Способ сжижения газообразного потока испарения, происходящего в системе хранения потока сжиженного природного газа Российский патент 2020 года по МПК F25J1/02 F17C13/00 

Предметом изобретения является способ сжижения газообразного потока испарения, происходящего в системе хранения потока сжиженного природного газа. В частности, изобретение относится к сжижению газообразного потока испарения, происходящего в системе хранения потока сжиженного природного газа на танкерах для перевозки сжиженного 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.

Во время хранения сжиженного природного газа часть его испаряется и теряется. Чтобы этого избежать, авторами настоящего изобретения разработан подход, направленный на сжижение потока испарения, происходящего в системе хранения.

Таким образом, одной из задач, на решение которых направлено изобретение, является обеспечение способа сжижения, позволяющего усовершенствовать существующие подходы к решению проблем, поставленных выше.

Предметом настоящего изобретения является способ сжижения газообразного потока испарения 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 испарения, подлежащим сжижению, и указанным текучим хладагентом, включающий стадии, на которых:

- стадия а: хранят поток сжиженного природного газа в резервуаре с образованием газообразного потока испарения;

- стадия b: сжимают поток испарения природного газа, поступающий со стадии а, во втором средства сжатия;

- стадия с: подают поток, выходящий со стадии b, 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.

Предметом настоящего изобретения также является:

- 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, указанные средства спарены.

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.

Выражение «природный газ», использованное в настоящей заявке, относится к любой композиции, содержащей углеводороды, включающие, по меньшей мере, метан. Оно охватывает, в частности, все 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 сжижению газов. В предложенном способе сжижения газообразного потока испарения посредством замкнутого цикла охлаждения текучий хладагент сжимают в первом средстве сжатия, охлаждают, снижают давление, после чего повторно нагревают в основном теплообменнике посредством теплообмена между потоком испарения, подлежащим сжижению, и текучим хладагентом. Поток сжиженного природного газа хранят в резервуаре с образованием газообразного потока испарения. Сжимают поток испарения природного газа во втором средстве сжатия. Подают сжатый поток в основной теплообменник для его конденсации. Второе средство сжатия приводят в действие тем же приводным механизмом, что и первое средство сжатия. Средства сжатия приводят в действие с разной скоростью. Техническим результатом является снижение капитальных затрат. 5 з.п. ф-лы.

1. Способ сжижения газообразного потока испарения 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 испарения, подлежащим сжижению, и текучим хладагентом, включающий стадии:

- стадия а: хранят поток сжиженного природного газа в резервуаре с образованием газообразного потока испарения;

- стадия b: сжимают поток испарения природного газа, поступающий со стадии а, во втором средстве сжатия;

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

причем второе средство сжатия приводят 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 приводной механизм выбран из газовой турбины, электродвигателя, паровой турбины или газового двигателя.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.