Комплекс по переработке природного газа с получением сжиженного природного газа регулируемого качества

Изобретение относится к области рационального использования природных ресурсов и может быть использовано в газоперерабатывающей промышленности.

Природный газ как в настоящее время, так и в обозримом будущем является одновременно наиболее экологически чистым видом топлива и ценным сырьем для газо- и нефтехимических предприятий. Трубопроводный экспорт добываемого в Российской Федерации природного газа обеспечивает значительную долю доходной части бюджета страны. Однако с учетом современного снижения объема закупок природного газа, транспортируемого в европейские страны по системе магистральных трубопроводов, необходимо развитие иных путей транспорта природного газа от месторождения до потребителя. Одним из наиболее перспективных направлений экспорта природного газа становится морской транспорт сжиженного природного газа (СПГ) на специализированных судах.

Известен способ сжижения природного газа за счет его компримирования и криогенного охлаждения (Mokhatab S. Handbook of Liquefied Natural Gas / Mokhatab S., Mak J.Y., Valappil J.V., Wood D.A. - Kidlington, Oxford. - 2014. - 591 p.).

Известна типовая схема подготовки природного газа перед сжижением, включающая входную сепарацию с выделением стабильного конденсата, подвергаемого гидроочистке, многоступенчатую очистку природного газа с последовательным удалением из него кислых газов, влаги, меркаптанов, ртути, сжиженных углеводородных газов, которые далее разделяются на этан, пропан, бутан и более тяжелые углеводороды, направляемые в блок стабилизации конденсата, и последующее сжижение природного газа, причем из кислых газов получают серу (Федорова Е.Б. Особенности подготовки природного газа при производстве СПГ / Федорова Е.Б., Мельников В.Б. // Труды РГУ НЕФТИ И ГАЗА имени И.М. Губкина. Технические науки. Химическая технология топлива. - 2015. - №4 (281). - с. 104-114).

Известен также способ производства сжиженного природного газа и компримированного природного газа на газораспределительной станции, когда природный газ отбирают из магистрального газопровода и разделяют на два потока: первый поток направляют на ожижение и одновременно второй поток направляют на компримирование, второй поток пропускают поочередно через второй компрессор и аппарат воздушного охлаждения, первый поток фильтруют, очищают в адсорбере, охлаждают в одном, но не ограничиваясь этим, теплообменнике и разделяют на два потока: технологический и продукционный, при завершении прохода последнего из которых организуют обратный поток, при этом технологический поток направляют на детандер, с генератором которого устанавливают электрическую связь двигателей первого компрессора, используемого при ожижении продукционного потока, и второго компрессора, используемого при компримировании 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, а из паровой фазы формируют обратный поток, направляют его через теплообменники продукционного потока, соединив с выходящим после детандера расширенным и низкотемпературным технологическим потоком (патент RU 2641410, МПК F25J 1/00, F04B 41/00 заявлен 01.12.2016 г., опубликован 17.01.2018 г.).

Известен комплекс сжижения, хранения и отгрузки природного газа, включающий объединенные прямыми и обратными связями звенья, параметры которых определяют в соответствии с содержанием примесей в сырьевом природном газе, а также с климатическими условиями региона и топографией местности: звено сепарации и замера природного газа, звено очистки природного газа от ртути и метанола, звено очистки природного газа от кислых примесей, звено осушки и очистки природного газа от меркаптанов, звено очистки природного газа от тяжелых углеводородов С₅ и выше, звено сжижения природного газа, звено хранения и компаундирования компонентов хладагента, звено компримирования хладагента, звено хранения сжиженного природного газа, звено отгрузки сжиженного природного газа, звено компримирования отпарного газа и звено очистки стабильного конденсата от меркаптанов (патент RU 2629047 С1, МПК F25J 1/00, заявлен 17.10.2016 г., опубликован 24.08.2017 г.).

Общим недостатком рассмотренных изобретений является постоянство характеристик СПГ, вырабатываемого из сырьевого природного газа в жесткой технологической схеме, что препятствует производству относительно небольших партий СПГ по экспортным контрактам с различными требованиями к теплотворной способности.

Задачей данного изобретения является разработка комплекса по переработке природного газа с получением СПГ регулируемого качества для получения товарного СПГ с возможностью варьирования теплотворной способности его отдельных партий соответственно требованиям покупателей.

Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что комплекс по переработке природного газа с получением СПГ регулируемого качества включает газоперерабатывающий блок с выработкой товарного природного газа, подготовленного к сжижению, этановой фракции и продуктов разделения широкой фракции углеводородов (ШФЛУ), содержащий звено подготовки сырьевого природного газа и удаления нежелательных примесей, звено извлечения этановой фракции и ШФЛУ, звено дожимной компрессорной станции для подачи товарного природного газа в газопровод товарного природного газа и в блок сжижения природного газа и звено очистки и фракционирования ШФЛУ с получением очищенных пропана, смеси бутанов, разделяемой на изобутан и н-бутан, и пентан-гексановой фракции со звеном хранения товарной продукции, а также блок сжижения природного газа, содержащий замерный узел ввода подготовленного к сжижению природного газа, установку сжижения газа, звено хранения СПГ и звено отгрузки СПГ, при этом сырьевой природный газ подают на комплекс с высшей теплотворной способностью в диапазоне 950-1200 БТЕ/ст.куб.фут, оцениваемой при температуре 15°С и атмосферном давлении, в газоперерабатывающем блоке вырабатывают товарный природный газ с высшей теплотворной способностью в диапазоне 1000-1020 БТЕ/ст.куб.фут, оцениваемой при температуре 15°С и атмосферном давлении, а в блоке сжижения природного газа вырабатывают товарный СПГ с теплотворной способностью в диапазоне 1000-1150 БТЕ/ст.куб.фут, которую обеспечивают путем подачи в товарный природный газ выделяемых на газоперерабатывающем блоке компонентов, повышающих калорийность: этановой фракции, и/или пропана, и/или смеси бутанов, и/или н-бутана и/или изобутана, причем содержание компонентов в составе товарного СПГ поддерживают на следующем уровне:

Ввод перед сжижением в товарный природный газ, представляющий собой практически чистый метан, дозированных количеств гомологов, вырабатываемых непосредственно на комплексе в качестве товарной продукции из сырьевого природного газа, позволяет в результате компаундирования получать в данный момент эксплуатации комплекса товарный СПГ с энергетической характеристикой, соответствующей требованиям конкретного покупателя. Ограничения на ввод этана не более 9,0% мол. и пропана не более 2,5% мол. основаны на общемировой практике предъявляемых требований к качеству СПГ, ограничения на ввод бутанов не более 2,5% мол. и углеводородов C₅ и выше не более 0,1% мол. связаны с тем, что при увеличении их содержания в процессе сжижения метана происходит кристаллизация этих гомологов. Выпадение кристаллов в процессе сжижения природного газа не допустимо, так как приводит к закупориванию криогенного теплообменника, трубопроводов и запорной арматуры.

Возможно регулирование теплотворной способности товарного СПГ осуществлять на входе в звено дожимной компрессорной станции газоперерабатывающего блока путем подачи компонентов, повышающих калорийность, при давлении не ниже давления природного газа, поступающего из звена извлечения этановой фракции и ШФЛУ.

Возможно также регулирование теплотворной способности товарного СПГ осуществлять на замерном узле ввода подготовленного к сжижению природного газа блока сжижения природного газа путем подачи компонентов, повышающих калорийность, при давлении, соответствующем давлению проведения процесса сжижения на установке сжижения газа, и/или на установке сжижения газа блока сжижения природного газа путем подачи компонентов, повышающих калорийность, и/или в звене хранения СПГ блока сжижения природного газа путем подачи компонентов, повышающих калорийность, при температуре товарного СПГ.

При этом также регулирование теплотворной способности товарного СПГ можно осуществлять комбинированно в газоперерабатывающем блоке и в блоке сжижения природного газа путем подачи компонентов, повышающих калорийность, в соответствующие звенья блоков. Такая возможность подачи компонентов, повышающих калорийность, в различные блоки и звенья комплекса увеличивает гибкость технологической схемы и позволяет компаундировать компоненты на кратчайших расстояниях с меньшими гидравлическими потерями в соответствии с фактическим размещением технологических звеньев на производственной площадке комплекса.

Полезно также часть поступающих на блок сжижения природного газа компонентов, повышающих калорийность, использовать для получения и подпитки хладагента установки сжижения газа, что исключает необходимость приобретения данных компонентов со стороны.

Один из возможных вариантов реализации комплекса представлен на фигуре в виде общей схемы с использованием следующих обозначений:

1-31 - трубопроводы;

100 - газопровод сырьевого газа;

200 - газоперерабатывающий блок;

201 - звено подготовки сырьевого природного газа и удаления нежелательных примесей;

202 - звено извлечения этановой фракции и ШФЛУ;

203 - звено очистки и фракционирования ШФЛУ;

204 - звено дожимной компрессорной станции (ДКС);

205 - звено очистки этановой фракции;

206 - звено хранения товарной продукции;

300 - газопровод товарного природного газа;

400 - блок сжижения природного газа;

401 - замерный узел ввода подготовленного к сжижению природного газа;

402 - установка сжижения газа;

403 - звено хранения и подготовки хладагента;

404 - звено хранения СПГ;

405 - звено отгрузки СПГ.

Сырьевой природный газ из газопровода сырьевого газа 100 по трубопроводу 1 поступает в звено подготовки сырьевого природного газа и удаления нежелательных примесей 201 газоперерабатывающего блока 200 для последовательной обработки, например, на установках сепарации механических примесей и капельной жидкости, абсорбционной очистки от сероводорода и диоксида углерода, адсорбционной осушки и удаления метанола. Далее очищенный и осушенный природный газ по трубопроводу 2 поступает в звено извлечения этановой фракции и ШФЛУ 202, где выделяют этановую фракцию, подаваемую по трубопроводу 6 в звено очистки этановой фракции 205, ШФЛУ, которая по трубопроводу 8 подается для дальнейшего разделения в звено очистки и фракционирования ШФЛУ 203, а также природный газ, поступающий по трубопроводу 3 в звено ДКС 204.

В звене ДКС 204 обеспечивается многоступенчатое сжатие природного газа в многоступенчатых компрессорах с выработкой товарного природного газа, подготовленного к сжижению, одна часть которого по трубопроводу 4 следует в газопровод товарного природного газа 300 для транспортировки промышленным и коммунальным потребителям региона, а другая часть направляется по трубопроводу 5 в блок сжижения природного газа 400.

Полученные в звене очистки и фракционирования ШФЛУ 203 очищенные пропан, изобутан, н-бутан и пентан-гексановая фракция по трубопроводам 9, 10, 11 и 12, соответственно, поступают в звено хранения товарной продукции 206, куда после адсорбционной и/или абсорбционной очистки от примесей в звене очистки этановой фракции 205 также подается подготовленная этановая фракция по трубопроводу 7, для возможности дальнейшей погрузки в сжиженном и/или газообразном виде в газовозы и/или цистерны на морском терминале и/или на эстакаде железнодорожной платформы. Кроме того, этановая фракция, пропан, изобутан, н-бутан и пентан-гексановая фракция, направляемые по трубопроводам 13, 14, 15, 16 и 17, соответственно, могут быть использованы в качестве сырья газохимии на соответствующих производствах (на схеме не указаны). Этановая фракция, пропан, изобутан и н-бутан также могут быть направлены по трубопроводам 18, 19, 20 и 21, соответственно, в звено хранения и подготовки хладагента 403 блока сжижения природного газа 400 с целью их использования в качестве компонентов хладагента на установке сжижения газа 402.

В блоке сжижения природного газа 400 товарный природный газ после замерного узла ввода подготовленного к сжижению природного газа 401 по трубопроводу 26 проходит установку сжижения газа 402 с применением хладагента, подаваемого на установку сжижения газа 402 и возвращаемого в звено хранения и подготовки хладагента 403 по трубопроводам 27 и 28, соответственно. Далее сжиженный природный газ подают по трубопроводу 29 в звено хранения СПГ 404, а затем по трубопроводу 30 в звено отгрузки СПГ 405. Образующийся в звене хранения СПГ 404 отпарной газ выводят по трубопроводу 31 для использования на собственные нужды и/или сжигают на факеле. Вырабатываемый в блоке сжижения природного газа 400 товарный СПГ с требуемой покупателем теплотворной способностью формируется за счет вовлечения выделяемых на газоперерабатывающем блоке 200 повышающих калорийность компонентов: этановой фракции, и/или пропана, и/или н-бутана, и/или изобутана, поступающих на замерный узел ввода подготовленного к сжижению природного газа 401 по трубопроводам 22, и/или 23, и/или 24, и/или 25, соответственно.

На основе общей схемы комплекса по переработке природного газа с получением СПГ регулируемого качества проведено математическое моделирование нескольких вариантов его реализации, обеспечивающих требования покупателя к энергетической характеристике товарного СПГ:

- вариант 1 (таблица 2) предусматривает значение теплотворной способности 1022 БТЕ/ст.куб.фут, которое обеспечивается смешением товарного природного газа с этановой фракцией на замерном узле ввода подготовленного к сжижению природного газа 401;

- вариант 2 (таблица 3) предусматривает значение теплотворной способности 1037 БТЕ/ст.куб.фут, которое обеспечивается смешением товарного природного газа с этановой фракцией на замерном узле ввода подготовленного к сжижению природного газа 401;

- вариант 3 (таблица 1) предусматривает значение теплотворной способности 1037 БТЕ/ст.куб.фут, которое обеспечивается смешением товарного природного газа с пропаном на замерном узле ввода подготовленного к сжижению природного газа 401.

Таким образом, заявляемое изобретение решает задачу разработки комплекса по переработке природного газа с получением СПГ регулируемого качества для получения товарного СПГ с возможностью варьирования теплотворной способности его отдельных партий соответственно требованиям покупателей.