Результат интеллектуальной деятельности: Способ производства сжиженного природного газа и компримированного природного газа на газораспределительной станции и комплекс (варианты) для его осуществления

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

Природный газ является одним из важнейших видов топлива, занимая значимое место в структуре потребления наравне с нефтью и углем. Для транспортирования на рынки сбыта полученный природный газ может перерабатываться в компримированный и сжиженный газ. Компримированный природный газ (природный газ метан, сжатый на компрессорной станции до давления 200-250 бар) используется в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания на легковых автомобилях, пассажирском и легком грузовом транспорте, коммунальной технике. Сжиженный природный газ (СПГ) - криогенная жидкость с содержанием метана не менее 86% об. (ТУ 05-03-03-85) и температурой кипения от минус 162°С - является перспективным энергоносителем и обеспечивает экономическую и экологическую эффективность по отношению к другим видам топлива. В жидком состоянии объем газа уменьшается в 600 раз, что позволяет в значительной степени увеличить эффективность его хранения и транспортировки.

На газораспределительных станциях (ГРС) возможна организация производства и сжиженного и компримированного природного газа. Известны способы и устройства, направленные на совершенствование технологических процессов - либо сжижения природного газа, либо его компримирования на ГРС.

Например, известно техническое решение, защищенное патентом RU 2675029 «Система производства компримированного природного газа на газораспределительной станции», МПК F25J 1/00, F01D 15/08, F04D 25/04, дата публикации 14.12.2018 года. Система содержит бустер-компрессор, детандер, аппарат воздушного охлаждения и теплообменник. Вход бустер-компрессора подключен к магистральному газопроводу и природный газ двумя потоками направляется в бустер-компрессор для компримирования и для обеспечения работы его привода. На двух выходах бустер-компрессора формируются линии выхода природного газа, по первой из которых выходит произведенный компримированный природный газ через аппарат воздушного охлаждения и теплообменник. Одновременно с этим, по второй линии отработанный в приводе бустер-компрессора природный газ направляется через детандер и теплообменник первой линии потребителям в газораспределительную сеть. Известная система позволяет получить гарантированно лишь компримированный природный газ, а для обеспечения процесса сжижения недостаточно количество холода, вырабатываемого детандером.

Известны также технологические процессы, позволяющие на ГРС одновременно производить и сжиженный и компримированный природный газ. Так, известен «Способ производства сжиженного природного газа и компримированного природного газа на газораспределительной станции и комплекс для его реализации», патент RU 2541360, МПК F25J 1/00, дата публикации 10.02.2015 года, где при реализации энергонезависимого способа одновременного производства сжиженного природного газа и компримированного природного газа на ГРС, природный газ отбирают из магистрального газопровода и разделяют на два потока: первый поток направляют на сжижение 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 сжижении 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 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. Комплекс для реализации известного 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, 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. Вторая линия подачи природного газа содержит второй компрессор, аппарат воздушного охлаждения и соединена с потребителями компримированного природного газа. Использование известного способа позволяет достигать повышения энергоэффективности процесса одновременного производства сжиженного и компримированного природного газа на ГРС, однако, основным недостатком известного технического решения является его недостаточная надежность, поскольку в процессе осуществления известного способа задействовано большое количество сложного и трудоемкого в обслуживании технологического оборудования.

Целью изобретения является повышение экономической эффективности, надежности процесса одновременного производства сжиженного природного газа и компримированного природного газа на ГРС, упрощение этого технологического процесса.

Техническим результатом изобретения является разработка надежного и простого способа и вариантов комплекса для его реализации, при котором осуществляют одновременное производство сжиженного природного газа и компримированного природного газа на ГРС.

Поставленная цель (для способа) достигается тем, что в способе производства сжиженного природного газа и компримированного природного газа на газораспределительной станции одновременно производят сжиженный и компримированный природный газ, и, для осуществления этого, поток природного газа отбирают из магистрального газопровода, пропускают через блок учета и, используя его как рабочее тело для бустер-компрессора, направляют в бустер-компрессор, на выходе из которого поток природного газа низкого давления подогревают и направляют потребителю в газораспределительную сеть. Поток природного газа высокого давления пропускают через первый теплообменный аппарат, охлаждают и осушают, после чего этот поток разделяют на два потока: первый направляют потребителю компримированного природного газа, а второй, в качестве продукционного потока, направляют на сжижение природного газа. Продукционный поток очищают в блоке очистки и последовательно охлаждают в двух, но не ограничиваясь этим, теплообменных аппаратах, помимо этого, продукционный поток дополнительно охлаждают в дополнительном теплообменном аппарате посредством воздействия внешнего хладагента, подаваемого от холодильной машины. Далее, охлажденный продукционный поток 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, подогревают его последовательно в двух, но не ограничиваясь этим, теплообменных аппаратах и подают потребителю в газораспределительную сеть с требуемыми давлением и температурой. Кроме этого, организуют поток высокотемпературного теплоносителя, который греют в первом теплообменном аппарате и направляют в блок очистки для нагрева адсорбента.

Поставленная цель (для устройства) достигается тем, что в первом варианте исполнения комплекс содержит соединенные трубопроводами подвода, отвода природного газа блоки учета, осушки и очистки, бустер-компрессор, аппарат воздушного охлаждения, теплообменные аппараты, холодильную машину, дроссель и сепаратор. На вход комплекса подключен соединенный с магистралью газораспределительной станции трубопровод подвода природного газа, проходящий последовательно блок учета и бустер-компрессор, первый выход которого подключен на вход трехпоточного теплообменного аппарата предварительного охлаждения и далее к выходу в газораспределительную сеть. Второй выход бустер-компрессора подсоединен ко входу первого теплообменного аппарата и далее к аппарату воздушного охлаждения и далее к блоку осушки, на выходе из которого трубопровод подвода природного газа разделен на две линии: первая линия подключена на вход потребителя компримированного природного газа, а вторая линия подключена на вход блока очистки, после чего проходит последовательно теплообменные аппараты предварительного, дополнительного и окончательного охлаждения, дроссель, сепаратор и соединена с хранилищем сжиженного природного газа. Кроме этого, на выходе сепаратора подключена обратная линия, подключенная и проходящая последовательно через теплообменники окончательного и предварительного охлаждения и соединенная на выходе с газораспределительной сетью. Теплообменный аппарат дополнительного охлаждения связан трубопроводами подвода, отвода внешнего хладагента с холодильной машиной, а первый теплообменный аппарат связан трубопроводами подвода, отвода высокотемпературного теплоносителя с блоком очистки.

Поставленная цель (для устройства) достигается также тем, что во втором варианте исполнения комплекс содержит соединенные трубопроводами подвода, отвода природного газа блоки учета, осушки и очистки, бустер-компрессор, теплообменные аппараты, холодильную машину, дроссель, сепаратор и теплообменник-утилизатор. На вход комплекса подключен соединенный с магистралью газораспределительной станции трубопровод подвода природного газа, проходящий последовательно блок учета и бустер-компрессор, первый выход которого подключен на вход теплообменника-утилизатора и далее к выходу в газораспределительную сеть. Второй выход бустер-компрессора подсоединен ко входу первого теплообменного аппарата и далее к теплообменнику-утилизатору и далее к блоку осушки, на выходе из которого трубопровод подвода природного газа разделен на две линии: первая линия подключена на вход потребителя компримированного природного газа, а вторая линия подключена на вход блока очистки, после чего проходит последовательно теплообменные аппараты начального, дополнительного и окончательного охлаждения, дроссель, сепаратор и соединена с хранилищем сжиженного природного газа. Кроме этого, на выходе сепаратора подключена обратная линия, подключенная и проходящая последовательно через теплообменники окончательного и начального охлаждения и соединенная на выходе с газораспределительной сетью. Теплообменный аппарат дополнительного охлаждения связан трубопроводами подвода, отвода внешнего хладагента с холодильной машиной, а первый теплообменный аппарат связан трубопроводами подвода, отвода высокотемпературного теплоносителя с блоком очистки.

Такое осуществление способа и обоих вариантов комплекса позволяет повысить экономическую эффективность за счет применения бустер-компрессора с газовым приводом, рабочим телом которого является природный газ, отбираемый из магистрального газопровода на сжижение и компримирование, а также за счет организации одновременно нескольких технологических процессов: обеспечение работы бустер-компрессора, организация процесса сжижения природного газа и организация процесса компримирования природного газа. Кроме этого, простота схемных решений комплекса по обоим вариантам исполнения, повышает его надежность, поскольку позволяет отказаться от применения сложного и трудоемкого в обслуживании технологического оборудования

Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее подробное описание и прилагаемые чертежи. На фиг. 1 и фиг. 2 показаны упрощенные схемы технологических процессов, соответственно, по первому и по второму вариантам конструктивного исполнения этого изобретения, иллюстрирующие процессы одновременного сжижения и компримирования природного газа в соответствии с практическим применением этого изобретения. Схемы технологических процессов представляют собой предпочтительное конструктивное исполнение применения на практике процессов по этому изобретению. Чертежи не исключают из объема изобретения другие конструктивные исполнения, которые являются результатом обычных и предполагаемых модификаций этих конкретных конструктивных исполнений. Различные требуемые вспомогательные системы, такие как клапаны, смесители потоков, системы регулирования и датчики исключены из чертежей в целях упрощения и ясности представления.

При реализации способа одновременного производства сжиженного природного газа и компримированного природного газа на газораспределительной станции, поток природного газа отбирают из магистрального газопровода и пропускают через блок учета. Затем, этот поток направляют в бустер-компрессор и используют как рабочее тело для работы его привода. На одном из выходов бустер-компрессора поток природного газа низкого давления подогревают и направляют потребителю в газораспределительную сеть. На другом выходе бустер-компрессора поток природного газа высокого давления пропускают через первый теплообменный аппарат, охлаждают и осушают. Затем, этот поток разделяют на два потока: первый направляют потребителю компримированного природного газа, а второй, в качестве продукционного потока, направляют на сжижение природного газа. Продукционный поток очищают в блоке очистки и последовательно охлаждают в двух, но не ограничиваясь этим, теплообменных аппаратах, помимо этого, продукционный поток дополнительно охлаждают в дополнительном теплообменном аппарате посредством воздействия внешнего хладагента, подаваемого от холодильной машины. Далее, охлажденный продукционный поток 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, подогревают его последовательно в двух, но не ограничиваясь этим, теплообменных аппаратах и подают потребителю в газораспределительную сеть с требуемыми давлением и температурой. Дополнительно организуют поток высокотемпературного теплоносителя, который греют в первом теплообменном аппарате и направляют в блок очистки для нагрева адсорбента.

Комплекс по первому варианту исполнения, реализующий способ, содержит соединенный с магистралью газораспределительной станции трубопровод 1 подвода природного газа, блок учета 2, бустер-компрессор 3, аппарат 4 воздушного охлаждения, блоки осушки и очистки 6 и 7, трубопровод 15 отвода компримированного природного газа, насос 17, теплообменные аппараты 16, 8, 9, 11, холодильную машину 10, дроссель 12, сепаратор 13, трубопровод 14 отвода сжиженного природного газа, трубопровод 18 потока низкого давления и трубопровод 5 обратного потока с газом, направляемым в газораспределительную сеть.

В конкретном исполнении, по первому варианту, комплекс работает следующим образом.

Природный газ, поступающий из ГРС по трубопроводу 1, пропускают через блок 2 учета и сжимают в бустер-компрессоре 3 используя этот природный газ как рабочее тело самого бустер-компрессора 3. На первом выходе бустер-компрессора 3 поток газа низкого давления по трубопроводу 18 направляют на вход трехпоточного теплообменного аппарата 8 предварительного охлаждения, где дополнительно охлаждают продукционный поток, и далее подают к выходу в газораспределительную сеть. На втором выходе бустер-компрессора 3 поток газа высокого давления пропускают через первый теплообменный аппарат 16, дополнительно охлаждают в аппарате 4 воздушного охлаждения и осушают в блоке 6 осушки. После осушки поток газа с температурой +40°С и давлением 25 МПа разделяют на два потока, из которых первый по трубопроводу 15 отвода компримированного природного газа направляют потребителю компримированного природного газа с достигнутыми требуемыми параметрами газа, а второй поток, в качестве продукционного потока для сжижения природного газа, направляют в блок 7 очистки. В блоке 7 продукционный поток очищают от примесей CO₂ и удаляют из него ртуть с помощью адсорбентов. Блок 7 очистки связан трубопроводами подвода, отвода высокотемпературного теплоносителя посредством насоса 17 с первым теплообменным аппаратом 16, в котором высокотемпературный теплоноситель нагревают до +150°С и направляют для нагрева адсорбента в блоке 7 очистки. Далее, после очистки, продукционный поток последовательно охлаждают в теплообменных аппаратах 8, 9, 11 соответственно предварительного, дополнительного и окончательного охлаждения. В трехпоточном теплообменном аппарате 8 предварительного охлаждения продукционный поток охлаждают до температуры +10°С обратным потоком и дополнительно охлаждают потоком газа низкого давления, поступающим по трубопроводу 18 от бустер-компрессора 3. Теплообменный аппарат 9 дополнительного охлаждения связан трубопроводами подвода, отвода внешнего хладагента с холодильной машиной 10 и предназначен для дополнительного захолаживания природного газа в продукционном потоке, идущем на сжижение природного газа. После охлаждения в теплообменном аппарате 9 продукционный поток выходит с температурой минус 40°С, поскольку в теплообменном аппарате 9 он дополнительно охлаждается посредством воздействия внешнего хладагента, например, но не ограничиваясь этим, хладона R410 (R407), подаваемого от холодильной машины 10, имеющей температурный уровень ниже минус 40°С.

После доохлаждения в теплообменном аппарате 11 продукционный поток с температурой минус 68°С и давлением 25 МПа пропускают через дроссель 12 для получения парожидкостной смеси. В сепараторе 13 жидкую фазу (сжиженный природный газ) парожидкостной смеси отделяют от паровой фазы, из которой формируют обратный поток газа. Обратный поток направляют последовательно через теплообменные аппараты 11 и 8 окончательного и предварительного охлаждения и по трубопроводу 5 обратного потока, направляют с требуемыми параметрами: температура не ниже 0°С и давление 0,6 МПа потребителю в газораспределительную сеть.

Полученный сжиженный природный газ направляют из сепаратора 13 по трубопроводу 14 отвода сжиженного природного газа потребителю с достигнутыми требуемыми параметрами: температурой минус 133°С и давлением 0,6 МПа.

Комплекс по второму варианту исполнения, реализующий способ, содержит соединенный с магистралью газораспределительной станции трубопровод 1 подвода природного газа, блок учета 2, бустер-компрессор 3, теплообменник-утилизатор 19, блоки осушки и очистки 6 и 7, трубопровод 15 отвода компримированного природного газа, насос 17, теплообменные аппараты 16, 20, 9, 11, холодильную машину 10, дроссель 12, сепаратор 13, трубопровод 14 отвода сжиженного природного газа, трубопровод 18 потока низкого давления и трубопровод 5 обратного потока с газом, направляемым в газораспределительную сеть.

В конкретном исполнении, по второму варианту, комплекс работает следующим образом.

Природный газ, поступающий из ГРС по трубопроводу 1, пропускают через блок 2 учета и сжимают в бустер-компрессоре 3, используя этот природный газ как рабочее тело самого бустер-компрессора 3. На первом выходе бустер-компрессора 3 поток газа низкого давления по трубопроводу 18 направляют на вход теплообменника-утилизатора 19, где его дополнительно подогревают, и далее подают к выходу в газораспределительную сеть с температурой +30°С и давлением 0,6 МПа. На втором выходе бустер-компрессора 3 поток газа высокого давления пропускают через первый теплообменный аппарат 16, затем дополнительно охлаждают в теплообменнике-утилизаторе 19 и осушают в блоке 6 осушки. После осушки поток газа с температурой +40°С и давлением 25 МПа разделяют на два потока, из которых первый по трубопроводу 15 отвода компримированного природного газа направляют потребителю компримированного природного газа с достигнутыми требуемыми параметрами газа, а второй поток, в качестве продукционного потока для сжижения природного газа, направляют в блок 7 очистки. В блоке 7 продукционный поток очищают от примесей CO₂ и удаляют из него ртуть с помощью адсорбентов. Блок 7 очистки связан трубопроводами подвода, отвода высокотемпературного теплоносителя посредством насоса 17 с первым теплообменным аппаратом 16, в котором высокотемпературный теплоноситель нагревают до +150°С и направляют для нагрева адсорбента в блоке 7 очистки. Далее, после очистки, продукционный поток последовательно охлаждают в теплообменных аппаратах 20, 9, 11 соответственно начального, дополнительного и окончательного охлаждения. В теплообменном аппарате 20 начального охлаждения продукционный поток охлаждают до температуры +10°С обратным потоком. Теплообменный аппарат 9 дополнительного охлаждения связан трубопроводами подвода, отвода внешнего хладагента с холодильной машиной 10 и предназначен для дополнительного захолаживания природного газа в продукционном потоке, идущем на сжижение природного газа. После охлаждения в теплообменном аппарате 9 продукционный поток выходит с температурой минус 40°С, поскольку в теплообменном аппарате 9 он дополнительно охлаждается посредством воздействия внешнего хладагента, например, но не ограничиваясь этим, хладона R410 (R407), подаваемого от холодильной машины 10, имеющей температурный уровень ниже минус 40°С.

После доохлаждения в теплообменном аппарате 11 продукционный поток с температурой минус 68°С и давлением 25 МПа пропускают через дроссель 12 для получения парожидкостной смеси. В сепараторе 13 жидкую фазу (сжиженный природный газ) парожидкостной смеси отделяют от паровой фазы, из которой формируют обратный поток газа. Обратный поток направляют последовательно через теплообменные аппараты 11 и 20 окончательного и предварительного охлаждения и по трубопроводу 5 обратного потока, направляют с требуемыми параметрами: температура не ниже 0°С и давление 0,6 МПа потребителю в газораспределительную сеть.

Полученный сжиженный природный газ направляют из сепаратора 13 по трубопроводу 14 отвода сжиженного природного газа потребителю с достигнутыми требуемыми параметрами: температурой минус 133°С и давлением 0,6 МПа.

Таким образом, экономическая эффективность повышается за счет организации одновременно двух процессов: производство сжиженного природного газа и производство компримированного природного газа на ГРС, одновременно с этим, на повышение экономической эффективности влияет использование магистрального природного газа, отбираемого на сжижение и компримирование, в качестве рабочего тела бустер-компрессора, применяемого в этих технологических процессах. Надежность осуществления способа и надежность работы обоих вариантов исполнения комплекса обусловлены упрощением технологических процессов, отсутствием сложного, трудоемкого в обслуживании технологического оборудования.