Установка для производства сжиженного природного газа
Изобретение относится к газовой промышленности и может найти применение при организации процесса ожижения природного газа. Установка для производства сжиженного природного газа подключена к источнику подачи природного газа и включает соединенные бустер-компрессор, теплообменники предварительного и окончательного охлаждения, блок осушки и блок очистки. Основной трубопровод с потоком природного газа делится на трубопровод продукционного потока и трубопровод технологического потока. Трубопровод технологического потока проходит через первый регулирующий клапан, технологический эжектор, теплообменник окончательного охлаждения, теплообменник предварительного охлаждения и к выходу для подачи потребителю. Трубопровод продукционного потока проходит через второй регулирующий клапан, продукционный эжектор, сепаратор предварительного разделения, дроссель и сепаратор окончательного разделения. Трубопровод с паровой фазой из сепаратора предварительного разделения подсоединен ко входу всасывающей камеры технологического эжектора, а трубопровод с паровой фазой из сепаратора окончательного разделения подсоединен ко входу всасывающей камеры продукционного эжектора. Задача изобретения - энергосбережение и повышение энергоэффективности процесса производства СПГ. 1 ил.
Изобретение относится к газовой промышленности, в частности, к установкам для ожижения газов и их смесей, и может найти применение при организации процесса ожижения природного газа и получения сжиженного природного газа (СПГ), как вариант, в условиях газораспределительной станции (ГРС).
Вследствие своего качества чистого сгорания, природный газ нашел очень широкое применение. Однако, многие источники природного газа расположены в географических областях, которые находятся на огромных расстояниях от товарных рынков. Для максимального снижения объема транспортируемого газа, газ подвергают процессу ожижения и получают СПГ, охлаждая легкие углеводороды, например, смеси газов на основе метана, приблизительно до минус 160°С.
Установки, устройства, комплексы для производства СПГ широко известны и в большинстве своем запатентованные технические решения по технологиям ожижения природного газа предлагают располагать известные установки на ГРС, что дает возможность использовать давление газа в магистральном газопроводе для реализации технологического цикла ожижения. При этом, в известных технических решениях, при осуществлении подготовки природного газа к ожижению сохраняется достаточно высокое потребление электроэнергии.
Так, известен «Минизавод по производству СПГ на ГРС», заявка №2003124342, кл. F25J 1/00, опубл. 20.02.2005 г., который содержит установку, работающую на перепаде давления по дроссель-сепарационному циклу сжижения природного газа с контуром внешнего охлаждения на базе вихревой трубы. Минизавод дополнительно снабжен установкой со 100% сжижением поступающего на ее вход природного газа, использующей внешние источники холода в цикле сжижения, которая работает постоянно в течение года, при этом, установка, работающая на перепаде давления, включается в работу при увеличении расхода газа в потребительской сети за счет подключения сезонных потребителей. Известный минизавод обеспечивает достаточное полное ожижение природного газа, однако, использование внешних источников холода в технологическом процессе ожижения свидетельствует о низкой энергоэффективности и полном отсутствии энергосбережения.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является установка ожижения природного газа малой производительности «К анализу существующих установок ожижения природного газа малой производительности», А.М. Архаров, И.А. Архаров, А.А. Александров, Ю.А. Шевич, В.Ю. Семенов, С.Д. Красноносова, А.Н. Колобова, Н.А. Лавров, Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2010, с. 236-256. В известной статье приведен термодинамический анализ циклов опытных установок ожижения природного газа небольшой производительности, созданных в последние годы и работающих в Москве, Санкт-Петербурге, и Екатеринбурге. В известной статье приведена принципиальная схема установки, работающей по дроссель-эжекторному циклу. Известная установка содержит компрессор с системой отвода теплоты сжатия, теплообменники, парокомпрессионную холодильную машину с возможностью предварительного охлаждения на уровне 238 K, дроссели, эжектор, сепаратор для разделения паровой и жидкой фаз. Однако, известная установка, работающая по дроссель-эжекторному циклу, имеет низкую энергоэффективность, поскольку степень термодинамического совершенства ожижения метана (отношение минимально необходимой энергии для ожижения к действительно затрачиваемой) для такой установки не превышает 30%.
Как показывает практика, непосредственно процесс ожижения природного газа потребляет в зависимости от технологий и объемов от 15% до 30% от общей энергетики, поэтому, даже небольшое увеличение в эффективности сжижения природного газа улучшает конкурентоспособность и сокращает огромные энергетические затраты.
Задача изобретения - энергосбережение и повышение энергоэффективности процесса производства сжиженного природного газа.
Техническим результатом изобретения является разработка простой и надежной по своему конструктивному исполнению установки по производству сжиженного природного газа, обеспечивающей энергосбережение и высокую энергоэффективность процесса ожижения.
Поставленная задача и требуемый технический результат достигаются за счет того, что установка для производства сжиженного природного газа подключена к источнику подачи природного газа и содержит соединенные трубопроводами подвода, отвода природного газа бустер-компрессор, теплообменники предварительного и окончательного охлаждения, блок осушки, блок очистки, регулирующие клапаны, дроссели, эжекторы, сепараторы предварительного и окончательного разделения. Основной трубопровод с потоком природного газа от источника подачи природного газа подсоединен ко входу бустер-компрессора, на выходе из которого основной трубопровод с потоком природного газа последовательно подключен с возможностью последовательного прохождения через теплообменник предварительного охлаждения, блок осушки, блок очистки и теплообменник окончательного охлаждения, после чего основной трубопровод с потоком природного газа разделяется на два трубопровода: трубопровод продукционного потока и трубопровод технологического потока. Трубопровод технологического потока подсоединен ко входу первого регулирующего клапана и далее последовательно подключен с возможностью последовательного прохождения через технологический эжектор, теплообменник окончательного охлаждения, теплообменник предварительного охлаждения и к выходу для подачи потребителю природного газа с требуемыми параметрами. Параллельно технологическому эжектору подключен байпасный дроссель с возможностью выработки холода на пусковом режиме и обеспечения устойчивой работы эжектора на номинальном режиме. Трубопровод продукционного потока подсоединен ко входу второго регулирующего клапана и далее последовательно подключен с возможностью последовательного прохождения через продукционный эжектор, сепаратор предварительного разделения, дроссель, сепаратор окончательного разделения и к выходу для подачи потребителю сжиженного природного газа, при этом, параллельно продукционному эжектору подключен байпасный дроссель с возможностью выработки холода на пусковом режиме и обеспечения устойчивой работы эжектора на номинальном режиме. Трубопровод паровой фазы от одного из выходов сепаратора предварительного разделения подсоединен ко входу всасывающей камеры технологического эжектора, также, трубопровод паровой фазы от одного из выходов сепаратора окончательного разделения подсоединен ко входу всасывающей камеры продукционного эжектора.
Применение бустер-компрессора для компримирования природного газа, направляемого на ожижение, работающем на перепаде энергии сжатого газа из магистрального газопровода, позволяет отказаться от использования электроэнергии от внешних источников, обеспечивая энергосбережение при работе установки. Применение двух эжекторов по ходу трубопроводов продукционного и технологического потоков газа и подключение ко входам их всасывающих камер трубопроводов с паровыми фазами, соответственно, от сепаратора окончательного разделения и сепаратора предварительного разделения, дает возможность отказаться от использования дожимных компрессоров, обеспечивая высокую энергоэффективность процесса ожижения, позволяя конструкционно упростить установку, повысить надежность ее работы.
Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее подробное описание и прилагаемый чертеж (фиг. 1).
На чертеже показана технологическая схема одного конструктивного исполнения этого изобретения, иллюстрирующая процесс сжижения природного газа в соответствии с практическим применением этого изобретения. Чертеж не исключает из объема изобретения другие конструктивные исполнения, которые являются результатом обычных и предполагаемых модификаций этого конкретного конструктивного исполнения. Различные требуемые вспомогательные устройства, такие как клапаны, смесители потоков, датчики исключены из чертежа в целях упрощения и ясности представления.
Установка для производства сжиженного природного газа подключена к источнику подачи природного газа, например, как вариант, но не ограничиваясь этим, смонтирована на ГРС и подсоединена к магистральному трубопроводу. Установка содержит соединенные трубопроводами подвода, отвода природного газа бустер-компрессор 14, теплообменник предварительного охлаждения 1, блок осушки 2, блок очистки 3, теплообменник окончательного охлаждения 4, первый регулирующий клапан 6, второй регулирующий клапан 8, продукционный эжектор 10, технологический эжектор 7, дроссели 5, 9, 12 и сепараторы 11, 13, соответственно, предварительного и окончательного разделения парожидкостной смеси на паровую и жидкую фазы.
В одном конкретном исполнении, но не ограничиваясь этим, при монтировании установки для производства сжиженного природного газа на ГРС и использование магистрального трубопровода с природным газом в качестве источника подачи природного газа, установка работает следующим образом.
Компримирование (сжатие) подготовленного природного газа происходит в бустер-компрессоре 14, работающем на перепаде энергии сжатого газа из магистрального газопровода. По основному трубопроводу поток компримированного природного газа с давлением 250 бар и температурой плюс 37°С поступает от бустер-компрессора 14 на вход теплообменника предварительного охлаждения 1. В теплообменнике предварительного охлаждения 1 температура газа понижается до плюс 10°С и далее газ последовательно проходит блок осушки 2, где происходит процесс поглощение влаги из природного газа до концентрации, соответствующей точке росы по воде не выше минус 70 С, и блок очистки 3, в котором происходит процесс удаления из природного газа диоксида углерода (СО2), который при понижении температуры ниже предела растворимости для данной концентрации может кристаллизоваться в процессе сжижения метана, тем самым нарушая работу установки. Далее, поток природного газа охлаждается до минус 96°С в теплообменнике окончательного охлаждения 4, на выходе из которого основной трубопровод с потоком природного газа разделяется на два трубопровода: трубопровод продукционного потока и трубопровод технологического потока.
Поток природного газа по трубопроводу технологического потока после первого регулирующего клапана 6, с давлением 210 бар и температурой минус 95,5°С направляется в технологический эжектор 7, где расширяется до давления 14 бар и охлаждается до температуры минус 116°С, и обратным потоком подается в теплообменник окончательного охлаждения 4 и, затем, в теплообменник предварительного охлаждения 1 и направляется к выходу для подачи потребителю природного газа с требуемыми параметрами. Байпасный дроссель 5 подключен параллельно технологическому эжектору 7 и служит для выработки холода на пусковом режиме и обеспечения устойчивой работы эжектора 7 на номинальном режиме.
Трубопровод продукционного потока подсоединен ко входу второго регулирующего клапана 8, после прохождения которого, природный газ с давлением 210 бар и температурой минус 95,5°С подается в продукционный эжектор 10, где окончательно расширяется и охлаждается до давления 7 бар и температуры минус 131°С. Параллельно продукционному эжектору 10 подключен байпасный дроссель 9 с возможностью выработки холода на пусковом режиме и обеспечения устойчивой работы эжектора 10 на номинальном режиме. В сепараторе 11 двухфазная смесь природного газа разделяется на жидкую и паровую фазы. Трубопровод паровой фазы от одного из выходов сепаратора предварительного разделения 11 подсоединен ко входу всасывающей камеры технологического эжектора 7. Жидкая фаза через дроссель 12 направляется в сепаратор окончательного разделения 13. Трубопровод паровой фазы от одного из выходов сепаратора окончательного разделения 13 подсоединен ко входу всасывающей камеры продукционного эжектора 10. После сепаратора 13 жидкая фаза с требуемыми параметрами: температура минус 141,1°С, давление 4 бара, направляется к выходу для подачи потребителю сжиженного природного газа.
Использование газового эжектора позволяет избыточное давление высоконапорных газов направить на сжатие газов низкого давления, соответственно, подключение последовательно двух сепараторов 11 и 13 в установке сжижения природного газа и направление отделенных в этих сепараторах паровых фаз во всасывающие камеры подключенных в установке двух эжекторов, соответственно, 7 и 10, обеспечивает: после продукционного эжектора 10 понижение давления и понижение температуры прямого (продукционного) потока; после технологического эжектора 7 понижение давления для направления потребителю на выходе обратного (технологического) потока и понижение температуры обратного (технологического) потока для эффективного охлаждения продукционного потока в теплообменниках 4 и 1.
Таким образом, конструктивное исполнение установки сжижения природного газа с бустер-компрессором для компримирования газа позволяет не использовать электроэнергию извне, сокращая расходы и обеспечивая энергосбережение. Применение в установке сжижения природного газа двух сепараторов и двух эжекторов, установленных по ходу и продукционного и технологического потоков газа, с подключенными ко входам всасывающих камер эжекторов трубопроводов с паровыми фазами от обоих сепараторов, позволяет, используя физические процессы, проходящие в эжекторах, существенно понизить давление и температуру потоков, не используя для этих целей дополнительное оборудование, упрощая конструктивное исполнение установки, повышая надежность установки и эффективность самого процесса сжижения природного газа.
Установка для производства сжиженного природного газа, подключенная к источнику подачи природного газа, содержащая соединенные трубопроводами подвода, отвода природного газа бустер-компрессор, теплообменники предварительного и окончательного охлаждения, блок осушки, блок очистки, регулирующие клапаны, дроссели, эжекторы, сепараторы предварительного и окончательного разделения, в которой основной трубопровод с потоком природного газа от источника подачи природного газа подсоединен ко входу бустер-компрессора, на выходе из которого основной трубопровод с потоком природного газа последовательно подключен с возможностью последовательного прохождения через теплообменник предварительного охлаждения, блок осушки, блок очистки и теплообменник окончательного охлаждения, после чего основной трубопровод с потоком природного газа разделяется на два трубопровода: трубопровод продукционного потока и трубопровод технологического потока, при этом, трубопровод технологического потока подсоединен ко входу первого регулирующего клапана и далее последовательно подключен с возможностью последовательного прохождения через технологический эжектор, теплообменник окончательного охлаждения, теплообменник предварительного охлаждения и к выходу для подачи потребителю природного газа с требуемыми параметрами, помимо этого, параллельно технологическому эжектору подключен байпасный дроссель с возможностью выработки холода на пусковом режиме и обеспечения устойчивой работы эжектора на номинальном режиме, а трубопровод продукционного потока подсоединен ко входу второго регулирующего клапана и далее последовательно подключен с возможностью последовательного прохождения через продукционный эжектор, сепаратор предварительного разделения, дроссель, сепаратор окончательного разделения и к выходу для подачи потребителю сжиженного природного газа, при этом, параллельно продукционному эжектору подключен байпасный дроссель с возможностью выработки холода на пусковом режиме и обеспечения устойчивой работы эжектора на номинальном режиме, помимо этого, трубопровод паровой фазы от одного из выходов сепаратора предварительного разделения подсоединен ко входу всасывающей камеры технологического эжектора, также, трубопровод паровой фазы от одного из выходов сепаратора окончательного разделения подсоединен ко входу всасывающей камеры продукционного эжектора.
