СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА

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

Для промышленного производства сжиженного природного газа на газораспределительных станциях предложен и широко используется рекуперативный дроссельный цикл с использованием холодильного контура с расширением в нем природного газа для получения дополнительной холодопроизводительности, используемой для охлаждения прямого потока газа.

Известны способы сжижения, в которых в качестве устройства, где происходит расширение газа, используется вихревая труба [1...2].

При простоте технического решения основным недостатком его практической реализации является низкая эффективность. Коэффициент сжижения (отношение массового расхода жидкости к общему расходу газа, проходящему через установку) в условиях реальных газораспределительных станций не превышает 5%. При этом он напрямую зависит от параметров газа на входе газораспределительной станции.

Практически для всех газораспределительных станций РФ характерна нестабильность параметров входного газа (давления и расхода), которая носит ярко выраженный сезонный характер, причем минимальное значение давления отмечается в зимний период (с ноября по апрель), а минимальное значение расхода газа - в летний период (июнь - август). Соответственно производительность установок сжижения, работающих по дроссельному циклу, будет заметно меняться. При этом условия для их работы будут все время оставаться неблагоприятными: при высоких значениях входного давления расход газа невелик (летний период), а в зимний период при больших значения расхода газа будут невысокие значения входного давления

Дополнительно повысить производительность позволяет использование холодильного контура на базе более совершенного расширительного устройства, например детандера.

Известен рекуперативный дроссельный способ сжижения природного газа с использованием контура охлаждения на базе детандер - компрессорного агрегата с очисткой газа, направляемого на сжижение, методом вымораживания в двух переключающихся предварительных теплообменниках, работающих попеременно [3] - прототип.

В этом способе газ с входа газораспределительной станции перед подачей на установку сжижения разделяется на два потока, один из которых подают в расширительную турбину детандер-компрессорного агрегата, а второй - в компрессор этого же агрегата. Сжатый газ с выхода компрессора также разделяют на две части, одну из которых направляют на сжижение, а вторую - в вихревую трубу с целью генерации горячего газа низкого давления для отогрева выведенного из работы предварительного теплообменника.

Такое исполнение позволяет производить сжиженный природный газ с использованием перепада давления на входе и выходе ГРС при низком входном давлении, а также повысить эффективность по сравнению с чисто дроссельным циклом.

Вместе с тем данный способ обладает рядом недостатков, которые не позволяют в полной мере использовать преимущества детандерного цикла, используемого в контуре охлаждения, а также обеспечить стабильность производства.

Температура газа, поступающего на вход детандера, имеет некоторое оптимальное значение. Ее понижение вызывает снижение холодопроизводительности процесса расширения газа, но одновременно также снижаются и потери, связанные с необратимостью процесса его дросселирования. При повышении температуры газа на входе в детандер холопроизводительность увеличивается, но при этом одновременно повышается температура газа перед дросселем, и, как следствие, растут термодинамические потери при дросселировании. Таким образом, отклонение от оптимальной температуры приводит к снижению производительности. В прототипе отсутствует возможность регулирования температуры газа, поступающего на вход детандера, что не позволяет установке работать в оптимальном температурном режиме и, как следствие, приводит к падению ее производительности.

Полезная мощность, полученная при расширении газа в детандере, используется для сжатия газа в компрессоре, при этом происходит нагрев последнего. Для процесса сжижения газа по дроссельному циклу коэффициент сжижения снижается пропорционально увеличению температуры, поэтому газ после компрессора необходимо охлаждать перед подачей на сжижение за счет внешнего источника, причем для охлаждения газа необходимо затратить дополнительную энергию. Как правило, на газораспределительных станциях либо отсутствует водоснабжение либо оно есть, но ограничено. Поэтому для охлаждения сжатого газа может быть использована только система воздушного охлаждения, эффективность которой во многом зависит от температуры окружающей среды. В результате газ, поступающий на сжижение в летний период, имеет температуру на уровне +30°С и выше, что приводит к резкому снижению эффективности процесса сжижения.

Расширение газа в вихревой трубе заметно менее эффективно, чем расширение газа в детандере. Адиабатный КПД, т.е. отношение холодопроизводительности устройства к холодопроизводительности при изоэнтропном расширении газа, для делящей вихревой трубы не превышает 20%, в то время как для детандера он составляет ˜75%. Использование делящей вихревой трубы в прототипе обусловлено необходимостью генерации теплого потока, используемого для отогрева предварительного теплообменника, однако холодный поток газа с ее выхода вследствие меньшей ее термодинамической эффективности будет иметь температуру выше, чем поток с выхода детандера. В результате их смешения происходит необратимая потеря холодопроизводительности, что приводит к снижению эффективности рассматриваемого способа сжижения газа.

Для надежной работы детандера газ, подаваемый в него, необходимо очищать от механических частиц и влаги, так как при расширении в нем газа и, соответственно, сильном его охлаждении образуются капли жидкой фазы и кристаллы примесей, что может вызвать поломку турбины. Расход газа, циркулирующего в контуре предварительного охлаждения, в 3...4 раза превышает расход газа, направляемого на сжижение. Поэтому применение для этой части газового потока способа очистки вымораживанием представляется нецелесообразным, так как этот метод не достаточно эффективен и надежен. Намерзание кристаллизирующихся примесей на стенках труб является сугубо нестационарным процессом, плохо поддающимся контролю. Очистку и осушку газа, используемого в контуре охлаждения, и газа, подаваемого на сжижение, целесообразно производить в одном блоке.

Цель предлагаемого изобретения - повышение надежности и эффективности процесса сжижения природного газа для условий газораспределительных станций с нестабильными расходами и входными давлениями газа.

Данная цель достигается тем, что обеспечиваются условия для эффективного и надежного протекания процесса сжижения. Технологически это решается следующим образом.

Газ с входа газораспределительной станции проходит осушку и очистку, после чего разделяется на три потока, один из которых подается в основной теплообменник верхнего температурного уровня, второй - параллельно ему в байпасный трубопровод с регулирующим вентилем.

Третий поток подается на вход вспомогательного теплообменника, где охлаждается за счет теплообмена с несжижевшейся частью газа, поступающей из емкости для хранения сжиженного природного газа.

Далее первый и второй потоки смешиваются, а затем снова разделяются на две части, одна из которых (большая) направляется на вход расширительной турбины детандер - компрессорного агрегата (в контур охлаждения) и вторая (меньшая) - на вход теплообменника нижнего температурного уровня (на сжижение)

Охлажденный газ низкого давления с выхода турбины последовательно направляется в основной теплообменник нижнего температурного уровня, основной теплообменник верхнего температурного уровня (контур охлаждения), а затем на вход компрессора детандер - компрессорного агрегата, где он сжимается до давления, соответствующего давлению газа на выходе с газораспределительной станции, и направляется в ее выходную магистраль.

Охлажденный газ высокого давления после основного теплообменника нижнего температурного уровня смешивается с потоком газа после вспомогательного теплообменника, дросселируется, несжижевшаяся часть отводится и подается в вспомогательный теплообменник и далее на выход газораспределительной станции.

Принципиальная схема установки сжижения для реализации предлагаемого способа приведена на чертеже.

Природный газ высокого давления с входа газораспределительной станции поступает на вход системы осушки 1, где в попеременно работающих адсорберах, заполненных цеолитом и снабженных фильтрами для улавливания твердых частиц на выходе, происходит его очистка и осушка.

После блока осушки газ разделяется на два потока: основной (до 98% от общего расхода) и вспомогательный.

Вспомогательный поток газа высокого давления охлаждается за счет теплообмена с обратным потоком несжиженного газа низкого давления из емкости - хранилища сжиженного природного газа 2 в вспомогательном теплообменнике 3.

Основной поток газа высокого давления охлаждается в рекуперативном теплообменнике верхнего температурного уровня 4 за счет теплообмена с холодным потоком газа низкого давления с выхода основного теплообменника нижнего температурного уровня 5.

Далее основной поток газа высокого давления в свою очередь разделяется еще на два потока. При этом один из них (70...85% от общего расхода) направляется в детандерную ступень детандер - компрессорного агрегата 6, где расширяется до давления ниже, чем давление на выходе газораспределительной станции, за счет разрежения, создаваемого компрессором агрегата. Указанный поток отдает полученный при адиабатическом расширении холод путем теплообмена со вторым потоком в основном теплообменнике нижнего температурного уровня 5, а также с основным потоком газа в теплообменнике 4. При этом давление на входе в детандерную ступень детандер - компрессорного агрегата поддерживается постоянным с помощью регулятора давления 7.

Поток газа высокого давления после теплообменника 5 объединяется с вспомогательным потоком с выхода теплообменника 3, дросселируется на вентиле 8, образующаяся жидкая фаза отделяется и собирается в емкости - хранилище сжиженного природного газа 2.

Газ низкого давления с выхода теплообменника 4 подается в компрессорную ступень детандер - компрессорного агрегата, где сжимается до давления, соответствующего давлению газа в трубопроводе на выходе газораспределительной станции. Часть данного газового потока отбирается и подается в систему осушки 1, где небольшая его доля используется в качестве топливного газа для нагрева газа регенерации, а остальное количество - в качестве самого газа регенерации.

Газовый поток низкого давления с выхода теплообменника 3 разделяется на две части. Одна из них используется в качестве газа для охлаждения выведенного из работы адсорбера после окончания в нем процесса регенерации адсорбента. Оставшаяся часть газового потока направляется в выходную магистраль газораспределительной станции.

Предложенное техническое решение обеспечивает разделение контура охлаждения на базе детандер - компрессорного агрегата и контура сжижения природного газа (включая емкость для хранения сжиженного природного газа). При этом газ в указанных контурах имеет разное давление. В результате обеспечиваются условия, при которых проведение технологических операций по переливу сжиженного природного газа с возможными резкими изменениями давления в хранилище не сказывается на работе детандер - компрессорного агрегата, что повышает надежность и стабильность работы.

Использование теплообменника с байпасной линией по газу высокого давления позволяет регулировать температуру газа, поступающего на вход в детандер, обеспечивая ее оптимального значение.

Детандер и компрессор размещены на одном валу, так что мощность, развиваемая детандером, используется в компрессоре для сжатия газа низкого давления с выхода детандера после последовательного прохождения теплообменников 5 и 4 до давления в выходной магистрали газораспределительной станции. Это позволяет производить расширение газа в детандерной ступени до более низких величин давления и, соответственно, понизить температуру газа на выходе детандера и увеличить эффективность процесса сжижения.

На сжижение поступает не горячий газ после компрессора, а природный газ непосредственно с входа газораспределительной станции, что позволяет отказаться от системы воздушного охлаждения и соответственно не тратить дополнительно электроэнергию для этих целей. Газ на вход газораспределительной станции подается по подземному трубопроводу, поэтому его температура меняется медленно и сезонно в относительно небольшом диапазоне (от 0 до +15°С), что повышает стабильность и надежность процесса сжижения.

Установка для реализации предложенного способа может быть настроена на минимальное значение давления и минимальный расход газа для конкретной газораспределительной станции, что обеспечивает стабильную работу установки на протяжении всего года. При этом на сжижение поступает газ с тем давлением, которое он имеет при входе на станцию, что позволяет полностью использовать его потенциальную энергию, что особенно актуально для летнего периода, когда значения указанного давления максимальны.

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). В предложенном способе сжижения вся тепловая энергия, выделяющаяся при сжатии газа в компрессоре детандер - компрессорного агрегата, идет на нагрев газа, направляемого в выходную магистраль газораспределительной станции. Повышение температуры газа на ее выходе позволяет сократить затраты энергии на подогрев газа, тем самым повышая надежность и экономичность работы станции.

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

- Содержание компонент природного газа (объемные %):

СН₄ - 98,086;

С₂Н₆ - 0,743;

С₃Н₈ - 0,260;

i-C₄H₁₀ - 0,0490;

n-С₄Н₁₀ - 0,0513;

i-C₅H₁₂ - 0,0042;

n-C₅H₁₂ - 0,0100;

CO₂ - 0,0425;

O₂ - 0,0030;

N₂ - 0,751.

- Входная температура:

максимальная для летнего периода - 290 К;

средняя для зимнего периода - 280 К.

- Входное давление (абсолютное):

для зимнего периода - 3,4...4,0 МПа;

для летнего периода - 4,5...4,7 МПа;

минимальное - 3,3 МПа.

- Выходное давление - 0,45 МПа;

- Гидравлическое сопротивление теплообменников

по прямому потоку - 0,05 МПа;

по обратному потоку - 0,03 МПа.

- Суммарные теплопритоки к теплообменникам - 6 кДж/кг.

- Адиабатный КПД детандерной ступени

детандер - компрессорного агрегата - 0,75.

- КПД передачи энергии, вырабатываемой детандерной

ступенью, в компрессорную ступень для сжатия газа - 0,55.

Выполненные термодинамические, материальные и тепловые расчеты показали, что предлагаемый способ позволяет повысить эффективность процесса сжижения природного газа по сравнению с прототипом не менее чем на 35%.

Оптимальная температура на входе в детандер составила:

- 222...227 К (для зимнего периода);

- 235...236 К для летнего периода).

Коэффициент сжижения составил 16,6...18,0% (зимний период) и 17,3...17,8% (летний период), что является свидетельством стабильности и надежности предлагаемого способа сжижения природного газа на протяжении всего года несмотря на значительные сезонные колебания параметров исходного газа, поступающего на вход газораспределительной станции.

Источники информации

1. Патент РФ №2127855, МПК F25J 1/00, 10.04.1997.

2. Патент РФ №2135913, МПК F25J 1/00, 10.04.1997.

3. Патент РФ №2247908, МПК F25J 1/00, 08.04.2003.