УСТАНОВКА ДЛЯ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА И ЕГО РЕГАЗИФИКАЦИИ Российский патент 2003 года по МПК F25J1/02 

Изобретение относится к сжижению газов и их смесей, в частности к сжижению природного газа, отбираемого из трубопровода.

Автомобильные газонаполнительные компрессорные станции (АГНКС) предназначены для заправки автотранспорта компримированным природным газом (давление до 20 МПа), используемым в качестве топлива для газовых двигателей (Васильев Ю.Н., Гриценко А.И., Чириков К.Ю. Газозаправка транспорта, М.: Недра, 1995, с. 112). Станция включает источник газа давлением 0,6-1,0 МПа (распределительный трубопровод), компрессоры для сжатия природного газа до 20 МПа с концевыми холодильниками и системой осушки и очистки газа от примесей компрессорного масла и ресиверы сжатого газа.

Для повышения загрузки станций возможно производство на них сжиженного природного газа (СПГ) с последующей доставкой его потребителю, регазификацией и использованием его в качестве топлива для устройств различного назначения, взамен топочного мазута.

Для сжижения природного газа на АГНКС предлагается использовать цикл высокого давления с однократным дросселированием газа до давления распределительного трубопровода 0,6-1,0 МПа (Финько В.Е. Перспективы использования сжиженного природного газа. Газовая промышленность, февраль, 2000 г., с.24. ). Доставка сжиженного газа потребителю осуществляется специальными изотермическими автоцистернами. Затем жидкость регазифицируется за счет подвода тепла из окружающей среды и поступает в котельную.

Недостатки этого способа производства и использования сжиженного природного газа: высокие удельные энергозатраты (2-2,5 кВт•ч/кг) из-за низкого коэффициента сжижения (0,15-0,18) и необходимость хранить и транспортировать сжиженный газ при высоком давлении (0,6-1,0 МПа). В результате высокая себестоимость сжиженного природного газа, не позволяющая ему конкурировать с топочным мазутом.

Коэффициент сжижения газа может быть увеличен до 0,4, а энергозатраты снижены до 1-1,2 кВт•ч/кг, если ввести предварительное охлаждение газа до температуры минус 30-40^oС с помощью холодильной машины (Ходорков И.Л., Первый в России мини-завод по производству сжиженного природного газа. Холодильная техника, 10, 2001, с. 18), однако себестоимость сжиженного природного газа остается высокой.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является установка для сжижения природного газа и его регазификации, содержащая систему сжижения газа, включающую последовательно соединенные по линии прямого потока газопровод и основной теплообменник; систему регазификации, включающую последовательно соединенные по линии прямого потока испаритель сжиженного газа и потребитель газа; а также транспортные средства для перемещения теплого теплоносителя и сжиженного газа из системы сжижения в систему регазификации и перемещения холодного теплоносителя из системы регазификации в систему сжижения газа (патент US 3535885, МПК F 25 J 1/02,1970). Охлаждение и частичное сжижение газа, отбираемого от естественного источника повышенного давления, осуществляется в специальной установке за счет нагревания промежуточного однофазного теплоносителя, который после нагревания транспортируется в резервуарах к месту регазификации природного газа, охлаждается при испарении сжиженного газа и транспортируется в резервуарах обратно к месту его сжижения.

Недостатком данной установки является то, что при низком давлении источника газа (например, газопровода) процесс конденсации газа за счет нагревания однофазного теплоносителя неэффективен и предполагает увеличение количества теплоносителя, циркулирующего между установкой и местом регазификации. При этом, соответственно, увеличиваются транспортные затраты.

Задачей данного изобретения является повышение эффективности процесса сжижения газа при рекуперации холода регазификации.

Поставленная задача решается тем, что в установке для сжижения природного газа и его регазификации, содержащей систему сжижения газа, включающую последовательно соединенные по линии прямого потока газопровод и основной теплообменник; систему регазификации, включающую последовательно соединенные по линии прямого потока испаритель сжиженного газа и потребитель газа; а также транспортные средства для перемещения теплого теплоносителя и сжиженного газа из системы сжижения в систему регазификации и перемещения холодного теплоносителя из системы регазификации в систему сжижения газа, согласно изобретению система сжижения снабжена последовательно установленными после источника газа компрессором высокого давления, адсорбером-осушителем газа, последовательно установленными после основного теплообменника первым дроссельным вентилем, сепаратором жидкой фазы, теплообменником-охладителем, вторым дроссельным вентилем и резервуаром сжиженного природного газа, а также первой емкостью с холодным жидким теплоносителем, подсоединенной через насос к входу теплообменника-охладителя по линии обратного потока и первой емкостью с теплым жидким теплоносителем, подсоединенной к выходу основного теплообменника по линии обратного потока, а система регазификации снабжена резервуаром-газификатором, подсоединенным к входу испарителя по прямому потоку и подогревателем, подсоединенным к выходу испарителя по прямому потоку, второй емкостью с теплым теплоносителем, через насос подсоединенной к входу испарителя по линии обратного потока, и второй емкостью с холодным жидким теплоносителем, подсоединенной к выходу испарителя по линии обратного потока.

Поставленная задача решается также тем, что установка может быть снабжена теплообменником-подогревателем и дополнительным компрессором, линия всасывания которого через теплообменник-подогреватель соединена с паровым пространством резервуара сжиженного газа, а линия нагнетания - с газопроводом или с линией всасывания компрессора высокого давления.

Поставленная задача решается также тем, что установка может быть снабжена установленным параллельно с первым дроссельным вентилем эжектором, который по линии активного потока подсоединен к прямому потоку газа, по линии пассивного потока - к паровому пространству резервуара сжиженного газа, а на выходе - к паровому пространству сепаратора жидкой фазы.

Поставленная задача решается также тем, что в качестве теплоносителя может быть использована смесь углеводородов, температуры кипения и кристаллизации которой регулируются изменением ее состава и давления.

Поставленная задача решается также тем, что в качестве смеси углеводородов может быть использована смесь пропана и бутана.

На фиг.1 представлена схема установки производства и регазификации сжиженного природного газа на АГНКС, позволяющая реализовать способ производства СПГ за счет аккумуляции холода при регазификации.

На фиг.2 представлена схема установки с дополнительным компрессором.

На фиг.3 представлена схема установки с эжектором.

На фиг.4 представлена Q-T диаграмма основного теплообменника при сжижении природного газа.

На фиг.5 представлена Q-T диаграмма испарителя при регазификации метана.

В состав установки входят две системы: система сжижения газа и система регазификации СПГ, а также транспортные средства для перемещения СПГ и промежуточного теплоносителя между системами.

В состав системы сжижения газа входят источник газа 1 (распределительный газопровод) с давлением 0,6-1,0 МПа, компрессор 2 с давлением нагнетания 20 МПа, адсорбер - осушитель 3 газа и основной теплообменник 4, дроссельный вентиль 5, промежуточный сепаратор жидкой фазы 6, теплообменник-охладитель 7, второй дроссельный вентиль 8, резервуар сжиженного природного газа 9 на давление 0,2 МПа, первая емкость 10 для холодного жидкого теплоносителя, первая емкость 11 для теплого жидкого теплоносителя, насос 12 для перемещения теплоносителя.

В состав системы регазификации у потребителя входят резервуар-газификатор 13 для сжиженного природного газа, теплообменник-испаритель 14, подогреватель газа 15, потребитель газа, например котельная предприятия 16, вторая емкость 17 для холодного жидкого теплоносителя, вторая емкость 18 для теплого жидкого теплоносителя, насос 19 для перемещения теплоносителя.

Установка работает следующим образом.

В системе сжижения природный газ из газопровода 1 при давлении 0,6-1,0 МПа поступает на компрессор 2 высокого давления, где сжимается до 20 МПа, очищается от диоксида углерода в адсорбере-осушителе газа 3 и поступает в основной теплообменник 4, где охлаждается за счет теплообмена с обратным потоком газа низкого давления и с холодным теплоносителем, который насосом 11 перемещается из емкости 10 в емкость 12 с повышением температуры. После выхода из основного теплообменника газ дросселируется на дроссельном вентиле 5 до давления трубопровода, и парожидкостная смесь поступает в сепаратор 6, где происходит отделение жидкости от пара. Пар возвращается обратным потоком в основной теплообменник, а жидкость проходит через теплообменник-охладитель 7, где дополнительно охлаждается потоком холодного теплоносителя и вторично дросселируется на вентиле 8 в резервуар 9 до давления около 0,15 МПа. Пары, образующиеся после второго дросселирования, направляются из резервуара 9 в атмосферу либо используются во вспомогательных технологических операциях при давлении около 0,2 МПа.

В процессе сжижения газа происходит нагревание теплоносителя и его перемещение из емкости 10 в емкость 12. В связи с этим холодный теплоноситель периодически доставляется автоцистерной из емкости 17 и сливается в емкость 10 (линия cd), а теплый теплоноситель из емкости 12 доставляется в емкость 18 (линия ab). Сжиженный природный газ также автотранспортом перемещается из резервуара 9 в резервуар-газификатор 13 и поступает на газификацию.

В системе газификации сжиженный природный газ при давлении около 0,15 МПа из резервуара 13 поступает в теплообменник-испаритель 14, где испаряется за счет теплообмена с промежуточным теплоносителем, который насосом 19 перемещается из емкости 18 в емкость 17. При этом теплоноситель охлаждается от температуры окружающей среды до температуры примерно 120 К. После теплообменника-испарителя газ поступает в подогреватель 15, откуда выходит с температурой на 10^o градусов ниже температуры окружающей среды и направляется к потребителю 16. При газификации количество теплого теплоносителя в емкости 18 уменьшается, а количество холодного теплоносителя в емкости 17 увеличивается. По мере заполнения емкости 17 холодный теплоноситель переливается в автоцистерну и отправляется в систему сжижения газа, где сливается в емкость 10 (линия cd). В свою очередь теплый теплоноситель автотранспортом доставляется в систему регазификации и сливается в емкость 18 (линия ab).

На фиг.2 представлена модификация установки, которая отличается тем, что пары из резервуара 9 подогреваются в теплообменнике-подогревателе 21, а затем сжимаются в дополнительном компрессоре 20 до давления газопровода 1 и возвращаются или в газопровод 1, или во всасывающую линию компрессора 2.

В установке, схема которой представлена на фиг.3, параллельно с первым дроссельным вентилем 5 установлен эжектор 22, который по линии активного потока подсоединен к прямому потоку газа, по линии пассивного потока - к паровому пространству резервуара, а на выходе - к паровому пространству сепаратора 6. Пары метана, отводимые из резервуара 9, сжимаются в эжекторе 22 с давления 0,15 МПа до 1,0 МПа за счет расширения прямого потока и возвращаются в газопровод 1 или во всасывающий трубопровод компрессора 2.

Для подтверждения эффективности предложенной установки ниже приводятся некоторые результаты термодинамических расчетов.

Для испарения сжиженного природного газа и его нагревания с 116 К до 260 К при давлении 0,15 МПа необходимо подвести 806 кДж/кг тепла. Это тепло подводится за счет охлаждения теплоносителя. В качестве теплоносителя принимаем смесь 50% пропана и 50% бутана (температура кипения 285 К при давлении 0,4 МПа, температура кристаллизации 114 К). Для охлаждения теплоносителя с 265 до 120 К необходимо 278 кДж/кг, т.е. при газификации 1кг метана можно охладить 806/278=2,9 кг теплоносителя (фиг.3).

Для охлаждения метана при давлении 20 МПа с температуры 290 К до температуры 125 К необходимо 623 кДж/кг, а для нагревания теплоносителя со 120 К до 260 К требуется 283 кДж/кг, т.е. для охлаждения 1 кг метана необходимо 623/283= 2,2 кг теплоносителя (фиг.2), что меньше количества теплоносителя, получаемого при регазификации. Таким образом, процесс регазификация-сжижение может быть реализован в данной установке при транспортировании 2,2 кг теплоносителя на 1кг сжиженного газа метана, причем в качестве теплоносителя используется смесь 50% пропана и 50% бутана при давлении 0,4 МПа. Некоторый избыток холода может быть использован для компенсации теплопритоков к теплоносителю при его хранении и транспортировании.

Как следует из фиг.4 и 5, для охлаждения 1 кг сжиженного газа при давлении 20 МПа до температуры 145 К необходимо 2,2 кг теплоносителя, а при испарении и нагревании 1 кг сжиженного газа при давлении 0,15 МПа можно охладить до 120 К 2,8 кг теплоносителя.

При однократном дросселировании с 20 до 0,15 МПа коэффициент сжижения составит 0,8, а при двукратном - около 0,9.

Установка для сжижения природного газа и его регазификации состоит из системы сжижения газа, системы регазификации и транспортных средств для перемещения холодного теплоносителя из его второй емкости в первую, для перемещения теплого теплоносителя из его первой емкости во вторую и для перемещения сжиженного газа из резервуара в резервуар-газификатор. Система сжижения газа включает последовательно установленные источник газа, метановый компрессор, адсорбер-осушитель газа, основной теплообменник, первый дроссельный вентиль, сепаратор жидкой фазы, теплообменник-охладитель, второй дроссельный вентиль и резервуар сжиженного газа. Первая емкость с холодным жидким теплоносителем подсоединена через насос к входу теплообменника-охладителя по линии обратного потока. Первая емкость с теплым жидким теплоносителем подсоединена к выходу основного теплообменника. Система регазификации включает резервуар-газификатор, испаритель сжиженного газа, подогреватель газа и потребитель газа. Вторая емкость с теплым жидким теплоносителем подсоединена через насос к входу испарителя по обратному потоку. Вторая емкость с холодным теплоносителем подсоединена к выходу испарителя по обратному потоку. Использование изобретения позволит снизить себестоимость сжиженного природного газа. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Установка для сжижения природного газа и его регазификации, содержащая систему сжижения газа, включающую последовательно соединенные по линии прямого потока газопровод и основной теплообменник; систему регазификации, включающую последовательно соединенные по линии прямого потока испаритель сжиженного газа и потребитель газа; а также транспортные средства для перемещения теплого теплоносителя и сжиженного газа из системы сжижения в систему регазификации и перемещения холодного теплоносителя из системы регазификации в систему сжижения газа, отличающаяся тем, что система сжижения снабжена последовательно установленными после источника газа компрессором высокого давления, адсорбером-осушителем газа, последовательно установленными после основного теплообменника первым дроссельным вентилем, сепаратором жидкой фазы, теплообменником-охладителем, вторым дроссельным вентилем, резервуаром сжиженного природного газа, а также первой емкостью с холодным жидким теплоносителем, подсоединенной через насос к входу теплообменника-охладителя по линии обратного потока, и первой емкостью с теплым жидким теплоносителем, подсоединенной к выходу основного теплообменника по линии обратного потока, а система регазификации снабжена резервуаром-газификатором, подсоединенным к входу испарителя по прямому потоку, и подогревателем, подсоединенным к выходу испарителя по прямому потоку, второй емкостью с теплым теплоносителем, через насос подсоединенной к входу испарителя по линии обратного потока, и второй емкостью с холодным жидким теплоносителем, присоединенной к выходу испарителя по линии обратного потока. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена теплообменником-подогревателем и дополнительным компрессором, линия всасывания которого через теплообменник-подогреватель соединена с паровым пространством резервуара сжиженного газа, а линия нагнетания - с газопроводом или с линией всасывания компрессора высокого давления. 3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена установленным параллельно с первым дроссельным вентилем эжектором, который по линии активного потока подсоединен к прямому потоку газа, по линии пассивного потока - к паровому пространству резервуара сжиженного газа, а на выходе - к паровому пространству сепаратора жидкой фазы. 4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве теплоносителя используют смесь углеводородов, температуры кипения и кристаллизации которой регулируются изменением ее состава и давления. 5. Установка по п. 4, отличающаяся тем, что в качестве смеси углеводородов используют смесь пропана и бутана.