УСТАНОВКА ДЛЯ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА Российский патент 2006 года по МПК F25J1/02 

Настоящее изобретение относится к установке для сжижения природного газа.

Установка для сжижения природного газа содержит основной теплообменник, в котором производится сжижение природного газа путем косвенного теплообмена, сопровождающегося испарением хладагента, и контур хладагента, в котором испарившийся хладагент сжимают и сжижают для получения сжиженного хладагента, который используется в основном теплообменнике. Контур хладагента содержит последовательность компрессоров, состоящую, по меньшей мере, из одного компрессора. По меньшей мере, один компрессор приводится в работу от газовой турбины, которая соединена непосредственно с валом компрессора. Такая установка раскрыта в описании американского патента №5689141. Поскольку газовая турбина имеет ограниченное операционное окно, вначале выбирают газовую турбину и производят разработку сжижающей установки таким образом, чтобы газовая турбина работала в своем ограниченном операционном окне. Кроме того, газовая турбина и компрессор соединены непосредственно друг с другом, так, что они формируют единый узел. Этот единый узел занимает существенную производственную площадь.

Существует тенденция к уменьшению занимаемой площади сжижающей установкой такого типа. Это применимо не только к установкам, работающим на суше, но также к сжижающим установкам на борту плавучих средств.

Такие сжижающие установки на борту плавучих средств используют при разработке газовых месторождений на шельфе, где газ сжижают вблизи места добычи. С этой целью сжижающую установку устанавливают на барже, которая служит в качестве плавучего накопителя сжиженного природного газа. На барже, кроме того, установлена разгрузочная система, предназначенная для перекачки сжиженного природного газа на танкер, и система загрузки, которая соединена посредством шарнира с верхним концом водоотделяющей колонны, нижний конец которой соединен со скважиной для добычи природного газа.

Настоящее изобретение направлено на создание установки, предназначенной для сжижения природного газа, которая имеет гибкую конструкцию и занимает небольшую площадь, так, что такая сжижающая установка может быть установлена, например, на барже.

С этой целью установка для сжижения природного газа, в соответствии с настоящим изобретением, содержит основной теплообменник, в котором производится сжижение природного газа путем косвенного теплообмена с испаряющимся хладагентом, и контур хладагента, в котором испарившийся хладагент сжимают и сжижают для получения сжиженного хладагента, который используется в основном теплообменнике, причем контур хладагента включает последовательность компрессоров, состоящую из, по меньшей мере, одного компрессора, работающего от электродвигателя.

Следует понимать, что на установке необходимо использовать электростанцию, предназначенную для выработки электроэнергии для привода электродвигателя. Эта электростанция содержит одну или большее количество газовых или паровых турбин, каждая из которых вращает электрогенератор. В сжижающей установке, в соответствии с настоящим изобретением, газовая или паровая турбина (турбины) может быть установлена в любом месте, наиболее удобном, исходя из соображений размещения оборудования или безопасности.

Настоящее изобретение будет описано ниже на примере, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 схематично изображает первый вариант воплощения настоящего изобретения;

фиг.2 схематично изображает второй вариант воплощения настоящего изобретения.

Рассмотрим фигуру 1. Установка 1 для сжижения природного газа, подаваемого по трубопроводу 5, содержит основной теплообменник 10, включающий кожух 11, внутри которого имеется межтрубная зона 12, в которой установлены три трубы 13, 14 и 15. В основном теплообменнике 10 природный газ сжижают путем косвенного теплообмена с хладагентом, испаряющимся в межтрубной зоне 12.

Установка 1 также содержит контур 20 хладагента. Контур 20 хладагента содержит межтрубную зону 12 основного теплообменника 10, трубопровод 22, первую и вторую последовательности 23а и 23b компрессоров, установленные параллельно, газо-жидкостной сепаратор 25, теплообменник 27 предварительного охлаждения, основной газо-жидкостной сепаратор 28 и вторую и третью трубы 14 и 15 соответственно теплообменника, установленные в основном теплообменнике 10.

Перед более подробным описанием последовательностей 23а и 23b компрессоров опишем остальные узлы контура 20 хладагента. Теплообменник 27 предварительного охлаждения содержит кожух 35, внутри которого заключена межтрубная зона 36, в которой установлены две трубы 37 и 38, которые относятся к контруру 20 хладагента. Входной конец трубы 37 соединен с помощью трубопровода 39 с выходным отверстием для газа газожидкостного сепаратора 25. Входное отверстие трубы 38 соединено с помощью трубопровода 40 с выходным отверстием для жидкости газо-жидкостного сепаратора 25. Выпускной конец трубы 38 соединен с соплом 42, установленным в межтрубной зоне 36, с помощью трубопровода 43 и содержит устройство 44 для расширения. Выпускной конец трубы 37 соединен с помощью трубопровода 46 со входом основного газо-жидкостного сепаратора 28. Выходное отверстие для газа основного газо-жидкостного сепаратора 28 соединено с помощью трубопровода 48 со входным отверстием трубы 14, и выходное отверстие для жидкости соединено с помощью трубопровода 50 с трубой 15 основного теплообменника 10. Выпускной конец трубы 14 соединен с соплом 52, установленным в межтрубной зоне 12, с помощью трубопровода 53, в котором установлено устройство 54 для расширения, и выпускной конец трубы 15 соединен с соплом 58, которое установлено в межтрубной зоне 12 теплообменника, с помощью трубопровода 59 и снабжен устройством 60 для расширения.

Далее будут более подробно описаны параллельные последовательности компрессоров. Каждая из последовательностей 23а и 23b состоит из трех взаимно соединенных компрессоров, компрессора 65а, 65b низкого давления, компрессора 66а, 66b промежуточного давления и компрессора 67а, 67b высокого давления. Трубопровод 22 соединен со входами компрессоров 65а и 65b низкого давления с помощью трубопроводов 22а и 22b. Выходы компрессоров 65а, 65b низкого давления соединены со входами компрессоров 66а, 66b промежуточного давления с помощью трубопроводов 70а и 70b, которые снабжены воздушным охладителем 71. Выходы компрессоров 66а, 66b промежуточного давления соединены со входами компрессоров 67а, 67b высокого давления с помощью трубопроводов 72а и 72b, которые снабжены воздушным охладителем 73. Выходы компрессоров 67а, 67b высокого давления соединены со входом газо-жидкостного сепаратора 25 с помощью трубопроводов 74, 74а и 74b, которые снабжены воздушным охладителем 75.

Межтрубная зона 36 теплообменника 27 предварительного охлаждения соединена со входами компрессоров 66а, 66b промежуточного давления с помощью трубопровода 80.

Компрессоры каждой последовательности 23а или 23b компрессоров установлены по одной оси 82а или 82b с приводом только от электродвигателей 83а или 83b. Электродвигатели 83а и 83b соединены с электрогенератором (не показан) с помощью электрических кабелей 84а и 84b.

При нормальной работе природный газ, подаваемый по трубопроводу 5, проходит по трубе 13 теплообменника, установленной в межтрубной зоне 12 основного теплообменника 10, и сжиженный природный газ выходит через выпускной конец трубы 13. Испарившийся хладагент выходит из межтрубной зоны 12 и проходит через трубопроводы 22, 22а, 22b на входы компрессоров 65а, 65b низкого давления параллельных последовательностей 23а и 23b компрессоров, таким образом, что, по существу, равное количество хладагента поступает в последовательности 23а и 23b компрессоров. В компрессорах 65а, 65b, 66а, 66b, 67а, 67b хладагент сжимают в ступенях от низкого давления до высокого давления, и тепло, образующееся при сжатии, удаляют с помощью воздушных охладителей 71 и 73.

Хладагент под высоким давлением поступает в воздушный охладитель 75, в котором он частично сжижается. Поток частично сжиженного хладагента разделяют на потоки газообразный и жидкостной в газо-жидкостном сепараторе 25.

Жидкостной поток используют для самоохлаждения и для частичного сжижения потока газообразного хладагента. С этой целью жидкостной поток проходит под высоким давлением через трубу 38 теплообменника и расширяется в устройстве 44 для расширения. Поток жидкости в расширенной форме вводят в межтрубную зону 36 через сопло 42. Газообразный поток частично сжижается в трубе 37 теплообменника и поступает в основной газо-жидкостный сепаратор 28.

В основном газо-жидкостном сепараторе 28 этот поток разделяют на газообразный поток и жидкостный поток, причем оба эти потока используют для самоохлаждения и для сжижения потока природного газа в основном теплообменнике 10.

С этой целью жидкостной поток проходит под высоким давлением через трубу 15 теплообменника и расширяется в устройстве 60 для расширения. Жидкостной поток в расширенной форме вводят через сопло 58 в межтрубную зону 12, где он испаряется при низком давлении. Газообразный поток под высоким давлением пропускают через трубу 14 теплообменника, в которой он частично сжижается, и этот частично сжиженный поток затем расширяют в устройстве 54 для расширения и вводят в межтрубную зону 12 кожуха через сопло 52, где он испаряется при низком давлении.

В основном теплообменнике 10 поток природного газа сжижают, и он подвергается промежуточному охлаждению при пропускании через трубу 13 теплообменника путем косвенного теплообмена с расширенными потоками, которые вводят в межтрубную зону 12 через сопла 52 и 58.

Предпочтительно, природный газ проходит предварительное охлаждение и с этой целью его подают через трубопровод 85 на входной конец трубы 86 в теплообменнике 27 предварительного охлаждения. Выходной конец трубы 86 теплообменника соединен с трубопроводом 5.

Рассмотрим фигуру 2, на которой схематично представлен альтернативный вариант воплощения настоящего изобретения. Детали, аналогичные деталям, описанным со ссылкой на фигуру 1, обозначены теми же номерами ссылок. Установка 2, согласно фиг.2, отличается от установки 1, представленной на фиг.1 тем, что контур 20 хладагента включает вспомогательные теплообменники 90 и 91. Во вспомогательных теплообменниках 90 и 91 хладагент частично сжижают путем косвенного теплообмена со вспомогательным хладагентом. Вспомогательные теплообменники 90 и 91 также формируют часть вспомогательного контура 100 хладагента. Вспомогательные теплообменники 90 и 91 используются вместо воздушного охладителя 75 и теплообменника 27 предварительного охлаждения, представленных на фигуре 1. Кроме того, каждая из первой и второй последовательностей 23а и 23b компрессоров состоит из одного компрессора 65а и 65b.

Далее будет описан контур 100 вспомогательного хладагента установки 2. Контур 100 вспомогательного хладагента содержит межтрубную зону 101 вспомогательного теплообменника 91, трубопровод 102, первую и вторую последовательности 103а и 103b вспомогательных компрессоров, установленные параллельно, трубу 104 теплообменника, установленную во вспомогательном теплообменнике 90, и трубу 106 теплообменника во вспомогательном теплообменнике 91.

Последовательности 103а и 103b вспомогательных компрессоров состоят из двухступенчатых компрессоров 110а и 110b, которые установлены для подачи в них двух потоков испарившегося вспомогательного хладагента, поступающего из межтрубной зоны 101 вспомогательного теплообменника 91 по трубопроводам 102, 102а, 102b, и из межтрубной зоны 112 вспомогательного теплообменника 90 через трубопроводы 105, 105а и 105b. Компрессоры 110а и 110b приводятся в действие только от вспомогательных электродвигателей 113а или 113b. Вспомогательные электродвигатели 113а и 113b соединены с электрогенератором (не показан) с помощью электрических кабелей 114а, 114b.

Выходы двухступенчатых компрессоров 110а и 110b соединены со входом трубы 104 вспомогательного теплообменника 90 с помощью трубопроводов 116а, 116b, 116, на которых установлен воздушный охладитель 117. Выпускной конец трубы 104 теплообменника соединен с соплом 120, которое установлено в межтрубной зоне 112, с помощью трубопровода 125, который содержит устройство 126 для расширения для подачи в ходе нормальной работы части вспомогательного хладагента в межтрубную зону 112. Остальная его часть пропускается по трубопроводу 130, который соединен со входным концом трубы 106 во вспомогательном теплообменнике 91. Выпускной конец трубы 106 теплообменника соединен с соплом 135, которое установлено в межтрубной зоне 101, с помощью трубопровода 140, на котором установлено устройство 144 для расширения.

В ходе нормальной работы природный газ, подаваемый по трубопроводу 5, проходит по трубе 13, установленной в межтрубной зоне 12 основного теплообменника 10, и сжиженный природный газ выходит из выпускного конца трубы 13 теплообмена.

Испарившийся хладагент выводят из межтрубной зоны 12 кожуха и подают через трубопроводы 22, 22а, 22b на входы параллельных последовательностей 23а и 23b компрессоров, таким образом, что, по существу, равное количество хладагента поступает в последовательности 23а и 23b компрессоров. Тепло, образующееся при сжатии, отбирают в воздушных охладителях 71а и 71b. Хладагент проходит по трубопроводу 74 в трубу 150 вспомогательного теплообменника 90 и затем в трубу 155 вспомогательного теплообменника 91, и при этом хладагент частично сжижается за счет косвенного теплообмена с испаряющимся вспомогательным хладагентом.

Из выпускного конца трубы 155 теплообменника частично сжиженный хладагент проходит по трубопроводу 46 в основной газо-жидкостный сепаратор 28. В основном газо-жидкостном сепараторе 28 он разделяется на газообразный поток и жидкостной поток, причем оба эти потока используются для самоохлаждения и для сжижения потока природного газа в основном теплообменнике 10.

С этой целью жидкостной поток пропускают под высоким давлением через трубу 15 теплообменника и расширяют в устройстве 60 для расширения. В расширенной форме жидкостной поток вводят в межтрубную зону 12 через сопла 58. Газообразный поток пропускают под высоким давлением через трубу 14 теплообмена, в которой он частично сжижается, и этот частично сжиженный поток затем расширяется в устройстве 54 для расширения и поступает в межтрубную зону 12 кожуха через сопло 52.

Как описано выше, для частичного сжижения хладагента вспомогательный хладагент пропускают через контур 100 вспомогательного хладагента по следующему пути.

Испарившийся вспомогательный хладагент выводят из межтрубной зоны 101 вспомогательного теплообменника 91 и пропускают по трубопроводам 102, 102а, 102b на входы параллельных вспомогательных компрессоров 110а и 110b, таким образом, что при нормальной работе, по существу, равное количество вспомогательного хладагента подают в компрессоры 110а и 110b. В компрессорах 110а и 110b вспомогательный хладагент сжимают до высокого давления. Тепло, образующееся при сжатии, отбирают от сжатого вспомогательного хладагента с помощью воздушного охладителя 117.

Вспомогательный хладагент под высоким давлением подают через трубу 104 во вспомогательный теплообменник 90, и часть охлажденного вспомогательного хладагента пропускают через устройство 126 для расширения в межтрубную зону 112, где он испаряется под действием промежуточного давления. Таким образом происходит охлаждение вспомогательного хладагента при самоохлаждении и при охлаждении хладагента, пропускаемый по трубе 150 теплообменника. Остальная часть его подается под высоким давлением в трубу 106 вспомогательного теплообменника 91. Охлажденный вспомогательный хладагент, выходящий из трубы 106 теплообменника, проходит через устройство 144 для расширения в межтрубную зону 101 вспомогательного теплообменника 91, где он испаряется при низком давлении.

Вспомогательный хладагент при промежуточном давлении выводят из межтрубной зоны 112 вспомогательного теплообменника 90 через трубопроводы 105, 105а и 105b и подают на входы второй ступени двухступенчатых компрессоров 110а и 110b, в то время, как вспомогательный хладагент под низким давлением выводят из межтрубной зоны 101 вспомогательного теплообменника 91 по трубопроводам 102, 102а и 102b и подают на входы первой ступени двухступенчатых компрессоров 110а и 110b.

Предпочтительно, природный газ проходит этап предварительного охлаждения и с этой целью его подают по трубопроводу 158 на входной конец трубы 160, во вспомогательном теплообменнике 91. Выходной конец трубы 160 теплообменника соединен с трубопроводом 5.

Рабочие условия сжижающих установок, описанных со ссылками на фигуры, и составы хладагентов хорошо известны и не будут здесь описаны.

Преимущество установки, описанной со ссылками на фигуру 2, состоит в том, что энергия, подаваемая на электродвигатели 83а и 83b и электродвигатели 113а и 113b, может выбираться таким образом, чтобы она соответствовала условиям охлаждения в контурах 20 и 100 охлаждения.

Параллельная компоновка последовательностей компрессоров является предпочтительной, поскольку в случае отказа или технического обслуживании одной последовательности компрессоров, другая может продолжать работать так, что установка может продолжать сжижать природный газ.

Каждая из последовательностей 23а и 23b компрессоров, состоящая из трех отдельных компрессоров, может быть заменена одним трехступенчатым компрессором.

Следует понимать, что воздушные охладители могут быть заменены водяными охладителями.

Электрические генераторы, вырабатывающие электроэнергию для приводов электродвигателей 83а, 83b, 113а и 113b, и необходимые для них приводы (паровые или газовые турбины) могут быть установлены в удобных местах. Они не обязательно должны быть установлены последовательно с компрессорами, и, поэтому, настоящее изобретение направлено на установку, предназначенную для сжижения природного газа, которая имеет гибкую конструкцию и занимает только относительно небольшую площадь, так, что, например, такая сжижающая установка может быть установлена на барже.

Установка, предназначенная для сжижения природного газа, содержит основной теплообменник, в котором природный газ сжижают путем косвенного теплообмена с испаряющимся хладагентом, и контур хладагента, в котором испарившийся хладагент сжимают и сжижают для получения сжиженного хладагента, который используют в основном теплообменнике. Контур хладагента включает последовательность компрессоров, в которой, по меньшей мере, один компрессор работает только от электродвигателя. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Установка, предназначенная для сжижения природного газа, содержащая основной теплообменник, в котором природный газ сжижают путем косвенного теплообмена с испаряющимся хладагентом, и контур хладагента, в котором испарившийся хладагент сжимают и сжижают для получения сжиженного хладагента, который используют в основном теплообменнике, отличающаяся тем, что контур хладагента включает последовательность компрессоров, в которой, по меньшей мере, один компрессор работает только от электродвигателя.2. Установка по п.1, в которой контур хладагента включает две параллельные последовательности компрессоров, каждая из которых состоит, по меньшей мере, из одного компрессора, работающего от электродвигателя.3. Установка по п.1 или 2, в которой контур хладагента включает средство, предназначенное для, по меньшей мере, частичного сжижения хладагента путем самоохлаждения.4. Установка по п.1 или 2, в которой контур хладагента включает вспомогательный теплообменник, предназначенный для частичного сжижения хладагента путем косвенного теплообмена с испаряющимся вспомогательным хладагентом, причем эта установка дополнительно включает контур вспомогательного хладагента и средство для сжижения вспомогательного хладагента путем самоохлаждения, в котором испарившийся вспомогательный хладагент сжимают и сжижают для получения сжиженного вспомогательного хладагента, который используют во вспомогательном теплообменнике, причем контур вспомогательного хладагента включает последовательность вспомогательных компрессоров, состоящую, по меньшей мере, из одного компрессора, приводимого в работу от электродвигателя.5. Установка по п.4, в которой контур вспомогательного хладагента включает две параллельные последовательности вспомогательных компрессоров, каждая из которых состоит, по меньшей мере, из одного компрессора, приводимого в работу от электродвигателя.6. Способ сжижения природного газа, содержащий следующие этапы: подачу природного газа; сжижение природного газа путем косвенного теплообмена в основном теплообменнике с испаряющимся хладагентом, циркулирующем в контуре хладагента, причем испарившийся хладагент сжимают и сжижают для получения сжиженного хладагента, который используют как испаряющийся хладагент, причем испарившийся хладагент сжимается последовательностью компрессоров, в которой, по меньшей мере, один компрессор работает только от электродвигателя.