СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F25J1/00 

Изобретение относится к средствам использования природного газа, в частности к установкам сжижения природного газа, работающим за счет использования перепада давления между магистральными газопроводами и линией подачи газа потребителю.

Известны способы и установки для сжижения природного газа, включающие теплообменник для предварительного охлаждения сжатого газа, подаваемого в вихревую трубу, из которой один поток отводится в виде пара, а второй - в виде парожидкостной смеси. Пар отделяется от жидкости в криостате и эвакуируется в межтрубную полость теплообменника (патент RU 2103620, F 25 В 9/02, 1998).

Недостатки известной установки и способа заключаются в том, что, во-первых, потоки за вихревой трубой не могут иметь температуру ниже температуры жидкости, с которой в камере вихревой трубы осуществляется интенсивный теплообмен, а значит, холодопроизводительность определяется только дроссель-эффектом. Во-вторых, температура отводимого пара ниже температуры исходного сжатого газа, что не позволяет использовать полностью и располагаемую холодопроизводительность. Смешивание обоих потоков пара, отводимых из вихревой трубы и имеющих различную температуру, непосредственно в полости низкого давления теплообменника, принципиально делает бессмысленным использование вихревых труб. И, наконец, в установке отсутствуют средства для очистки, осушки и дегидратизации сжатого газа, что приводит к быстрому забиванию теплообменника.

И в этих случаях необходимо предварительное сжатие природного газа до высокого давления, на что затрачивается дополнительная энергия.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения в части способа и в части устройства является способ сжижения природного газа, включающий очистку нерасширившегося газа от примесей, охлаждение его в теплообменнике и в вихревой трубе с разделением газа в вихревой трубе на охлажденный и нагретый потоки, отделение образовавшегося сжиженного газа и сбор его в накопительной емкости, и устройство для реализации этого способа, содержащее линию подачи нерасширившегося газа, фильтр для очистки газа от примесей, теплообменник, вихревую трубу с линиями подачи и отвода газа и сборник конденсата (см. патент US 3775988, кл. F 25 J 1/00, 1973).

Недостатками известного способа и используемого для его осуществления устройства являются:
- необходимость нескольких стадий сжатия-расширения для получения коэффициента сжижения 0,03 - 0,15;
- сложность отделения капель конденсата от основного потока, для этого используется либо одна из вихревых труб, работающая фактически как циклон, либо специальная ректификационная колонна.

Технический результат заявленного по изобретению способа - бескомпрессорное получение сжиженного природного газа с использованием перепада давления на ГРС (газораспределительных станциях) между магистральным и идущим на потребление газом.

Предметом изобретения является также и устройство для осуществления данного способа сжижения природного газа.

Технический результат при применении устройства заключается в возможности применения способа утилизации холода, образующегося при редуцировании природного газа на ГРС с одновременным бескомпрессорным получением сжиженного газа.

Для достижения технического результата в способе сжижения природного газа, включающем очистку сжижаемого (сжатого, нерасширившегося) газа от примесей, охлаждение в теплообменнике, охлаждение в вихревой трубе, разделение газа в вихревой трубе на охлажденный и нагретый потоки, отделение образовавшегося конденсата и сбор его в накопительной емкости - сборнике конденсата, захоложенный нерасширившийся газ, отобранный из узла редуцирования (G_общ), разделяют на два потока, первый пропускают через вихревую трубу при отношении массового расхода газа, охлажденного на выходе из вихревой трубы, и общего массового расхода газа, поступившего в вихревую трубу с параметром μ = G_охл/G_{общ. вихр.тр} = 0,4-0,7, где G_охл - охлажденный поток газа из вихревой трубы, который поступает в межтрубное пространство рекуперативного теплообменника, а затем к потребителю, второй поток нерасширившегося газа (G_сжиж) направляют в тот же теплообменник по трубам для охлаждения, затем дросселируют, при этом отношение давления газа на входе в теплообменник (P_о) и давления газа на входе в сборник конденсата (P₁) составляет P₀/P₁ = 1,2-5,0, а отношение массовых расходов газа, подаваемого на сжижение (G_сжиж), к общему расходу газа, подаваемого в вихревую трубу (G_{общ. вихр.тр}) G_сжиж/G_{общ. вихр.тр} = 0,05-0,2. Нагретый поток газа из вихревой трубы поступает к потребителю редуцированного газа.

Для достижения технического результата устройство для осуществления способа по изобретению сжижения природного газа, содержащее линию подачи нерасширившегося газа, фильтр 3 для очистки газа от примесей, теплообменник, вихревую трубу с линиями подачи и отвода газа и сборник конденсата, снабжено дросселем, расположенным между теплообменником и сборником конденсата, и узлом разделения линии подачи нерасширившегося газа на две линии, одна из которых присоединена к фильтру и затем через трубное пространство теплообменника к дросселю, а другая - к вихревой трубе, линия отвода холодного газа которой подсоединена к межтрубному пространству теплообменника, а линия отвода нагретого газа - к потребителю, при этом отношение давлений P₀/P₁ = 1,2-5,0, где P₀ - давление газа на входе в теплообменник, P₁ - давление газа на входе в сборник конденсата.

Для достижения более низкой температуры охлаждения устройство может содержать несколько последовательно соединенных вихревых труб.

Неизвестны другие такие технические решения, имеющие идентичные признаки с признаками заявляемого изобретения.

Сущность изобретения поясняется следующим.

Охлажденный нерасширившийся газ из узла редуцирования разделяют в узле разделения 2 на два потока: одна часть (G_сжиж) газа по линии подачи 9 поступает через фильтр 3 в трубы рекуперативного теплообменника 4 на сжижение, другая часть (G_{общ. вихр.тр}) поступает через узел разделения 2 по линии подачи 10 в вихревую трубу 1 с параметром (отношением) μ = G_охл/G_{общ. вихр.тр} = 0,4-0,7. При μ < 0,4 охлаждающий газ хотя и имеет низкую температуру, но количество его слишком мало для охлаждения сжижаемого газа, и это приводит к резкому уменьшению коэффициента сжижения. При μ > 0,7 температура охлаждающего газа может оказаться выше температуры сжижения.

Соотношение G_сжиж/G_{общ. вихр.тр} лежит в пределах G_сжиж/G_{общ. вихр.тр.} = 0,05÷0,2. При G_сжиж < 0,05 будет наблюдаться недоиспользование холода, предназначенного для сжижения газа и недопустимое захолаживание газа, идущего к потребителю после узла редуцирования на ГРС. При G_сжиж/G_{общ. вихр.тр} > 0,2 холода для сжижения будет не хватать и линия (отвода газа) газохода 11 между дросселем 5 и сборником конденсата 6 будет запираться. Другая часть газа по линии подачи 10 поступает в вихревую трубу 1; охлажденный газ из вихревой трубы по линии подачи 8 поступает в межтрубное пространство теплообменника 4, а затем к потребителю, а нагретый в вихревой трубе газ по линии (магистрали) 12 подается к потребителю редуцированного газа.

На чертеже представлена схема устройства по изобретению.

Устройство содержит фильтр 3, вихревую трубу 1, кожухотрубный теплообменник 4, узел разделения газа 2, дроссель 5, сборник конденсата 6 (накопительная емкость), линии подачи и отвода газа 7, 8, 9, 10, 11, 12 в вихревую трубу, в фильтр, теплообменник, к потребителю, регулирующие вентили 13.

Устройство работает следующим образом.

Нерасширившийся захоложенный газ из узла редуцирования разделяется в узле разделения 2 на два потока: один поток (G_сжиж) проходит по линии 9 через фильтр 3 и поступает по линии 9 в трубы теплообменника 4, другой поток по линии 10 (G_{общ. вихр.тр}) поступает в вихревую трубу 1. Из вихревой трубы 1 охлажденный газ поступает в межтрубное пространство теплообменника 4 и затем по линии 8 к потребителю. Нагретый газ из вихревой трубы по линии 12 сразу поступает в линию потребителя.

Захоложенный, нерасширившийся и частично сконденсировавшийся газ из труб теплообменника 4 с давлением P₀ проходит по линии 1 через дроссель 5 и образующийся конденсат собирается в сборнике 6 с давлением P₁. Отношение давлений P₀/P₁ лежит в пределах 1,2-5.

При P₀/P₁ < 1,2 уменьшается холодопроизводительность за счет эффекта Джоуля-Томсона и вообще происходит очень быстрое "запирание" конденсатопровода и уменьшение коэффициента сжижения.

При P₀/P₁ > 5 также происходит уменьшение коэффициента сжижения, но уже за счет повышения температуры конденсации при снижении давления. Кроме того, при этом затрудняется слив самотеком конденсата из сборной емкости.

Ниже приводятся конкретные примеры осуществления изобретения.

Пример 1.

При редукцировании природного газа на газораспределительной станции (ГРС) газ с параметрами G_общ = 2000 нм³/ч, P₀ = 4,3 МПа, T₀ = 247 К подается в установку на сжижение. Часть газа G_сжиж направляется в теплообменник 4, другая часть с расходом G_общ направляется в вихревую трубу 1, в которой разделяется на два потока. Нагретый поток отводится непосредственно к потребителю редуцированного газа. Охлажденный поток в количестве μ = G_охл/G_общ = 0,5 направляется в теплообменник 4 для сжижения природного газа, для чего необходимо поток G_сжиж охладить до температуры T₁/T₀ = 0,7. Сконденсированный газ из теплообменника 4 через дроссель 5 подается в сборник конденсата 6. Давление в сборнике конденсата 6 (P₁) поддерживается на уровне, достаточном для безнасосной периодической перекачки сжиженного природного конденсата в транспортную емкость (P₀/P₁= 3). При этом вследствие понижения давления часть природного газа регазифицируется, и пар отводится к потребителю редуцированного газа.

Поскольку давление газа, отбираемого из магистрали в количестве G_общ, меняется в течение года, также меняется его температура, а расход газа, требуемый потребителем редуцированного газа, изменяется как по времени года, так и по времени суток; поэтому приведенные в примере 1 цифры являются средними, а коэффициент сжижения G_сжиж/G_общ, достижимый при описанных условиях, составляет 0,08-0,10 (G_сжиж - массовый поток конденсата). Давление в магистрали колеблется от 3,5 до 7,5 МПа. Предложенный способ позволяет сохранять работоспособность установки в широком интервале начальных параметров, причем с увеличением начального давления и снижения начальной температуры коэффициент сжижения увеличивается. Рассмотрим крайние случаи (T₀ и T₁ - температура входящего газа и охлажденного выходящего газа соответственно).

Пример 2.

Давление газа зимой при большом отборе газа потребителем составляет 3,5 МПа, температура газа на входе в вихревую трубу 1 составляет 230К. Тогда отношение температуры T₁/T₀ = 0,75, расход охлажденного потока μ = G_охл/G_{общ. вихр.тр} = 0,6, коэффициент сжижения G_сжиж/G_общ= 0,15÷0,18. При этом G_сжиж/G_{общ. вихр.тр} = 0,2, P₀/P₁ = 4.

Пример 3
Давление газа в магистрали летом при малом отборе газа потребителем составляет 6 МПа, его температура на входе в вихревую трубу T₀ = 268К. При расходе охлажденного в вихревой трубе 1 газа μ = G_охл/G_{общ. вихр.тр} = 0,4 температура газа на выходе из вихревой трубы 1 составляет 170К, в теплообменнике 4 газ конденсируется при температуре T₁ = 190К (T₁/T₀ = 0,7) и при дросселировании его часть в виде пара отводится потребителю не только в процессе перелива в транспортную емкость, но постоянно при дросселировании и заполнении сборника конденсата 6. При этом G_сжиж/G_{общ. вихр.тр} = 0,15, P₀/P₁ = 3, коэффициент сжижения (эффективность устройства) равен 0,1-0,12.

Из приведенных примеров следует, что во всем интервале начальных параметров осуществляется сжижение природного газа. Для непрерывной работы установки необходима предварительная очистка природного газа, которая производится по известным технологиям и поэтому конкретно не описывается.

Природный газ из узла редуцирования разделяется на два потока. Первый поток нерасширившегося газа поступает в вихревую трубу. Охлажденный поток из вихревой трубы подают через межтрубное пространство теплообменника к потребителю. Нагретый поток из вихревой трубы подают потребителю. Второй поток нерасширившегося газа сжижается в трубах теплообменника, дросселируется и поступает в накопительную емкость. При этом отношение массового расхода газа, охлажденного на выходе из трубы, и общего газа, поступающего в трубу, равно μ=0,4-0,7. Отношение массовых расходов газа, подаваемого на сжижение, и газа, подаваемого в вихревую трубу, равно 0,05-0,2. Отношение давления газа на входе в теплообменник к давлению на входе в сборник конденсата равно 1,2-5,0. В устройстве для реализации способа вихревая труба имеет линию отвода холодного газа, поступающего в межтрубное пространство теплообменника, и линию отвода нагретого газа к потребителю. Использование изобретения позволяет применять способ утилизации холода, образующегося при редуцировании газа на газораспределительной станции. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ сжижения природного газа, включающий очистку нерасширившегося газа от примесей, охлаждение его в теплообменнике и в вихревой трубе с разделением газа в вихревой трубе на охлажденный и нагретый потоки, отделение образовавшегося сжиженного газа и сбор его в накопительной емкости, отличающийся тем, что охлажденный нерасширившийся газ, отобранный из узла редуцирования, разделяют на два потока, первый поток пропускают через вихревую трубу при отношении массового расхода на выходе из трубы охлажденного газа и общего газа, поступающего в вихревую трубу, определяемом параметром μ = 0,4 - 0,7, при этом охлажденный поток расширенного газа из вихревой трубы подают в межтрубное пространство рекуперативного теплообменника, а затем к потребителю, а нагретый поток из вихревой трубы подают к потребителю редуцированного газа, второй поток нерасширившегося газа подают на сжижение по трубам теплообменника, где его охлаждают и дросселируют перед сбором в накопительной емкости, при этом отношение массовых расходов газа, подаваемого на сжижение G_сжиж. к общему расходу газа, подаваемого в вихревую трубу G_{общ. вихр.тр} равно G_сжиж/G_{общ. вихр.тр} = 0,05 - 0,2. 2. Устройство для сжижения природного газа, содержащее фильтр для очистки газа от примесей, теплообменник, вихревую трубу с линиями подачи и отвода газа и сборник конденсата, отличающееся тем, что оно снабжено дросселем, расположенным между теплообменником и сборником конденсата и узлом разделения линии подачи нерасширившегося газа на две линии, одна из которых присоединена к фильтру и затем через трубное пространство теплообменника - к дросселю, а другая - к вихревой трубе, линия отвода холодного газа которой подсоединена к межтрубному пространству теплообменника, а линия отвода нагретого газа - к потребителю, при этом отношение давлений P₀/P₁ = 1,2 - 5,0, где P₀ - давление газа на входе в теплообменник, P₁ - давление газа на входе в сборник конденсата.