Согласно первому аспекту настоящее изобретение относится к способу производства потока сжиженных углеводородов. В соответствии со вторым аспектом настоящее изобретение относится к системе для производства потока сжиженных углеводородов. Согласно еще одному аспекту изобретение относится к способу работы компрессора.
Традиционным потоком сжиженных углеводородов в промышленности является сжиженный природный газ (СПГ), который может быть получен путем сжижения потока природного газа. Сжижение природного газа желательно по ряду причин. К примеру, природный газ легче может быть накоплен и транспортирован на большие расстояния в виде СПГ, а не в газообразной форме, поскольку СПГ занимает меньший объем и отсутствует необходимость его хранения под высоким давлением.
В документе US 2010/0257895 описана электрифицированная установка по производству СПГ, в которой для охлаждения природного газа используют компрессоры в виде холодильных компрессоров. Холодильные компрессоры приводятся в действие с помощью электродвигателей. Эти электродвигатели снабжаются электроэнергией от электростанции. Указанная электростанция содержит ряд электрогенераторных блоков (блоков электропитания), каждый из которых в качестве основного компонента содержит электрический генератор, приводимый в действие газовой или паровой турбиной.
Если по некоторым причинам располагаемая электрическая мощность неожиданно понижается или ее подвод частично прерывается, процесс производства СПГ будет нарушен и потребуется, по меньшей мере, несколько часов, прежде чем холодильный компрессор (компрессоры) вновь будет запущен и стабильность процесса производства СПГ восстановится.
Такая опасность может быть уменьшена за счет установления сверхноминальной мощности вырабатываемой электроэнергии (исходя из так называемого «принципа N+1») в виде резервных блоков электропитания или за счет функционирования ряда блоков электропитания при менее чем полной нагрузке, что иногда называют поддерживанием «вращающегося горячего резерва». Общим у таких решений является то, что допускается нарушение работы (авария) одного блока электропитания, поскольку по сравнению с минимально необходимыми N блоками электропитания для удовлетворения полной потребности в электроэнергии установки для производства СПГ, в соответствии с «принципом N+1» обеспечивается дополнительный электрогенераторный блок.
В упомянутом документе US 2010/0257895, кроме того, предлагается в случае аварии электрогенераторного блока электростанции предпочтительно понижать число оборотов привода компрессора предпочтительно в том случае, если предварительно установленный запас общей положительной нагрузки меньше, чем электрическая мощность, подводимая от электрогенераторного блока до того, как в этом блоке произошла авария. В соответствии с квадратичной кривой характеристики нагрузки турбокомпрессора мощность, отводимая от электродвигателей, уменьшается с числом оборотов по кубической зависимости. Если фактическая потребность установки для сжижения природного газа в электроэнергии не удовлетворяется, даже с учетом возможного снижения числа оборотов привода компрессора, подходящим решением является отключение, по меньшей мере, одного предварительно выбранного потребителя электрической энергии в установке для сжижения газа.
Недостаток решения со снижением нагрузки, предложенного в документе US 2010/0257895, заключается в том, что продолжительность времени переходного процесса, необходимого для проявления эффекта снижения нагрузки, ограничена общей инерцией вращения вращающихся элементов электродвигателей, компрессоров и приводных валов. Другой недостаток заключается в том, что решение согласно документу US 2010/0257895 требует, чтобы компрессор (компрессоры) приводился в действие двигателями с регулируемой частотой вращения.
Задачей заявленного изобретения является по существу устранение или по меньшей мере снижение вышеуказанных недостатков.
Первым объектом настоящего изобретения является способ производства потока сжиженных углеводородов, включающий:
циркуляцию хладагента через контур циркуляции хладагента, включающую сжатие, по меньшей мере, части хладагента в холодильном компрессоре, приводимом в действие с помощью электродвигателя, при этом холодильный компрессор содержит регулируемые (поворотные) входные направляющие лопатки, угол поворота которых можно регулировать по отношению к исходному положению;
отвод теплоты от первоначально парообразного потока углеводородов с конденсацией, по меньшей мере, части первоначально парообразного потока углеводородов для образования потока сжиженных углеводородов, причем отвод теплоты включает теплообмен между, по меньшей мере, частью первоначально парообразного потока углеводородов и, по меньшей мере, частью хладагента, циркулирующего по контуру циркуляции хладагента;
подвод электроэнергии к электродвигателю от электрической сети;
контроль сигнала, характеризующего состояние электрической сети;
автоматическое определение по контролируемому сигналу, существует ли необходимость дополнительного снижения нагрузки, по результатам сравнения полученного сигнала с предварительно заданным критерием;
автоматическое регулирование угла поворота регулируемых входных направляющих лопаток с уменьшением тем самым нагрузки холодильного компрессора, если указанный критерий удовлетворяется и необходимо дополнительное снижение нагрузки, и поддержание регулируемых входных направляющих лопаток под оптимальным заданным углом для оптимизации эффективности работы и/или рабочего диапазона холодильного компрессора, если критерий не удовлетворяется.
Вторым объектом настоящего изобретения является система для производства потока сжиженных углеводородов, содержащая:
контур циркуляции хладагента, предназначенный для циркуляции хладагента и содержащий компрессор для сжатия, по меньшей мере, части хладагента, и электродвигатель, взаимодействующий с холодильным компрессором для привода холодильного компрессора, при этом холодильный компрессор содержит регулируемые входные направляющие лопатки, выполненные с регулируемым углом поворота по отношению к исходному положению;
блок теплообменников, содержащий, по меньшей мере, один теплообменник, при этом указанный блок теплообменников предназначен для отвода теплоты от первоначально парообразного потока углеводородов с конденсацией, по меньшей мере, части первоначально парообразного потока углеводородов для получения потока сжиженных углеводородов, причем указанный, по меньшей мере, один теплообменник выполнен с возможностью приема, по меньшей мере, указанной части первоначально парообразного потока углеводородов и, по меньшей мере, части хладагента, циркулирующего через контур циркуляции хладагента, для осуществления теплообмена между ними;
электрическую сеть, подключенную к электродвигателю для электропитания электродвигателя;
контроллер снижения нагрузки, выполненный с возможностью контроля сигнала, характеризующего состояние электрической сети, для автоматического определения по этому сигналу, необходимо ли дополнительное снижение нагрузки, путем сравнения полученного сигнала с предварительно заданным критерием, и, если этот критерий удовлетворяется и необходимо дополнительное снижение нагрузки, для регулирования угла поворота регулируемых входных направляющих лопаток до положения, при котором холодильный компрессор является ненагруженным по сравнению с нагрузкой в предшествующем режиме, в котором угол поворота регулируемых входных направляющих лопаток соответствовал предшествующему положению лопаток, когда указанный показатель не удовлетворялся;
управляющий контроллер, выполненный с возможностью поддержания регулируемых входных направляющих лопаток под оптимальным заданным углом для оптимизации эффективности работы и/или рабочего диапазона холодильного компрессора, если критерий не удовлетворяется.
Еще одним объектом настоящего изобретения является способ работы компрессора, включающий:
сжатие, по меньшей мере, части хладагента в компрессоре, приводимом в действие электродвигателем, при этом компрессор содержит регулируемые входные направляющие лопатки, угол поворота которых можно регулировать;
подвод энергии к электродвигателю от электрической сети;
контроль сигнала, характеризующего состояние электросети;
автоматическое определение на основании сигнала, существует ли необходимость дополнительного снижения нагрузки, по результатам сравнения полученного сигнала с предварительно заданным критерием;
автоматическое регулирование угла поворота регулируемых входных направляющих лопаток с уменьшением тем самым нагрузки компрессора в том случае, если необходимо дополнительное снижение нагрузки;
поддержание регулируемых входных направляющих лопаток под оптимальным углом поворота для оптимизации эффективности работы и/или рабочего диапазона компрессора в том случае, если критерий не удовлетворяется.
Настоящее изобретение далее будет иллюстрировано с помощью предпочтительного примера и со ссылкой на сопровождающие, не ограничивающие чертежи.
На фиг. 1 показано схематическое изображение системы для производства потока сжиженных углеводородов;
на фиг. 2 - схематическое изображение иллюстративного, не ограничивающего изобретение примера воплощения регулируемых входных направляющих лопаток, установленных в центробежном компрессоре.
Для целей настоящего описания один ссылочный номер позиции будет обозначать трубопровод, а также поток, транспортируемый через этот трубопровод. Одинаковые элементы системы, потоки и трубопроводы обозначены одинаковыми ссылочными номерами позиций.
В настоящем описании раскрыты способы и системы для производства потока сжиженных углеводородов. В процессе производства потока сжиженных углеводородов используется компрессор, приводимый в действие электродвигателем. В компрессоре сжимают, по меньшей мере, часть текучей среды. Компрессор снабжен регулируемыми входными направляющими лопатками, угол поворота которых может регулироваться. Электродвигатель питается электрической энергией от электрической сети, при этом контролируют сигнал, соответствующий состоянию электрической сети. По сигналу автоматически определяют, существует ли необходимость в дополнительном снижении нагрузки, путем сравнения этого сигнала с заданным критерием. Угол поворота регулируемых входных направляющих лопаток автоматически регулируется, если критерий удовлетворяется и необходимо дополнительное снижение нагрузки, и в результате нагрузка компрессора автоматически снижается. За счет регулирования угла поворота входных направляющих лопаток потребность в электрической энергии может быть уменьшена без снижения числа оборотов электродвигателя. Следовательно, предлагаемый способ снижения нагрузки может быть использован независимо от того, будет использован электропривод с регулируемым числом оборотов или электропривод с фиксированным числом оборотов.
Кроме того, инерция вращающейся массы, в частности вращающихся элементов электродвигателя, компрессора и приводного вала, не оказывает влияние на инерционность действия по снижению нагрузки. Входные направляющие лопатки обладают намного меньшей инерционностью по сравнению с вращающимися частями системы электродвигатель/компрессор, и поэтому представляется, что инерционность, связанная с регулированием поворотных входных направляющих лопаток, может быть намного меньше.
Например, компрессор разгружают путем регулирования угла поворота входных направляющих лопаток, если контролируемый сигнал показывает, что располагаемая мощность становится меньше предварительно заданной величины. Состояние электрической сети, которому соответствует сигнал, может, таким образом, показывать располагаемую электрическую мощность питающей электрической сети по отношению к потребляемой мощности, при этом предварительно заданный критерий удовлетворяется, если располагаемая мощность, в соответствии с контролируемым сигналом, снижается ниже предварительно заданной величины.
Таким образом, питающая электрическая сеть может быть защищена путем быстрой разгрузки компрессора, обеспечивая тем самым быстрое снижение электрической мощности, потребляемой от электрической сети. В том случае, если предварительно заданный критерий не удовлетворяется, никакого дополнительного снижения нагрузки не требуется. В одной группе воплощений сигнал, характеризующий состояние электрической сети, соответствует частоте электрического тока, с которой работает электрическая сеть. Необходимость дополнительного снижения нагрузки может быть установлена на основании указанного сигнала, когда частота электрического тока в сети отклоняется от предварительно заданной номинальной частоты в сети. Обычно, если действующая частота тока в электрической сети меньше номинальной частоты электрического тока, снижение нагрузки может быть необходимым для уменьшения потребности в электрической энергии от сети, что помогает вернуть действующую частоту электрического тока в сети обратно к номинальной частоте тока в сети. Автоматическое определение по сигналу, является ли необходимым дополнительное снижение нагрузки, может включать сравнение действующей частоты электрического тока в сети с предварительно заданной номинальной частотой тока в сети. Заданный критерий, позволяющий установить, будет ли необходимо дополнительное снижение нагрузки, может представлять собой номинальную частоту тока в сети, и критерий удовлетворяется, если фактическая частота электрического тока в электросети снижается до величины ниже предварительно заданной номинальной частоты тока. В предпочтительных воплощениях используется компрессор в виде холодильного компрессора, при этом текучей средой является, например, такой холодильный хладагент, который можно использовать в системе и/или способе для производства потока сжиженных углеводородов. Приемлемо, чтобы компрессор приводился в действие с помощью электродвигателя.
Предложенный способ снижения нагрузки может быть также использован для предотвращения перегрузки, которая может быть обусловлена повышением окружающей температуры. Это может быть полезным, в особенности если компрессором является холодильный компрессор, используемый для сжатия, по меньшей мере, части хладагента, которое может быть произведено в процессе осуществления способа производства потока сжиженных углеводородов. Повышение окружающей температуры обычно увеличивает потребность в электрической энергии для сжижения потока углеводородов. Кроме того, если электрическая сеть питается электрической энергией, вырабатываемой с помощью одной или нескольких газовых турбин, в результате повышения температуры окружающей среды располагаемая электрическая мощность будет уменьшаться.
Предложенный способ снижения нагрузки может быть использован в отношении компрессоров, исходя из генерирования электроэнергии в так называемом «островном режиме работы», когда электрическая сеть питается электроэнергией от специально приспособленной для этого электростанции, а также в отношении компрессоров, питаемых энергией подводимой извне, например подводимой от локальной сети или от промышленной сети, к которой подключены также и другие потребители электроэнергии.
В том случае, если компрессор содержит регулируемые входные направляющие лопатки, угол поворота которых можно регулировать, реализация предлагаемого способа снижения нагрузки не требует значительных модификаций конструкции оборудования. Реализация способа может быть достигнута путем замены системы регулирования, которая обычно уже имеется и используется для регулирования установленных положений входных направляющих лопаток, или путем добавления специально разработанной системы регулирования.
На фиг. 1 проиллюстрирован способ работы компрессора, связанный со способом и системой для производства сжиженного потока углеводородов. Однако идеи, раскрытые ниже в настоящем описании, относящиеся к работе компрессора, не обязательно ограничиваются или лимитированы воплощениями, в которых компрессор представляет собой холодильный компрессор и/или в котором текучей средой является хладагент.
Система, представленная на фиг. 1, содержит, по меньшей мере, один контур циркуляции хладагента, представляющий собой первый контур 100 циркуляции хладагента, предназначенный для циркуляции хладагента 110. Каждый из, по меньшей мере, одного контура циркуляции хладагента содержит компрессор в виде холодильного компрессора 120 для сжатия, по меньшей мере, части хладагента 110, циркулирующего в контуре 100 циркуляции хладагента. Каждый холодильный компрессор соединен с электродвигателем 130, причем обычно посредством приводного вала 125, проходящего между соответствующими холодильным компрессором 120 и электродвигателем 130, служащим для приведения ротора соответствующего холодильного компрессора 120 во вращение.
Электродвигатель 130 подключен к электрической сети 400, питающей электродвигатель 130 электрической энергией. Электрическая сеть содержит источник электрической энергии, обычно в виде электростанции 410, и распределительную сеть 420, подключенную к источнику электрической энергии. Электростанцией может быть электростанция, работающая в «островном» режиме работы, т.е. специально выделенная для питания электрической энергией оборудования, используемого для сжижения углеводородов, или это может быть внешний источник энергии, от которого электрическая энергия подводится к оборудованию. Электрическая сеть 420 может быть подключена к электрической токоподводящей шине 430, предназначенной для подвода электрической энергии, по меньшей мере, к одному электродвигателю 130 с помощью линии 140 подачи электроэнергии. В воплощении, иллюстрируемом на фиг. 1, по меньшей мере, один контур циркуляции хладагента содержит используемый по усмотрению второй контур 200 циркуляции хладагента, через который циркулирует второй хладагент 210. Указанный контур содержит второй компрессор 220 для хладагента, второй электродвигатель 230, вторую линию 240 повода электроэнергии и второй механический приводной вал 225, при этом все указанные элементы взаимосвязаны таким же образом, как это было описано выше в отношении первого контура 100 циркуляции хладагента.
Система, представленная на фиг. 1, дополнительно содержит блок 300 теплообменников. Указанный блок теплообменников 300 показан на фиг. 1 весьма схематично, поскольку в уровне техники известно много различных типов таких блоков теплообменников. Указанный блок теплообменников 300 служит для отвода теплоты от первоначально парообразного потока 10 углеводородов, при этом, по меньшей мере, часть первоначально парообразного потока 10 углеводородов конденсируется с образованием потока 90 сжиженных углеводородов. Указанный блок теплообменников 300, как правило, содержит, по меньшей мере, один теплообменник, который предназначен для осуществления теплообмена, по меньшей мере, части первоначально парообразного потока 10 углеводородов с, по меньшей мере, частью хладагента 110, циркулирующего в контуре 100 циркуляции хладагента.
Компрессор (компрессоры) может быть компрессором любого типа, выполненным с регулируемыми входными направляющими лопатками, включая осевые компрессоры (например, осевой компрессор AN 200, производимый компанией General Electric) и центробежные компрессоры.
Входные направляющие лопатки часто устанавливают на имеющихся в продаже холодильных компрессорах для повышения эффективности и расширения рабочего диапазона. Входные направляющие лопатки обычно устанавливают на первой ступени сжатия, но, к примеру, в случае компрессоров с несколькими ступенями сжатия, приводимыми от одного вала через специальные редукторы, входные направляющие лопатки могут быть также установлены на одной или большем количестве последовательных ступеней сжатия, например на второй ступени.
Входные направляющие лопатки, как правило, выполнены в виде радиально расположенных аэродинамических профилей в парообразном потоке, проходящем через компрессор. Предпочтительно входные направляющие лопатки размещены во всасывающем канале. Обычно и при нормальных условиях работы такие входные направляющие лопатки служат для направления паров хладагента в последующую ступень сжатия в наиболее эффективном направлении на лопатки или лопасти последующей ступени сжатия.
Регулируемые входные направляющие лопатки, которые, в частности, могут быть использованы применительно к настоящему изобретению, обычно установлены с возможностью поворота вокруг их установочной оси. При нормальных рабочих условиях изменения входных скоростей хладагента могут быть компенсированы путем поворота регулируемых входных направляющих лопаток в различные положения. Вращательный поворот может быть придан регулируемым входным направляющим лопаткам с помощью механизма регулирования лопатки, соединенного с приводным устройством.
Настоящее изобретение, безусловно, не ограничено каким-либо определенным типом геометрии входных направляющих лопаток и/или механизмом регулирования лопаток. Существуют различные подходящие пути воздействия на лопатки, включая принципы поворотного синхронизирующего кольца, принципы рычага, принципы использования гидравлических поршней, все действующие на регулируемые входные направляющие лопатки. Примеры регулируемых входных направляющих лопаток и возможные механизмы регулирования их угла поворота описаны, например, в документах US 2010/0172745 и US 7520716. В этих примерах пары протекают предпочтительно внутрь в направлении оси вращения компрессора. В документе US 2010/0329898 описан пример, в котором пары перемещаются в основном в осевом направлении, в направлении оси вращения. Указанные документы US 2010/0172745, и US 2010/0329898, и US 7520716 включены в настоящее описание посредством ссылки.
Одно воплощение регулируемых входных направляющих лопаток центробежного компрессора, заимствованное из документа US 2010/0172745, представлено на фиг. 2 в качестве иллюстративного примера, не ограничивающего изобретение. Данное воплощение содержит механизм регулирования (поворота) лопаток, использующий синхронизирующее поворотное кольцо 13, выполненное с большим количеством продолговатых щелей 31, и входные направляющие лопатки 11, размещенные по окружности поворотного кольца 13. Входные направляющие лопатки 11 присоединены шарнирно к опорному элементу (в целях большей ясности не показан) так, что каждая одна из входных направляющих лопаток 11 может шарнирно поворачиваться вокруг полуоси 45. Каждая входная направляющая лопатка 11 соединена с концом одного из множества рычагов 43 с помощью полуоси 45. Каждый из рычагов 43 снабжен штырьком 35, выступающим наружу в направлении, перпендикулярном плоскости вращения рычагов 43 вокруг их полуосей 45. Каждый штырек 35 выполнен с возможностью размещения в одной из продолговатых щелей 31. При вращательном повороте кольца 13 относительно опорного элемента каждая входная направляющая лопатка 11 поворачивается на один и тот же угол.
Как показано на фиг. 2, механизм регулирования лопаток содержит также зубчато-реечный приводной механизм 21, сконфигурированный для привода одной из множества входных направляющих лопаток 11 с образованием тем самым приводной лопатки 47. Указанный зубчато-реечный приводной механизм 21 содержит зубчатое колесо 53, соединенное с протяженной полуосью 55 (которая заменяет полуось 45) приводной лопатки 47, и рейку 57. Рейка 57 содержит множество зубьев 59, которые сконфигурированы для контактного сцепления с множеством зубьев 61 на зубчатом колесе 53, и за счет такого выполнения в процессе работы обеспечивается оперативное соединение рейки 57 с зубчатым колесом 53. Конец рейки 57 соединен с приводной тягой 23, которая может приводиться в действие, например, с помощью гидравлического цилиндра (не показан). Приводная тяга 23 служит для придания рейке 57 линейного перемещения, которое преобразуется во вращательное перемещение 25 зубчатого колеса 53, в результате чего приводная лопатка 47 поворачивается относительно опорного элемента. Приводная лопатка 47 передает вращающий момент поворотному кольцу 13 благодаря размещению каждого штырька 35 на каждом рычаге 43 в пределах соответствующей продолговатой щели 31 вращающегося кольца 13, с которой взаимодействует штырек 35. Вращающий момент передается указанным образом остальным входным направляющим лопаткам 11, как показано на фиг. 2, и тем самым соответствующие входные направляющие лопатки 11 синхронно изменяют свое угловое положение на одинаковый угол поворота. Таким путем можно регулировать угол поворота регулируемых входных направляющих лопаток по отношению к исходному положению 16, показанному на фиг. 2 лишь в качестве примера, но может быть выбрано любое подходящее исходное положение.
Обращаясь вновь к фиг. 1, следует отметить, что система, кроме того, снабжена контроллером С снижения нагрузки. Указанный контроллер С снижения нагрузки предназначен для контроля сигнала, соответствующего располагаемой электрической мощности электрической сети по отношению к потребляемой мощности, и для регулирования угла поворота входных направляющих лопаток, если располагаемая электрическая мощность, по результатам контроля, падает ниже предварительно заданной величины. В этом случае угол поворота входных направляющих лопаток регулируют до такого положения, в котором холодильный компрессор является ненагруженным по отношению к нагрузке, действующей в установленном ранее режиме, в котором регулируемые входные направляющие лопатки находились в предшествующем положении. Для осуществления такого регулирования контроллер С может взаимодействовать с приводом компрессора 120.
Подходящим сигналом для контроля является частота электрического тока в сети. Когда электрическая сеть переменного тока находится в установившемся режиме работы, она работает при номинальной (предварительно заданной) частоте тока. Частота электрического тока, которая может быть определена как частота тока для всей системы, связанной с электрической сетью (включая действующие электрогенераторы и все работающие нагрузки, которые потребляют электрическую энергию), вообще, непосредственно зависит от величины электрической мощности, которую электрогенераторы могут подводить к системе, сопоставленной с мощностью, необходимой для потребления. Постепенные или внезапные понижения генерируемой электроэнергии приводят к уменьшению частоты тока. Частота электрического тока в сети является, таким образом, хорошим индикатором необходимости снижения нагрузки, что является, в частности, подходящим решением в сочетании с выработкой электрической энергии в «островном» режиме работы. Предпочтительно контроллер С взаимодействует с приводом компрессора 120 так, чтобы воспрепятствовать падению частоты тока в сети.
При работе с подводом энергии извне подходящим сигналом предпочтительно может быть внешний сигнал, генерируемый поставщиком электроэнергии или одним из поставщиков источников электроэнергии, обеспечивающим подвод электроэнергии к сети, в соответствии с которым необходимо осуществить снижение нагрузки. При этом угол поворота регулируемых входных направляющих лопаток предпочтительно регулируют при условии, что холодильный компрессор недогружен на часть первоначальной нагрузки, которая равна или превышает недостаток в выработке электроэнергии. В результате регулирования лопаток баланс между выработкой электрической энергии и требуемой мощностью будет восстановлен, после чего электрическая сеть может продолжать стабильное функционирование. Система может, кроме того, дополнительно содержать управляющий контроллер PC, предназначенный для управления процессом производства потока 90 сжиженных углеводородов. Предпочтительно контроллер может быть выполнен с возможностью поддерживания регулируемых входных направляющих лопаток под оптимальным установленным углом для оптимизации эффективности работы и/или рабочего диапазона холодильного компрессора 120 в том случае, если располагаемая электрическая мощность, по результатам контроля, равна или превышает предварительно заданную величину.
Указанный контроллер С снижения нагрузки может представлять собой отдельный специальный блок контроллера, или он может быть объединен с другим контроллером, например с контроллером, который служит, помимо того, для управления другими аспектами системы, или это может быть комбинированный контроллер, при этом определенные части контроллера С снижения нагрузки выполнены в виде отдельного контроллера, а другие части выполнены за одно с другим контроллером. В одном примере другим контроллером может быть управляющий контроллер PC.
Описанная выше система может работать следующим образом.
Хладагент 110 циркулирует через контур 100 хладагента. В процессе этой циркуляции, по меньшей мере, часть хладагента 110 сжимают в холодильном компрессоре 120 с получением сжатого хладагента. Холодильный компрессор 120 приводится в действие электродвигателем 130, который обычно сообщает механическому приводному валу 125 вращение вокруг его продольной оси. Электрический двигатель 130 питается электрической энергией от электрической сети 400. Сжатый хладагент транспортируется в блок теплообменников 300, где обычно ему предоставляется возможность расширения до более низкого давления и испарения за счет подвода теплоты, по меньшей мере, от первоначально парообразного углеводородного потока 10. Во многих случаях, но это не является требованием для каждого типа блока теплообменников 300, перед расширением до достижения более низкого давления сжатый хладагент конденсируется и предпочтительно переохлаждается. Испаренный хладагент возвращают обратно из блока теплообменников 300 в холодильный компрессор 120 для повторного сжатия. Этим завершается один цикл в контуре 100 циркуляции хладагента. Одновременно в ходе осуществления цикла теплота отводится от первоначально парообразного углеводородного потока 10 с помощью, по меньшей мере, части испаряющегося хладагента за счет теплообмена, по меньшей мере, указанной части первоначально парообразного углеводородного потока 10 с указанной, по меньшей мере, частью хладагента, циркулирующего через контур 100 хладагента. Наконец, по меньшей мере, часть первоначально парообразного углеводородного потока 10 конденсируется в результате отвода от него теплоты с помощью хладагента 110 и используемого по усмотрению второго и дополнительного хладагента с получением потока 90 сжиженных углеводородов.
При нормальном установившемся режиме работы регулируемые входные направляющие лопатки установлены вручную оператором или установлены автоматически с помощью управляющего контроллера PC и/или антипомпажного контроллера компрессора. Регулируемые входные направляющие лопатки установлены под выбранным углом, например, для достижения желаемого рабочего окна. Располагаемая электрическая мощность в электрической сети 400 контролируется, и регулируемые входные направляющие лопатки могут поддерживаться под выбранном углом поворота или поворачиваться в направлении другого выбранного угла, необходимого в том случае, если располагаемая электрическая мощность, по результатам контроля, равна или превышает предварительно заданную величину. В предпочтительных воплощениях функционирования регулируемые входные направляющие лопатки сохраняют оптимальный заданный угол для оптимизации эффективности функционирования и/или рабочего диапазона холодильного компрессора, постольку располагаемая электрическая мощность, по результатам контроля, равна или превышает предварительно заданную величину.
Однако если располагаемая электрическая мощность по результатам контроля уменьшается до величины ниже предварительно заданной величины, контроллер снижения нагрузки воздействует путем регулирования угла поворота регулируемых входных направляющих лопаток, в результате чего происходит разгрузка холодильного компрессора 120. Такое регулирование может быть произведено путем быстрого изменения угла поворота лопаток до положения, отличающегося от ранее выбранного угла. Если ранее выбранный угол поворота был оптимальным заданным углом, что могло иметь место в предпочтительных воплощениях работы компрессора, разгрузка холодильного компрессора 120 достигается посредством преднамеренного изменения угла поворота регулируемых входных направляющих лопаток в сторону от оптимального установленного заданного угла поворота.
Обычно необходимая нагрузка холодильного компрессора уменьшается путем прикрытия регулируемых входных направляющих лопаток, что в соответствии с принятой в уровне техники традицией соответствует изменению положения регулируемых входных направляющих лопаток до все более отрицательных углов, при этом угол 0° соответствует оптимальному заданному углу.
Блок теплообменников 300 в настоящем описании показан весьма схематично. Он может осуществлять любой подходящий процесс сжижения углеводородов, в частности любой процесс сжижения природного газа, производящий сжиженный природный газ, но настоящее изобретение конкретным выбором блока теплообменников не ограничено.
Примеры подходящих блоков теплообменников могут быть заимствованы а) из процессов с циклом единственного хладагента (традиционные процессы с единственным смешанным хладагентом (SMR), в частности процесс PRICO, описанный в докладе: K.R. Johnsen и Р. Christiansen "LNG Production on floating platforms", Gastech 1998 (Dubai), но возможно также использование хладагента, содержащего единственный компонент, например, в процессе BHP-cLNG, также описанном в вышеупомянутом докладе K.R. Johnsen и Р. Christiansen); б) процессов с циклами, использующими два хладагента (например, часто применяемый процесс с использованием хладагента-пропана и смешанного хладагента, часто сокращенно именуемый C3MR, такой, как описан, например, в документе US 4404008, или, например, процессы с двумя смешанными хладагентами (DMR), пример которых описан в документе US 6658891, или, например, процессы с двумя циклами, в которых каждый цикл включает использование хладагента, содержащего единственный компонент); и в) процессов, основанных на использовании трех или более блоков компрессоров для осуществления трех или более циклов охлаждения (описаны, например, в патентном документе US 7114351).
Другие примеры подходящих блоков теплообменников описаны в следующих документах: US 5832745 (Shell SMR); US 6295833, US 5657643 (в обоих документах представлены варианты Black and Veatch SMR), US 6370910 (Shell DMR). Другим подходящим примером процесса DMR является так называемый процесс Axens LIQUEFIN, такой как описан, например, в опубликованном докладе: "LIQUEFIN: AN INNOVATIVE PROCESS ТО REDUCE LNG COSTS", представленном авторами P-Y Martin и др. на 22-й Всемирной конференции по газу в Токио, Япония (2003). Другие подходящие блоки теплообменников, осуществляющие три цикла, описаны, например, в патентных документах: US 6962060; WO 2008/020044; US 7127914; DE 3521060 A1; US 5669234 (в промышленности известен как каскадный процесс со смешанным хладагентом); US 6253574 (в промышленности известен как оптимизированный каскадный процесс); US 6308531; опубликованная заявка US 2008/0141711; а также в опубликованном докладе: Mark J. Roberts и др. "Large capacity single train AP-X(TM) Hybrid LNG Process", Gastech 2002, Doha, Qatar (13-16 October 2002). Содержащаяся в указанных источниках информация демонстрирует широкую применимость настоящего изобретения и не является единственным и/или исчерпывающим перечнем возможностей воплощения изобретения. Следует отметить, что не во всех приведенных выше примерах для привода холодильных компрессоров используются электрические двигателя. Очевидно, что любые приводы, отличные от электродвигателей, могут заменить электрические двигатели, будучи подходящими для применения в настоящем изобретении.
Первоначально парообразный углеводородный поток 10, охлаждаемый и в конце концов сжижаемый, может быть отведен из любого подходящего газового потока с целью охлаждения и, при необходимости, сжижения. Часто приводимым примером является поток природного газа, добытого из месторождения нефти или природного газа или из угольных пластов. В качестве альтернативы, первоначально парообразный углеводородный поток 10 может быть также получен из другого источника, включая в качестве примера искусственный источник, такой как процесс Фишера-Тропша.
В случае если первоначально парообразным потоком 10 углеводородов является поток природного газа, он содержит, главным образом, метан. Предпочтительно газообразный поток 10 углеводородов содержит, по меньшей мере, 50 мол. % метана, более предпочтительно, по меньшей мере, 80 мол. % метана.
В зависимости от используемого источника природный газ может содержать различные количества углеводородов более тяжелых, чем метан, таких как, в частности, этан, пропан и бутаны, и, возможно, содержит меньшие количества пентанов и ароматических углеводородов. Состав природного газа изменяется в зависимости от типа и местонахождения газа. Обычно углеводороды более тяжелые, чем метан, по мере необходимости удаляют для получения потока сжиженного углеводородного продукта в соответствии с желаемыми техническими требованиями. Углеводороды более тяжелые, чем бутаны (С4), удаляют из природного газа настолько эффективно, насколько это возможно, до осуществления любого значительного охлаждения по различным причинам, таким как различие температур замерзания и сжижения, которые могут вызвать блокирование элементов установки для сжижения метана.
Природный газ может также содержать неуглеводороды, такие как H2O, N2, CO2, Hg, H2S и другие сернистые соединения и тому подобные. При этом в случае необходимости первоначально парообразный углеводородный поток 10, содержащий природный газ, может быть предварительно обработан до или в процессе его охлаждения. Эта предварительная обработка может включать снижение концентрации и/или удаление нежелательных компонентов, таких как CO2 и H2S, или другие стадии, такие как предварительное охлаждение, предварительное сжатие или тому подобное. Поскольку эти стадии хорошо известны специалистам в данной области техники, механизмы процессов, происходящих на этих стадиях, в дальнейшем в настоящем описании не рассматриваются. В описанных здесь предпочтительных воплощениях первоначально газообразный углеводородный поток 10 представляет собой природный газ, а поток 90 сжиженных углеводородов является потоком сжиженного природного газа. Компрессор, такой как используемый в настоящем изобретении холодильный компрессор, может приводиться в действие только электрическим двигателем, т.е. электрический двигатель является единственным используемым типом привода компрессора.
Специалисту в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение может быть с успехом применено в комбинации с другими методами снижения нагрузки и/или схемами электростанции, в частности с включением одного или более из элементов, описанных в документе US 2010/0257895, в документе US 7114351 и в опубликованном докладе: Fritz Kleiner, Steve Kaufmann "All Electric Driven Refrigeration Compressors in LNG Plants Offer Advantages", Gastech 2005.
Например, в соответствии с предлагаемым изобретением система и способ для производства потока сжиженных углеводородов содержат два или большее число параллельно работающих холодильных компрессоров (каждый из них сжимает часть общего количества хладагента), один или большее число компрессоров может быть отключено, в то время как остальные находятся в работе. Это можно, в частности, считать оправданным, если необходимо осуществить экстренное регулирование входных направляющих лопаток и/или предполагается функционирование системы при значительно уменьшенной нагрузки в течение продолжительного периода времени.
Специалисту в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение может быть осуществлено многими различными путями в пределах объема приложенных пунктов формулы изобретения.
В компрессоре, приводимом в действие электрическим двигателем, сжимают, по меньшей мере, часть текучей среды. Компрессор содержит регулируемые входные направляющие лопатки, угол поворота которых можно регулировать. Электрический двигатель питается электрической энергией от электрической сети, а сигнал, характеризующий состояние электрической сети, контролируется. По этому сигналу путем сравнения полученного сигнала с предварительно заданным критерием автоматически определяют, является ли необходимым дополнительное снижение нагрузки. Регулируемые входные направляющие лопатки автоматически регулируют в том случае, если заданный критерий удовлетворяется и необходимо дополнительное снижение нагрузки. Произведенное регулирование снижает нагрузку компрессора. Компрессор и способ его работы могут быть использованы как часть системы для производства потока сжиженных углеводородов и/или в процессе производства потока сжиженных углеводородов, при этом компрессор может представлять собой холодильный компрессор, а текучей средой может быть хладагент. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 2 ил.
1. Способ производства потока сжиженных углеводородов, включающий:
циркуляцию хладагента через контур циркуляции хладагента, включающую сжатие, по меньшей мере, части хладагента в холодильном компрессоре, приводимом в действие с помощью электродвигателя, при этом холодильный компрессор содержит регулируемые входные направляющие лопатки, угол поворота которых является регулируемым по отношению к исходному положению;
отвод теплоты от первоначально парообразного потока углеводородов с конденсацией тем самым, по меньшей мере, части первоначально парообразного потока углеводородов для образования потока сжиженных углеводородов, причем отвод теплоты включает теплообмен между, по меньшей мере, частью первоначально парообразного потока углеводородов и, по меньшей мере, частью хладагента, циркулирующего по контуру циркуляции хладагента;
подвод электроэнергии к электродвигателю от электрической сети;
контроль сигнала, характеризующего состояние электросети;
автоматическое определение по указанному сигналу, существует ли необходимость дополнительного снижения нагрузки по результатам сравнения полученного сигнала с предварительно заданным критерием;
автоматическое регулирование угла поворота регулируемых входных направляющих лопаток с уменьшением тем самым нагрузки холодильного компрессора, если критерий удовлетворяется и необходимо дополнительное снижение нагрузки; и
поддержание регулируемых входных направляющих лопаток под оптимальным заданным углом для оптимизации эффективности работы и/или рабочего диапазона холодильного компрессора, если критерий не удовлетворяется.
2. Способ по п. 1, в котором регулирование угла поворота входных направляющих лопаток включает преднамеренное изменение угла поворота регулируемых входных направляющих лопаток в направлении от оптимального установленного заданного угла.
3. Способ по п. 1 или 2, в котором состояние электрической сети характеризует располагаемую электрическую мощность электрической сети по отношению к потребляемой мощности, при этом предварительно заданный критерий удовлетворяется, если располагаемая электрическая мощность, согласно контролируемому сигналу, падает ниже предварительно заданной величины.
4. Способ по п. 1 или 2, в котором электрическая сеть работает с частотой электрического тока в сети, при этом сигнал, характеризующий состояние электросети, соответствует частоте тока, с которой работает электрическая сеть.
5. Способ по п. 3, в котором электрическая сеть работает с частотой электрического тока в сети, при этом сигнал, характеризующий состояние электросети, соответствует частоте тока, с которой работает электрическая сеть.
6. Способ по любому из пп. 1, 2, 5, в котором первоначально парообразный поток углеводородов содержит природный газ, а поток сжиженных углеводородов представляет собой поток сжиженного природного газа.
7. Способ по п. 3, в котором первоначально парообразный поток углеводородов содержит природный газ, а поток сжиженных углеводородов представляет собой поток сжиженного природного газа.
8. Способ по п. 4, в котором первоначально парообразный поток углеводородов содержит природный газ, а поток сжиженных углеводородов представляет собой поток сжиженного природного газа.
9. Система для производства потока сжиженных углеводородов, содержащая:
контур циркуляции хладагента, предназначенный для циркуляции хладагента и содержащий компрессор для сжатия, по меньшей мере, части хладагента, и электродвигатель, взаимодействующий с холодильным компрессором для приведения в действие холодильного компрессора, при этом холодильный компрессор содержит регулируемые входные направляющие лопатки, имеющие регулируемый угол поворота по отношению к исходному положению;
блок теплообменников, содержащий, по меньшей мере, один теплообменник и предназначенный для отвода теплоты от первоначально парообразного потока углеводородов с конденсацией, по меньшей мере, части первоначально парообразного потока углеводородов для получения потока сжиженных углеводородов, причем указанный, по меньшей мере, один теплообменник выполнен с возможностью приема, по меньшей мере, указанной части первоначально парообразного потока углеводородов и, по меньшей мере, части хладагента, циркулирующего через контур циркуляции хладагента, с осуществлением теплообмена между ними;
электрическую сеть, подключенную к электродвигателю для электропитания электродвигателя;
контроллер снижения нагрузки, выполненный с возможностью контроля сигнала, характеризующего состояние электрической сети, для автоматического определения по этому сигналу, является ли необходимым дополнительное снижение нагрузки, путем сравнения полученного сигнала с предварительно заданным критерием, и, если этот критерий удовлетворяется и необходимо дополнительное снижение нагрузки, выполнен с возможностью регулирования угла поворота регулируемых входных направляющих лопаток до положения, при котором холодильный компрессор является ненагруженным по сравнению с его нагрузкой в предшествующем режиме, в котором угол поворота регулируемых входных направляющих лопаток соответствовал предшествующему положению лопаток, когда критерий не удовлетворялся;
управляющий контроллер, выполненный с возможностью поддержания регулируемых входных направляющих лопаток под оптимальным заданным углом для оптимизации эффективности работы и/или рабочего диапазона холодильного компрессора, если критерий не удовлетворяется.
10. Система по п. 9, в которой состояние электрической сети соответствует располагаемой электрической мощности электрической сети по отношению к потребляемой электрической мощности, при этом предварительно заданный критерий удовлетворяется в том случае, если располагаемая электрическая мощность, согласно контролируемому сигналу, падает ниже предварительно заданной величины.
11. Система по п. 9 или 10, в которой электрическая сеть выполнена с возможностью работы с частотой электрического тока в сети, а сигнал, характеризующий состояние электрической сети, соответствует частоте тока, с которой работает электрическая сеть, при этом предварительно заданный критерий удовлетворяется, если частота тока в сети падает ниже предварительно заданной номинальной частоты электрического тока в сети.
12. Способ работы компрессора, включающий:
сжатие, по меньшей мере, части текучей среды в компрессоре, приводимом в действие электродвигателем, при этом компрессор содержит регулируемые входные направляющие лопатки, угол поворота которых является регулируемым;
подвод энергии к электродвигателю от электрической сети;
контроль сигнала, характеризующего состояние электрической сети;
автоматическое определение по контролируемому сигналу, существует ли необходимость дополнительного снижения нагрузки, по результатам сравнения полученного сигнала с предварительно заданным критерием;
автоматическое регулирование угла поворота регулируемых входных направляющих лопаток с уменьшением тем самым нагрузки компрессора, если критерий удовлетворяется и необходимо дополнительное снижение нагрузки;
поддержание регулируемых входных направляющих лопаток под оптимальным углом поворота для оптимизации эффективности работы и/или рабочего диапазона компрессора в том случае, если критерий не удовлетворяется.
13. Способ по п. 12, в котором указанное регулирование угла поворота регулируемых входных направляющих лопаток включает преднамеренное изменение угла поворота регулируемых входных направляющих лопаток в направлении от оптимального заданного установленного угла.
14. Способ по п. 12 или 13, в котором состояние электрической сети соответствует располагаемой электрической мощности электрической сети по отношению к потребляемой электрической мощности, при этом предварительно заданный критерий удовлетворяется в том случае, если располагаемая электрическая мощность, согласно контролируемому сигналу, падает ниже предварительно заданной величины.
15. Способ по п. 12 или 13, в котором электрическая сеть работает с частотой электрического тока в сети, а сигнал, характеризующий состояние электрической сети, соответствует частоте тока, с которой работает электрическая сеть, при этом предварительно заданный критерий удовлетворяется, если частота тока в сети падает ниже предварительно заданной номинальной частоты электрического тока в сети.
16. Способ по п. 14, в котором электрическая сеть работает с частотой электрического тока в сети, а сигнал, характеризующий состояние электрической сети, соответствует частоте тока, с которой работает электрическая сеть, при этом предварительно заданный критерий удовлетворяется, если частота тока в сети падает ниже предварительно заданной номинальной частоты электрического тока в сети.
17. Способ по любому из пп. 12, 13, 16, в котором компрессор представляет собой холодильный компрессор, а текучей средой является хладагент.
18. Способ по п. 14, в котором компрессор представляет собой холодильный компрессор, а текучей средой является хладагент.
19. Способ по п. 15, в котором компрессор представляет собой холодильный компрессор, а текучей средой является хладагент.
| US 2010257895 A1, 14.10.2010 | |||
| WO 2008086957 A2, 24.07.2008 | |||
| WO 2011058129 A1, 19.05.2011 | |||
| СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ГАЗА НА ШЕЛЬФЕ ИЛИ ПОБЕРЕЖЬЕ АРКТИЧЕСКИХ МОРЕЙ | 2007 |
|
RU2344359C1 |
