Комплекс сжижения природного газа с низкотемпературным блоком комплексной очистки

Изобретение относится к газоперерабатывающей промышленности и может использоваться для получения сжиженного природного газа (СПГ), при освоении малодебитовых месторождений природного газа и организации временных производств СПГ.

Сжиженный природный газ позволяет газифицировать объекты, удаленные от магистральных трубопроводов на большие расстояния, путем создания резерва СПГ непосредственно у потребителя, избегая строительства дорогостоящих трубопроводных систем.

Под влиянием растущих во всем мире запасов газа, выгодных цен на газ и более строгих требований к выбросам в атмосферу, сжиженный природный газ начинает замещать традиционные виды топлива на основе нефти для двигателей морских судов и тяжелых транспортных средств, для производства энергии и обрабатывающей промышленности. Этот развивающийся рынок «коммерческого сжиженного природного газа» вызывает необходимость появления распределенных малых и средних установок сжиженного природного газа и растет сейчас, выходя за пределы нишевого рынка. Активное развитие получает малотоннажное производство СПГ, в том числе, представляет практический интерес возможность организации временных производств СПГ при наличии любого источника природного газа.

Известна установка для сжижения природного газа, Архаров A.M. и др. Криогенные системы: Основы теории и расчета: Учебник для студентов вузов по специальности «Криогенная техника» - 2-е изд., перераб и доп. - М.: Машиностроение, 1988, стр. 242-243, в которой цикл сжижения осуществляется с предварительным охлаждением и дросселированием и включает повышение давления газа, его последовательное охлаждение в первом теплообменнике обратным потоком газа, в испарителе холодильной машины, во втором теплообменнике обратным потоком газа, снижение давления охлажденного газа и его разделение на целевую жидкость и паровую фазу, отвод целевой жидкости потребителю, а паровой фазы во второй теплообменник с образованием обратного потока и затем в первый теплообменник, смешивание обратного потока с новой порцией исходного природного газа и направление его на повышение давления. Известная установка служит для производства СПГ, однако, ее работа малоэффективна при переработке сырьевого газа с повышенным содержанием низкокипящих (неконденсирующихся при температурах жидкого метана) компонентов, для ее транспортировки требуются значительные затраты, ее оборудование зависит от наличия внешних источников энергии.

Известна схема для реализации способа частичного сжижения природного газа в соответствии с патентом RU 2525759, МПК F25J 1/00, опубл. 27.05.2014 г. на изобретение «Способ частичного сжижения природного газа (варианты)», которая включает в себя источник газа высокого давления, предварительный теплообменник, регулирующие дроссели, подогревающий теплообменник, регулирующие дроссели продукционного и технологического потоков, ректификационную колонну с выходом кубовой жидкости, теплообменник-реконденсатор, сборник-сепаратор, перепускной дроссель. Схема для реализации способа частичного сжижения природного газа дополнительно предусматривает наличие испарителя-конденсатора в составе ректификационной колонны, а также дожимающий криогенный насос, горячий теплообменник и промежуточный дроссель. В известной схеме прямой поток газа после охлаждения дросселируют и разделяют на продукционный и технологический потоки. Продукционный поток охлаждают, дросселируют, разделяют в ректификационной колонне на жидкую фракцию и паровую фракцию. Паровую фракцию направляют на реконденсацию с последующим направлением части реконденсированного продукционного потока в ректификационную колонну в качестве флегмового орошения. Другую часть реконденсированного продукционного потока дросселируют и разделяют на жидкостную фазу, являющуюся готовым продуктом, и паровую фазу, направляемую далее в качестве обратного потока для охлаждения прямого потока. Предварительно охлажденный технологический поток дросселируют, испаряют за счет реконденсации продукционного потока, а после повторного дросселирования направляют в обратный поток. Реализация известной схемы позволяет получить сжиженный природный газ с малым содержанием высококипящих компонентов, в том числе диоксида углерода, однако, при этом задействована масса дополнительного энергоемкого и металлоемкого оборудования, усложняющего известную схему, снижающего надежность ее работы и предсказуемость реализации процесса очистки от CO₂.

Целью изобретения является повышение надежности и автономности комплекса, упрощение его конструкции при сохранении качества продукционного СПГ.

Техническим результатом изобретения является разработка простого и надежного комплекса сжижения природного газа для использования при освоении малодебитовых месторождений и организации временных производств СПГ на принципах автономности и транспортабельности (мобильности) оборудования комплекса, получение сжиженного природного газа с малым содержанием высококипящих компонентов, в том числе диоксида углерода.

Поставленная цель и требуемый технический результат достигаются за счет того, что комплекс сжижения природного газа выполнен в блочном исполнении и подключен к трубопроводу подачи природного газа. Комплекс содержит соединенные между собой трубопроводами подвода, отвода природного газа смеситель, блоки компрессии, сжижения, блок газовой электростанции, блок комплексной очистки, включающий в свой состав блок осушки и блок очистки, а также криогенную емкость для СПГ. Блок компрессии подключен к блоку аппаратов воздушного охлаждения и содержит два, но не ограничиваясь этим, параллельно подключенных компрессора. К блоку сжижения подключены блок холодильной машины и блок комплексной очистки. Блок сжижения содержит дроссель-эжектор, дроссельный клапан, дроссельный вентиль, фазовый сепаратор с датчиком уровня жидкой фазы, датчик температуры потока газа и последовательно соединенные первый и второй противоточные теплообменные аппараты, причем между ними подключены последовательно к ним первый и второй вспомогательные теплообменные аппараты, каждый из которых соединен трубопроводами подвода, отвода хладоносителя с блоком холодильной машины, а между вспомогательными теплообменными аппаратами подключен дополнительный теплообменный аппарат. Датчики уровня жидкой фазы и температуры потока газа соединены электрической связью с управляющими механизмами соответственно дроссельного вентиля и дроссельного клапана. Выход первого противоточного теплообменного аппарата подсоединен ко входу блока осушки, выход которого соединен со входом первого вспомогательного теплообменного аппарата, выход которого подсоединен ко входу блока очистки, в свою очередь, выход блока очистки соединен со входом дополнительного теплообменного аппарата. Трубопровод подвода природного газа с прямым потоком газа подключен после смесителя ко входу блока компрессии, на выходе из которого трубопровод прямого потока подключен ко входу блока сжижения и проходит последовательно: первый противоточный теплообменный аппарат, блок осушки блока комплексной очистки, первый вспомогательный теплообменный аппарат, блок очистки блока комплексной очистки, дополнительный теплообменный аппарат, и, далее, вторые вспомогательный и противоточный теплообменные аппараты, после прохождения которых трубопровод прямого потока через дроссель-эжектор подключен на вход фазового сепаратора, на выходе из которого трубопровод прямого потока с жидкой фазой через дроссельный вентиль подключен ко входу криогенной емкости для направления потребителю сжиженного природного газа. Верхний выход криогенной емкости и вход дроссель-эжектора соединены трубопроводом отвода пара. На выходе из второго противоточного теплообменного аппарата на трубопроводе прямого потока установлен датчик температуры потока газа, также, на выходе из второго противоточного теплообменного аппарата от трубопровода прямого потока ответвляется трубопровод дополнительного потока, который подключен на вход дроссельного клапана, после чего проходит последовательно второй противоточный, дополнительный и первый противоточный теплообменные аппараты, далее, при выходе из блока сжижения, через смеситель, замыкая цикл, подключен на вход блока компрессии. К выходу фазового сепаратора подключен трубопровод обратного потока с паровой фазой, который проходит последовательно второй противоточный, дополнительный и первый противоточный теплообменные аппараты, и, при выходе из блока сжижения делится на две ветви: первая ветвь трубопровода обратного потока подключена на вход блока компрессии, а вторая ветвь трубопровода обратного потока подключена на вход блока газовой электростанции.

Данный комплекс может быть подключен практически к любому источнику природного газа. В приведенной схеме комплекса процессы подготовки природного газа в низкотемпературном блоке комплексной очистки реализованы именно на высоком давлении, что позволяет сократить габариты блоков осушки и очистки, а также интегрировать их в комплекс сжижения для повышения степени его заводской готовности.

Такое конструктивное исполнение комплекса сжижения природного газа в виде отдельных блоков, допускающее поставку комплекса сжижения в 100% заводской готовности и упрощающее его транспортировку, позволяет использовать такой комплекс при организации временных производств СПГ и освоении малодебитовых месторождений природного газа, при этом получить сжиженный природный газ хорошего качества, с малым содержанием высококипящих компонентов, в том числе диоксида углерода. Подключение двух трубопроводов с обратными потоками (трубопровод обратного потока и трубопровод дополнительного потока) позволяет повысить универсальность схемы комплекса при изменении параметров сырьевого газа, упростить схему комплекса в части низкотемпературного сепарационного оборудования, повысив надежность работы комплекса в целом.

Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее описание и прилагаемый чертеж. На чертеже изображена общая схема комплекса сжижения природного газа. Различные требуемые вспомогательные системы, такие как системы регулирования, исключены из чертежа в целях упрощения и ясности представления.

Комплекс сжижения комплекса сжижения природного газа содержит смеситель (на чертеже не обозначен), блок 4 компрессии, включающий параллельно подключенные компрессора 1, 2, 3, блок 12 газовой электростанции, блок 10 сжижения, блок 7 аппаратов воздушного охлаждения с аппаратами 5 воздушного охлаждения и вентиляторами 6, блок 8 холодильной машины с аппаратом 9 воздушного охлаждения и холодильным агрегатом 30, блок комплексной очистки 11 с блоками 16, 17 осушки, очистки и аппаратом 22 нагрева, дроссель-эжектор 20, дроссельный клапан 13, дроссельный вентиль 14, фазовый сепаратор 15 с датчиком 19 уровня жидкой фазы, противоточные теплообменные аппараты 23, 24, вспомогательные теплообменные аппараты 27, 28, дополнительный теплообменный аппарат 29, датчик 18 температуры потока газа и криогенную емкость 21 для сжиженного природного газа. Кроме этого, на чертеже обозначены: трубопровод 25 дополнительного потока, трубопровод 26 обратного потока и трубопроводы 31, 32 сбросных потоков, содержащих влагу и высоко кипящие примеси.

Комплекс работает следующим образом. Сырьевой природный газ через смеситель (на чертеже не обозначен) поступает в циркуляционный контур комплекса сжижения. Циркуляция природного газа обеспечивается компрессорами 1, 2, 3, блока 4 компрессии. Для обеспечения необходимого количества циркулирующего природного газа предусмотрено параллельное включение нескольких компрессоров, и в данной конкретной схеме, как пример, показано подключение трех однотипных компрессоров. Охлаждение компрессоров обеспечивается циркуляцией хладоносителя, охлаждаемого в блоке 7 аппаратов воздушного охлаждения, в котором установлены аппараты 5 воздушного охлаждения и вентиляторы 6. Низкотемпературный блок 11 комплексной очистки содержит блок 16 осушки, блок 17 очистки и аппарат 22 нагрева. В блоке 10 сжижения прямой поток газа в трубопроводе подвода природного газа проходит последовательно через первый противоточный теплообменный аппарат 23, блок 16 осушки, первый вспомогательный теплообменный аппарат 27, блок 17 очистки, дополнительный теплообменный аппарат 29, вторые вспомогательный и противоточный теплообменные аппараты 28, 24, где прямой поток газа (поток высокого давления) охлаждается до криогенных температур, после чего подается на расширение в дроссель-эжектор 20.

Низкотемпературный блок 11 комплексной очистки служит для удаления из прямого потока газа влаги и высоко кипящих примесей, в первую очередь, диоксида углерода (СО₂). Удаление влаги производится в блоке 16 осушки, удаление СО₂ производится в блоке 17 очистки. В данной конкретной схеме блок очистки использован адсорбционный, с нагревной регенерацией адсорбента. Наличие аппарата 22 нагрева обеспечивает регенерацию в блоках 16 и 17 осушки и очистки.

В данной схеме для снижения нагрузки по влаге на блок 16 осушки, прямой поток газа проходит предварительное охлаждение в первом противоточном теплообменном аппарате 23, где охлаждается обратным 26 и дополнительным 25 потоками до минимальных положительных температур. В результате охлаждения прямого потока, влага в нем частично конденсируется и отделяется перед подачей газа в адсорберы осушки. Адсорбционная осушка при пониженной температуре позволяет увеличить емкость адсорбента по извлекаемой примеси и повысить эффективность процесса осушки. Адсорбционная очистка от СО₂ в блоке 17 очистки производится на уровне температур охлаждения в первом контуре внешней холодильной машины 30, при отрицательных температурах, что позволяет увеличить емкость адсорбента по извлекаемой примеси и повысить эффективность процесса очистки.

Вспомогательные теплообменные аппараты 27 и 28, подключенные в блоке 10 сжижения последовательно между противоточными теплообменными аппаратами 23 и 24, имеют внешнее охлаждение за счет циркуляции хладоносителя от блока 8 холодильной машины, в котором установлен холодильный агрегат 30 и аппарат 9 воздушного охлаждения.

Подключение вспомогательных теплообменных аппаратов 27 и 28 и организация посредством блока 8 холодильной машины внешнего охлаждения за счет выработки умеренного холода, обеспечивают дополнительный уровень внешнего охлаждения прямого потока в трубопроводе подвода природного газа, повышение эффективности теплообменных аппаратов, снижение нагрузки на низкотемпературную часть основного холодопроизводящего контура, что ведет к снижению общей потребляемой мощности оборудования комплекса.

На выходе дроссель-эжектора 20 подключен фазовый сепаратор 15, отделяющий жидкую фазу от паровой, на выходе из которого трубопровод с жидкой фазой через дроссельный вентиль 14 подключен ко входу криогенной емкости 21 для направления потребителю сжиженного природного газа. Пар, полученный в результате дросселирования в дроссельном вентиле 14 насыщенной жидкости откачивается из криогенной емкости 21 посредством дроссель-эжектора 20 в трубопроводе отвода пара, соединяющем верхний выход криогенной емкости 21 и вход дроссель-эжектора 20. На трубопроводе прямого потока на выходе из второго противоточного теплообменного аппарата 24 установлен датчик 18 температуры потока газа, соединенный электрической связью с управляющими механизмами дроссельного клапана 13, позволяющий регулировать объем поступления холодного потока в трубопровод 25 при изменении фактической температуры газа в трубопроводе прямого потока. Фазовый сепаратор 15 исполнен с датчиком 19 уровня жидкой фазы, соединенным электрической связью с управляющими механизмами дроссельного вентиля 14, позволяющим регулировать количество отбираемой из фазового сепаратора 15 жидкой фазы, направляемой в криогенную емкость 21.

Трубопровод 26 обратного потока с паровой фазой подсоединен и проходит последовательно через противоточные и дополнительный теплообменные аппараты 24, 29, 23, где паровая фаза прогревается, отбирая тепло у потока высокого давления. Температура обратного потока в трубопроводе 26 на выходе из первого противоточного теплообменного аппарата 23 близка к температуре прямого потока трубопровода подвода природного газа на входе в блок 10 сжижения. При выходе из блока 10 сжижения трубопровод 26 обратного потока делится на две ветви: первая ветвь трубопровода обратного потока подключена на вход блока 4 компрессии, а вторая ветвь трубопровода обратного потока подключена на вход блока 12 газовой электростанции.

Блок 12 газовой электростанции служит для выработки электроэнергии на собственные нужды комплекса, обеспечивая автономность его работы. Топливный газ для блока 12 газовой электростанции отбирается из трубопровода 26 обратного потока, поскольку газ из трубопровода 26 обратного потока имеет минимальное давление и содержит в своем составе наибольшее количество инертных газов.

От трубопровода подвода природного газа с прямым потоком на выходе из второго противоточного теплообменного аппарата 24 отделяется трубопровод 25 дополнительного потока, который подключен на вход дроссельного клапана 13, после чего проходит последовательно противоточные и дополнительный теплообменные аппараты 24, 29, 23, где дополнительный поток трубопровода 25 прогревается, отбирая тепло у потока высокого давления. При выходе из блока 10 сжижения, через смеситель, замыкая цикл, трубопровод 25 дополнительного потока подключен на вход блок 4 компрессии. Температура дополнительного потока в трубопроводе 25 на выходе из первого противоточного теплообменного аппарата 23 близка к температуре прямого потока трубопровода подвода природного газа на входе в блок 10 сжижения. Расход природного газа в трубопроводе 25 дополнительного потока регулируется датчиком 18 температуры потока газа, соединенным электрической связью с управляющими механизмами дроссельного клапана 13. Охлажденный при расширении в дроссельном клапане 13 дополнительный поток служит дополнительным источником холода, позволяет уменьшить нагрузку на нижестоящие аппараты, стабилизировать состав прямого потока. Трубопроводы 31 и 32 сбросных потоков, в которых содержится влага и высоко кипящие примеси, подсоединены к выходам соответственно блоков 16 и 17 осушки и очистки.

Таким образом, комплекс, простой по конструктивному исполнению и надежный в работе, дает возможность производить сжиженный природный газ с малым содержанием высококипящих компонентов, в том числе, диоксида углерода. Реализация процессов подготовки газа на высоком давлении позволяет сократить габариты блока комплексной очистки 11 с блоками 16, 17 осушки, очистки, легче интегрируя их в состав комплекса, повышая степень его заводской готовности. Комплекс может использоваться при освоении малодебитовых месторождений и организации временных производств СПГ.