СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА И КОМПРИМИРОВАННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА НА ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СТАНЦИИ И КОМПЛЕКС ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение относится к газовой промышленности, конкретно, к технологиям производства сжиженного природного газа (СПГ) и компримированного природного газа (КПГ) на газораспределительных станциях (ГРС).

Благодаря характеристикам горения - его полноте и удобству, природный газ нашел широкое применение. Для транспортирования на рынки сбыта полученный природный газ может перерабатываться в сжиженный и компримированный газ. Сжиженный природный газ получают при охлаждении природного газа метана до -162°C. В жидком состоянии объем газа уменьшается в 600 раз, что позволяет в значительной степени увеличить эффективность его хранения и транспортировки. Компримированный, или сжатый природный газ - это тот же метан, но находящийся в газообразном состоянии, под давлением до 20 МПа. Потребитель может сразу использовать этот газ для собственных нужд.

Значительная энергоемкость процессов сжижения и компримирования природного газа обуславливает высокую чувствительность себестоимости производства к параметрам энергоэффективности, и экономической эффективности. Задача кардинального повышения энергетических характеристик производства требует качественно новых технологических решений.

Известна статья «Малотоннажное производство СПГ в условиях промысловой подготовки газа», авторы Д.А. Ожерельев, С.В. Дейнеко в сб. Труды РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, №1 (2778) 2015 г., с 80-84, в которой исследована область использования сжиженного природного газа и проведен сравнительный анализ экономической эффективности и производительности малотоннажных установок по сжижению с целью внедрения в технологический процесс промысловой подготовки природного газа. Разработана модель технологической установки производства СПГ для обеспечения технологического транспорта топливом. Согласно расчетным данным установка обеспечивает необходимую производительность СПГ с коэффициентом ожижения 10%. Разработана схема работы установки получения СПГ в промысловых условиях. За основу модели производства СПГ принят процесс, основанный на эффекте Джоуля-Томпсона реализуемый в дроссельном цикле. В схему добавляется турбодетандер, с помощью которого часть несжиженного газа компримируется до давления 3,0 МПа и подается в магистраль топливного газа для работы ГПА.

Максимальный коэффициент ожижения достигается в каскадных холодильных схемах, где в качестве внешнего хладагента для охлаждения прямого потока газа используются индивидуальные углеводороды или их смеси. Вследствие применения сложного, дорогостоящего и энергоемкого оборудования такие способы ожижения не всегда оказываются экономически выгодными.

Известен «Способ производства сжиженного природного газа и комплекс для его реализации», патент RU 2541360, МПК F25J 1/00, дата публикации 10.02.2015 года, где при реализации способа входящий поток газа очищают от примесей и компримируют до разделения его на технологический и продукционный потоки. Технологический поток пропускают через детандер, оборудованный газовой турбиной, вращающий момент которой используют для компримирования входящего потока газа до разделения его на технологический и продукционный потоки. Технологический поток очищают от примеси тяжелых углеводородов путем их конденсации в сопловом аппарате детандера, который выполняют из теплопроводящего материала. Продукционный поток очищают от примесей CO₂, охлаждают, пропускают через дроссель для получения парожидкостной смеси, от которой отделяют СПГ в виде жидкой фазы для скачивания потребителю СПГ. Комплекс для реализации указанного выше способа содержит соединенный с магистралью газораспределительной станции трубу, с которой связаны технологическая линия, соединенная с газораспределительной сетью, и продукционная линия, соединенная с хранилищем сжиженного природного газа, включающая компрессор, дроссель, сепаратор, которая содержит детандер, оборудованный турбиной, выполненной с возможностью вращения потоком газа из технологической линии.

Основным недостатком известных технических решений является то, что при осуществлении технологического цикла процесса сжижения или компримирования природного газа сохраняется достаточно высокое потребление электроэнергии. Также, известные способы и устройства для реализации таких способов направлены на усовершенствование выполнения лишь одного технологического процесса - либо сжижения природного газа, либо его компримирования. Ни один из известных способов не направлен на совмещение этих процессов в один энергонезависимый технологический процесс одновременного производства сжиженного природного газа и компримированного природного газа на газораспределительной станции.

Целью изобретения является повышение экономической эффективности и энергоэффективности процессов производства сжиженного природного газа и компримированного природного газа на газораспределительной станции.

Техническим результатом изобретения является разработка полностью энергонезависимого способа и комплекса для его реализации, при котором осуществляют одновременное производство сжиженного природного газа, компримированного природного газа, обеспечение газом потребителя через газовую сеть.

Поставленная цель (для способа) достигается тем, что в энергонезависимом способе производства сжиженного природного газа и компримированного природного газа на газораспределительной станции одновременно производят сжиженный и компримированный природный газ, для этого природный газ отбирают из магистрального газопровода и разделяют на два потока: первый поток направляют на ожижение природного газа и одновременно с этим второй поток направляют на компримирование природного газа. Второй поток пропускают поочередно через второй компрессор и аппарат воздушного охлаждения, одновременно с этим первый поток на ожижение фильтруют, очищают в адсорбере, охлаждают в одном, но не ограничиваясь этим, теплообменнике и разделяют также на два потока: технологический и продукционный. При завершении прохода продукционного потока, организуют обратный поток. Технологический поток направляют на детандер, с генератором которого устанавливают электрическую связь двигателей первого компрессора, который используют при ожижении продукционного потока входящего первого потока газа, и второго компрессора, который используют при компримировании входящего второго потока газа, а также двигателей вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения. Продукционный поток пропускают через первый компрессор, охлаждают в аппарате воздушного охлаждения, затем дополнительно охлаждают в одном, но не ограничиваясь этим, теплообменнике и пропускают через дроссель для получения парожидкостной смеси, от которой отделяют жидкую фазу и, завершая проход продукционного потока, направляют ее для скачивания потребителю сжиженного природного газа. Из паровой фазы формируют обратный поток, направляют его через теплообменники продукционного потока, соединив с выходящим после детандера расширенным и низкотемпературным технологическим потоком. Продукционный поток на ожижение природного газа также может быть направлен на охлаждение в теплообменник в обход первого компрессора и аппарата воздушного охлаждения. В адсорбере устанавливают теплообменное устройство и направляют на него часть произведенного компримированного горячего природного газа для осуществления запуска процесса регенерации адсорбента. В теплообменном устройстве адсорбера организуют циркуляцию высокотемпературного теплоносителя и теплообмен с ним части произведенного компримированного горячего природного газа для осуществления безопасного запуска процесса регенерации адсорбента.

Поставленная цель (для устройства) достигается тем, что комплекс для реализации способа выполнен с подключенной трубой, соединенной с магистралью газораспределительной станции и разделенной на две линии: первая линия подачи природного газа содержит блок фильтрации, адсорбер, теплообменник и разделяется на технологическую, продукционную и обратную линии. Продукционная линия содержит первый компрессор, аппарат воздушного охлаждения и один, но не ограничиваясь этим, теплообменник, дроссель, сепаратор и соединена с хранилищем сжиженного природного газа. Обратная линия берет начало в сепараторе, проходит через теплообменники продукционной линии и соединена на выходе с газораспределительной сетью. Технологическая линия содержит детандер и подключена к обратной линии. Одновременно с этим вторая линия подачи природного газа содержит второй компрессор, аппарат воздушного охлаждения и соединена с потребителями компримированного природного газа. Генератор детандера связан посредством электрической связи с двигателями первого и второго компрессоров, а также с двигателями вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения. В адсорбере установлено теплообменное устройство, соединенное со второй линией подачи трубопроводами подвода и отвода части произведенного компримированного горячего природного газа. Теплообменное устройство адсорбера подключено к дополнительному теплообменнику, соединенному со второй линией подачи трубопроводами подвода и отвода части произведенного компримированного горячего природного газа.

Это обеспечивает повышение экономической эффективности за счет осуществления одновременно нескольких технологических процессов: производство сжиженного природного газа, производство компримированного природного газа на газораспределительной станции, обеспечение газом потребителя через газовую сеть, также это обеспечивает повышение энергоэффективности за счет обеспечения полной энргонезависимости технологического процесса такого производства.

Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее подробное описание и прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 показана упрощенная схема технологического процесса одного конструктивного исполнения этого изобретения, иллюстрирующая процессы сжижения и компримирования в соответствии с практическим применением этого изобретения. Схема технологического процесса представляет собой предпочтительное конструктивное исполнение применения на практике процесса по этому изобретению. Чертеж не исключает из объема изобретения другие конструктивные исполнения, которые являются результатом обычных и предполагаемых модификаций этого конкретного конструктивного исполнения. Различные требуемые вспомогательные системы, такие как клапаны, смесители потоков, системы регулирования и датчики исключены из чертежа в целях упрощения и ясности представления. На фиг. 2 представлена блок-схема варианта комплекса для реализации способа с направлением по трубопроводам подвода-отвода части компримированного природного газа на установленное в адсорбере теплообменное устройство для запуска процесса регенерации адсорбента. На фиг. 3 представлена блок-схема варианта комплекса для реализации способа с направлением по трубопроводам подвода-отвода части компримированного природного газа в дополнительный теплообменник для теплообмена с высокотемпературным теплоносителем, подаваемым посредством насоса в теплообменное устройство, установленное в адсорбере, для обеспечения более безопасного запуска процесса регенерации адсорбента. На фиг. 4 представлена блок-схема варианта комплекса для реализации способа, где продукционный поток природного газа на сжижение направляют сразу в теплообменники, без компрессора и аппарата воздушного охлаждения.

При реализации способа производства сжиженного природного газа и компримированного природного газа на газораспределительной станции, природный газ отбирают из магистрального газопровода, разделяют на два потока, первый из который направляют на ожижение природного газа и одновременно с этим второй поток направляют на компримирование природного газа. Поток на ожижение очищают, фильтруют и разделяют еще на два потока: технологический и продукционный. Технологический поток направляют на детандер, с генератором которого устанавливают электрическую связь двигателей первого и второго компрессоров, а также двигателей вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения. Продукционный поток пропускают через первый компрессор, охлаждают в аппарате воздушного охлаждения, затем дополнительно охлаждают в одном, но не ограничиваясь этим, теплообменнике и пропускают через дроссель для получения парожидкостной смеси, от которой отделяют жидкую фазу и направляют ее для скачивания потребителю сжиженного природного газа, а из паровой фазы формируют обратный поток, в который направляют технологический поток, расширенный и низкотемпературный, после детандера. Второй поток, направляемый на компримирование природного газа, пропускают поочередно через второй компрессор и аппарат воздушного охлаждения и направляют полученный компримированный природный газ потребителю. Продукционный поток могут направлять в обход первого компрессора и аппарата воздушного охлаждения непосредственно в теплообменники перед дросселем, тем самым высвобождая значительную часть электроэнерии, вырабатываемой детандером, для направления ее на другие нужды комплекса, повышая экономическую эффективность технологического процесса. Часть произведенного компримированного горячего природного газа направляют на установленное в адсорбере теплообменное устройство. Это позволяет исключить потребление электроэнергии для запуска процесса регенерации адсорбента. В теплообменном устройстве адсорбера организуют циркуляцию высокотемпературного теплоносителя, например термомасла, и пропускают его через дополнительный теплообменник доохлаждения, соединенный со второй линией подачи трубопроводами подвода и отвода части произведенного компримированного горячего природного газа. Направление компримированного газа через дополнительный теплообменник доохлаждения позволяет повысить безопасность запуска процесса регенерации адсорбента в адсорбере и значительно уменьшить энергопотребление вентиляторов аппарата воздушного охлаждения второй линии подачи.

Комплекс, реализующий способ, содержит соединенную с магистралью газораспределительной станции трубу 1, первую линию 20 подачи природного газа, вторую линию 21 подачи природного газа с выходом 4, блок 5 фильтрации, адсорбер 6, теплообменники 7, 11, 12, через которые проходят технологический 22 с выходом 24, продукционный 23 с выходом 15 и обратный 25 с выходом 19 потоки, аппараты воздушного охлаждения 3 и 10, дроссель 13, сепаратор 14, детандер 9, первый компрессор 8 и второй компрессор 2, а также теплообменное устройство 16, насос 17, дополнительный теплообменник 18.

В конкретном исполнении комплекс работает следующим образом.

Природный газ высокого давления, поступающий из ГРС по трубе 1, разделяют на два потока: первая линия 20 подачи природного газа и вторая линия 21 подачи природного газа. По первой линии 20 подаваемый газ направляют на производство сжиженного природного газа, а также потребителю в газовую сеть, одновременно с этим, по второй линии 21 подаваемый газ направляют на производство компримированного природого газа. Поток по первой линии 20 пропускают через блок 5 фильтрации, затем направляют в адсорбер 6, где очищают от примесей CO₂ и удаляют влагу с помощью адсорбента. Далее поток направляют в теплообменник 7 для охлаждения и разделяют на два потока: технологический 22 поток (для выработки холода) и продукционный 23 поток (для сжижения природного газа), из сепаратора 14 организуют обратный 25 поток.

Поток газа, направляемый по продукционному 23 потоку, пропускают через первый компрессор 8, аппарат воздушного охлаждения 10, два последовательно подключенных теплообменника 11 и 12, где охлаждают до температур (-70)- (-85°)C и направляют на дроссель 13. Далее, газ с температурой около -131°C и давлением около 0,7Мпа направляют в сепаратор 14 в виде парожидкостной смеси. Здесь жидкую фазу (сжиженный природный газ) парожидкостной смеси отделяют от паровой фазы, из которой формируют обратный 25 поток газа с параметрами: температура минус 131°C и давление 0,7МПа. Полученный сжиженный природный газ направляют из сепаратора 14 через выход 15 потребителю с достигнутыми требуемыми параметрами: температурой -131°C и давлением 0,7МПа.

Также, продукционный поток 23 на ожижение природного газа могут направлять на охлаждение в теплообменники 11 и 12 в обход первого компрессора 8 и аппарата воздушного охлаждения 10.

Технологический поток 22 газа направляют на детандер 9, где он расширяется с совершением внешней работы, при этом резко снижается его температура. Охлажденный таким образом технологический 22 поток газа соединяют не его выходе 24 с обратным 25 потоком. Обратный 25 поток подают противотоком в теплообменники 12 и 11 для доохлаждения продукционного 23 потока. После теплообменников 12 и 11 обратный 25 поток газа пропускают через теплообменник 7 и с достигнутыми требуемыми параметрами: с температурой +20°C и давлением 0,6 МПа подают на выход 19 потребителям в газовую сеть.

Подаваемый по второй линии 21 магистральный газ для производства компримированного природного газа подают на компрессор 2, аппарат воздушного охлаждения 3, с двигателями которых устанавливают электрическую связь генератора детандера 9. Основное количество электроэнергии, выработанной детандером 9, направляют на питание электропривода компрессора для сжатия газа до 250 атм и отправки через выход 4 потребителю компримированного природного газа с достигнутыми требуемыми параметрами: температурой +20°C и давлением 25,0 МПа.

По одному из возможных вариантов исполнения комплекса в адсорбере 6 устанавливают теплообменное устройство 16, соединенное со второй линией 21 подачи трубопроводами подвода и отвода части произведенного компримированного горячего природного газа для осуществления запуска процесса регенерации адсорбента. Также, в теплообменном устройстве 16 адсорбера 6 организуют посредством насоса 17 циркуляцию высокотемпературного теплоносителя, например термомасла, и подключают к дополнительному теплообменнику 18, соединенному со второй линией 21 подачи трубопроводами подвода и отвода части произведенного компримированного горячего природного газа с целью организации более безопасного запуска процесса регенерации адсорбента.

Повышение энергоэффективности достигается использованием энергии, вырабатываемой детандером, для обеспечения всех энергозависимых устройств комплекса: двигателей компрессоров, насоса, вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения и т.п., без привлечения внешних источников энергии. Экономическая эффективность и производительность повышаются за счет организации одновременного процесса производств сжиженного природного газа, компримированного природного газа, обеспечение газом потребителя через газовую сеть.

Таким образом, повышение экономической эффективности и энергоэффективности достигается за счет организации полностью энергонезависимого процесса за счет организации на газораспределительной станции в комплексе одновременного производства сжиженного природного газа и компримированного природного газа, подачи газа с требуемыми параметрами потребителю в газораспределительную сеть.