СПОСОБ И УСТАНОВКА СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА Российский патент 2020 года по МПК F25J1/02 

Предметом изобретения является способ и установка сжижения природного газа.

Средства сжижения природного газа, большей частью, основываются на циклах сжатия/расширения с одновременным теплообменом с текучей средой, называемой хладагентом. Эта текучая среда может быть образована из химически идентичных молекул или из сочетания молекул, подобранного с целью достижения большей интенсивности охлаждения при требуемой температуре.

В прошлом эти способы создавались для сжижения газа, поступающего из подземных месторождений, давление в которых в сотни раз и даже больше превосходит атмосферное давление. Таким образом, сжижение природного газа происходило при высоком давлении, что делает процесс сжижения эффективным. Так, для сжижения природного газа при 40 бар требуется, примерно, на 30% меньше энергии, чем для сжижения при 30 бар.

В документе US3874185 описана установка сжижения природного газа одним составным хладагентом. В документе US3780535 описана установка сжижения природного газа множеством составных хладагентов.

На сегодняшний день, сжиженный природный газ (СПГ) считается одним из наиболее зрелых с точки зрения производства источников преобразуемой энергии, так как со второй половины двадцатого века способы его производства постоянно улучшаются.

Изначально транспортировка СПГ развивалась как замена трубопроводной транспортировке природного газа, направленная на предоставление большей гибкости в отношении источников снабжения и снижение стоимости транспортировки на дальние расстояния. СПГ доставлялся в терминалы танкерами.

В настоящее время СПГ после поступления в терминал не только испаряют для подачи посредством сетей газоснабжения в домашние хозяйства, но и используют в качестве топлива для грузового транспорта. С этой целью необходимо сооружение небольших установок (установок, годовое производство СПГ на которых меньше пятисот тысяч тонн) сжижения природного газа, призванных уменьшить отдаленность источников, являющуюся помехой развитию этого вида топлива. Действительно, поскольку СПГ является криогенной жидкостью, часть ее испаряется во время транспортировки к месту использования, что вызывает необходимость сокращения расстояний.

Следовательно, такие небольшие установки должны располагаться согласно ранее существовавшим сетям природного газа, давление которых может быть достаточно низким (менее 30 бар) для того, чтобы добавление компрессора природного газа было экономически оправданным с точки зрения уменьшения энергии, потраченной на его сжижение. Такое избыточное давление, благодаря снижению объемного расхода, также позволяет уменьшить размер оборудования и, следовательно, уменьшить стоимость установки.

Одной из задач, на решение которых направлено изобретение, является обеспечение способа и установки сжижения природного газа, позволяющих усовершенствовать существующие подходы к преодолению ранее выявленных недостатков.

Таким образом, авторами настоящего изобретения разработан способ, позволяющий решить проблемы, поставленные выше.

Предметом настоящего изобретения является способ сжижения потока природного газа посредством замкнутого цикла охлаждения, в котором текучий хладагент сжимают в первом средстве сжатия, охлаждают, снижают давление, после чего повторно нагревают в основном теплообменнике посредством теплообмена между указанным потоком подлежащего сжижению природного газа и указанным текучим хладагентом, включающий стадии, на которых:

- стадия а: сжимают поступающий поток природного газа во втором средства сжатия;

- стадия b: подают поток, выходящий со стадии а, в указанный основной теплообменник с целью его конденсации;

отличающийся тем, что указанное второе средство сжатия приводится в действие тем же приводным механизмом, что и указанное первое средство сжатия.

Такая взаимная увязка приводов компрессоров позволяет снизить расходы за счет наличия только одной системы привода. Она также позволяет уменьшить занимаемую оборудованием площадь.

Предметом настоящего изобретения также является:

- Способ, как описано выше, отличающийся тем, что установку предварительной обработки используют по потоку до стадии а или между стадией а и стадией b.

- Способ, как описано выше, отличающийся тем, что указанный приводной механизм выбран из газовой турбины, электродвигателя, паровой турбины или газового двигателя.

- Способ, как описано выше, отличающийся тем, что указанные средства сжатия приводят в действие с разной скоростью.

- Способ, как описано выше, отличающийся тем, что указанный текучий хладагент представляет собой смесь, по меньшей мере, двух охлаждающих газов, выбранных из азота, метана, этана и/или этилена и/или пропана и/или пропилена и/или изобутана и/или н-бутана и/или изопентана.

- Способ, как описано выше, отличающийся тем, что газ утечки через уплотнения каждого из двух средств сжатия, собирают и рециркулируют на вход средства сжатия текучего хладагента.

- Способ, как описано выше, отличающийся тем, что примеси, содержащиеся в природном газе утечки, такие как диоксид углерода, вода и тяжелые углеводороды, отделяют путем адсорбции до рециркуляции газа утечки на вход средства сжатия текучего хладагента.

- Способ, как описано выше, отличающийся тем, что один смазочный контур обеспечивает смазку средства сжатия текучего хладагента, а другой смазочный контур обеспечивает смазку средства сжатия природного газа, при этом, средства спарены.

Предметом настоящего изобретения также является:

Установка сжижения природного газа, включающая:

- Основной теплообменник;

- Систему охлаждения включающую, первое средство сжатия текучего хладагента, средство охлаждения текучего хладагента, средство расширения текучего хладагента;

- Второе средство сжатия природного газа;

отличающаяся тем, что указанное второе средство сжатия приводится в действие тем же приводным механизмом, что и первое средство сжатия.

Установка, как описано выше, включающая, кроме того, коробку скоростей, позволяющую согласовывать скорость вращения двух средств сжатия.

Средство сжатия представляет собой, обычно, компрессор. В компрессоре имеются рабочие колеса, соединенные между собой зубчатыми колесами, размещенными на подшипниках, находящихся на разных уровнях.

В средствах сжатия, применяемых в контексте настоящего изобретения, горячее смазочное масло подают насосом из резервуара смазочного масла (емкости в форме параллелепипеда), затем, перед подачей на уровень подшипников указанного компрессора его охлаждают. Таким образом, масло одновременно обеспечивает смазку и отведение тепла, выделившегося в результате вращения зубчатых колес. Подшипники также находятся на уровне двигателя компрессора. Снова нагретое таким образом масло возвращают в резервуар смазочного масла. Основной насос контура смазки обычно соединен с основным валом компрессора. Следовательно, он сразу же приводится в действие по включении установки. Тем не менее, для создания давления в контуре перед пуском может быть применен вспомогательный насос. Соединение этих двух средств позволяет также объединить контуры смазки и, следовательно, получить выигрыш не только в стоимости, но и в эффективности, так как обычно, чем больше производительность насоса, тем выше его коэффициент полезного действия.

Обычно, поток природного газа состоит, по существу, из метана. Предпочтительно, поступающий поток содержит, по меньшей мере, 80% мол. метана. В зависимости от источника, природный газ содержит некоторое количество более тяжелых, чем метан, углеводородов, таких как, например, этан, пропан, бутан и пентан, а также некоторые ароматические соединения. Поток природного газа также содержит не являющиеся углеводородами вещества, такие как H₂O, CO₂, H₂S и другие соединения серы, ртути и т.п. Именно эти не являющиеся углеводородами вещества извлекают из потока подлежащего сжижению природного газа во время прохождения этого потока через установку предварительной обработки. Указанный поток природного газа, прошедший предварительную обработку в установке предварительной обработки, представляет собой поток предварительно обработанного газа, состоящий, преимущественно, из метана, в котором содержание соединений, потенциально отверждающихся в процессе сжижения, уменьшено до уровня менее 50 частей на миллион.

Установка предварительной обработки включает, например, два модуля:

- Модуль, обеспечивающий извлечение СО₂ и H₂S, включает абсорбционную колонну, в которую подают поток природного газа и в противотоке промывают жидким раствором аминов и воды. Молекулы амина, содержащиеся в растворе, абсорбируют молекулы диоксида углерода. Из верха колонны поток природного газа, обедненный диоксидом углерода, направляют в установку адсорбции. В кубе колонны поток амина, обогащенного СО₂ и H₂S, подогревают и направляют в колонну регенерации амина, в которой амин выпаривают, при этом, десорбируются диоксид углерода и H₂S. Из верха колонны поток, обогащенный СО₂ и H₂S, выпускают в атмосферу. Регенерированный амин из куба колонны охлаждают и подают насосом в верхнюю часть колонны абсорбции.

- Модуль, обеспечивающий извлечение воды, в котором имеется, по меньшей мере, два бака с адсорбентом, функционирующих в циклическом режиме. В одном осуществляют адсорбцию воды, присутствующей в природном газе. Во втором осуществляют стадию регенерации, включающую, как минимум, одну фазу нагревания, в ходе которой используют часть потока осушенного природного газа, нагретого с целью подвода энергии, необходимой для десорбции воды, и фазу охлаждения, на которой поток осушенного природного газа используют для охлаждения регенерированного адсорбента. Когда регенерированный бак охлажден, стадии цикла переключают.

Выражение «природный газ», использованное в настоящей заявке, относится к любой композиции, содержащей углеводороды, включающие, по меньшей мере, метан. Оно охватывает необработанные композиции (до какой-либо обработки или промывки), а также композиции, частично, по существу или полностью прошедшие обработку, направленную на уменьшение содержания и/или удаление одного или нескольких соединений, в том числе, помимо прочего, серы, диоксида углерода, воды, ртути и некоторых тяжелых и ароматических углеводородов.

Теплообменник может представлять собой любой теплообменник, любую установку или средство, пригодные для прохождения определенного потока и обеспечения теплообмена, прямого или косвенного, между одной или несколькими линиями текучего хладагента и одним или несколькими подаваемыми потоками.

Под циклом охлаждения понимается система, как правило, замкнутого контура, в которой рабочую среду сжимают, охлаждают, расширяют и нагревают, отводя тепло вовне процесса. Существует два принципиальных типа цикла: обратный цикл Ренкина и обратный цикл Брайтона.

Преимущественно, благодаря настоящему изобретению возможно также объединение смазочных консолей, предназначенных для смазки подшипников компрессоров. Дополнительным преимуществом в случае цикла охлаждения смесью хладагентов (азота и неразветвленных или мононенасыщенных, не содержащих более пяти атомов углерода углеводородов) является рециркуляция природного газа утечки через уплотнения компрессора природного газа в компрессор охлаждения, где он используется в качестве дополнительного метана в цикле охлаждения. Рециркулируемый таким образом природный газ содержит немного воды и СО₂, присутствующих в трубопроводном газе. Эти соединения при низкой температуре могут замерзать, и предпочтительно удалять их при помощи адсорбента.

Изобретение относится к способу сжижения потока природного газа посредством замкнутого цикла охлаждения и установке для его осуществления. Текучий хладагент сжимают в первом средстве сжатия, охлаждают, снижают давление, после чего повторно нагревают в основном теплообменнике посредством теплообмена между потоком подлежащего сжижению природного газа и текучим хладагентом. Сжимают поступающий поток природного газа во втором средстве сжатия и подают в основной теплообменник для его конденсации. Второе средство сжатия приводится в действие тем же приводным механизмом, что и первое средство сжатия. Средства сжатия приводят в действие с разной скоростью. Техническим результатом является уменьшение габаритов. 2 н. и 7 з.п. ф-лы.

1. Способ сжижения потока природного газа посредством замкнутого цикла охлаждения, в котором текучий хладагент сжимают в первом средстве сжатия, охлаждают, снижают давление, после чего повторно нагревают в основном теплообменнике посредством теплообмена между потоком подлежащего сжижению природного газа и текучим хладагентом, включающий стадии:

- стадия а: сжимают поступающий поток природного газа во втором средстве сжатия;

- стадия b: подают поток, выходящий со стадии а, в основной теплообменник для его конденсации, причем

второе средство сжатия приводится в действие тем же приводным механизмом, что и первое средство сжатия,

при этом средства сжатия приводят в действие с разной скоростью.

2. Способ по предшествующему пункту, отличающийся тем, что выше по потоку от стадии а или между стадией а и стадией b используют установку предварительной обработки.

3. Способ по предшествующему пункту, отличающийся тем, что приводной механизм выбран из газовой турбины, электродвигателя, паровой турбины или газового двигателя.

4. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что текучий хладагент представляет собой смесь по меньшей мере двух охлаждающих газов, выбранных из азота, метана, этана, и/или этилена, и/или пропана, и/или пропилена, и/или изобутана, и/или н-бутана, и/или изопентана.

5. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что газ утечки через уплотнения каждого из двух средств сжатия собирают и рециркулируют на вход средства сжатия текучего хладагента.

6. Способ по предшествующему пункту, отличающийся тем, что примеси, содержащиеся в природном газе утечки, такие как диоксид углерода, вода и тяжелые углеводороды, отделяют путем адсорбции до рециркуляции газа утечки на вход средства сжатия текучего хладагента.

7. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что один смазочный контур обеспечивает смазку средства сжатия текучего хладагента, а другой смазочный контур обеспечивает смазку средства сжатия природного газа, при этом указанные средства соединены.

8. Установка сжижения природного газа для осуществления способа по п.1, включающая:

- основной теплообменник;

- систему охлаждения, включающую первое средство сжатия текучего хладагента, средство охлаждения текучего хладагента, средство снижения давления текучего хладагента;

- второе средство сжатия природного газа, причем

второе средство сжатия выполнено с возможностью приведения в действие тем же приводным механизмом, что и первое средство сжатия, при этом средства сжатия выполнены с возможностью приведения в действие с разной скоростью.

9. Установка по предшествующему пункту, дополнительно включающая коробку скоростей, позволяющую согласовывать скорость вращения двух средств сжатия.