УСТАНОВКА СЖИЖЕНИЯ ГАЗА Российский патент 2020 года по МПК F25J1/00 

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к технологии очистки, охлаждения и сжижения газов и их смесей, в частности природного газа, на газораспределительных станциях, автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях, в системах транспортировки и длительного хранения сжиженных газов.

Известно большое количество установок для сжижения газа, включающих источник газа высокого давления, блок осушки, блок очистки, линии продукционного и технологического потока, теплообменники охлаждения, расширительное устройство в виде детандера (машинного детандера), сборник-сепаратор сжиженного газа, например: RU№122757 U1, F25J1/00, 10.12.2012, RU№2678236 C1, F25J1/00, 24.01.2019; RU№2671665 C1, F25J1/00, 06.11.2018; RU№2656068 C1,F25J1/00,F25J1/02,01.06.2018; RU№2541360 C1, F25J1/00,10.02.2015; RU№2538192 C1, F25J1/00,10.01.2015, RU№2344360 C1, F25J1/00, 20.01.2009, RU№2438081 C2, F25J1/00, 27.12.2011.

Известны установки и способы для сжижения природного газа, обеспечивающие в совокупности осушку, очистку газа высокого давления, разделение его на продукционный и технологический потоки, охлаждение в теплообменниках, расширение в детандере (машинном детандере), разделение парожидкостного потока на паровую и жидкую фазы в сборнике-сепараторе сжиженного газа, RU№2678236 C1, F25J1/00, 24.01.2019; RU№2671665 C1, F25J1/00, 06.11.2018; RU№2656068 C1,F25J1/00,F25J1/02,01.06.2018; RU№2541360 C1, F25J1/00,10.02.2015; RU№2538192 C1, F25J1/00,10.01.2015.

Наиболее близким аналогом, взятым в качестве прототипа , является установка для сжижения природного газа (патент № 2438081, 27.12.2011, патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - Газпром ВНИИГАЗ" (RU), Открытое акционерное общество "Газпром" (RU), выполненная с возможностями осушки, очистки, охлаждения и сжижения газа и, включающая линию потока газа высокого давления, линии технологического и продукционного потоков газа, образованные при разделении линии потока газа высокого давления, линию обратного потока газа низкого давления, линию выхода потока сжиженного газа, теплообменники предварительного и глубокого охлаждения газа высокого давления, расширительное устройство, редуцирующее устройство и сепаратор-накопитель В установке сжиженный природный газ с малым содержанием диоксида углерода получают, несмотря на относительно высокое содержание диоксида углерода в газе высокого давления. Это достигается за счет того, что технологический поток газа перед расширением осушают и охлаждают до температуры, значение которой выбирают из условий наибольшей степени сжижения газа при отсутствии кристаллизации диоксида углерода в природном газе после его расширения, что позволяет повысить качество производимого сжиженного природного газа, исключить возможность кристаллизации диоксида углерода и забивку им оборудования, обеспечивая непрерывность производства. К недостаткам известного решения следует отнести следующее: технологический поток газа расширяют и охлаждают до температуры, значение которой выбирают из условий наибольшей степени сжижения газа при отсутствии кристаллизации диоксида углерода. Поскольку устанавливается дополнительное ограничение температуры технологического потока после расширения по условию кристаллизации диоксида углерода, то степень сжижения газа получается меньше, чем могла бы быть при отсутствии ограничивающего фактора. Этот недостаток препятствует дальнейшему повышению производительности по сжиженному природному газу и снижению величины удельных затрат электроэнергии на килограмм сжиженного газа. Кроме того, в качестве расширителей используют машинные детандеры, которые имеют низкую надежность и малый ресурс эксплуатации, требуют периодического технического обслуживания и ремонта, что снижает надежность всей установки в целом.

Технической проблемой, решаемой заявленным решением является повышение производительности, упрощение процесса сжижения газа, увеличение надежности работы всей установки в целом.

Поставленная техническая проблема решается тем, что в известной установке сжижения газа, включающей линию потока газа высокого давления, линии технологического и продукционного потоков газа, линию обратного потока газа низкого давления, линию выхода потока сжиженного газа, теплообменники предварительного и глубокого охлаждения газа высокого давления, расширительное устройство, редуцирующее устройство и сепаратор-накопитель, установлены криоблок охлаждения и криоблок отогрева, расположенные параллельно и выполненные с возможностью попеременной работы в режимах охлаждения или отогрева и объединения процессов осушки и очистки сжижаемого газа с процессами охлаждения и сжижения, при этом криоблок охлаждения содержит дополнительный теплообменник, соединенный на входе с линией потока газа высокого давления, после которого последовательно расположены теплообменник предварительного охлаждения и теплообменник глубокого охлаждения, между которыми расположен фильтр-коалесцер, при этом на выходе теплообменника глубокого охлаждения установлен фильтр-сепаратор, фильтр-сепаратор, после которого линия потока газа высокого давления разделяется на линию технологического потока газа высокого давления и линию продукционного потока газа высокого давления, при этом линия технологического потока газа высокого давления соединена с входом расширительного устройства, выполненного в виде детандера, на выходе которого установлен фильтр-сепаратор, а линия продукционного потока газа высокого давления соединена с входом теплообменника конденсации продукционного газа, после которого последовательно расположены фильтр-ловушка и редуцирующее устройство в виде дросселя с возможностью взаимодействия с линией продукционного потока газа низкого давления, соединенной с входом сепаратора-накопителя, имеющего два выхода: первый, соединенный с линией выхода потока сжиженного газа, а второй - с линией выхода потока паровой фазы, выполненной с возможностью смешения с технологическим потоком газа низкого давления, образующие обратный поток газа низкого давления, а криоблок отогрева содержит теплообменник дополнительный, теплообменники предварительного и глубокого охлаждения, фильтр-коалесцер и фильтр-сепаратор, безмашинный газодинамический детандер, фильтр-сепаратор, теплообменник конденсации продукционного газа, фильтр-ловушку, линии продувки безмашинного газодинамического детандера, фильтра-сепаратора, теплообменника конденсации продукционного газа, фильтра-ловушки, а также линию обратного потока продувочного газа, размещенные при зеркальном расположении относительно оборудования криоблока охлаждения, при этом криоблок отогрева на входе соединен с линией продувочного потока теплого газа, получаемого при теплообмене выходного потока продувочного холодного газа с потоком газа высокого давления в дополнительном теплообменнике криоблока охлаждения.

Технический результат, обеспечивающий решение проблемы, достигается за счет использования новой совокупности признаков заявленного устройства. Повышение производительность установки сжижения природного газа достигается за счет:

- выполнения в установке двух параллельных криоблоков, работающих попеременно в режимах охлаждения или отогрева и позволяющих охлаждать природный газ в криоблоке охлаждения, используя холод потока продувочного газа, получаемого при продувке второго криоблока, работающего в режиме отогрева.

-за счет возможности переключения криоблока охлаждения в режим отогрева, а криоблока отогрева в режим охлаждения для очистки проточной части при наполнении фильтров-сепараторов и фильтров-коалесцеров кристаллической фазой диоксида углерода с примесями. Упрощение процесса сжигания и повышение термодинамической эффективности процесса достигается при снятии ограничения по температуре из условия отсутствия кристаллизации диоксида углерода с примесями при расширении технологического потока и переохлаждением его ниже точки кристаллизации диоксида углерода с примесями и последующем их удалении. Исключение блоков осушки и очистки сжижаемого газа и объединения процессов осушки и очистки сжижаемого газа с процессами охлаждения, и сжижения, а также замены процессов адсорбции процессами низкотемпературной сепарации и фильтрации после кристаллизации диоксида углерода с примесями в процессе охлаждения, что упрощает процесс сжижения. Переохлаждение газа при использовании в качестве расширителя детандера, не имеющего машинной комплектации, увеличивает надежность и повышает эффективность работы всей установки в целом. Согласно техническому решению, проблема решается за счет того, что установка сжижения природного газа выполнена с возможностями осушки, очистки непосредственно в процессе охлаждения и сжижения газа, используя методы низкотемпературной фильтрации и сепарации.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где:

На Фиг. 1- представлена блок-схема «Установка сжижения газа».

На чертежах позициями показаны:

1. Криоблок охлаждения, 2. Теплообменник дополнительный (криоблока 1), 3. Линия потока газа высокого давления (соединена с входом в трубное пространство теплообменника 2), 4. Теплообменник предварительного охлаждения (криоблока 1), 5. Теплообменник глубокого охлаждения (криоблока 1), 6. Фильтр-коалесцер (между теплообменниками 4 и 5), 7. Фильтр-сепаратор (на выходе теплообменника 5), 8. Линия технологического потока газа высокого давления (при разделении линии 3), 9. Линия технологического потока газа низкого давления, 10. Линия продукционного потока газа высокого давления (при разделении линии 3), 11. Линия продукционного потока газа низкого давления, 12. Детандер (криоблока 1), 13. Фильтр-сепаратор (на линии 9), 14. Теплообменник конденсации продукционного газа (криоблока 1), 15. Фильтр-ловушка (на линии 10), 16. Редуцирующее устройство в виде дросселя (за фильтром-ловушкой 15), 17. Линия выхода потока паровой фазы (второй выход из сепаратора-накопителя 18), 18. Сепаратор-накопитель, 19.Линия выхода потока сжиженного газа (первый выход из сепаратора-накопителя 18), 20.Линия обратного потока газа низкого давления, 21. Линия входа в детандер потока газа низкого давления, 22. Линия выхода потока газа низкого давления (соединена с выходом из межтрубного пространства теплообменника 4), 24. Теплообменник предварительного охлаждения (криоблока 40), 25. Теплообменник глубокого охлаждения (криоблока 40), 26. Фильтр-коалесцер (между теплообменниками 24 и 25), 27. Фильтр-сепаратор (на выходе теплообменника 25), 28. Линия продувки детандера, 29.Линия продувки фильтра-сепаратора 33, 30. Линия продувки теплообменника конденсации 34, 31. Линия продувки фильтра-ловушки 35, 32. Детандер (криоблока 40), 33. Фильтр-сепаратор (на линии 29), 34. Теплообменник конденсации продукционного газа (криоблока 40), 35. Фильтр-ловушка, 36. Линия обратного потока продувочного газа, 37. Линия входа продувочного потока теплого газа (соединена с входом в трубное пространство теплообменника 24), 38. Линия выхода продувочного потока холодного газа (от теплообменника 24), 39. Линия выхода продувочного потока теплого газа (соединена с выходом из межтрубного пространства теплообменника 2), 40. Криоблок отогрева, 41. Теплообменник дополнительный (криоблока 40).

Установка сжижения газа содержит два криоблока: криоблок охлаждения 1 и криоблок отогрева 40. Криоблок охлаждения 1 и криоблок отогрева 40 расположены параллельно и имеют возможности попеременной работы в режимах охлаждения или отогрева и объединения процессов осушки и очистки сжижаемого газа с процессами охлаждения, и сжижения. Криоблок охлаждения 1 содержит дополнительный теплообменник 2, соединенный на входе трубного пространства с линией потока газа высокого давления 3, а на входе межтрубного пространства с линией выхода продувочного потока холодного газа 38. После дополнительного теплообменника 2 последовательно расположены теплообменник предварительного охлаждения 4 и теплообменник глубокого охлаждения 5, между которыми расположен фильтр-коалесцер 6. При этом на выходе теплообменника глубокого охлаждения 5 установлен фильтр-сепаратор 7, после которого линия потока газа высокого давления 3 разделяется на линию технологического потока газа высокого давления 8 и линию продукционного потока газа высокого давления 10. Линия технологического потока газа высокого давления 8 соединена с входом расширительного устройства, выполненного в виде детандера 12, на выходе которого установлен фильтр-сепаратор 13. А линия продукционного потока газа высокого давления 10 соединена с входом теплообменника конденсации продукционного газа 14, после которого последовательно расположены фильтр-ловушка 15 и редуцирующее устройство в виде дросселя 16, соединенного линией продукционного потока газа низкого давления 11 со входом сепаратора-накопителя 18. Сепаратор-накопитель 18 имеет два выхода: первый, соединенный с линией выхода потока сжиженного газа 19, а второй - с линией выхода потока паровой фазы 17. Линия выхода потока паровой фазы 17 выполнена с возможностью смешения потока паровой фазы с технологическим потоком газа низкого давления из линии 9, с образованием обратного потока газа низкого давления в линии 20, соединенной с межтрубным пространством теплообменников 14, 5 и 4. Линия 20 после теплообменника глубокого охлаждения 5 разделяется на линию 21, соединенную со входом низкого давления детандера 12 и линию 22 выхода потока газа низкого давления. Криоблок отогрева 40 установки содержит оборудование: теплообменник дополнительный 41 (в режиме отогрева отключен), теплообменники предварительного 24 и глубокого 25 охлаждения, фильтр-коалесцер 26 и фильтр-сепаратор 27, линии продувки 28, 29, 30 и 31 для продувки детандера 32, фильтра-сепаратора 33, теплообменника конденсации продукционного газа 34, фильтра-ловушки 35, а также линию обратного потока продувочного газа 36 для продувки межтрубного пространства теплообменников 34, 25 и 24. Оборудование криоблока отогрева 40 размещено при зеркальном расположении относительно оборудования криоблока охлаждения 1. Теплообменник предварительного нагрева 24 на входе соединен с внешней газодувкой, обеспечивающей циркуляцию продувочного газа, (на блок-схеме не показана) - линией входа продувочного потока теплого газа 37 с возможностью использования тепла, получаемого при теплообмене выходного потока холодного газа 38 с потоком газа высокого давления 3 в теплообменнике 2 криоблока охлаждения 1.

Установка осуществляет сжижение природного газа следующим образом:

В криоблоках охлаждения 1 и отогрева 40 установки, работающих попеременно в режимах охлаждения или отогрева, проводят осушку, очистку, охлаждение и сжижение газа. Причем процессы осушки и очистки на линиях технологического 8 и продукционного 10 потоков газа высокого давления от примесей проводят непосредственно в цикле охлаждения методами низкотемпературной фильтрации и сепарации. Газ высокого давления подают в трубное пространство дополнительного теплообменника 2 по линии потока газа высокого давления 3. Газ, поступающий в дополнительный теплообменник 2, охлаждают, используя холод продувочного потока, поступающего из теплообменника предварительного нагрева 24 криоблока отогрева 40 по линии выхода продувочного потока холодного газа 38. После дополнительного теплообменника 2 газ охлаждают в теплообменнике предварительного охлаждения 4, а затем в теплообменнике глубокого охлаждения 5, используя холод обратного потока газа низкого давления 17. Перед поступлением в теплообменник глубокого охлаждения 5 из газа удаляют кристаллическую фазу диоксида углерода с примесями посредством фильтра-коалесцера 6. После выхода газа из теплообменника глубокого охлаждения 5 его фильтруют в фильтре-сепараторе 7. Затем движение газа осуществляют по двум линиям: линии технологического потока газа высокого давления 8 и линии продукционного потока газа высокого давления 10.

Технологический поток газа высокого давления 8 переохлаждают путем расширения в детандере 12 без ограничения минимально достижимой температуры газа по условию кристаллизации диоксида углерода, и фильтруют от кристаллической фазы диоксида углерода с примесями в фильтре-сепараторе 13. Продукционный поток газа высокого давления 10 конденсируют в теплообменнике конденсации продукционного газа 14, используя холод переохлажденного технологического потока газа высокого давления 8, затем фильтруют в фильтре-ловушке 15 от тяжелых примесей, перешедших в кристаллическое состояние, и дросселируют в дросселе 16 с образованием продукционного потока газа низкого давления в линии 11, соединенной с входом сепаратора-накопителя 18. В сепараторе-накопителе 18 разделяют образованный продукционный поток газа низкого давления 11 на поток паровой фазы 17 и на поток жидкой фазы 19. Поток паровой фазы 17, поступающий из сепаратора-накопителя 18, смешивают с технологическим потоком газа низкого давления 9 и направляют смесь на линию обратного потока низкого давления 20, часть потока низкого давления после теплообменника глубокого охлаждения 5 подают на вход низкого давления детандера по линии 21, остальной поток после рекуперации выводят из установки по линии 22.

Затем криоблок охлаждения 1 переводят в режим отогрева, при наполнении фильтров-сепараторов 7 и 13 и фильтра-коалесцера 6 кристаллической фазой диоксида углерода с примесями, накопившимися за период работы в режиме сжижения, а процесс сжижения продолжают в криоблоке 40, прошедшем регенерацию и отогрев. В режиме отогрева в криоблок 40 подают продувочный поток теплого газа по линии 37 и используют его теплоту для отогрева теплообменников 24, 25 и 34, фильтра-коалесцера 26, фильтра-сепаратора 27, детандера 32, фильтра-сепаратора 33, фильтра-ловушки 35 с образованием обратного потока холодного газа 36. Обратный поток холодного газа из линии 36, подают в линию 38 для охлаждения потока газа высокого давления 3 в дополнительном теплообменнике 2 криоблока охлаждения 1.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

За счет реализации отличительных признаков изобретения достигаются важные новые свойства объекта.

Конструктивное выполнение установки из двух криоблоков и осуществление сжижения природного газа в ней и возможности попеременного переключения криоблоков из режима охлаждения в режим отогрева, удаления накопленной кристаллической фазы из теплообменников и фильтров, использования кристаллической фазы диоксида углерода с примесями для дополнительного охлаждения потока природного газа, использования теплоты природного газа для отогрева, выведенного из работы криоблока, проведения низкотемпературной сепарации и фильтрации, использования детандера, которые в совокупности увеличивают производительность и надежность всей установки в целом.

Заявителю не известны какие-либо публикации, которые содержали бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. В связи с этим, по мнению заявителя, можно сделать вывод о соответствии заявляемых технических решений критерию «изобретательский уровень».

Для реализации работы установки использовано оборудование в соответствии с ГОСТ 34347-2017 для сосудов, работающих под давлением.

Заявленная установка осуществляет сжижение газа, имеет возможность попеременной работы двух криоблоков в режимах охлаждения и отогрева, удаляет кристаллизирующиеся примеси не в отдельной абсорбционной установке, а непосредственно в собственной установке сжижения газа методами низкотемпературной фильтрации и сепарации после их кристаллизации в процессе охлаждения.

Заявляемое техническое решение «Установка сжижения газа» подтверждено проектно-конструкторскими и технологическими проработками, испытанием опытных образцов, изучением и обоснованием эксплуатационных режимов, что обусловливает, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «промышленная применимость».

Заявленное техническое решение «Установка сжижения газа» позволяет повысить производительность, упростить процесс сжижения, увеличить надежность работы всей установки в целом.

ния, между которыми расположен фильтр-коалесцер, при этом на выходе теплообменника глубокого охлаждения установлен фильтр-сепаратор, после которого линия потока газа высокого давления разделяется на линию технологического потока газа высокого давления и линию продукционного потока газа высокого давления, при этом линия технологического потока газа высокого давления соединена с входом расширительного устройства, выполненного в виде детандера, на выходе которого установлен фильтр-сепаратор, а линия продукционного потока газа высокого давления соединена с входом теплообменника конденсации продукционного газа, после которого последовательно расположены фильтр-ловушка и редуцирующее устройство в виде дросселя с возможностью взаимодействия с линией продукционного потока газа низкого давления, соединенной с входом сепаратора-накопителя, имеющего два выхода: первый, соединенный с линией выхода потока сжиженного газа, а второй - с линией выхода потока паровой фазы, выполненной с возможностью смешения с технологическим потоком газа низкого давления, образующие обратный поток газа низкого давления, а криоблок отогрева содержит теплообменник дополнительный, теплообменники предварительного и глубокого охлаждения, фильтр-коалесцер и фильтр-сепаратор, детандер, фильтр-сепаратор, теплообменник конденсации продукционного газа, фильтр-ловушку, линии продувки детандера, фильтра-сепаратора, теплообменника конденсации продукционного газа, фильтра-ловушки, а также линию обратного потока продувочного газа, размещенные при зеркальном расположении относительно оборудования криоблока охлаждения, при этом криоблок отогрева на входе соединен с линией продувочного потока теплого газа, получаемого при теплообмене выходного потока продувочного холодного газа с потоком газа высокого давления в дополнительном теплообменнике криоблока охлаждения.

Технический результат, обеспечивающий решение проблемы, достигается за счет использования новой совокупности признаков заявленного устройства. Повышение производительность установки сжижения природного газа достигается за счет:

- выполнения в установке двух параллельных криоблоков, работающих попеременно в режимах охлаждения или отогрева и позволяющих охлаждать природный газ в криоблоке охлаждения, используя холод потока продувочного газа, получаемого при продувке второго криоблока, работающего в режиме отогрева.

- за счет возможности переключения криоблока охлаждения в режим отогрева, а криоблока отогрева в режим охлаждения для очистки проточной части при наполнении.

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к установкам сжижения природного газа. Установка содержит криоблоки охлаждения 1 и обогрева 40. Криоблок 1 содержит последовательно расположенные дополнительный теплообменник 2, а также теплообменник предварительного охлаждения 4 и теплообменник глубокого охлаждения 5 с фильтром-коалесцером 6 между ними. На выходе теплообменника 5 установлен фильтр-сепаратор 7. Линия 3 разделяется на линию технологического потока газа высокого давления 8 и линию продукционного потока газа высокого давления 10. Линия 8 соединена с детандером 12, на выходе которого установлен фильтр-сепаратор 13. Линия 10 соединена с теплообменником конденсации продукционного газа 14, после которого расположены фильтр-ловушка 15 и дроссель 16, взаимодействующие с линией продукционного потока газа низкого давления 11, соединенной с входом сепаратора-накопителя 18. Оборудование криоблоков 1 и 40 размещено зеркально с попеременной работой в режимах охлаждения и отогрева. Техническое решение направлено на повышение производительности, упрощение процесса сжижения и увеличение надежности работы установки. 1 ил.

Установка сжижения газа, включающая линию потока газа высокого давления, линии технологического и продукционного потоков газа, линию обратного потока газа низкого давления, линию выхода потока сжиженного газа, теплообменники предварительного и глубокого охлаждения газа высокого давления, расширительное устройство, редуцирующее устройство и сепаратор-накопитель, отличающаяся тем, что установка содержит криоблок охлаждения и криоблок отогрева, расположенные параллельно и выполненные с возможностью попеременной работы в режимах охлаждения или отогрева и объединения процессов осушки и очистки сжижаемого газа с процессами охлаждения и сжижения, при этом криоблок охлаждения содержит дополнительный теплообменник, соединенный на входе с линией потока газа высокого давления, после которого последовательно расположены теплообменник предварительного охлаждения и теплообменник глубокого охлаждения, между которыми расположен фильтр-коалесцер, при этом на выходе теплообменника глубокого охлаждения установлен фильтр-сепаратор, после которого линия потока газа высокого давления разделяется на линию технологического потока газа высокого давления и линию продукционного потока газа высокого давления, при этом линия технологического потока газа высокого давления соединена с входом расширительного устройства, выполненного в виде детандера, на выходе которого установлен фильтр-сепаратор, а линия продукционного потока газа высокого давления соединена с входом теплообменника конденсации продукционного газа, после которого последовательно расположены фильтр-ловушка и редуцирующее устройство в виде дросселя с возможностью взаимодействия с линией продукционного потока газа низкого давления, соединенной с входом сепаратора-накопителя, имеющего два выхода: первый, соединенный с линией выхода потока сжиженного газа, а второй - с линией выхода потока паровой фазы, выполненной с возможностью смешения с технологическим потоком газа низкого давления, образующие обратный поток газа низкого давления, а криоблок отогрева содержит теплообменник дополнительный, теплообменники предварительного и глубокого охлаждения, фильтр-коалесцер и фильтр-сепаратор, детандер, фильтр-сепаратор, теплообменник конденсации продукционного газа, фильтр-ловушку, линии продувки детандера, фильтра-сепаратора, теплообменника конденсации продукционного газа, фильтра-ловушки, а также линию обратного потока продувочного газа, размещенные при зеркальном расположении относительно оборудования криоблока охлаждения, при этом криоблок отогрева на входе соединен с линией продувочного потока теплого газа, получаемого при теплообмене выходного потока продувочного холодного газа с потоком газа высокого давления в дополнительном теплообменнике криоблока охлаждения.