КОНТУР ХЛАДАГЕНТА Российский патент 2011 года по МПК F25J1/02 F25B1/10 

Настоящее изобретение относится к контуру хладагента, в частности, предназначенному для использования на сжижающей установке.

Известно несколько конструкций контура хладагента. Обычно контур хладагента содержит холодильное устройство (или «зону охлаждения»), в котором хладагент испаряется в один или несколько этапов, отводя тепло из подлежащего охлаждению потока газа, компрессор для повторного сжатия парообразного хладагента (хладагентов) и возвратные трубы для возврата повторно сжатого хладагента в холодильное устройство.

Величина охлаждения за единицу времени в холодильном устройстве пропорциональна удельному массовому расходу хладагента, проходящего через холодильное устройство контура хладагента. При увеличении потока, который надо охладить (такого как подлежащий сжижению природный газ), удельный массовый расход хладагента должен быть увеличен. Хотя увеличение удельного массового расхода не влияет на количество рабочих колес в компрессоре, оно влияет на их размер, диаметр корпуса и на скорость на входе в рабочие колеса. Так как последние переменные величины увеличиваются при увеличении скорости потока, то увеличение скорости потока приводит к увеличению габаритов компрессоров и скоростей на входе. Более того, увеличение диаметра корпуса компрессора требует более толстых стенок корпуса. В результате увеличивается сложность изготовления компрессора, и возникают трудности при его погрузке и разгрузке.

Так как установки по сжижению природного газа и другие установки обработки газа проектируются под постоянно увеличивающуюся производительность для получения большей экономической выгоды, то существует постоянная потребность в альтернативных установках и способах, позволяющих уменьшить размеры и скорости на входе в большой компрессор.

В документе WO 01/44734, который включен в настоящее описание посредством ссылки, описан контур хладагента, предназначенный для использования в сжижающей установке и содержащий устройство сжатия с двумя компрессорами, каждый из которых расположен в отдельном корпусе. Устройство сжатия по WO 01/44734 позволяет оперировать с четырьмя различными потоками хладагента, который испаряется в холодильном устройстве при нескольких уровнях давления.

В документах US 3527059 и US 6691531 описаны контуры хладагента, позволяющие оперировать потоками хладагента, который испаряется при трех различных уровнях давления.

Задачей настоящего изобретения является создание альтернативного контура хладагента, позволяющего удовлетворить упомянутую выше потребность.

Указанная задача и другие задачи могут быть решены в контуре хладагента, соответствующем настоящему изобретению и предназначенном, в частности, для использования в сжижающей установке, при этом охлаждающий контур содержит, по меньшей мере, следующее:

- холодильное устройство, содержащее впускное отверстие для хладагента, находящегося под давлением охлаждения, и по меньшей мере пять выпускных отверстий для парообразного хладагента, испаряющегося при пяти различных уровнях давления;

- первый компрессор, содержащий одно или несколько впускных отверстий, в которые поступает парообразный хладагент из холодильного устройства, и выпускное отверстие, которое соединено с впускным отверстием холодильного устройства;

- второй компрессор, содержащий одно или несколько впускных отверстий, в которые поступает парообразный хладагент из холодильного устройства, и выпускное отверстие, которое соединено с впускным отверстием холодильного устройства;

- при этом по меньшей мере пять выпускных отверстий предназначены для потоков хладагента, испаряющегося, по меньшей мере, при четырех или предпочтительно при пяти уровнях давления, увеличивающихся от первого выпускного отверстия до пятого выпускного отверстия и до возможно присутствующих выпускных отверстий с большими номерами.

Важным достоинством настоящего изобретения является то, что контур хладагента удивительно прост и позволяет оперировать пятью или большим количеством газообразных потоков хладагента, испаряющегося при четырех или более предпочтительно при пяти, или более различных уровнях давления в холодильном устройстве.

Другое достоинство настоящего изобретения состоит в том, что каждый из компрессоров может быть отдельно защищен от избыточного сжатия, например, с использованием обратных клапанов или подобных устройств. Это может значительно уменьшить размер системы сброса давления.

Другое достоинство настоящего изобретения состоит в том, что испарение хладагента осуществляется при более четырех различных уровнях давления, что более эффективно.

Специалисту в данной области техники ясно, что конструкция холодильного устройства может быть различной. Согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления изобретения, хладагент может испаряться при по меньшей мере пяти различных уровнях давления. Специалисту в рассматриваемой области техники известно, что понимается под холодильным устройством, поэтому в дальнейшем оно не будет описываться.

Первый и второй компрессоры могут быть любыми подходящими компрессорами. При необходимости их количество может быть более двух. Кроме того, как первый, так и второй (и даже большее количество) компрессоров могут содержать одну или более ступеней сжатия.

Согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления изобретения:

- первый компрессор содержит главное впускное отверстие для хладагента, выходящего из первого выпускного отверстия, второе впускное отверстие для хладагента, выходящего из третьего выпускного отверстия, третье впускное отверстие для хладагента, выходящего из пятого выпускного отверстия, и выпускное отверстие, которое соединено с впускным отверстием холодильного устройства;

- второй компрессор содержит главное впускное отверстие для хладагента, выходящего из второго выпускного отверстия, второе впускное отверстие для хладагента, выходящего из четвертого выпускного отверстия, и выпускное отверстие, которое соединено с впускным отверстием холодильного устройства.

Предпочтительно нечетные выпускные отверстия (то есть первое, третье, пятое, седьмое и т.д.) соединены с первым компрессором, а четные выпускные отверстия (то есть второе, четвертое, шестое, восьмое и т.д.) соединены со вторым компрессором, при этом давление парообразного хладагента увеличивается от первого выпускного отверстия до пятого и до возможно присутствующих выпускных отверстий с большими номерами.

Достоинство шахматной конструкции ступеней компрессора состоит в том, что мощности компрессоров могут быть равномерно распределены между первым и вторым компрессорами, что стало возможным благодаря практически равным отношениям давления ступеней компрессоров.

При желании к одному или нескольким выпускным отверстиям холодильного устройства могут быть присоединены экономайзеры. Экономайзеры широко известны в технике (см., например, Джон М. Кемпбелл /John M.Campbell/, "Gas Conditioning and Processing. - Vol.2: The Equipment Modules", 8-ое издание, под редакцией Роберта А.Хаббарда /Robert A.Hubbard/, 2004, страница 219), поэтому их описание опущено. Предпочтительно с экономайзером соединено выпускное отверстие холодильного устройства для хладагента, испаряющегося при самом высоком давлении.

Другим объектом настоящего изобретения является установка для получения сжиженного углеводородного продукта, такого как сжиженный природный газ, которая содержит контур хладагента, соответствующий настоящему изобретению и предназначенный для охлаждения потока углеводородов, например природного газа.

Еще одним объектом настоящего изобретения является способ охлаждения, предпочтительно сжижения потока углеводородов, при этом поток углеводородов охлаждают с использованием контура хладагента, соответствующего настоящему изобретению.

Так как в технике известны способы охлаждения и сжижения потока углеводородов, то их описание опущено. Примеры процессов сжижения приведены в документах US 6389844 и US 6370910, которые включены в настоящий документ посредством ссылки.

Поток углеводородов, который надо охладить и/или подвергнуть сжижению, может представлять собой любой подходящий поток, содержащий углеводороды, но обычно он является потоком природного газа, полученного из нефтяных пластов или пластов природного газа. В качестве альтернативы, природный газ также может быть получен из другого источника, в том числе искусственного источника, такого как процесс Фишера-Тропша.

Обычно поток углеводородов в основном состоит из метана (например, более 60 молярных % метана). В зависимости от источника, поток углеводородов может содержать различные количества более тяжелых углеводородов, таких как этан, пропан, бутаны и пентаны, а также некоторые ароматические углеводороды. Также поток углеводородов может содержать неуглеводороды, такие как H₂O, N₂, CO₂, H₂S и другие сернистые соединения и т.п.

До охлаждения поток углеводородов может быть предварительно обработан. Эта предварительная обработка может состоять в удалении нежелательных компонентов, таких как Н₂О, CO₂, H₂S, и содержать другие стадии, такие как предварительное охлаждение, предварительное повышение давления или подобные. Так как эти стадии хорошо известны специалистам в рассматриваемой области техники, их описание опущено.

Изобретение будет более подробно описано на примере со ссылками на не ограничивающие изобретение чертежи.

На фиг.1 схематично показан соответствующий настоящему изобретению контур хладагента, позволяющий оперировать с пятью потоками хладагента, испаряющегося при различных уровнях давления;

на фиг.2 схематично показан соответствующий настоящему изобретению контур хладагента, позволяющий оперировать с восемью потоками хладагента, испаряющегося при различных уровнях давления;

на фиг.3 схематично показан соответствующий настоящему изобретению контур хладагента с тремя компрессорами;

на фиг.4 и 5 схематично показан соответствующий настоящему изобретению альтернативный вариант выполнения контура хладагента, позволяющего оперировать с пятью потоками хладагента.

В дальнейшем одной ссылочной позицией обозначены как труба, так и поток, проходящий по этой трубе. Одинаковые ссылочные позиции обозначают аналогичные компоненты.

Схематически показанный на фиг.1 контур 1 хладагента содержит холодильное устройство 2 (или «зону охлаждения»), изображенное в виде прямоугольника, первый компрессор 3, второй компрессор 4 и охлаждающее устройство 5, такое как воздушное или водяное охлаждающее устройство. Так как холодильное устройство 2 хорошо известно, то для ясности здесь оно показано только схематически.

Первый и второй компрессоры 3 и 4 расположены в отдельных корпусах. Эти компрессоры могут являться компрессорами любого типа, но целесообразно, чтобы они были центробежными компрессорами.

Впускное отверстие 21 холодильного устройства 2 предназначено для хладагента 10, находящегося под давлением охлаждения. В холодильном устройстве 2 может быть выполнено более одного впускного отверстия.

В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1, холодильное устройство 2 содержит пять выпускных отверстий 22, 23, 24, 25 и 26, предназначенных для парообразного хладагента, испаряющегося при различных уровнях давления, при этом давление увеличивается от первого выпускного отверстия 22 до пятого выпускного отверстия 26. Например, первое выпускное отверстие 22 предназначено для потока 20 газообразного хладагента, находящегося под низким давлением, второе выпускное отверстие 23 предназначено для потока 30 газообразного хладагента, находящегося под средним давлением, третье выпускное отверстие 24, предназначенное для потока 40 газообразного хладагента, находящегося под высоким давлением, четвертое выпускное отверстие 25, предназначенное для потока 50 газообразного хладагента, находящегося под очень высоким давлением, и пятое выпускное отверстие 26, предназначенное для потока 60 газообразного хладагента, находящегося под наиболее высоким давлением.

И первый 3, и второй 4 компрессоры расположены в отдельных корпусах. Первый компрессор 3 содержит три взаимосвязанные части 51, 52 и 53, а второй компрессор 4 содержит две взаимосвязанные части 61 и 62. Каждая часть может содержать одно или несколько рабочих колес. При этом рабочее колесо иногда называют ступенью. Части 51, 52, 53, 61 и 62 называются следующим образом: части 51 и 61 - низкого давления, часть 52 - промежуточного давления и части 53 и 62 - высокого давления.

Первый компрессор 3 содержит главное или первое впускное отверстие 31, второе впускное отверстие 32, третье впускное отверстие 33 и выпускное отверстие 34. Второй компрессор 4 содержит главное или первое впускное отверстие 41, второе впускное отверстие 42 и выпускное отверстие 44. Главное впускное отверстие 31 первого компрессора 3 ведет в часть 51 низкого давления, а второе впускное отверстие 32 ведет в часть 52 промежуточного давления. Третье впускное отверстие 33 ведет в часть 53 высокого давления. Главное впускное отверстие 41 второго компрессора 4 ведет в часть 61 низкого давления, а второе впускное отверстие 42 ведет в часть 62 высокого давления. Для ясности приводные механизмы компрессоров 3 и 4 не показаны.

Выпускные отверстия 34 и 44 компрессоров 3 и 4 соединены с впускным отверстием 21 холодильного устройства 2 посредством труб 10, 10а и 10b. Первое выпускное отверстие 22 холодильного устройства 2 соединено с главным впускным отверстием 31 первого компрессора 3 с помощью трубы 20, а второе выпускное отверстие 23 соединено с главным впускным отверстием 41 второго компрессора 4 с помощью трубы 30. Третье выпускное отверстие 24 соединено со вторым впускным отверстием 32 первого компрессора 3 посредством трубы 40, четвертое выпускное отверстие 25 соединено со вторым впускным отверстием 42 второго компрессора 4 посредством трубы 50, а пятое выпускное отверстие 26 соединено с третьим впускным отверстием 33 первого компрессора 3 посредством трубы 60.

При нормальной работе устройства, каждый из двух компрессоров 3 и 4 сжимает часть хладагента до давления охлаждения, так что весь хладагент поступает во впускное отверстие 21 холодильного устройства 2 по трубам 10, 10а и 10b под давлением охлаждения. Хладагент испаряется в пяти теплообменниках (не показаны), расположенных последовательно в холодильном устройстве 2.

В первом теплообменнике хладагент частично испаряется при наиболее высоком давлении, которое ниже давления охлаждения, жидкая часть хладагента проходит во второй теплообменник, а оставшийся пар возвращается в первый компрессор 3 по трубе 60. Во втором теплообменнике хладагент частично испаряется при очень высоком давлении, которое ниже наиболее высокого давления, жидкая часть хладагента проходит в третий теплообменник, а оставшийся пар возвращается во второй компрессор 4 по трубе 50. В третьем теплообменнике хладагент частично испаряется при высоком давлении, которое ниже очень высокого давления, жидкая часть хладагента проходит в четвертый теплообменник, а оставшийся пар возвращается в первый компрессор 3 по трубе 40. В четвертом теплообменнике хладагент частично испаряется при среднем давлении, которое ниже высокого давления, жидкая часть хладагента проходит в пятый теплообменник, а оставшийся пар возвращается во второй компрессор 4 по трубе 30. В пятом теплообменнике хладагент испаряется при низком давлении, которое ниже среднего давления, и хладагент, выходящий из пятого теплообменника, возвращается в первый компрессор 3 по трубе 20. При желании к одному или нескольким выпускным отверстиям холодильного устройства 2 могут быть присоединены экономайзеры. Предпочтительно с экономайзером соединено выпускное отверстие холодильного устройства 2, предназначенное для хладагента, испаряющегося при самом высоком давлении (то есть пятое выпускное отверстие 26 на фиг.1).

На фиг.2 схематически показан соответствующий настоящему изобретению контур 1 хладагента, позволяющий оперировать с восемью потоками хладагента, испаряющегося при различных уровнях давления. С этой целью холодильное устройство 2 содержит восемь расположенных последовательно теплообменников (не показаны). Холодильное устройство 2 содержит восемь выпускных отверстий, в том числе шестое выпускное отверстие 27, седьмое выпускное отверстие 28 и восьмое выпускное отверстие 29.

Шестое выпускное отверстие 27 и восьмое выпускное отверстие 29 соединены (посредством труб 70 и 90) с третьим и четвертым впускными отверстиями 43 и 45 второго компрессора 4, а седьмое выпускное отверстие 28 соединено (посредством трубы 80) с четвертым впускным отверстием 35 первого компрессора 3.

В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.2, первый и второй компрессоры 3 и 4 содержат четыре взаимосвязанные части 51, 52, 53, 54 и 61, 62, 63, 64, соответственно.

Согласно настоящему изобретению предпочтительно, чтобы нечетные выпускные отверстия (то есть первое выпускное отверстие 22, третье выпускное отверстие 24, пятое выпускное отверстие 26, и т.д.) холодильного устройства 2 были соединены с первым компрессором 3, а нечетные выпускные отверстия (то есть второе выпускное отверстие 23, четвертое выпускное отверстие 25 и т.д.) были соединены со вторым компрессором 4 (как показано на фиг.1 и 2). Тем не менее настоящее изобретение также предусматривает альтернативные варианты осуществления.

В качестве примера на фиг.3 показан вариант выполнения контура 1 хладагента, соответствующего настоящему изобретению и содержащего более двух компрессоров. Контур 1 хладагента в этом примере содержит также третий компрессор 6 с главным впускным отверстием 71, выпускным отверстием 74 и вторым, и третьим впускными отверстиями 72 и 73.

Показанный на фиг.3 вариант осуществления изобретения позволяет оперировать с семью потоками 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 хладагента, испаряющегося в холодильном устройстве 2 при четырех различных уровнях давления: первый уровень давления для потоков 50 и 80 парообразного хладагента, второй уровень давления для потоков 40 и 70 парообразного хладагента, третий уровень давления для потоков 30 и 60 парообразного хладагента и четвертый уровень давления для потока 20 парообразного хладагента. Уровень давления уменьшается от первого уровня давления до четвертого уровня давления, то есть поток 20 имеет меньшее давление, чем потоки 50 или 80.

На фиг.4 и 5 изображены примеры альтернативного выполнения контуров хладагента, соответствующих настоящему изобретению и также позволяющих оперировать с пятью потоками хладагента, испаряющегося при пяти различных уровнях давления. Эти варианты являются альтернативами для конструкции, показанной на фиг.1. Уровень давления, при котором испаряются потоки 20, 30, 40, 50 и 60 хладагента, уменьшается от 60 до 20. Ясно, что трубы 20, 30, 40, 50, 60 могут быть соединены с первым и вторым компрессорами 3 и 4 другими способами, в связи с этим следует отметить, что можно представить множество различных конструкций, в которых имеется большее количество потоков хладагента и используется три или более компрессоров.

Специалисту в данной области техники ясно, что настоящее изобретение может быть модифицировано различными способами без выхода за объем формулы изобретения.

Настоящее изобретение касается охлаждающего контура (1), предназначенного, в частности, для использования в сжижающей установке. Охлаждающий контур (1) содержит холодильное устройство (2), содержащее впускное отверстие (21) для хладагента (10), находящегося под давлением охлаждения и, по меньшей мере, пять выпускных отверстий (22, 23, 24, 25, 26, …) для парообразного хладагента (20, 30, 40, 50, 60, …), испаряющегося при различных уровнях давления, первый компрессор (3), содержащий одно или несколько впускных отверстий, в которые поступает парообразный хладагент из холодильного устройства, и выпускное отверстие (34), которое соединено с впускным отверстием (21) холодильного устройства (2), и второй компрессор (4), содержащий одно или несколько впускных отверстий, в которые поступает парообразный хладагент из холодильного устройства, и выпускное отверстие (44), которое соединено с впускным отверстием (21) холодильного устройства (2). По меньшей мере, пять выпускных отверстий (22, 23, 24, 25, 26, …) предназначены для хладагента, испаряющегося при уровнях давления, увеличивающихся от первого выпускного отверстия (22) до пятого выпускного отверстия (26) и до возможно присутствующих выпускных отверстий с большими номерами. Техническим результатом является повышение эффективности. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Контур (1) хладагента, предназначенный, в частности, для использования в сжижающей установке, содержащий холодильное устройство (2) с впускным отверстием (21) для хладагента (10), находящегося под давлением охлаждения, и с по меньшей мере пятью выпускными отверстиями (22, 23, 24, 25, 26, …) для парообразного хладагента (20, 30, 40, 50, 60, …), испаряющегося при различных уровнях давления; первый компрессор (3) с одним или несколькими впускными отверстиями для приема парообразного хладагента из холодильного устройства и с выпускным отверстием (34), соединенным с впускным отверстием (21) холодильного устройства (2); второй компрессор (4) с одним или несколькими впускными отверстиями для приема парообразного хладагента из холодильного устройства и с выпускным отверстием (44), соединенным с впускным отверстием (21) холодильного устройства (2); при этом по меньшей мере пять выпускных отверстий (22, 23, 24, 25, 26, …) предназначены для потоков парообразного хладагента, испаряющегося при по меньшей мере пяти уровнях давления, увеличивающихся от первого выпускного отверстия (22) до пятого выпускного отверстия (26) или до возможно присутствующих выпускных отверстий с большими номерами.

2. Контур (1) хладагента по п.1, в котором давление парообразного хладагента увеличивается от первого выпускного отверстия до пятого и до возможно присутствующих выпускных отверстий с большими номерами, при этом нечетные выпускные отверстия соединены с первым компрессором, а четные выпускные отверстия соединены со вторым компрессором.

3. Контур (1) хладагента по п.1, в котором первый компрессор (3) содержит главное впускное отверстие (31) для хладагента (20), выходящего из первого выпускного отверстия (22), второе впускное отверстие (32) для хладагента (40), выходящего из третьего выпускного отверстия (24), третье впускное отверстие (33) для хладагента (60), выходящего из пятого выпускного отверстия (26), и выпускное отверстие (34), соединенное с впускным отверстием (21) холодильного устройства (2); а второй компрессор (4) содержит главное впускное отверстие (41) для хладагента (30), выходящего из второго выпускного отверстия (23), второе впускное отверстие (42) для хладагента (50), выходящего из четвертого выпускного отверстия (25), и выпускное отверстие (44), соединенное с впускным отверстием холодильного устройства (2).

4. Контур (1) хладагента по п.3, в котором холодильное устройство (2) содержит шестое выпускное отверстие (27) для парообразного хладагента, соединенное с третьим впускным отверстием (43) второго компрессора (4).

5. Контур (1) хладагента по любому из пп.1-4, в котором холодильное устройство (2) содержит более шести выпускных отверстий (22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, …) для хладагента, испаряющегося при различных уровнях давления, причем нечетные выпускные отверстия (22, 24, 26, 28, …) соединены с первым компрессором (3), а четные выпускные отверстия (23, 25, 27, …) соединены со вторым компрессором (4).

6. Контур (1) хладагента по любому из пп.1-4, в котором выпускное отверстие холодильного устройства (2) для хладагента, испаряющегося при наиболее высоком давлении, соединено с экономайзером.

7. Установка для получения сжиженного углеводородного продукта, такого как сжиженный природный газ, содержащая контур (1) хладагента по любому из пп.1-6 для охлаждения потока углеводородов, такого как поток подлежащего сжижению природного газа.

8. Способ охлаждения, предпочтительно сжижения, потока углеводородов, такого как поток природного газа, в котором подлежащий охлаждению поток углеводородов охлаждают с использованием контура (1) хладагента по любому из пп.1-6.