Способ сжижения природного газа
В способе сжижения потока, обогащенного углеводородами, сжижение потока осуществляют в каскаде контуров с холодильным агентом, состоящем из трех холодильных контуров. Первый из трех холодильных контуров служит для обеспечения предварительного охлаждения, второй холодильный контур служит для обеспечения фактического сжижения и третий холодильный контур служит для обеспечения переохлаждения сжиженного потока, обогащенного углеводородами. Каждый холодильный контур включает по меньшей мере один одноступенчатый или многоступенчатый компрессор. По меньшей мере часть потока холодильного агента из второго холодильного контура используют для охлаждения указанного потока, обогащенного углеводородами, для облегчения указанного предварительного охлаждения потока до температуры, при которой начинается сжижение С3-компонентов, так что каждый компрессор имеет, по существу, равную долю нагрузки. Использование изобретения позволит повысить производительность. 21 з.п. ф-лы, 6 ил., 3 табл.
Настоящее изобретение относится к способу сжижения потока, обогащенного углеводородами.
Природный газ может быть получен из земли для получения сырья природного газа, которое должно быть обработано перед использованием в промышленности. Обычно газ сначала предварительно обрабатывают, чтобы удалить или понизить содержание примесей, таких как двуокись углерода, вода, сероводород, ртуть и т.п.
Газ часто сжижают перед тем, как транспортировать его к месту использования, чтобы обеспечить сжиженный природный газ (LNG; СПГ). Это дает возможность уменьшить объем газа до примерно 600 раз, что значительно понижает стоимость транспортирования. Поскольку природный газ представляет собой смесь газов, он сжижается по всему диапазону температур. При атмосферном давлении обычный диапазон температур, в котором имеет место полное сжижение, составляет от -165°C до -155°С. Однако, поскольку критическая температура природного газа составляет примерно от -80°С до -90°С, газ не может быть полностью сжижен посредством сжатия. Поэтому необходимо использовать процессы охлаждения.
Установки для сжижения природного газа сконструированы либо как те, которые известны как установки с основной нагрузкой СПГ, т.е. установки для сжижения природного газа с подачей природного газа как основной энергии, либо как те, которые известны как установки для сглаживания пиков, т.е. установки для сжижения природного газа, чтобы покрыть пиковые требования.
Известно охлаждение природного газа путем использования теплообменников, в которых используется холодильный агент или холодоноситель. Один хорошо известный способ содержит ряд циклов с холодоносителем или холодильных циклов в форме каскада.
Установки с основной нагрузкой СПГ работают, как правило, с контурами с холодоносителем, состоящим из смеси углеводородов. Эти контуры со смешанным холодильным агентом являются более эффективными с точки зрения энергии, чем контуры с детандером, и дают возможность при высоких производительностях по сжижению установок с основной нагрузкой достигать, соответственно, относительно низких затрат энергии.
Традиционные процессы сжижения, использующие только два цикла с холодильным агентом, ограничены примерно 5 миллионами тонн в год (МТВГ) СПГ, если не рассматривается использование параллельных рядов в одном агрегате из последовательных элементов.
Каскадный процесс со смешанной текучей средой известен, например, из патента США 6253574, где используются три независимых холодильных цикла, причем он расширяет предел представления об одном реальном агрегате из последовательных элементов с испытанными приводами компрессора до более чем 8 МТВГ СПГ.
Этот способ также известен из опубликованной заявки Германии 19716415.
При способах сжижения этого типа, в принципе, первый контур с холодоносителем служит для обеспечения предварительного охлаждения, второй контур с холодоносителем служит для обеспечения сжижения, и третий контур с холодоносителем служит для обеспечения переохлаждения потока, обогащенного углеводородами, или природного газа, соответственно.
Между предварительным охлаждением и сжижением, если необходимо, имеет место отделение углеводородов с более высокими точками кипения. Это, по меньшей мере, те компоненты потока, обогащенного углеводородами, или природного газа, которые будут вымораживаться в процессе следующей ступени охлаждения, т.е. углеводороды С5+ и ароматические углеводороды. Часто, кроме того, те углеводороды, означающие в этой ситуации, в особенности пропан и бутан, которые будут вызывать нежелательное повышение теплотворной способности сжиженного природного газа, также отделяются перед ступенью сжижения.
Это отделение углеводородов с более высокими точками кипения обычно имеет место посредством обеспечения того, что колонна, известная как колонна ТУВ (Тяжелых Углеводородов), служит для отделения тяжелых углеводородов, а также бензола из потока, обогащенного углеводородами, который подлежит сжижению. Ступень процесса этого типа также описана в опубликованной заявке Германии 19716415, упомянутой выше.
В связи с тем, что предусмотрено это отделение, обозначенное далее как отделение С3+, при данном давлении исходного газа, величина температуры отделения этих компонентов установлена в относительно узких пределах.
Если первый контур с холодоносителем теперь используется исключительно для предварительного охлаждения потока, обогащенного углеводородами, который подлежит сжижению перед этим отделением С3+, тогда часть всего эффекта сжатия, от около 40 до 50%, будет обязательно израсходована на это, в то время как оставшийся эффект сжатия от 60 до 50% будет разделен между вторым и третьим контурами с холодоносителем.
Однако, в смысле экономичной эксплуатации доступных компрессора и агрегатов привода, авторы изобретения обнаружили, что желательно сохранить для компрессоров (контура) трех контуров приблизительно одинаковую мощность привода, т.е. в каждом случае примерно треть общей мощности привода. Это применимо, в частности, к большим установкам сжижения с производительностью по сжижению большей, чем 5 МТВГ, поскольку число располагаемых компрессоров и агрегатов привода для таких порядков величины жестко ограничено. Путем стандартизации агрегатов привода и компрессоров этих трех контуров с холодоносителем возможно получить максимум располагаемой производительности по сжижению в процессе сжижения с использованием проверенных агрегатов привода и компрессоров, соответственно, которые заслуживают доверия.
Таким образом, в соответствии с одним аспектом изобретения предусмотрен процесс сжижения СПГ, имеющий первый и второй холодильные контуры, в котором второй холодильный контур используется, по меньшей мере частично, для предварительного охлаждения потока, обогащенного углеводородами, подлежащего сжижению. Таким образом, установленная мощность газовых турбин и пускателей, по меньшей мере, в процессе обычной операции сжижения может эксплуатироваться полностью.
Часть холодильного агента цикла сжижения (LC; ЦС) может испаряться при повышенном давлении в секции предварительного охлаждения процесса и подаваться в компрессор ЦС как боковой поток. Таким образом, может быть достигнута, по существу, сбалансированная нагрузка между всеми холодильными циклами.
Поэтому в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предусмотрен способ сжижения потока, обогащенного углеводородами, в частности потока природного газа, посредством которого сжижение потока, обогащенного углеводородами, осуществляют в каскаде холодильных контуров, состоящем из трех холодильных контуров, причем первый из трех холодильных контуров служит для обеспечения предварительного охлаждения, второй холодильный контур служит для обеспечения фактического сжижения, и третий холодильный контур служит для переохлаждения сжиженного потока, обогащенного углеводородами, причем каждый холодильный контур содержит по меньшей мере один одноступенчатый или многоступенчатый компрессор, отличающийся тем, что по меньшей мере один частичный поток холодильного агента второго холодильного контура используют для предварительного охлаждения потока, обогащенного углеводородами.
В другом аспекте изобретение предусматривает способ сжижения газа, обогащенного углеводородами, в котором газ протекает через каскад из трех ступеней охлаждения, причем каждая ступень содержит контур с холодильным агентом и компрессор, причем по меньшей мере часть потока холодильного агента второго контура используют для предварительного охлаждения газа, обогащенного углеводородами, на первой ступени охлаждения.
Предпочтительно, частичный поток холодильного агента второго холодильного (или охлаждающего) контура, используемого для предварительного охлаждения потока, обогащенного углеводородами, испаряется при давлении более высоком, чем давление испарения остающейся части потока холодильного агента второго холодильного контура, и пропускается в компрессор второго охлаждающего контура при промежуточной величине давления.
Предпочтительно, отделение более тяжелых компонентов и/или компонентов потока, обогащенного углеводородами, которые вымораживаются в процессе сжижения потока, обогащенного углеводородами, имеет место перед фактическим сжижением потока, обогащенного углеводородами.
Предпочтительно, объемы и/или давления испарения двух частичных потоков второго охлаждающего контура являются изменяемыми.
Предпочтительно, по меньшей мере один частичный поток одного из двух частичных потоков второго охлаждающего контура используют для обеспечения охлаждения в блоке отделения тяжелых углеводородов.
Таким образом, изобретение предусматривает процесс сжижения СПГ со сбалансированной нагрузкой, в котором каждый компрессор может иметь, по существу, равную долю от общей нагрузки, и предпочтительно равную долю. Эта концепция может быть применена более широко, и, следовательно, в другом аспекте настоящего изобретения предусмотрен способ сжижения, содержащий некоторое количество охлаждающих контуров, расположенных в виде каскада, причем каждый контур содержит компрессор, причем каждый компрессор имеет, по существу, равную долю общей нагрузки.
Преимущества сбалансированной нагрузки холодильных контуров не ограничиваются каким-либо конкретным типом используемого холодильного агента. Однако, поскольку упомянутые выше каскады со смешанным холодильным агентом обеспечивают эффективную систему, и поэтому в одном предпочтительном варианте осуществления холодильные контуры представляют собой контуры со смешанным холодильным агентом.
Таким образом, в другом аспекте настоящего изобретения предусмотрен способ сжижения потока, обогащенного углеводородами, в частности потока природного газа, посредством которого сжижение потока, обогащенного углеводородами, осуществляют в каскаде контуров со смешанным холодильным агентом, состоящем из трех холодильных контуров, причем первый из трех холодильных контуров служит для обеспечения предварительного охлаждения, второй холодильный контур служит для обеспечения фактического сжижения, и третий холодильный контур служит для переохлаждения сжиженного потока, обогащенного углеводородами, причем каждый холодильный контур содержит по меньшей мере один одноступенчатый или многоступенчатый компрессор, отличающийся тем, что по меньшей мере один частичный поток холодильного агента второго холодильного контура используют для предварительного охлаждения потока, обогащенного углеводородами.
Следует отметить, что использование углеводородов как холодильных агентов ставит вопрос о безопасности выпуска, что особенно важно для окружающей среды в открытом море, где очень нежелательно иметь большие запасы жидких углеводородов, там, где неизбежно ограниченное пространство.
Производство на плаву, оборудование для хранения и отгрузки СПГ (LNG FPSOs) теперь рассматривается как реальная альтернатива для отдаленных газовых месторождений в открытом море, которые не могут экономично эксплуатироваться в традиционных береговых технологиях. Концепция производства на плаву может скоро стать предпочтительным решением для отбора резервов газа, которые находятся глубоко под водой.
Поэтому необходимость повышения безопасности таких установок имеет большое значение.
Одной из возможностей является использование процесса на основе азота, но он имеет тот значительный недостаток, что термический кпд гораздо ниже, чем установки на основе углеводорода. Кроме того, так как азот имеет низкий коэффициент теплопередачи, требуется большая поверхность теплопередачи для рассеяния отходящего тепла из процесса в охлаждающую среду. Следовательно, несмотря на угрозу безопасности, холодильные циклы на основе углеводородов продолжают использоваться.
Другим вариантом не воспламеняющегося и инертного холодильного агента является двуокись углерода, которая может использоваться в цикле сжатия пара, создавая достаточный кпд. Двуокись углерода имеет точку замерзания -56,6°С, что ограничивает минимальную возможную температуру испарения в связи с риском образования сухого льда. Поэтому двуокись углерода представляет собой вариант только для процесса предварительного охлаждения. Поскольку большая часть запасов углеводородного холодильного агента находится в цикле предварительного охлаждения, замена его на СО2 может еще в значительной степени повысить безопасность процесса сжижения.
Помимо того что двуокись углерода не воспламеняется и имеет высокую тройную точку, она также отличается от обычных углеводородных холодильных агентов для предварительного охлаждения природного газа довольно низкой критической температурой (31,1°С), которая сравнима с критической температурой этана (32,3°С).
В WO 01/69149 описана возможность обеспечения контура предварительного охлаждения с двуокисью углерода в каскадном устройстве с основным охлаждающим контуром.
Низкая критическая температура СО2 является недостатком, поскольку потери при дросселировании и потери при теплоотводе в холодильном цикле будут больше, чем для С3 и смесей С3/С2. Кроме того, потери при теплопередаче будут больше, чем при смешанном холодильном агенте, в связи с испарением при постоянной температуре.
Было обнаружено, что замена традиционного процесса предварительного охлаждения с С3/С2, например, который описан в патенте США 6253574, на эквивалентный процесс с СО2 повышает общее потребление энергии для сжижения примерно на 10%, что считается неприемлемым. Это увеличение потребления связано с понижением кпд цикла благодаря низкой критической температуре двуокиси углерода. Кроме того, температура испарения на первой ступени цикла предварительного охлаждения с СО2 только на несколько градусов выше, чем тройная точка СО2. Это приводит к проблемам в работе и угрозе образования сухого льда.
Таким образом, следует разработать эффективный способ сжижения, включающий контур предварительного охлаждения с СО2.
Авторами настоящего изобретения было обнаружено, что контур предварительного охлаждения с двуокисью углерода может быть объединен с процессом сжижения со сбалансированной нагрузкой, описанным выше, для преодоления вышеупомянутых проблем с использованием двуокиси углерода.
Поэтому в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения первый холодильный контур содержит двуокись углерода.
Эту концепцию можно считать изобретением, и, таким образом, в другом аспекте настоящего изобретения предусмотрен каскадный процесс со смешанным холодильным агентом с по существу сбалансированной нагрузкой, включающий контур предварительного охлаждения с двуокисью углерода.
Поскольку компрессор для сжижения принимает часть нагрузки цикла предварительного охлаждения, контур с двуокисью углерода может работать, чтобы обеспечить более высокую минимальную температуру испарения, и, таким образом, риск образования сухого льда уменьшается. Кроме того, когда нагрузка цикла с двуокисью углерода понижается, влияние более низкого термодинамического кпд СО2 по сравнению с С2/С3 облегчается. В процессе со сбалансированной нагрузкой, где каждый компрессор вносит вклад в виде трети всего расхода энергии, повышение расхода энергии, вызванное использованием СО2, может быть понижено только на несколько процентов больше, чем при использовании углеводородов.
Для того чтобы достигнуть максимального кпд от контура с двуокисью углерода, предпочтительно, чтобы двуокись углерода охлаждалась после конденсации до температуры 20°С или меньше, более предпочтительно до 15°С или меньше. Это может быть достигнуто с использованием воздушного охлаждения, хотя предпочтительно используют холодную охлаждающую воду. Поскольку изобретение, в частности, пригодно для применения в открытом море, вода предпочтительно представляет собой морскую воду, предпочтительно извлеченную из глубины, подходящей, чтобы дать требуемую низкую температуру.
Таким образом, предпочтительно, цикл предварительного охлаждения с двуокисью углерода включает теплообменник для переохлаждения, установленный после конденсатора.
При использовании этого способа понижение общего расхода энергии является достаточно большим, чтобы сделать использование контура предварительного охлаждения с СО2 осуществимым выбором оборудования для производства СПГ как на берегу, так и в открытом море.
Предпочтительно, охлаждающий контур с двуокисью углерода содержит три величины давления для улучшения термодинамического кпд процесса.
Для того чтобы понизить внутреннюю тепловую нагрузку контура предварительного охлаждения, предпочтительно, чтобы двуокись углерода не переохлаждали в контуре предварительного охлаждения, в отличие от второго и третьего циклов с холодильными агентами, полное переохлаждение которых повышает кпд процесса.
Более высокое рабочее давление, требуемое, когда используется СО2, означает, что может быть предпочтительным использовать корпус высокого давления с компрессором двуокиси углерода. Более предпочтительно, компрессор может быть разделен на два корпуса, и корпус цилиндрического типа используют для ступени высокого давления.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предусмотрен процесс сжижения СПГ, содержащий три каскадных цикла, каждый из которых приводится в действие компрессором, в котором компрессоры нагружены, по существу, одинаково, и один из каскадных циклов является циклом с двуокисью углерода.
В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения предусмотрен контур предварительного охлаждения с двуокисью углерода для сжижения СПГ, в котором двуокись углерода имеет минимальную температуру испарения не менее чем -50°С, предпочтительно, не менее чем -40°С, и наиболее предпочтительно, не менее чем -35°С.
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут теперь описаны только посредством примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 показан процесс сжижения со сбалансированной нагрузкой в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения;
на фиг.2 показан альтернативный вариант осуществления процесса со сбалансированной нагрузкой;
на фиг.3 показан график общей потребности в энергии как функции справочной температуры;
на фиг.4 показан процесс сжижения со сбалансированной нагрузкой, содержащий контур предварительного охлаждения с двуокисью углерода;
на фиг.5 показаны составные кривые горячая/холодная для процессов, показанных на фиг.2 и 4; и
На фиг.6 показано сравнение запасов холодильного агента в процессах, показанных на фиг.2 и 4.
На фиг.1 охлаждение и сжижение потока, обогащенного углеводородами, который пропускается через трубопровод 1, осуществляется в каскаде контуров со смешанным холодильным агентом, состоящем из трех контуров со смешанным холодильным агентом. Здесь, как правило, имеются различные составы, такие как описаны, например, в вышеупомянутой опубликованной заявке Германии 19716415.
Поток, обогащенный углеводородами, который подлежит сжижению, охлаждается в теплообменнике Е1 посредством двух потоков 4b и 4d испаряющегося смешанного холодильного агента первого контура смеси 4а-4е, затем охлаждается посредством потока 3d испаряющегося смешанного холодильного агента и затем пропускается через трубопровод 1а в блок S отделения тяжелых углеводородов, представленный прямоугольником.
В этом блоке S отделения имеет место отделение С3+, описанное выше, посредством чего компоненты, отделенные от потока, обогащенного углеводородами, отводятся от блока S отделения тяжелых углеводородов через трубопровод 1b.
В соответствии с одним преимущественным вариантом осуществления способа в соответствии с изобретением, не показанным на чертеже, по меньшей мере один частичный поток одного из двух частичных потоков 3b и 3d второго контура 3а-3е со смешанным холодильным агентом, который далее будет описан более подробно, используется для обеспечения охлаждения в блоке S отделения. В такой ситуации выбор, какой из двух частичных потоков 3b и/или 3d отводится для этого обеспечения охлаждения, определяется величиной(ами) температуры, требуемой в блоке S отделения тяжелых углеводородов.
Поток, обогащенный углеводородами, который подлежит сжижению, затем пропускается через трубопровод 1с во второй теплообменник Е2 и сжижается в нем посредством потока 3b испаряющегося смешанного холодильного агента второго охлаждающего контура 3а-3е.
Когда имеет место сжижение, поток, обогащенный углеводородами, пропускается через трубопровод 1d в третий теплообменник Е3 и переохлаждается здесь посредством потока 2b смешанного холодильного агента третьего охлаждающего контура 2а-2с. Переохлажденный жидкий продукт затем пропускается через трубопровод 1е для его дальнейшего использования.
Как можно увидеть из чертежа, каждый из трех охлаждающих контуров 2а-2с, 3а-3е и 4а-4е имеет компрессор V2, V3 и V4, соответственно. На чертеже не показаны соответствующие приводы для этих компрессоров V2, V3 и V4. Кроме того, охладители или теплообменники, которые размещены ниже по потоку, чем компрессоры V2, V3 и V4, соответственно, не показаны на чертежах, в которых смесь холодильных агентов охлаждается посредством охлаждающей среды, такой как вода.
Смесь холодильных агентов первого контура с холодильным агентом, сжатая в компрессоре V4, пропускается через трубопровод 4а в теплообменник Е1 и разделяется здесь на два частичных потока 4b и 4d после того, как происходит охлаждение. Смесь холодильных агентов в этих частичных потоках 4b и 4d после дросселирования, осуществляемого в вентилях d и e, или в дросселирующих устройствах, испаряется до различных величин давления в теплообменнике Е1 и затем пропускается через трубопровод 4с или 4е в компрессор V4 перед первой ступенью (частичный поток 4с) или в промежуточную величину давления (частичный поток 4е).
Смесь холодильных агентов второго охлаждающего контура 3а-3е, сжатая в компрессоре V3, пропускается через трубопровод 3а, через теплообменники Е1 и Е2 и охлаждается в них. Затем частичный поток 3b этого потока смеси холодильных агентов, который пропускается через теплообменник Е2, после расширения в вентиле b, испаряется в теплообменнике Е2 посредством потоков процесса охлаждения и затем пропускается через трубопровод 3с к входной ступени компрессора V3.
В соответствии с изобретением частичный поток 3d смеси холодильных агентов второго контура 3а-3е со смесью холодильных агентов отводится после теплообменника Е1, расширяется в вентиле с и затем испаряется в теплообменнике Е1 посредством потоков процесса охлаждения, перед пропусканием через трубопровод 3е, при промежуточной величине давления, в компрессор V3 контура. Соответственно, частичный поток 3d смеси холодильных агентов в соответствии с изобретением вносит вклад в предварительное охлаждение потока, обогащенного углеводородами, в теплообменнике Е1.
Для того чтобы достичь этого, частичный поток 3d смеси холодильных агентов второго контура 3а-3е со смешанным холодильным агентом, используемый для предварительного охлаждения потока, обогащенного углеводородами, должен испариться при давлении, более высоком, чем давление испарения частичного потока 3b смешанного холодильного агента второго контура 3а-3е со смешанным холодильным агентом.
Посредством выбора промежуточного давления, при котором частичный поток 3е смешанного холодильного агента испаряется и пропускается в компрессор V3, и посредством регулирования распределения по объему двух частичных потоков 3b и 3d смешанного холодильного агента, распределение холодопроизводительности второго контура с холодильным агентом по теплообменникам Е1 и Е2 и, следовательно, по предварительному охлаждению и сжижению потока, обогащенного углеводородами, подлежащего сжижению, может регулироваться, в основном, произвольно.
Если, например, 40% общей мощности привода требуется для предварительного охлаждения и 60% для сжижения и переохлаждения потока, обогащенного углеводородами, тогда, в соответствии с концепцией и способом в соответствии с изобретением, один компрессор используется в каждом случае с третью общей мощности привода в первом и третьем контурах со смесью холодильных агентов, т.е. для предварительного охлаждения, а также для переохлаждения потока, обогащенного углеводородами, который подлежит сжижению. Компрессор второго контура со смесью холодильных агентов работает в соответствии с изобретением таким образом, что он использует 20% его мощности, и, следовательно, 6,66% от общей мощности, для предварительного охлаждения, в то время как остающиеся 80%, т.е. 26,66% общей мощности, используется для сжижения.
Таким образом, способ по изобретению обеспечивает возможность экономично эксплуатировать доступные компрессоры и агрегаты привода, поскольку (контур) компрессоры трех холодильных контуров получают приблизительно ту же мощность привода, т.е. треть общей мощности в каждом случае. Соответственно, большие установки для сжижения, в частности, с производительностью по сжижению более чем 5 миллионов тонн СПГ в год могут работать, по существу, более экономично, поскольку посредством стандартизации приводов и компрессоров трех холодильных контуров, достигаемая производительность по сжижению процесса сжижения может быть доведена до максимума с использованием надежных агрегатов привода и компрессоров.
На фиг.2 показана альтернативная версия процесса со сбалансированной нагрузкой. Как на фиг.1, цикл С10 предварительного охлаждения содержит первый контур, приводимый в действие первым компрессором V10, и одну часть 22 потока 21 холодильного агента из второго цикла С20. Три газовые турбины General Electric MS 7121 EA (Frame 7) используются, чтобы приводить в действие компрессоры V10, V20, V30. Если самая высокая надежность является существенной, три холодильных цикла могут быть спроектированы с двухтактными 50% агрегатами из последовательных элементов газовая турбина/компрессор. В этом случае шесть газовых турбин GE MS 6581 B (Frame 6) будут заменены тремя Frame 7.
Все установки СПГ требуют извлечения по меньшей мере тех углеводородов, которые будут замораживаться в СПГ при условиях хранения (например, ароматические и С5+). В установке СПГ предварительное охлаждение обычно рассматривается как первая ступень охлаждения между температурой окружающей среды и извлечения упомянутых углеводородов.
Следует подчеркнуть, что способ в соответствии с изобретением может быть объединен со всеми известными способами отделения, которые считаются известным уровнем техники для относительно высококипящих углеводородов.
Часть предварительного охлаждения от общей требуемой мощности всех компрессоров для охлаждения двух газов, приведенных в таблице 1, показана на фиг.3 как функция справочной температуры. Она представляет собой температуру, при которой все основные потоки процесса (природный газ, текучие среды холодильного агента) входят в криогенные теплообменники.
| Таблица 1 | ||
| мольные % | Тощий газ | Обогащенный газ |
| N2 | 5,00 | 5,00 |
| CH4 | 88,93 | 84,07 |
| C2H6 | 3,96 | 5,58 |
| C3H8 | 1,37 | 2,73 |
| C4H10 | 0,48 | 1,34 |
| C5H12 | 0,17 | 0,65 |
| C6H14 | 0,06 | 0,32 |
| C7H16 | 0,02 | 0,16 |
| C8H18 | 0,01 | 0,08 |
| Бензол | 0,01 | 0,08 |
| 100,00 | 100,00 |
Чем ниже справочная температура и чем обогащеннее газ, тем меньше становится требуемая мощность компрессора для предварительного охлаждения. Эта ситуация может быть рассмотрена проектировщиками двухпоточных процессов сжижения, если несовпадение мощности между предварительным охлаждением и сжижением, плюс переохлаждение, компенсируется посредством вспомогательных механизмов для газовых турбин.
Способ с тремя холодильными циклами предлагает гораздо более широкую область для равномерного распределения нагрузки между циклами. Если часть холодильного агента цикла С20 сжижения испаряется при повышенном давлении в секции С10 предварительного охлаждения и подается в ЦС компрессор V20, как боковой поток 22, совершенно сбалансированная нагрузка между всеми тремя холодильными циклами может быть достигнута. Этот признак является главным аспектом проекта с эффективной стоимостью для больших производительностей. Если все три (3) цикла имеют симметричные приводы, это устройство упомянуто как MFC*s3.
В отличие от варианта осуществления по фиг.1, последний компрессор V30 по фиг.2 разделен на два корпуса V31, V32. Второй корпус V32 спроектирован для работы при высоких давлениях, при которых работает многоступенчатый компрессор.
С целью получить конкретные значения для проекта реального процесса, была изучена крупная установка СПГ из последовательных элементов. На основании состава тощего газа при давлении 62 бар и температуре 35°С на входе в предварительное охлаждение был разработан концептуальный проект процесса. Компрессоры для охлаждения приводятся в действие посредством устройства 7′ с дополнительными 20 МВт на каждом валу, которые запускались пускателями/вспомогательными механизмами. Полученное в результате количество получаемого СПГ до 8,5 МТВГ при 333 днях непрерывной работы, которое дополняется дополнительным количеством 0,4 МТВГ природного газоконденсата (углеводороды С3+). Удельное потребление энергии компрессорами для охлаждения составляет 259 кВтч/тСПГ.
На фиг.4 контур С10 предварительного охлаждения по фиг.2 заменен на контур С100 предварительного охлаждения, который содержит поток 101 двуокиси углерода. После сжатия и конденсации/переохлаждения поток 101 разделяется на три отдельных потока 102, 103, 104, которые затем расширяются до различных давлений. Это компенсирует для постоянной температуры испарение СО2. В отличие от потоков 201, 301 углеводородов, только часть потока 101 двуокиси углерода переохлаждается посредством теплообменника Е100 для предварительного охлаждения перед расширением для того, чтобы понизить внутреннюю тепловую нагрузку этого теплообменника.
Вследствие более высокого рабочего давления компрессор V100 для предварительного охлаждения с СО2 разделен на два корпуса, V110, V120, с корпусом V120 цилиндрического типа для ступени высокого давления. После сжатия двуокись углерода охлаждается посредством конденсатора С20 с водяным охлаждением и дополнительного теплообменника С22 для переохлаждения с использованием морской воды, чтобы переохладить жидкий холодильный агент после конденсатора С20 для того, чтобы улучшить кпд процесса. Кроме того, пароохладитель может также быть установлен после компрессора, как во многих стандартных системах.
Как в предыдущих вариантах осуществления, «сбалансированная нагрузка» достигается посредством того, что компрессор V200 сжижения имеет возможность принимать некоторое количество нагрузки цикла предварительного охлаждения, что приводит к «симметричному» процессу.
Моделирование процесса вышеупомянутых вариантов осуществления, как показано на фиг.4 и фиг.2, позволяет получить данные по требуемой энергии, как показано в таблице 2, используя данные расчетов, как показано в таблице 3. В результате процесса со сбалансированной нагрузкой подводимая мощность в случае предварительного охлаждения СО2 была только на 4,4% выше, чем базис. Для данного максимума располагаемой мощности, как определено в случае процесса с углеводородами, это будет соответствовать производительности по СПГ на 95,6% с предварительным охлаждением с СО2, пока привод большей мощности не будет установлен.
| Таблица 2 | |||
| Предварительное охлаждение с CO2 | Предварительное охлаждение с C2/C3 | МВт | |
| Общая мощность на валу | 162,7 (104%) | 155,8 (100%) | МВт |
| Компрессор для предварительного охлаждения | 49,6 | 47,6 | МВт |
| Компрессор для сжижения | 50,5 | 47,7 | МВт |
| Компрессор для переохлаждения | 50,5 | 48,5 | МВт |
| Другие потребители мощности | 12,1 | 12,0 | МВт |
| Таблица 3 | ||
| Производительность по СПГ | 5,8 | МТВГ |
| Общая теплотворная способность СПГ | 40 | MJ/Sm3 |
| Давление подаваемого газа (вход в сжижение) | 69 | бар |
| Температура морской охлаждающей воды | 5 | °C |
Профили температуры в виде составных кривых горячая/холодная для этих двух случаев показаны на фиг.5. Три величины температуры предварительного охлаждения с СО2 легко наблюдаются на левой диаграмме. Самая высокая величина давления для компрессора для сжижения также считается частью предварительного охлаждения. Изменения в процессе переохлаждения между двумя случаями являются минимальными.
Расположение, размер и вес модуля сжижения СПГ в открытом море с предварительным охлаждением с СО2 были сопоставлены с базисом в случае углеводородов (что показано на фиг.1 и 2). Среди факторов, которые содействуют уменьшению площадей, занимаемых оборудованием, и дают меньшие размеры при использовании СО2, были уменьшенные размеры приемного цилиндра компрессора для предварительного охлаждения и меньшие размеры трубопровода для предварительного охлаждения. Однако, дополнительное оборудование, требуемое из-за третьей величины давления/цилиндра предварительного охлаждения и установки переохладителя холодильного агента, делают чистое уменьшение площадей, занимаемых оборудованием, предельным. Ребристые пластинчатые теплообменники были уменьшены в размерах в связи с большей LMTD (Средняя Логарифмическая Разность Температур) и меньшей внутренней нагрузкой. В то время как ребристые пластинчатые теплообменники были использованы в этом примере, также, конечно, возможно использовать другие типы теплообменников, которые также могут быть уменьшены в размерах. Размеры некоторых из основных труб в контуре сжижения и переохлаждения изменились незначительно, и именно по этим трубам до значительной степени устанавливаются высоты палубы, так что никакие изменения не будут рассматриваться относительно подъемов палубы. В целом, было сделано заключение, что размер модуля сжижения не будет больше при использовании цикла предварительного охлаждения с СО2, и в действительности уменьшение на несколько квадратных метров является возможным. Кроме того, вес модуля уменьшается на 100 тонн.
Основной угрозой безопасности процессов СПГ с предварительным охлаждением углеводородами, особенно при применении в открытом море, является возможное образование воспламеняющейся и взрывоопасной смеси углеводород/воздух в случае основной утечки в одном из холодильных циклов. Таким образом, сведение к минимуму запаса углеводородного холодильного агента очень важно с точки зрения безопасности.
Как видно из фиг.6, запас холодильного агента УВ понижается примерно на 70% в процессе предварительного охлаждения с СО2. Уменьшенная загрузка углеводородов является позитивной в отношении предотвращения утечек и достижения трех основных функций безопасности баржи с СПГ, которыми являются: (i) основная конструкционная прочность, (ii) основные направления утечек и (iii) средства эвакуации.
Если молекулярный вес углеводородного холодильного агента больше, чем у воздуха, огнеопасное облако может накопиться внутри модулей или между ними и на поверхностях палубы. Таким образом, помимо минимизации общего запаса углеводородов, особенную важность имеет исключение более тяжелых компонентов, особенно пропана (на 52% тяжелее, чем воздух), а также этана (на 4% тяжелее, чем воздух). Посредством замены углеводородов для предварительного охлаждения на
СО2 весь пропан исключается из модуля сжижения, и даже хотя этан присутствует в холодильных агентах для сжижения и переохлаждения, обе эти смеси имеют молярную массу более низкую, чем у воздуха.
Из вышеприведенных результатов было обнаружено, что включение предварительного охлаждения с СО2 в процесс со сбалансированной нагрузкой MFC*s3 не дает значительного повышения требования к удельной мощности или размеру/весу/стоимости оборудования, в то время как безопасность процесса может быть улучшена.
1. Способ сжижения потока, обогащенного углеводородами, где сжижение потока, обогащенного углеводородами, осуществляют в каскаде контуров с холодильным агентом, состоящем из трех холодильных контуров, причем первый из трех холодильных контуров служит для обеспечения предварительного охлаждения, второй холодильный контур служит для обеспечения фактического сжижения, и третий холодильный контур служит для обеспечения переохлаждения сжиженного потока, обогащенного углеводородами, причем каждый холодильный контур включает, по меньшей мере, один одноступенчатый или многоступенчатый компрессор, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть потока холодильного агента из второго холодильного контура используют для охлаждения указанного потока, обогащенного углеводородами, для облегчения указанного предварительного охлаждения потока до температуры, при которой начинается сжижение С3-компонентов, так, что каждый компрессор имеет по существу равную долю нагрузки.
2. Способ по п.1, в котором частичный поток холодильного агента из второго холодильного контура, используемого для предварительного охлаждения потока, обогащенного углеводородами, испаряют при давлении более высоком, чем давление испарения оставшегося частичного потока холодильного агента из второго охлаждающего контура, и подают в компрессор второго охлаждающего контура при промежуточной величине давления.
3. Способ по п.1 или 2, в котором нежелательные компоненты потока, обогащенного углеводородами, отделяют после предварительного охлаждения, перед фактическим сжижением потока, обогащенного углеводородами.
4. Способ по п.3, в котором компоненты С3+ обогащенного углеводородами потока отделяют после предварительного охлаждения, перед фактическим сжижением потока, обогащенного углеводородами.
5. Способ по п.3, в котором, по меньшей мере, один частичный поток одного из двух частичных потоков второго охлаждающего контура используют для обеспечения охлаждения в блоке отделения.
6. Способ по пп.1, 2 и 5, в котором объемы и/или давления испарения двух частичных потоков второго холодильного контура являются изменяемыми.
7. Способ по пп.1, 2 и 5, в котором поток, обогащенный углеводородами, представляет собой поток природного газа.
8. Способ по пп.1, 2 и 5, в котором все холодильные контуры включают смешанные холодильные агенты.
9. Способ по пп.1, 2 и 5, в котором первый холодильный контур включает двуокись углерода.
10. Способ по п.9, в котором двуокись углерода охлаждают после конденсации до температуры 20°С или меньше.
11. Способ по п.10, в котором двуокись углерода охлаждают до температуры 15°С или меньше.
12. Способ по п.10 или 11, в котором холодную охлаждающую воду используют для охлаждения двуокиси углерода.
13. Способ по п.12, в котором холодная охлаждающая вода представляет собой морскую воду.
14. Способ по п.9, в котором контур предварительного охлаждения с двуокисью углерода включает теплообменник для переохлаждения, установленный после конденсатора.
15. Способ по пп.10, 11 и 13, в котором контур предварительного охлаждения с двуокисью углерода включает теплообменник для переохлаждения, установленный после конденсатора.
16. Способ по п.9, в котором охлаждающий контур с двуокисью углерода включает три величины давления.
17. Способ по пп.10, 11 и 13, в котором охлаждающий контур с двуокисью углерода включает три величины давления.
18. Способ по п.9, в котором двуокись углерода не переохлаждают в контуре предварительного охлаждения.
19. Способ по пп.10, 11 и 13, в котором двуокись углерода не переохлаждают в контуре предварительного охлаждения.
20. Способ по п.9, в котором корпус для высокого давления используют с компрессором для двуокиси углерода.
21. Способ по пп.10, 11 и 13, в котором корпус для высокого давления используют с компрессором для двуокиси углерода.
22. Способ по п.17, в котором компрессор разделен на два корпуса, и корпус цилиндрического типа используют для ступени высокого давления.
