществляют расширение газа в дроссельном устройстве /1/.

Недостатком указанного способа являются сравнительно низкие эффективность и экономичность процесса.

Большинства перечисленных недостатков лишен способ сжижения природного газа, преимущественно для автогазонаполнительных компрессорных станций, при котором газ из магистрали среднего давления сжимается в компрессоре высокого давления, затем последовательно охлаждается в первом и втором рекуперативных теплообменниках, дросселируется и разделяется на жидкую и газовую фазы, причем последняя возвращается в цикл сжижения на вход компрессора через второй и первый теплообменники, после первого теплообменника сжатый газ дополнительно охлаждается за счет использования контура предварительного охлаждения на базе фреонового рефрижераторного цикла, а после второго теплообменника и первой стадии разделения осуществляется расширение газа в эжекторе /2/ - прототип.

Главным достоинством такого технического решения является повышение эффективности процесса за счет увеличения коэффициента сжижения. Теплоемкость газа заметно увеличивается с ростом давления, поэтому с учетом более резкого хода изоэнтальп в области высоких давлений даже небольшое снижение температуры газа в этом случае приводит к заметному росту доли жидкости, образующейся в дроссельном цикле.

Основным недостатком данного способа является необходимость в дополнительном достаточно сложном оборудовании, каким являются холодильная фреоновая машина и теплообменник-испаритель, где происходит охлаждение сжатого газа, а также дополнительный расход энергии на сжатие фреона в компрессорах холодильной машины, что приводит к повышению эксплуатационных расходов на производство сжиженного природного газа.

Цель предлагаемого изобретения - повышение надежности и экономичности процесса сжижения природного газа в области высоких значений его входного давления.

Данная цель достигается тем, что обеспечиваются условия для эффективного охлаждения в контуре предварительного охлаждения потока природного газа высокого давления (р 25 МПа), подаваемого на сжижение, без использования дополнительных энергоресурсов.

Технологически это решается следующим образом. В контуре предварительного охлаждения сжатого газа в качестве источника дополнительной холодопроизводительности используется не менее чем один каскад, состоящий из рекуперативного теплообменника и двух вихревых труб, работающих на сжатом газе высокого давления (р 7,5 МПа), поступающем с входа газораспределительной станции.

При этом "холодный" поток первой вихревой трубы подается в линию среднего (р 1,6 МПа) давления теплообменника контура предварительного охлаждения. Сжатый газ высокого давления (р 7,5 МПа), охладившийся в теплообменнике контура предварительного охлаждения, поступает на вход второй вихревой трубы, причем ее "холодный" поток смешивается с газом среднего давления с выхода второго теплообменника (обратный поток несжиженного газа) и подается на вход линии среднего давления первого теплообменника, в котором прямой поток газа высокого давления (р 25 МПа) охлаждается до температуры Т< 245 К, и уже затем поступает во второй и последующие рекуперативные теплообменники. "Горячие" потоки вихревых труб объединяются и направляются в выходную магистраль газораспределительной станции.

Принципиальная технологическая схема установки для реализации предложенного способа представлена на фиг. 1. Схемы вариантов установок представлены на фиг.2-4.

Природный газ среднего давления с выхода газораспределительной станции 1 сжимается в компрессорах высокого давления (р 25 МПа) автогазонаполнительной компрессорной станции 2 и поступает на вход первого теплообменника 3, где охлаждается до температуры не выше 245 К в процессе рекуперативного теплообмена с обратным потоком газа среднего давления, образованного "холодным" потоком с выхода второй вихревой трубы 4 и потоком несжиженного газа из второго теплообменника 5.

Далее газ высокого давления (р 25 МПа) поступает на вход второго теплообменника 5. В нем за счет рекуперативного теплообмена с газовой фазой, поступающей из устройства сепарации и хранения сжиженного природного газа 6, газ высокого давления (р 25 МПа) дополнительно охлаждается и поступает на вход редуцирующего устройства 7, где подвергается расширению до давления 0,1...1,6 МПа. Образующаяся жидкая фаза отделяется в устройстве для сепарации и хранения сжиженного природного газа 6, а газовая фаза возвращается в цикл сжижения на вход линии среднего давления второго теплообменника 5.

Сжатый газ высокого давления (р 7,5 МПа) с входа газораспределительной станции 1 разделяется на два потока: один поступает на вход первой вихревой трубы 8, а второй - на вход теплообменника 9 контура предварительного охлаждения. Здесь он охлаждается за счет рекуперативного теплообмена с "холодным" потоком первой вихревой трубы 8, подающимся в линию среднего давления теплообменника 9. Охлажденный газ высокого давления (р 7,5 МПа) далее поступает на вход второй вихревой трубы 4. "Горячие" потоки первой 8 и второй 4 вихревых труб объединяются и направляются в выходную магистраль газораспределительной станции. "Холодный" поток второй вихревой трубы 4 смешивается с газом среднего давления с выхода второго теплообменника 5 (обратный поток несжиженного газа) и подается на вход линии среднего давления первого теплообменника 3 для охлаждения газа высокого давления (р 25 МПа), подающегося на сжижение. После прохождения первого теплообменника газ среднего давления смешивается с "горячими" потоками первой и второй вихревых труб и направляется в выходную магистраль газораспределительной станции.

Предложенное техническое решение позволяет отказаться от сложного и дорогостоящего оборудования, каким является фреоновая холодильная машина и теплообменник-испаритель, и тем самым исключить дополнительный расход энергии на сжатие фреона в компрессорах холодильной машины.

Вихревые трубы просты в изготовлении, не имеют движущихся частей, не требуют для своей работы дополнительных источников энергии, поэтому повышается надежность всего процесса сжижения природного газа.

Исходя из эксергетического анализа предложенного технического решения, процесс сжижения целесообразно вести таким образом, чтобы температура обратного потока не сжиженного в цикле газа с выхода второго теплообменника совпадала бы с температурой "холодного" потока вихревой трубы, последней по ходу сжатого газа с входа газораспределительной станции. На практике достаточно, чтобы расхождение между указанными температурами не превышало бы 10 К. Дальнейшее его увеличение приводит к заметному снижению эффективности процесса сжижения.

В реальной фреоновой холодильной машине температура кипения фреона ограничена величиной ˜223 К. При использовании же в контуре предварительного охлаждения каскадов из вихревых труб и рекуперативных теплообменников можно понижать температуру газового потока на входе в линию низкого давления первого теплообменника до величин 173...183 К и ниже путем добавления дополнительных каскадов, что позволит существенно увеличить коэффициент сжижения и, соответственно, снизить удельные энергозатраты на производство сжиженного природного газа.

На фиг.2 представлен вариант предлагаемого способа сжижения с дополнительным каскадом, состоящим из вихревой трубы и теплообменника.

Природный газ среднего давления с выхода газораспределительной станции 1 сжимается в компрессорах автогазонаполнительной компрессорной станции 2 до давления 25 МПа и поступает на вход первого теплообменника 3, где охлаждается до температуры не выше 245 К в процессе рекуперативного теплообмена с обратным потоком газа среднего давления, образованного "холодным" потоком с выхода второй вихревой трубы 4 и потоком несжиженного газа из второго теплообменника 5.

Далее газ высокого давления (р 25 МПа) поступает на вход второго теплообменника 5. В нем за счет рекуперативного теплообмена с газовой фазой, поступающей из устройства сепарации и хранения сжиженного природного газа 6, газ высокого давления (р 25 МПа) дополнительно охлаждается и поступает на вход редуцирующего устройства 7, где подвергается расширению до давления 0,1...1,6 МПа. Образующаяся жидкая фаза отделяется в устройстве для сепарации и хранения сжиженного природного газа 6, а газовая фаза возвращается в цикл сжижения на вход линии среднего давления второго теплообменника 5.

Сжатый газ высокого давления (р 7,5 МПа) с входа газораспределительной станции 1 разделяется на два потока: один поступает на вход первой вихревой трубы 8, а второй - на вход линии высокого давления первого теплообменника 9 контура предварительного охлаждения. Здесь он охлаждается за счет рекуперативного теплообмена с "холодным" потоком первой вихревой трубы 8, подающимся в линию среднего давления теплообменника 9.

Охлажденный газ высокого давления (р 7,5 МПа) в свою очередь разделяется на два потока. Первый из них поступает на вход второй вихревой трубы 4, а второй - на вход второго теплообменника 10 контура предварительного охлаждения. Здесь он дополнительно охлаждается за счет рекуперативного теплообмена с потоком, образованным "холодным" потоком второй вихревой трубы 4 и "горячим" потоком третьей вихревой трубы 11, подающимся в линию среднего давления теплообменника 10. Далее газ высокого давления (р 7,5 МПа) поступает на вход третьей вихревой трубы 11, "холодный" поток которой смешивается с газом среднего давления с выхода второго теплообменника 5 (обратный поток несжиженного газа) и подается на вход линии среднего давления первого теплообменника 3 для охлаждения газа высокого давления (р 25 МПа), подающегося на сжижение. "Горячий" поток вихревой трубы 11 смешивается с "холодным" потоком трубы 4 и направляется в линию среднего давления теплообменника 10.

"Горячие" потоки первой 8 и второй 4 вихревых труб, а также газовый поток среднего давления после прохождения первого теплообменника объединяются и поступают в выходную магистраль газораспределительной станции.

В условиях реальных газораспределительной станций перепад давления газа между входной (Р_вх.ГРС ) и выходной (Р_{вых.ГРС}) магистралями, являющийся движущейся силой для работы вихревых труб, может быть невелик (Р_вх.ГРС /Р_{вых.ГРС}=1,5...2,0). В результате число каскадов, требуемое для достижения низких температур, может быть достаточно велико.

Для повышения эффективности работы вихревых труб и, соответственно, снижения количества каскадов газовый поток среднего давления, образованный потоком с выхода первого теплообменника, "горячими" потоками вихревых труб и потоками с выхода теплообменников контура предварительного охлаждения, перед подачей в выходную магистраль газораспределительной станции поступает в приемную камеру эжектора ("пассивный" газ), в котором в качестве "активного" газа используется сжатый газ высокого давления (р 7,5 МПа) с входа газораспределительной станции (фиг. 3).

В результате давление газа в линиях среднего давления первого и второго теплообменников, а также контура предварительного охлаждения может быть снижено в несколько раз по сравнению с давлением в выходной магистрали газораспределительной станции. На практике величину отношения Р_вх.ГРС/Р_{вых.ГРС} целесообразно поддерживать на уровне 4...6. Дальнейшее увеличение данной величины не приведет к заметному росту эффективности энергоразделения в вихревых трубах, однако потребует существенного увеличения расхода газа высокого давления (р 7,5 МПа) на вход эжектора.

Описание способа сжижения природного газа в этом случае аналогично описанию схемы на фиг.1 за исключением того, что газ среднего давления с выхода первого теплообменника 3, "горячие" потоки первой 8 и второй 4 вихревых труб, а также газ с выхода теплообменника 9 контура предварительного охлаждения отсасывается при помощи эжектора 10. В качестве "активного" газа в эжекторе 10 используется сжатый газ высокого давления (р 7,5 МПа), отводимый с входа газораспределительной станции 1.

Эффективность процесса сжижения природного газа может быть дополнительно повышена за счет снижения работы сжатия, производимой в компрессорах автогазонаполнительной станции, путем подачи на их вход газа высокого давления (р 7,5 МПа) с входа газораспределительной станции на вход второй ступени компрессоров.

При размещении установки сжижения, работающей по предложенному способу, на газораспределительной станции может быть получен еще один положительный эффект за счет повышения температуры газа в ее выходной магистрали. При дросселировании газа высокого давления (р 7,5 МПа) на регуляторах газораспределительной станции за счет дроссель-эффекта температура газа снижается на 20...30°С и становится отрицательной. Это приводит к обледенению трубопроводов, промерзанию и вспучиванию грунта вдоль газопроводов. Для снижения негативного влияния данного явления газ подогревают, используя дополнительные энергоресурсы (сжигание части газа, электроэнергия).

Повышение температуры газа на выходе газораспределительной станции позволяет сократить затраты энергии на его подогрев, тем самым повышая экономичность работы станции.

Энергозатраты на производство СПГ по способу, описываемому в прототипе, складываются из затрат на работу сжатия газа - L, а также затрат на работу холодильной машины - L_x.

Работа L_x определяется по соотношению:

где Н_х - холодопроизводительность машины, кВт·час;

- коэффициент пропорциональности между потребляемой электроэнергией и холодопроизводительностью, принимаем =1,38 (по опытным данным, полученным при эксплуатации фреоновой холодильной машины производства московского завода "Компрессор" с температурой кипения хладагента 233 К на автогазонаполнительной станции №8, г. Петродворец).

Величина Н_х определяется по уравнению:

где I(Р_вх,Т_вх)-I(Р_вх,Т _ц - значение энтальпии природного газа высокого давления на входе и выходе из теплообменника испарителя соответственно, кДж/кг.

Т_и - температура газа высокого давления на выходе из теплообменника-испарителя холодильной машины, К;

Работа L (изотермическое сжатие) определяется по формуле:

где S(P_вх,Т_вх), S(Р_вых ,Т_вх) - значения энтропии природного газа при соответствующих давлениях и температуре, кДж/кг·К);

I(P_вх ,Т_вх), I(Р_вых,Т_вх) - значения энтальпии природного газа при соответствующих давлениях и температуре, кДж/кг.

Удельные энергозатраты:

где К- коэффициент сжижения газа в цикле;

I _ж(Р_вых) - значение энтальпии криогенной жидкости (СПГ) на линии насыщения при выходном давлении (Р_вых ).

Т₁ - недорекуперация на "теплом" конце второго рекуперативного теплообменника (принята равной 5 К).

- КПД компрессора (принят 0,7).

Относительное снижение энергозатрат (в%) при использовании контура предварительного охлаждения на базе каскадов из вихревых труб вместо холодильной машины (с учетом сохранения температурного уровня охлаждения газа высокого давления) может быть определено по формуле:

В качестве примера будем рассматривать природный газ конкретного состава с технологическими параметрами, характерными для условий автогазонаполнительной компрессорной станции Северо-запада РФ:

- Содержание компонент природного газа (объемные %)

- Метан - 97,1;

- Этан - 1,3;

- Пропан - 0,4;

- Бутаны - 0,1;

- Азот - 1,05;

- Углекислый газ - 0,05.

- Влагосодержание - 0,009 г/нм³;

- Входная температура -290 К;

- Входное давление - 20 МПа;

- Выходное давление - 0,6 МПа;

- Температура газа на входе во второй теплообменник - 235 К;

В качестве хладагента в холодильной машине используется фреон с температурой кипения 231...233 К.

Результаты расчетов по приведенным выше формулам для представленных значений технологических параметров показывают, что предлагаемый способ сжижения природного газа позволяет снизить величину удельных энергозатрат на 20%.

При использовании второго каскада, как изображено на фиг.2, удельные энергозатраты на производство сжиженного природного газа могут быть дополнительно снижены за счет увеличения коэффициента сжижения. Например, при значении давления газа на входе в газораспределительную станцию в диапазоне 3,0...3,5 МПа температура газа низкого давления на входе в первый теплообменник может быть получена на уровне 180...185 К, что приведет к уменьшению удельных энергозатрат еще на 52...58%.

Относительное уменьшение расхода энергии на сжатие газа в компрессорах высокого давления (р 25 МПа) автогазонаполнительной станции в зависимости от величины давления газа Р_г, подаваемого на вход второй ступени, в сравнении с вариантом, когда на вход компрессоров поступает газ среднего давления - 0,6 МПа, составит:

- 34,6% (Р _г=2,0 МПа);

- 46,4% (Р_г=3,0 МПа).

Литература

1. Патент США №4147525, МПК F 25 J 3/06, 1979.

2. Патент РФ №2180081, МПК F 25 J 1/00, 27.02.2002.