Результат интеллектуальной деятельности: Способ повышения и стабилизации производительности установки частичного сжижения природного газа, расположенной на газораспределительной станции

Изобретение относится к газовой промышленности, в частности к области сжижения газов и их смесей, и может найти применение при сжижении природного газа, отбираемого из магистрального газопровода.

Известен способ частичного сжижения природного газа, включающий предварительное охлаждение и осушку прямого потока газа высокого давления, отделение части прямого потока, ее расширение и соединение с обратным потоком, охлаждение прямого потока, дросселирование и разделение в сборнике-сепараторе парожидкостной смеси на паровую и жидкостную фазы, при этом паровую фазу из сепаратора разделяют на два потока, первый поток направляют через первый регулятор давления газа в качестве обратного потока для охлаждения прямого потока, а второй поток повторно конденсируют за счет теплообмена с жидкостной фазой, которую направляют в обратный поток, и дросселируют конденсированную фазу в сборник сжиженного газа с удалением паровой фазы, образовавшейся после вторичного дросселирования, причем разность температур между паром и жидкостью, необходимую для конденсации, обеспечивают или повышением давления пара, или понижением давления (см. патент РФ №2212598, кл. F25J 1/00, 2002).

Недостаток известного способа заключается в том, что при его реализации на газораспределительной станции (ГРС) имеет место низкий коэффициент сжижения природного газа. Это связано с колебаниями давления в магистральном газопроводе и колебаниями отбора газа из газораспределительной сети для подачи газа потребителю, что объясняется сезонной неравномерностью потребления газа.

Проведенные патентные исследования показывают, что в патентно-информационных фондах ведущих стран мира отсутствуют технические решения, являющиеся наиболее близкими к предлагаемому способу повышения и стабилизации производительности установки частичного сжижения природного газа, расположенной на газораспределительной станции (ГРС).

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении коэффициента сжижения комплекса сжижения природного газа и снижении зависимости процесса сжижения природного газа от сезонной неравномерности изменений давления и расхода газа основного потока, поступающего из магистрального газопровода на ГРС.

Следует указать на то, что согласно ГОСТ Ρ 55892-2013 «Объекты малотоннажного производства и потребления сжиженного природного газа. Общие технические требования» комплексом сжижения природного газа называется установка сжижения природного газа, расположенная на ГРС и входящая в ее состав.

Технический результат достигается за счет того, что способ повышения и стабилизации производительности установки частичного сжижения природного газа, расположенной на газораспределительной станции, характеризуется тем, что при повышении давления газа в магистральном газопроводе и расхода газа в газораспределительной сети для подачи газа потребителю через открытый первый регулятор основного потока из магистрального газопровода отводят поток газа со сбросом давления, после чего газ направляют в установку частичного сжижения природного газа, одновременно с этим образующийся в установке частичного сжижения природного газа обратный поток направляют через регулятор обратного потока газа, где происходит сброс давления, в газораспределительную сеть для подачи газа потребителю, при снижении давления газа в магистральном газопроводе и расхода газа в газораспределительной сети для подачи газа потребителю первый регулятор основного потока газа закрывают и поток из магистрального газопровода направляют через открытый второй регулятор основного потока газа, с помощью которого снижают давление потока газа до величины рабочего давления смешения газовых потоков, на один из входов смесителя газовых потоков и затем на дожимающее компрессорное устройство, после которого газовый поток направляют на вход установки частичного сжижения природного газа, одновременно с этим образующийся в установке частичного сжижения природного газа обратный поток направляют, с одной стороны, через регулятор обратного потока газа в газораспределительную сеть для подачи газа потребителю, а с другой стороны, через третий регулятор потока газа на рециркуляцию и сжатие в циркуляционное компрессорное устройство с последующей его подачей на другой вход смесителя газовых потоков, в котором осуществляют смешение сжатого циркуляционного потока газа с основным потоком газа и подачу образовавшегося потока на всас дожимающего компрессорного устройства, подающего газовый поток на вход установки частичного сжижения природного газа, а также за счет того, что перед подачей на вход установки частичного сжижения газ осушают и очищают от механических примесей и загрязняющих компонентов для обеспечения условий ее штатного функционирования, и за счет того, что в случае, когда значение давления основного потока газа выше значения давления на дожимающем компрессорном устройстве, величину давления основного потока газа снижают до величины рабочего давления установки частичного сжижения природного газа и, кроме того, за счет того, что при повышении потребления в газораспределительной сети для подачи газа потребителю расход газа через циркуляционное компрессорное устройство снижают или прекращают.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема комплекса сжижения природного газа, реализующая предлагаемый способ повышения и стабилизации производительности установки частичного сжижения природного газа, расположенной на газораспределительной станции, на фиг. 2 показана схема комплекса сжижения природного газа, реализующая данный способ в случае, когда перед подачей на установку частичного сжижения газ осушают и очищают от механических примесей и загрязняющих компонентов.

На фиг. 1 и 2 показаны первый регулятор основного потока газа 1, второй регулятор основного потока газа 2, смеситель циркуляционного и основного газовых потоков 3, дожимающее компрессорное устройство 4, циркуляционное компрессорное устройство 5, третий регулятор потока газа на рециркуляцию и сжатие 6, установка частичного сжижения природного газа 7, расположенная на ГРС, регулятор обратного потока газа в газораспределительную сеть для подачи газа потребителю 8 и устройство осушки и очистки газа 9.

Кроме того, на фиг. 1, 2 приняты следующие обозначения:

Схемы на фиг. 1, 2, реализующие предлагаемый способ, могут быть использованы при сжижении метана, поступающего из магистрального газопровода (или газопровода - отвода) в установку частичного сжижения природного газа 7 с постоянной производительностью, выраженной значением величины расхода сжиженного природного газа L, т/ч и коэффициентом сжижения K_L (безразмерная величина). Коэффициент сжижения установки 7 (K_L) равен отношению значения величины расхода полученного в установке 7 сжиженного природного газа (L, т/ч) к значению величины расхода газа, поступающего с ГРС в установку 7 на сжижение (G, т/ч), при этом коэффициентом сжижения K_L величина постоянная, т.е.

Для комплекса сжижения природного газа величина коэффициента сжижения определяется следующим образом (см. фиг. 1, 2):

, где

- значение коэффициента сжижения комплекса сжижения природного газа, показанного на фиг. 1, 2;

L - значение величины расхода сжиженного природного газа, выходящего из установки частичного сжижения природного газа и одновременно комплекса сжижения природного газа, т/ч;

G₀ - значение величины расхода сырьевого газа, поступающего из магистрального газопровода на вход комплекса сжижения природного газа, т/ч.

Согласно фиг. 1, 2 и материальному балансу смесителя циркуляционного и основного газовых потоков 3, выражение для коэффициента сжижения комплекса сжижения природного газа может быть записано следующим образом:

где

- значение коэффициента сжижения комплекса сжижения природного газа, показанного на фиг. 1, 2;

L - значение величины расхода сжиженного природного газа, выходящего из установки частичного сжижения природного газа и одновременно комплекса сжижения природного газа, т/ч;

G - значение величины расхода газа на входе в установку частичного сжижения природного газа, т/ч;

С - значение величины циркуляционного потока газа, поступающего через регулятор потока газа на рециркуляцию и сжатие, т/ч.

При этом следует отметить, что используемая в этой схеме на фиг. 1 и 2 установка частичного сжижения природного газа 7, расположенная на ГРС, характеризуется значениями рабочего давления Р_раб и рабочего расхода газа на входе в установку - G. Расход газа из установки частичного сжижения газа 7 в виде обратного неожиженного потока газа равен N:

, где

N - значение величины расхода обратного потока газа из установки частичного сжижения природного газа, т/ч;

G - значение величины рабочего расхода газа на входе в установку частичного сжижения природного газа, т/ч;

K_L - значение коэффициента сжижения установки частичного сжижения природного газа.

Работа ГРС, на которой размещена установка 7, характеризуется переменными значениями давления газа в магистральном газопроводе (или газопроводе - отводе) и расходами газа через ГРС, которые можно разделить по времени на два характерных периода - с повышенными значениями давления газа в магистральном газопроводе и расхода газа в газораспределительной сети для подачи газа потребителю («зимний» период) и пониженными значениями давления газа в магистральном газопроводе и расхода газа в газораспределительной сети для подачи газа потребителю («летний» период).

Под минимальным расходом газа в «зимний» и «летний» периоды понимается величина расхода газа, которая может быть принята газораспределительной сетью для подачи газа потребителю.

Минимальный расход газа в «зимний» и «летний» периоды является важной характеристикой ГРС. В физическом смысле она соответствует минимуму расхода газа через ГРС в рассматриваемый период времени, взятому с некоторым запасом (определяемым по техническим характеристикам ГРС в каждом отдельном случае).

Если расход газа обратного потока из установки сжижения 7 в газораспределительную сеть для подачи газа потребителю ниже минимального расхода в соответствующий период, то остальная часть газа может быть направлена в данную сеть от других источников газа, например, от редуцирующего устройства на ГРС. Такая ситуация является допустимой.

Если расход газа обратного потока из установки сжижения 7 в газораспределительную сеть для подачи газа потребителю выше минимального расхода в соответствующий период, то этот газ в газораспределительную сеть в полном объеме не может быть направлен. Такая ситуация не допустима.

В «зимний» период функционирование ГРС характеризуется значениями минимального «зимнего» давления Р₁ и минимального «зимнего» расхода газа (поток N^I на фиг. 1). причем

, где

P₁ - значение минимального «зимнего» давления в магистральном газопроводе (или газопроводе-отводе), МПа;

Р_раб - значение рабочего давления на входе в установку сжижения, МПа;

- значение величины минимального «зимнего» расхода газа, т/ч;

N - значение величины расхода обратного неожиженного потока газа из установки сжижения, т/ч.

В «летний» период работа ГРС характеризуется значениями минимального «летнего» давления Р₂ и минимального «летнего» расхода газа (поток N^I на фиг. 1), причем

P₂≤P_раб, а , где

Р₂ - значение минимального «летнего» давления в магистральном газопроводе (или газопроводе - отводе), МПа;

Р_раб - значение рабочего давления на входе в установку сжижения, МПа;

- значение величины минимального «летнего» расхода газа, т/ч;

N - значение величины расхода обратного неожиженного потока газа из установки сжижения, т/ч.

Функционирование схемы на фиг. 1 при реализации способа в «зимний» период, когда имеют место повышенные значения давления газа в магистральном газопроводе и расхода газа в газораспределительной сети для подачи газа потребителю, осуществляется следующим образом. Газ высокого давления, значение которого равно Р₁, из магистрального газопровода (или газопровода - отвода) поступает на ГРС и в дальнейшем подается на работающую совместно с ГРС установку частичного сжижения природного газа 7. При работе комплекса сжижения, схема которого показана на фиг. 1, в этом режиме регуляторы потока газа 2 и 6 закрыты, а регуляторы потока газа 1 и 8 открыты полностью. Газ из магистрального газопровода (или газопровода - отвода) через регулятор 1 со сбросом давления от Р₁ до величины, равной Р_раб (что соответствует рабочему давлению установки сжижения 7) поступает в установку частичного сжижения природного газа 7.

В случае, когда перед подачей на вход установки частичного сжижения 7 газ необходимо осушать и очищать от механических примесей и загрязняющих компонентов для обеспечения условий ее штатного функционирования, поток газа сначала направляют в устройство осушки и очистки газа 9, и далее из устройства 9 газ поступает в установку частичного сжижения природного газа 7 (см. фиг. 2).

Величину обратного потока газа из установки 7 можно оценить следующим образом:

где

N - значение величины расхода обратного потока газа из установки частичного сжижения природного газа, т/ч;

G - значение величины расхода газа на входе в установку частичного сжижения природного газа, т/ч;

K_L - значение коэффициента сжижения установки частичного сжижения природного газа.

При этом обратный поток направляют через регулятор 8, в котором происходит сброс давления, в газораспределительную сеть для подачи газа потребителю.

Поскольку количество обратного потока меньше, чем величина минимального требуемого потребителю «зимнего» расхода газа () в газораспределительную сеть для подачи газа потребителю может быть передан весь газ обратного потока.

Поскольку регулятор циркуляционного потока газа 6 закрыт, значение величины расхода циркуляционного потока газа С равно нулю (см. фиг. 1, 2). Следовательно, расход газа равен G₀=G, и коэффициент сжижения комплекса в данном режиме равен коэффициенту сжижения установки частичного сжижения 7 в рабочем режиме:

Функционирование схемы на фиг. 1 при реализации способа в случае, когда происходит снижение давления газа в магистральном газопроводе и расхода газа в газораспределительной сети для подачи газа потребителю («летний» период работы), осуществляется следующим образом.

Регулятор основного потока газа 1 закрывают, а регулятор основного потока газа 2 открывают, и газ из магистрального газопровода (или же газопровода - отвода) подается в дожимающее компрессорное устройство 4 со сбросом давления на входе до величины давления всаса, равной Р₂. Так как в газораспределительную сеть для подачи газа потребителю может быть принят расход газа не более , часть газа обратного потока из установки 7 величиной С перед регулятором 8 подается через регулятор 6 на вход в циркуляционное компрессорное устройство 5. Другими словами, обратный поток, идущий из установки 7, далее делится с помощью регуляторов потока газа 6 и 8 на две части, соотношение которых зависит от количества газа низкого давления, отбираемого с ГРС, на которой расположена установка 7.

В случае, когда перед подачей на вход установки частичного сжижения 7 газ необходимо осушать и очищать от механических примесей и загрязняющих компонент для обеспечения условий ее штатного функционирования, поток газа сначала направляют в устройство осушки и очистки газа 9, и далее из устройства 9 газ поступает в установку частичного сжижения природного газа 7 (см. фиг. 2).

Одна из частей потока газа через регулятор 6 направляется на всас циркуляционного компрессорного устройства 5 и дожимается до давления смесителя циркуляционного и основного газовых потоков 3.

В устройстве 5 циркуляционной поток газа дожимается до давления, равного Р₂. При этом справедливо следующее соотношение:

, где

С - значение величины циркуляционного потока газа, поступающего через регулятор потока газа на рециркуляцию и сжатие, т/ч;

N - значение величины расхода обратного потока газа из установки частичного сжижения природного газа, т/ч;

- значение величины минимального «летнего» расхода газа, т/ч;

G - значение величины расхода газа на входе в установку частичного сжижения природного газа, т/ч;

K_L - значение коэффициента сжижения установки частичного сжижения природного газа. Согласно материальному балансу смесителя циркуляционного и основного газовых потоков 3 количество отбираемого из магистрального газопровода газа снижается до величины

где

G₀ - значение величины расхода сырьевого газа, поступающего из магистрального газопровода на вход комплекса сжижения природного газа, т/ч;

G - значение величины расхода газа на входе в установку частичного сжижения природного газа, т/ч;

С - значение величины циркуляционного потока газа, поступающего через регулятор потока газа на рециркуляцию и сжатие, т/ч.

Сырьевой газ G₀ из магистрального газопровода смешивается в смесителе газовых потоков 3 за счет подвода циркуляционного газа С из циркуляционного компрессорного устройства 5. После смешения в смесителе потоков 3 газ с расходом G сжимается в дожимающем компрессорном устройстве 4 до давления Р_раб.

Коэффициент сжижения комплекса сжижения природного газа в данном режиме равен:

Поскольку и , то

Так как С>0, то

Таким образом, описанная выше работа комплекса сжижения природного газа на фиг. 1 позволяет сохранить постоянный расход и давление газа на входе в установку сжижения 7.

В случае, когда значение давления основного потока газа выше значения давления на дожимающем компрессорном устройстве 4, величину давления основного потока газа снижают до величины рабочего давления установки частичного сжижения природного газа 7.

В случае, если потребление газа в газораспределительной сети повышается, регулятор 6 закрывается, а регулятор 8 открывается. При этом расход газа через циркуляционное компрессорное устройство 6 снижается или прекращается.

Представленная на фиг. 1, 2 схема комплекса сжижения природного газа, реализующая способ повышения и стабилизации производительности установки частичного сжижения природного газа, расположенной на газораспределительной станции, может быть изготовлена на отечественных и зарубежных предприятиях газовой промышленности, специализирующихся на изготовлении оборудования для сжижения газов и их смесей.

Использование данного изобретения позволяет повысить коэффициент сжижения комплекса сжижения природного газа и снизить зависимость процесса сжижения природного газа от сезонной неравномерности изменений давления и расхода газа основного потока, поступающего из магистрального газопровода на ГРС.