Комплекс абрамова для сжижения газов

 

Комплекс для снижения газов состоит из двух контуров. Рефрижераторный замкнутый контур включает насос перекачки жидкого газа, конденсатор-испаритель, турбину, кожухотрубный конденсатор, конденсатор смешения, дроссельный вентиль и эжектор. Пассивное сопло и выходное сопло эжектора соединены с жидкостным пространством конденсатора смешения, а активные сопла соединены с паровым пространством конденсатора смешения. Продукционный разомкнутый контур включает кожухотрубный теплообменник, дроссельный вентиль, конденсатор-испаритель, трубное пространство которого сообщено с рефрижераторным контуром, и компрессор. Дополнительный генератор холода расположен в криостате и содержит, по меньшей мере, один вихревой охладитель, систему подвода сжижаемого газа и систему отвода сжиженного газа, включенную в основную систему отбора сжиженного газа, и, по крайней мере, один патрубок выхода отработанного несжиженного газа вихревого охладителя. Патрубок соединен трубопроводом с межтрубным пространством конденсатора-испарителя продукционного контура. Использование изобретения позволит снизить удельные энергозатраты на сжижение и переохлаждение природного газа, увеличить экономичность. 19 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к комплексам сжижения природных газов, воздуха, азота, кислорода, размещаемым на средствах добычи природного газа (ПГ), морских стационарных платформах (МСП), плавучих платформах, плавучих заводах надводных и подводного базирования, ПЗ у берегов морей, на суше и в море и сопрягаемым с магистральными газопроводами, на комплексах промысловой разработки морских и прибрежных месторождений ПГ шельфа арктических морей, региона о.Сахалин, Азовского и Черного морей, а также судах-метановозах, судах газовозах, хранилищах и терминалах сжиженного ПГ (СПГ).

Известны установки СПГ (УСПГ) (см. пат. США 4548629, F 25 J 3/02, Баррон Р.Ф. Криогенные системы. Энергоатомиздат, 1989) с использованием криогенного цикла, работающего на смешанном хладагенте (смеси углеводородов с азотом), отделением тяжелых углеводородов и дросселированием переохлажденного ПГ, очищенного и осушенного предварительно до требований норм ОСТ 5140-93.

Недостатком этих УСПГ является сложность схемы в части используемого тепломашинного оборудования и ее обслуживания (недопустимость ее работы без обслуживания).

Криогенные теплообменники этих УСПГ имеют исключительно большую массу (до 250 тонн) и габариты (диам. 3-4 м, высота до 30 м), трудоемки и нетехнологичны в изготовлении. Монтаж/демонтаж и ремонт в судовых условиях на подводных плавучих заводах сжижения ПГ (ПЗ СПГ) затруднителен.

В УСПГ необходимы высокое исходное давление ПГ на входе или дожимающий компрессор.

Простои УСПГ в связи с их заменой и ремонтом снижают их эффективность использования в судовых условиях.

Другой известной установкой сжижения газа является установка (см. ЖТФ, 1983, том 53, 9, с. 1770-1776, Финько В.Е. "Особенности охлаждения и сжижения газа в вихревом потоке", а также "Перспективы использования СПГ", Финько В. Е. , Газовая промышленность, 2, 2000. Буклет, подготовленный и выпущенный ЗАО "Крионорд", "СПГ - альтернативное топливо для промышленности и коммунального хозяйства" ООО "Лентрансгаз" - ЗАО "Сигма-газ", включающая сепаратор тяжелых частиц и капельной влаги, сепаратор паров влаги и отделитель тяжелых фракций, теплообменник предварительного охлаждения ПГ, генератор холода (блок сжижения (БС) с ВО, систему подвода ПГ и систему отвода СПГ.

Установка УСПГ представляет собой моноблок, устанавливаемый на фундаментном основании (ФО), конструктивно включающий БС и ВО.

Ее достоинствами являются эффективность работы на высоких (до 15...20 МПа) давлениях следовательно и на высоких пластовых давлениях газовых месторождений, компактность УСПГ, отсутствие движущихся частей, БС с ВО не потребляют внешней энергии, важны при запуске комплекса и пригодны для работы в подводных условиях.

Недостатками УСПГ являются низкий коэффициент сжижения газов ~15...20%, высокое минимальное рабочее давление ВО (3,5 МПа), сложность обеспечения высокой газобезопасности БС.

В качестве прототипа изобретения выбрано "Устройство для сжижения газов" (см. патент РФ 2002176, F 25 J 1/02. Бюл. 39-40, 1993, "Способ сжижения газа и устройство для его осуществления". Сущностью изобретения является снижение удельных зaтpaт энергии на сжижение газов путем использования низкозатратных вихревых генераторов холода, уменьшения электрических потерь в электрических машинах и токонесущих устройствах комплекса посредством применения гиперпроводников в обмотках возбуждения и кабелях и использования для охлаждения обмоток и кабелей в качестве криоагента производимых комплексом продуктов (СПГ, жидкого азота как компонента ПГ, в т.ч. переохлажденных) и морской забортной воды с температурой -2^oС в качестве хладагента в теплообменниках комплекса, а также интеграция комплекса с объектом его применения подводным плавучим заводом по производству СПГ.

В изобретении решается задача 100%-го сжижения ПГ с минимальными удельными затратами энергии и минимальными простоями комплекса в судовых условиях на плавучем заводе производства СПГ подводного базирования, нерешенная в СССР и РФ (см. "Федеральная программа по развитию криогенной техники и технологий и совершенствованию криогенных производств предприятий металлургической, нефтехимической и химической промышленности и топливно-энергетического комплекса", Международная ассоциация "Криогеника"), исключение из состава комплекса крупногабаритных, большой массы ФСЕ (криогенных теплообменников и другого тепломашинного оборудования, проблемного в отношении технологичности монтажа/демонтажа, ремонта и погрузки в экстремальных условиях.

Выполненный впервые в отечественной практике анализ всесторонней проработки 100% сжижения и переохлаждения ПГ и его компонентов показал, что эти комплексы могут быть серийной продукцией в России и созданы собственными силами без закупок импортного оборудования и технологий. Одновременно создаются предпосылки решения задачи использования изобретения в особых условиях, например, при освоении морских и прибрежных месторождений ПГ на шельфе арктических морей, в регионе о.Сахалин, Азовском или Черном морях в кратчайшие сроки минимальными доступными средствами судотехники и судотехнологии ПЗ СПГ с комплексами сжижения ПГ.

При осуществлении изобретения достигаются интенсификация промысловой разработки морских месторождений ПГ на шельфе Арктики, альтернативное решение проблем "Голубого потока" на базе ПЗ СПГ с их дислокацией в Азовском и Черном морях и вывозом СПГ на рынок судами-метановозами в качестве экспортного нового продукта России - СПГ и переохлажденного СПГ - нового продукта, а также холода как энергоносителя.

При использовании изобретения решаются многие другие задачи, например, в топливно-энергетическом комплексе (ТЭК), в частности, в коммунальном хозяйстве при газификации объектов, удаленных на значительные расстояния от магистральных газопроводов (сельских населенных пунктов) при создании резервного запаса энергоносителя у потребителя, например, для автотранспорта курортных зон.

При использовании изобретения решается задача утилизации, подлежащих списанию с боевой службы современных проектов серийных атомных подводных лодок ВМФ РФ, а также применения плавучих атомных энергетических установок подводного базирования для энергообеспечения электроприводов ФСЕ, снижения удельных энергозатрат на сжижение и переохлаждение СПГ и сжижения ПГ с сильно изменяющимися давлениями пластов газовых месторождений.

С решением задачи переохлаждения СПГ и метана увеличивается суммарный эффект (экономический и технический) за счет следующих его частей, являющихся следствием применения концепции освоения морских газовых месторождений, производства СПГ на месте газодобычи и транспорта СПГ метановозами на экспорт: 1. Экономический эффект доставки дополнительной массы СПГ и холода как товара на рынок вследствие переохлаждения СПГ.

2. Снижение нагрузки на системы повторного сжижения ПГ хранилищ, метановозов.

3. Возможность создания производств, утилизирующих холод СПГ, в т.ч. переохлажденного СПГ.

Предлагаемый комплекс для сжижения газов, выполненный в виде генератора холода (ГХ), состоящего из двух контуров - рефрижераторного замкнутого контура, включающего насос с приводом для перекачки жидкого газа в хранилище или в систему отбора сжиженного газа, конденсатор-испаритель, турбину, кожухотрубный конденсатор, конденсатор смешения, дроссельный вентиль и эжектор, пассивное сопло которого соединено с жидкостным пространством конденсатора смешения, активные сопла соединены с паровым пространством конденсатора смешения и выходное сопло соединено с жидкостным пространством конденсатора смешения и продукционного разомкнутого контура, включающего кожухотрубный теплообменник, дроссельный вентиль, конденсатор-испаритель, трубное пространство которого сообщено с замкнутым рефрижераторным контуром и компрессором, отличается тем, что в него введен по меньшей мере один дополнительный генератор холода, выполненный в виде блока сжижения (БС) по меньшей мере с одним вихревым охладителем (ВО), расположенный в криостате и содержащий систему подвода сжижаемого газа и систему отвода сжиженного газа, включенную в основную систему отбора сжиженного газа и по крайней мере один патрубок выхода отработанного несжиженного газа ВО, соединенный трубопроводом с межтрубным пространством конденсатора-испарителя продукционного контура.

Комплекс снабжен по меньшей мере одним ГХ, выполненным в виде криогенной газовой машины (КГМ), работающей по обратному циклу Стирлинга, и соединен с системой отвода СПГ и системой переохлажденного СПГ. Комплекс снабжен по меньшей мере одним ГХ, выполненным в виде КГМ, работающей по обратному циклу Стирлинга, для сжижения или переохлаждения азота природного газа (ПГ) как компонента ПГ.

Комплекс отличается тем, что в качестве хладагента системы охлаждения теплых сторон КГМ Стирлинга применена забортная морская вода (ЗМВ). Комплекс отличается тем, что в него введен контур охлаждения подводимого ПГ, выполненный из теплообменных элементов, хладагент которого взаимодействует в тепловом отношении с системой подвода сжижаемого ПГ, а в качестве хладагента в контуре применена ЗМВ, нижнее значение интервала температуры которой равно -2^oС.

Приводы ГХ комплекса выполнены преимущественно электрическими и при этом снабжены криостатами для размещения электродвигателей ГХ. Токонесущие устройства в комплексе, относящиеся к электроустройствам, снабжены устройствами охлаждения, а в качестве хладагента в них применена ЗМВ или жидкий или переохлажденный азот, СПГ или переохлажденный СПГ. Токонесущие кабели, обмотки электрогенераторов и электродвигателей в комплексе выполнены из бериллия. Комплекс снабжен криостатом для размещения электрогенератора ГХ.

Фундаментные основания элементов ГХ снабжены опорами двух типов с двумя уровнями опирания, съемными опорами качения для транспортировки и установочными опорами. Фундаментные основания элементов ГХ комплекса снабжены фиксирующими элементами с возможностью использования их от смещения оснований в горизонтальной плоскости, расположенными преимущественно на боковых плоскостях относительно главного вида, а фиксирующие элементы выполнены в виде цилиндрических поверхностей, выполненных на всю высоту основания, и открытых наружу на 180^o.

Система переохлажденного СПГ или КГМ Стирлинга переохлаждения СПГ соединены трубопроводом с межтрубным пространством конденсатора-испарителя продукционного контура.

На чертеже изображена конструктивная схема комплекса сжижения ПГ и азота ПГ с генераторами холода (ГХ) в виде вихревого охладителя, ГХ с рефрижераторным и продукционным контурами и ГХ, выполненным в виде криогенной газовой машины (КГМ), работающей по обратному циклу Стирлинга.

Основными составными частями комплекса сжижения газов, например, природного газа (ПГ) и азота ПГ являются генераторы холода (ГХ), выполненные в виде блока сжижения (БС) 1, включающего размещенный внутри герметичного, покрытого теплоизоляционным материалом, например, пенополиуретаном криостат 2, по меньшей мере один вихревой охладитель (ВО) 3 или несколько ВО, соединенных по определенной схеме или ГХ из нескольких БС, размещенных в едином криостате.

Криостат 2 снабжен патрубком 4 ввода ПГ, патрубком выхода СПГ 5 и патрубком выхода 6 отработанного несжиженного ПГ и используется как сборник и накопитель СПГ, снижает теплоприток из окружающего пространства и является гарантом газобезопасности окружающего пространства. Труба отвода отработанного несжиженного ПГ и труба выхода СПГ покрыты слоем теплоизоляционного материала, например, пенополиуретана.

Блок сжижения 1 выполнен на фундаментном основании 7, снабженным опорами 8, 9 с двумя уровнями опирания по высоте. Опоры 8 являются съемными опорами качения для транспортировки БС 1 по рельсам. Блок сжижения 1 является одной из функционально-структурных единиц (ФСЕ) комплекса. Под ФСЕ понимается элемент конструкции комплекса с протекающими в нем элементарными процессами, рассматриваемыми во всем многообразии тепловых, массообменных и других процессов.

Эффективная работа ВО и БС подтверждена на промышленной установке получения СПГ (см. буклет ЗАО "Крионорд" "СПГ - альтернативное топливо для промышленности и коммунального хозяйства", ЗАО "Сигма-газ" - ООО "Лентрансгаз"). На установке установлено увеличение эффекта охлаждения с повышением входного давления и предварительного охлаждения сжатого подводимого к установке ПГ.

Принцип работы ВО ПГ заключается в совершении газом работы вихревого расширения. В результате подводимый поток ПГ в ГХ разделяется на два потока - сжиженный поток, составляющий 15% подводимого потока ПГ и несжиженный отработанный с температурой 135...140 К поток ПГ, который может быть направлен в другой ГХ (каскадное сжижение вплоть до 3,5 МПа), а в данном комплексе по теплоизолированному трубопроводу 10 подается на входной патрубок 11 другого ГХ, выполненного в виде двух контуров - рефрижераторного замкнутого контура, включающего насос 12 перекачки СПГ с приводом в хранилище 13 или в систему отбора сжиженного газа, конденсатор-испаритель 14, турбину 15, кожухотрубный конденсатор 16, конденсатор смешения 17, дроссельный вентиль 18 и эжектор 19, пассивное сопло которого соединено с жидкостным пространством конденсатора смешения 17, активные сопла соединены с паровым пространством конденсатора смешения 17, а выходное сопло соединено с жидкостным пространством конденсатора смешения 17, и продукционного разомкнутого контура, включающего кожухотрубный теплообменник 20, компрессор 21, соединенный с электродвигателем 22, дроссельный вентиль 23 и конденсатор-испаритель 14, трубное пространство которого сообщено с замкнутым рефрижераторным контуром.

В межтрубном пространстве конденсатора 16 производится сжижение паров хладагента, поступающего из конденсатора смешения 17 по трубе, сжижение паров хладагента производится за счет испарения части жидкого хладагента после дроссселирования через вентиль 18 и поступления в трубки конденсатора 16, где пары кипящего хладагента через эжектор 19 поступают в жидкостное пространство конденсатора смешения 17.

В качестве рабочего агента в эжектор 19 поступают пары хладагента из конденсатора смешения 17 и эжектируемые пары из конденсатора 16. Жидкий хладагент из аппаратов 16, 17, 20 по трубам поступает в насос 24 и под давлением хладагент направляется в трубное пространство конденсатора-испарителя 14, где его испаряют и пар при температуре 200 К и давлении 50 кгс/см² по трубопроводу направляют в турбину 15.

Газовая турбина 15 в процессе адиабатического расширения газа совершает механическую работу в качестве привода компрессора 21 или электрогенератора 25, при этом в турбине 15 давление паров хладагента снижается до 3...5 кгс/см², температура пара снижается до 109 К, часть паров переходит в жидкое состояние. Количество жидкого хладагента после турбины составляет ~23...24%.

Смесь паров и жидкого хладагента из турбины 15 по трубе поступает в нижнюю часть конденсатора смешения 17 под кольца Рашига (разомкнутые кольца, стыки которых смещены), в аппарате происходит отделение пара от жидкости, жидкий хладагент накапливается в нижней части аппарата 17 и используется для конденсации пара, в том числе: основное количество паров хладагента сжижают в конденсаторе смешения 17 путем подачи жидкого газа в верхнюю часть аппарата и его встречи с парами на кольцах-цилиндрах Рашига, а часть паров хладагента сжижается в теплообменниках.

Жидкий хладагент из аппаратов возвращается в цикл. Пары хладагента из конденсатора 16 эжектируются в жидкость, находящуюся в нижней части конденсатора смешения 17, где пары конденсируются. Кольца-цилиндры Рашига в конденсаторе смешения 17 объединены в насадки, которые расположены в двух отсеках.

Комплекс функционирует следующим образом. Природный газ (ПГ) с примесями различных углеводородов и некоторых попутных газов, например, азота с содержанием от нескольких до 10...14% в зависимости от месторождения [1], подлежащий сжижению, взаимодействует в тепловом отношении в контуре 26 подвода и охлаждения ПГ с забортной морской водой (ЗМВ) при температуре ее -2^oС (минус 2^oC) в качестве хладагента (охладителя).

ЗМВ является эффективным хладагентом ПГ по температуре и теплоемкости и в условиях комплекса плавучего завода подводного базирования, расположенного в арктических холодных морях, можно предотвратить ее чрезмерный нагрев.

При этом поверхность теплопередачи, скорость потока ЗМВ в контуре и разность температур между ЗМВ и охлаждаемой поверхностью контура 26 минимальные. 100% сжижение ПГ в комплексе осуществляется посредством двух ГХ - ГХ в виде блока сжижения 1 с вихревым охладителем 3, расположенным в криостате 2, непотребляющим внешней энергии, который не осуществляет 100% сжижение подводимого к ГХ ПГ и функционирует на высоких давлениях ПГ.

Другой ГХ выполнен в виде криогенных газовых контуров, рефрижераторного замкнутого и продукционного разомкнутого. Несжиженный отработанный поток с температурой 135...140 К, составляющий 85% подводимого потока ПГ, подается в межтрубное пространство конденсатора-испарителя 14 продукционного контура из дополнительного ГХ.

В межтрубное пространство конденсатора-испарителя 14 поступает газ из компрессора 21 с давлением 8...10 кгс/см² и температурой 315 К, происходит процесс передачи тепла от сжижаемого газа хладагенту за счет его испарения в трубках конденсатора-испарителя 14.

При запуске и экстренном выводе комплекса на режим в межтрубное пространство конденсатора-испарителя 14 подается переохлажденный СПГ из ГХ, работающего по обратному циклу Стирлинга, где он интенсивно перемешивается с потоком ПГ из ВОЗ ГХ. Жидкий газ, полученный в межтрубном пространстве конденсатора-испарителя 14, разделяют на два потока, из которых основной поток насосом 12 подается в хранилище 13 СПГ, другой поток дросселируют через дроссельный вентиль 23 и подают в трубное пространство кожухотрубного теплообменника 20 и в конденсатор смешения 17 для сжижения паров хладагента, поступающего по трубе из конденсатора смешения 17 за счет кипения и испарения жидкого газа в трубках теплообменника 20. Пары по трубе подают в компрессор 21. Одним из перспективных вариантов комплекса получения СПГ в качестве экспортной продукции с шельфа арктических морей может быть комплекс получения переохлажденного СПГ, включающий ГХ, выполненный в виде криогенной газовой машины (КГМ), работающей по обратному циклу Стирлинга, которая используется для извлечения количества теплоты из источника с более низкой температурой, например, ПГ или СПГ, охлажденного до температуры T1, которая ниже температуры окружающей среды Т2, например, забортной морской воды -2^oС в водяном холодильнике КГМ путем поглощения определенного количества работы поршня при циклическом функционировании КГМ.

КГМ Стирлинга выполнена в виде модуля, размещенного на фундаментном основании 27, и приводится в действие посредством приводного электродвигателя 28 и кривошипно-ползунного механизма 29.

КГМ Стирлинга состоит из цилиндра 30, внутри которого находятся поршень 31 и вытеснитель 32. Снаружи цилиндра 30 расположены водяной холодильник 33 (на теплой стороне машины) и регенератор 34. Согласованное изменение положений поршня 31 и вытеснителя 32 обеспечивается положением шеек шатунов на кривошипе.

Последовательность работы КГМ Стирлинга.

Процесс 1. РТ (рабочее тело - гелий) сжимается изотермически, тепло через стенку цилиндра передается морской забортной воде с температурой минус 2 ^oС в водяном холодильнике.

Процесс 2. РТ переталкивается через регенератор (теплообменник) за счет движения вытеснителя и РТ охлаждается, а тепло накапливается (аккумулируется) в медной сетчатой насадке регенератора.

Процесс 3. РТ изотермически расширяется, отбирая теплоту, за счет подвода ее от постороннего тела (ПГ) и охлаждения его.

Процесс 4. Холодный газ (РТ) переталкивается через регенератор движением вытеснителя, РТ нагревается изохорически. Энергия, накопленная в цикле 2, передается обратно РТ.

Производительность установки сжижения (переохлаждения ПГ обеспечивается параметрами установки и отводом необходимого количества тепла от ПГ и параметрами расхода и температуры на выходе из БС (отработанного ПГ).

Простои УСПГ могут быть снижены, а надежность повышена путем резервирования отдельных ФСЕ УСПГ и включения в УСПГ дублирующих ФСЕ, идентичных по выполняемым ими частично функциям с функциями КГМ.

Установка переохлаждения СПГ выполнена на фундаментных основаниях 7, 27, снабженных опорами 35, 36 с двумя уровнями опирания по высоте. Опоры 35 являются съемными опорами качения для транспортировки ГХ (установки) и ФСЕ комплекса по частям. Фундаментные основания 7, 14 снабжены контрольно-фиксирующими элементами 37 от смещения оснований в горизонтальной плоскости, расположенными на боковых, относительно главного вида, ФСЕ и выполненными в виде цилиндрических поверхностей на всю высоту оснований 7, 27 и открытых наружу на 180^o.

Нулевой сброс в море при сжижении ПГ и переработке углеводородов, устанавливаемый стратегической экологической доктриной РФ, подводит к необходимости полного газоразделения ПГ на составляющие его компоненты с использованием гипертермии СПГ, сепарации конечных компонентов - жидких метана и азота в ФСЕ (сепараторах) и их утилизации.

Конкретным примером утилизации переохлажденного азота, полученного на ГХ (установке) с использованием КГМ Стирлинга, является его применение в качестве хладагента в криоэнергомашинах и токонесущих устройствах комплекса. Известно, что наиболее проблемными конструктивными решениями криоэлектропривода в компрессорах, КГМ Стирлинга являются низкотемпературные уплотнения вращающихся приводных валов устройств.

В данном случае наиболее целесообразным конструктивным решением этих устройств является интеграция в устройствах и выполнение их в виде устройства и приводного криоэлектродвигателя, размещаемого в азотной ванне криостата, который устанавливается герметично на картере устройства.

Экономической эффективностью и показателем качества предлагаемого технического решения является прибыль, рассчитываемая не только на основе удельных показателей, но и от суммарной эффективности системы решений в целом и в течение всего срока действия проекта (30 лет).

Масштабность проекта определяется для конкретного случая, например, единичной проектной производительностью морской платформы газодобычи, которая в составе комплекса промысловой разработки месторождений природного газа установлена величиной 30 млрд. м³ в год (22,5 млн. тонн СПГ) и оценивается суммой 2 млрд. долл. США.

В предлагаемом комплексе сжижаемая масса СПГ и мощность электроприводов криогенных машин генераторов холода этой массы газа связаны показателем эффективности их функционирования - удельным расходом энергии на сжижение природного газа который учитывает расходы электроэнергии энергомашин, компрессоров, насосов, электрогенераторов и криогенных газовых машин Стирлинга на производство СПГ комплексом, снижение величины которого является актуальной задачей.

Единичная производительность составляющих элементов генераторов холода комплекса, их массогабаритные показатели должны отвечать требованиям технологичности изготовления и монтажа/демонтажа комплекса в судовых условиях на подводный плавучий объект (плавучий завод СПГ). Исходя из величины для прототипа при единичной производительности комплекса, равной 1 т/час, мощности электродвигателей компрессора и КГМ Стирлинга соответствуют величины ~45 кВт.

Для устойчивой работы электроприводов компрессоров, криогенных газовых машин Стирлинга их электродвигатели должны быть выбраны с коэффициентом запаса по номинальному моменту К=1,2.

При этом полезная мощность КВт на валу исполнительного двигателя (ИД) при подведенной к ИД мощности КВт уменьшается, а КПД асинхронного исполнительного электродвигателя η=0,85 [3] и величина потерь мощности зависит от нагрузки ИД, и от соответствующего значения η, где U, I - подведенные к ИД ток и напряжение.

Эффективность электромашин, в т.ч. электродвигателей приводов генераторов холода в комплексе, может быть повышена путем снижения электрических потерь в обмотках электромашин посредством применения гиперпроводников, например, из бериллия, высокой чистоты (примеси ВеО составляют 0,02%) и их охлаждения до криогенных температур ~60...70 К. Экспериментально установлено [4] снижение удельного электросопротивления проводника из бериллия в 50...60 раз по сравнению с электросопротивлением его при Т=273 К.

Отношение потерь в обмотках электрических машин и кабелях комплекса при 300 К из бериллия к электрическим потерям при температуре 60-70 К и затратам мощности на охлаждение их переохлажденным жидким азотом принимается равным 7,5 [2].

В техническом решении изобретения применительно к описанному комплексу для применения его в условиях "Комплекса Абрамова для промысловой разработки месторождений природного газа" (Решение о выдаче патента на изобретение от 24.10.2001 ФИПС Роспатента по заявке 97101822/28 от 23.01.1997 г.) затраты на криообеспечение жидким переохлажденным азотом как криоагентом, являющимся компонентом природного газа должны быть включены частично (15...20%), т.к. криоагент охлаждается на 40... 30^o от температуры СПГ 111...100 К до температуры переохлаждения жидкого азота ~70 К, а отношение, указанное в [2], значительно больше 7,5.

При протекании электрического тока по бериллиевым проводникам обмоток электрических машин комплексов, охлаждаемых до криогенных температур 60...70 К, происходит снижение внутренней энергии в проводниках тока и передачи тепловой энергии в окружающую среду, которая для электродвигателя мощностью 45 кВт уменьшается на 7 кВт или 15%.

Прибыль в течение всего срока действия проекта 30 лет "Комплекс промысловой разработки месторождений природного газа" производительностью 30 млрд. м³ в год по статье применение бериллиевых жидкоазотных гиперпроводников в обмотках электромашин (приводных электродвигателей компрессоров, насосов перекачки СПГ, криогенной газовой машины Стирлинга и электрогенераторов) составит 30 млрд. долл. США. Прибыль в течение всего срока действия данного проекта 30 лет по статье уменьшение потребляемой мощности комплекса (снижение удельных энергозатрат на сжижение ПГ) за счет введения в комплекс генераторов холода с вихревыми охладителями без учета охлаждения несжиженного потока ПГ ВО составляет 30 млрд. долл. США.

Экономический эффект использования изобретения может быть увеличен в десятки раз по сравнению с рассчитанным экономическим эффектом проекта 60 млрд. долл. США при освоении гигантских месторождений природного газа на шельфе арктических морей России, например, Штокмановского ГКМ с доказанными запасами ПГ ~3 трлн. м³ и вывозе СПГ метановозами на мировой рынок по заключенному с Европейским союзом в 2001 г. международному соглашению об удвоении объемов поставки Россией ПГ в Западную Европу.

При переохлаждении СПГ до 100 К его плотность увеличивается на 15%, а транспортируемая масса на мировой рынок, например, в Западную Европу (короткое плечо) может быть доставлена меньшим на 15% количеством метановозов, которое составит два метановоза при реализации программы вывоза ПГ объемом ~30 млрд. м³ в год.

Экономический эффект технического решения по переохлаждению СПГ и уменьшению количества метановозов в программе вывоза СПГ составит сумма, равная стоимости двух метановозов грузовместимостью 135 тыс. м³ - 500 млн. долл. США на срок действия проекта промысловой разработки ПГ с помощью морской платформы (30 лет).

Применение бериллия в обмотках 10 тысяч энергомашин, который по данным НИИ материалов, г.Санкт-Петербург, на мировом рынке стоит 70 долл. США за 1 кг, в асинхронном двигателе, например, типа 4AH180M мощностью 45 кВт, масса 186 кг, 30% которой составляют медные проводники обмоток, оценивается суммой 8 млн. долл. США.

Стоимость азотных криостатов для размещения энергомашин комплексов проекта плавучих заводов производства СПГ, в качестве прототипа которых можно принять резервуар криогенный РК - 2/0,25, цена 625 тыс. руб. ОАО "Сибкриотехника", г. Омск, составляет 200 тыс. долл. США. Ни высокая 2...3 долл. США за 1000 м³ цена ПГ у штуцера, ни вышеприведенные затратные статьи, ни стоимость изготовления комплексов сжижения ПГ и даже снижение вдвое (до 15 лет) срока службы оборудования комплексов не смогут повлиять в значительной мере на высокую рентабельность предлагаемых технических решений в изобретении. Приведенные технико-экономические обоснования эффективности применения комплекса сжижения природного газа в условиях комплекса промысловой разработки месторождений ПГ на шельфе арктических морей России выполнены исходя из стоимости СПГ (непереохлажденного) 300 долл. США/т на мировом рынке.

Проведенные во ВНИИГаз сравнительные испытания эквивалентности количеств бензина и природного газа [5], обеспечивающих выполнение одинаковой транспортной работы, устанавливают соотношение: 1 т бензина эквивалентна 1075 м³ ПГ.

При установлении цены на газ следует сравнивать его с ценой бензина, самого близкого к газу по октановому числу, т.е. с АИ-98 или "Экстра", причем изменение цен на СПГ может колебаться в широких пределах в зависимости от конъюнктуры мирового рынка на энергоносители в кризисные периоды, которая учитывает одновременно стоимость бензина, до 1 долл. США/литр, переохлаждение СПГ и соотношение при выполнении транспортной работы на испытаниях: 1 м³ ПГ соответствует 1,25 л бензина АИ-98. Масса 1000 м³ ПГ при стандартных условиях 0,1013 МПа и 293 К составляет 0,71 т СПГ. Точно также и вышеуказанные соотношения транспортной работы и стоимости ПГ и бензина играют роль нормативного закона.

Литература 1. Зайцев В.В., Коробанов Ю.Н. Суда-газовозы. - Л.: Судостроение, 1990.- 304с.

2. Веников В. А. и др. Сверхпроводники в энергетике./Под общ. ред. В.А. Веникова. - М.: Энергия, 1972.

3. Справочник машиностроителя в 6-ти т. Т 2. - М., 1960. - 484с.

4. Vachet P. Le beryllium et les cryomachines, RGE, 1965, t. 74, 6.

5. Васильев Ю.Н., Гриценко А.И., Золоторевский Л.С. Транспорт на газе. - М.: Недра, 1992.

Формула изобретения

1. Комплекс для сжижения газов, выполненный в виде генератора холода, состоящего из двух контуров - рефрижераторного замкнутого контура, включающего насос перекачки жидкого газа с приводом в хранилище или в систему отбора сжиженного газа, конденсатор-испаритель, турбину, кожухотрубный конденсатор, конденсатор смешения, дроссельный вентиль и эжектор, пассивное сопло которого соединено с жидкостным пространством конденсатора смешения, активные сопла соединены с паровым пространством конденсатора смешения, а выходное сопло соединено с жидкостным пространством конденсатора смешения, и продукционного разомкнутого контура, включающего кожухотрубный теплообменник, дроссельный вентиль, конденсатор-испаритель, трубное пространство которого сообщено с замкнутым рефрижераторным контуром, и компрессор, отличающийся тем, что в него введен, по меньшей мере, один дополнительный генератор холода, выполненный в виде блока сжижения, по меньшей мере, с одним вихревым охладителем, расположенный в криостате и содержащий систему подвода сжижаемого газа и систему отвода сжиженного газа, включенную в основную систему отбора сжиженного газа, и, по крайней мере, один патрубок выхода отработанного несжиженного газа вихревого охладителя, соединенный трубопроводом с межтрубным пространством конденсатора-испарителя продукционного контура.

2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что снабжен, по меньшей мере, одним генератором холода, выполненным в виде криогенной газовой машины переохлаждения сжиженного природного газа, работающей по обратному циклу Стирлинга, и соединен с системой отвода сжиженного природного газа и системой переохлажденного сжиженного природного газа.

3. Комплекс по п.1 или 2, отличающийся тем, что снабжен, по меньшей мере, одним генератором холода, выполненным в виде криогенной газовой машины, работающей по обратному циклу Стирлинга, для сжижения или переохлаждения азота природного газа как компонента природного газа.

4. Комплекс по п.2 или 3, отличающийся тем, что в качестве хладагента системы охлаждения теплых сторон криогенной газовой машины Стирлинга применена забортная морская вода.

5. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что введен контур охлаждения подводимого природного газа, выполненный из теплообменных элементов, хладагент которого взаимодействует в тепловом отношении с системой подвода сжижаемого природного газа.

6. Комплекс по п.5, отличающийся тем, что в качестве хладагента в контуре применена забортная морская вода.

7. Комплекс по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что приводы генераторов холода выполнены преимущественно электрическими.

8. Комплекс по любому из пп.1, 2, 3, 7, отличающийся тем, что снабжен криостатом для размещения электродвигателей генераторов холода.

9. Комплекс по любому из пп.1, 2, 3, 7, отличающийся тем, что токонесущие устройства к электроустройствам снабжены устройствами охлаждения.

10. Комплекс по п.9, отличающийся тем, что в устройствах охлаждения в качестве хладагента применена забортная морская вода.

11. Комплекс по п.9, отличающийся тем, что токоподводящие кабели токонесущих устройств выполнены из бериллия.

12. Комплекс по п.9, отличающийся тем, что в устройствах охлаждения в качестве хладагента применен жидкий азот или переохлажденный жидкий азот.

13. Комплекс по п.9, отличающийся тем, что в устройствах охлаждения в качестве хладагента применен сжиженный природный газ или переохлажденный сжиженный природный газ.

14. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что обмотки электрогенераторов выполнены из бериллия.

15. Комплекс по п.7, отличающийся тем, что обмотки электродвигателей приводов генераторов холода выполнены из бериллия.

16. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что снабжен криостатом для размещения электрогенератора.

17. Комплекс по п.1 или 2, или 3, отличающийся тем, что фундаментные основания элементов генераторов холода снабжены опорами двух типов с двумя уровнями опирания, съемными опорами качения для транспортировки и установочными опорами.

18. Комплекс по любому из пп.1-3, 17, отличающийся тем, что фундаментные основания снабжены фиксирующими элементами с возможностью использования их от смещения оснований в горизонтальной плоскости, расположенными преимущественно на боковых плоскостях относительно главного вида.

19. Комплекс по п.18, отличающийся тем, что фиксирующие элементы выполнены в виде цилиндрических поверхностей, выполненных на всю высоту основания.

20. Комплекс по п.1 или 2, отличающийся тем, что система переохлажденного сжиженного природного газа или криогенная газовая машина переохлаждения сжиженного природного газа соединены трубопроводом с межтрубным пространством конденсатора-испарителя продукционного контура.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3