СПОСОБ ОЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА Российский патент 1999 года по МПК F25J1/00 F25B9/02 

Настоящее изобретение относится к криогенной технике, а именно к способу ожижения природного газа.

Для получения сжиженного природного газа (СПГ) широко используются дроссельные ожижительные циклы с различными способами предварительного охлаждения природного газа (ПГ).

Максимальный коэффициент ожижения достигается в каскадных холодильных схемах, где в качестве внешнего хладагента для охлаждения прямого потока газа используются индивидуальные углеводороды или их смеси. Вследствие применения сложного, дорогостоящего и энергоемкого оборудования такие способы ожижения оказываются экономически выгодными только при организации крупномасштабного производства сжиженного природного газа, измеряемого миллионами т/год. Тот же недостаток (необходимость применения сложного дорогостоящего оборудования) присущ установкам малой и средней производительности, где используются технологические схемы с использованием внутренних циркуляционных холодильных контуров, в основу которых положен принцип изоэнтропийного расширения части потока ожижаемого газа в детандерных агрегатах (цикл Гейландта и его разновидности).

Применительно к объектам, осуществляющим редуцирование уже предварительно сжатого природного газа, подаваемого по магистральным газопроводам - газоредуцирующим станциям (ГРС) и газоредуцирующим пунктам (ГРП) или его раздачу - автогазонаполнительные компрессорные станции (АГНКС), может быть применен наиболее простой процесс ожижения - классический дроссельный цикл. Ожижение в нем основано исключительно на рекуперативной утилизации прямым потоком газа высокого давления холода несконденсировавшейся части ожижаемого потока [1] (прототип). Технологически он заключается в охлаждении газа в рекуперативном теплообменнике, дросселировании и разделении образующейся парожидкостной смеси в конденсатосборнике с выводом паров в рекуперативный теплообменник, а жидкости - потребителю.

Способ обладает рядом достоинств (низкая стоимость, простота реализации, надежность), но характеризуется малой величиной коэффициента ожижения. Вследствие указанной причины повышение коэффициента ожижения обычно достигается за счет введения в цикл дополнительных источников холодопроизводительности.

Нами предлагается способ ожижения ПГ в дроссельном цикле с использованием холодильного контура, в основу которого положен принцип энергоразделения газа в охлаждаемой одно- или многоступенчатой вихревой трубе (ОВТ).

Спецификой конструкции ОВТ является то, что ее горячий конец снабжен наружным контуром (рубашкой), в которую подается охлаждающий газ или жидкость. В результате весь (газ μ = 1), поступающий в сопловый ввод ОВТ, выходит из нее охлажденным на 20-35 ^o [2, 3].

ОВТ не дает возможности получать больших эффектов охлаждения (ΔT_x), но отличается повышенной холодопроизводительностью (μ•ΔT_x). Высокая температура периферийных слоев вихревого потока в ОВТ (ΔT_г= 100-120^o) при ее установке на высокотемпературном уровне позволяет легко отбирать от них тепло в окружающую среду, что обеспечивает заметный эффект охлаждения всего потока газа даже при подаче в охлаждающую рубашку газа или жидкости с температурой охлаждающей среды. Совокупность перечисленных свойств позволяет с максимально возможной эффективностью использовать ОВТ в регенеративном дроссельном цикле ожижения ПГ.

Принципиальная схема предлагаемого способа приведена на фиг. 1.

Природный газ высокого давления (точка 0 на схеме), разделяясь на два потока, поступает соответственно в предварительный теплообменник (основной поток) и в ОВТ.

Из ОВТ охлажденный газ низкого давления (точка 8) вводится в обратный поток несконденсировавшегося в цикле ПГ перед теплообменником Т-I (точка 6).

Газ высокого давления (основной поток), пройдя предварительный теплообменник (точка 1) и основной теплообменник (точка 2), дросселируется (точка 3) и поступает в конденсатосборник, где разделяется на сжиженный природный газ (точка 4) и насыщенный пар (точка 5).

Несконденсировавшийся холодный ПГ, выходя из установки, предварительно нагревается до температуры окружающей среды, отдавая свой холод прямому потоку газа высокого давления (точка 6 после теплообменника Т-II и точка 7 после теплообменника Т-I), и далее вводится в рубашку охлаждаемой вихревой трубы (ОВТ).

Для подтверждения возможности осуществления изобретения ниже приводится его расчетное обоснование.

Базовая система уравнений энергетического и теплового баланса работы составляющих элементов регенеративного цикла, согласно принятым обозначениям узловых точек (см. фиг. 1), имеет вид:
(G₁+G₂)=K₀i'+(G₁+G₂- K₀)i₇+A•G₂ (1)
G₁•i₃=K₀•i'+(G₁- K₀)i'' (2)
G₁(i₁-i₃)=(G₁-K₀) (i₆-i'') (3)
G₁(i₆-i₁)=)G₁+G₂-K₀) (i₇-i₆) (4)
Условные обозначения:
i₀ - энтальпия входного потока в предварительный теплообменник (Т-I) и в вихревую трубу (ОВТ);
i₁ - энтальпия выходного потока из предварительного теплообменника (Т-I);
i₃ - энтальпия выходного потока после дросселирования на дроссельной шайбе (Др);
i₆ - энтальпия обратного потока несконденсированного пара на выходе из основного теплообменника (Т-II);
i₇ - энтальпия суммарного обратного потока из ОВТ и (Т-II) на выходе из предварительного теплообменника (Т-I);
i' = i₄ - энтальпия жидкости на линии конденсации;
i'' = i₅ - энтальпия пара на линии конденсации, размерность: [i] = КДж/кг;
G₁, безразмерный удельный - расход основного (идущего на снижение) потока газа;
G₂, безразмерный удельный - расход газа через ОВТ;
Примечание: G₁+G₂=1;
K₀ - коэффициент ожижения ПГ в установке;
A - кДж/кг, удельная холодопроизводительность ОВТ, рассчитываемая по уравнению:

где массовая доля холодного потока, выходящего из ОВТ (в данном случае μ = 1,0)
средняя массовая теплоемкость холодного потока, выходящего из ОВТ при изменении параметров между точками 8 и 7 в теплообменнике (Т-I).

температурная эффективность ОВТ,
где ΔT_s= (T₀-T₈) - эффект охлаждения [2, 3] в ОВТ;
эффект охлаждения в идеальном детандере;
степень расширения газа в охлаждаемой вихревой трубе.

Решая систему приведенных выше уравнений (1)...(4), можно рассчитать величину коэффициента ожижения природного газа в установке.

Сопоставив его с теоретически достижимым значением величины K_др для идеального дроссельного цикла:

можно оценить интегральную эффективность принятого технического решения.

Зависимость параметра

от входного давления природного газа для температуры T = 300K приведена на графике (фиг. 2).

При этом рассмотрены два варианта расширения газа в охлаждаемой вихревой трубе:
- одноступенчатое (2,0<P<6,0 МПа),
- двухступенчатое (6,0<P<20 МПа).

Из графика следует, что в диапазоне входных давлений от 2 до 6 МПа (одноступенчатая охлаждаемая вихревая труба) и от 6 до 20 МПа (двухступенчатая охлаждаемая вихревая труба) предлагаемый способ ожижения обеспечивает повышение реального коэффициента ожижения природного газа против идеального дроссельного цикла не менее чем 1,2-1,8 раза.

Расширение газа высокого давления осуществляется ступенчато в двух или более охлаждаемых трубах, вход газа в которые является выходом из предыдущей вихревой трубы.

Литература:
1. Иванцов О.М., Двойрис А.Д. Низкотемпературные газопроводы. М., Недра. 1980, с. 207 - 209.

2. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М., Машиностроение, 1969, с. 65 - 69.

3. Дыскин Л.М. Вихревые термостаты и воздухоосушители. Н.Новгород. ННГУ, 1991. с. 5 - 16.

Природный газ высокого давления делят на два потока, один из которых (основной) направляют в предварительный теплообменник, а другой - в охлаждаемую вихревую трубу. После предварительного теплообменника основной поток поступает в рекуперативный теплообменник, а затем - в дроссель. Образовавшуюся при этом жидкую фазу собирают в конденсатосборнике, а газовую фазу после прохождения рекуперативного теплообменника соединяют с холодным потоком из вихревой трубы и подают в предварительный теплообменник. Использование охлаждаемой вихревой трубы увеличивает коэффициент ожижения природного газа в 1,2 - 1,8 раза по сравнению с дроссельным циклом. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ ожижения природного газа, состоящий в охлаждении газа в рекуперативном теплообменнике не сконденсировавшимся в цикле природным газом, его дросселировании и разделении образующейся парожидкостной смеси в конденсатосборнике, отличающийся тем, что исходный поток газа высокого давления разделяют на две части, одну из которых (основную) сначала подают в предварительный, а затем - в основной теплообменник, а другую - в охлаждаемую потоком газа низкого давления, выходящим из установки ожижения, вихревую трубу, откуда образующийся в последней холодный газ направляют в предварительный теплообменник для дополнительного охлаждения основной части потока ожижаемого природного газа. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расширение газа высокого давления осуществляется ступенчато в двух и более охлаждаемых трубах, вход газа в которые является выходом из предыдущей вихревой трубы.