СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2022 года по МПК F25J1/00 

Группа изобретений относится к технологиям сжижения природного газа, а именно к технологии сжижения природного газа с использованием внешнего холодильного цикла, и может быть использовано на площадках, имеющих доступ к природному газу.

Из уровня техники известно множество технических решений для производства сжиженного природного газа, использующих внешний холодильный цикл, работающий на смесевом хладагенте.

Известен способ сжижения природного газа, включающий циркуляцию смесевого хладагента для регулирования состава смесевого хладагента, в котором осуществляют регулирование состава смесевого хладагента с помощью подачи хладагента в систему из резервуаров и отбора хладагента из системы в резервуары, и установка производства сжиженного природного газа (СПГ), включающая резервуар хранения смесевого хладагента высокого давления, компрессор сжатия смесевого хладагента, теплообменные аппараты охлаждения основного потока и регулирующую арматуру (см. патент на полезную модель CN 212511968 U, МПК: F25J 1/0022, опубл. 09.02.2021).

Однако в известном решении отсутствует возможность регулирования состава смесевого хладагента при изменении параметров природного газа на входе в установку сжижения природного газа и отсутствует возможность регулирования состава смесевого хладагента по температуре окружающей среды, что снижает эффективность установки.

Недостатком известной установки является усложнение системы из-за наличия четырех резервуаров для хранения и дозаправки смесевого хладагента, что требует большее количество заправляемого хладагента и более сложной системы трубопроводов. Также данный недостаток влияет на увеличение габаритных размеров и снижение надежности установки, и усложняет ее работу при регулировании состава смесевого хладагента.

Наиболее близким аналогом к предложенной группе изобретений является способ производства сжиженного природного газа, включающий регулирование количественного состава смесевого хладагента с помощью ресиверов низкого и высокого давления по температуре смесевого хладагента, и система охлаждения смесевыми хладагентами, включающая теплообменный аппарат, сепараторы, компрессоры и концевые охладители газа, ресиверы газа высокого давления, регулирующую арматуру и систему регулирования состава смесевого хладагента, компрессоры сжатия смесевого хладагента, ресивер низкого давления на всасывание компрессора первой ступени (заявка на изобретение US 20200041179 А1, МПК: F25B 41/003, опубл. 06.02.2020).

Недостатками известных способа и установки являются сложность перераспределения хладагента по системе и процесса регулирования работы установки. Целевой функцией для повышения энергоэффективности в данном изобретении является уменьшение недорекуперации потока и сокращение точек смешения двух потоков на разных температурных уровнях, что не всегда обеспечивает оптимальные режимы работы установки с минимальными затратами энергии. Кроме этого, не рассматривается влияние изменения температуры окружающей среды для повышения энергоэффективности.

Кроме того, известная установка включает в себя расходомеры для регулирования состава, что существенно увеличивает капитальные затраты на систему автоматизации установки. Также использование пластинчато-ребристого теплообменного аппарата ограничивает применение установки для сжижения газов высокого давления.

Согласно описанию работы известной установки, охлаждаемый поток подвергают охлаждению в теплообменнике с помощью смесевого хладагента. Смесевой хладагент сжимается в системе сжатия смесевого хладагента и распределяется с помощью системы сепараторов и трубопроводов по теплообменному аппарату, обеспечивая его эффективную работу. Регулирование осуществляется при помощи датчика температуры, который измеряет температуру потока хладагента, выходящего из сепаратора холодного пара. Контроллер расхода жидкости связан с датчиком температуры, принимает предварительно определенную уставку температуры и регулирует расход через устройство расширения жидкости холодного сепаратора или устройство расширения жидкости высокого давления на основе измеренной температуры и предварительно определенной уставки температуры.

Техническая проблема, решаемая предложенной группой изобретений, состоит в обеспечении оптимальных режимов производства сжиженного природного газа и работы установки для сжижения природного газа, при которых установка может работать круглогодично с минимальными затратами электроэнергии, а также в обеспечении снижения массогабаритных характеристик установки.

Техническим результатом изобретения является повышение энергоэффективности производства сжиженного газа посредством регулирования контура смесевого хладагента с учетом изменения температуры окружающей среды.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в способе производства сжиженного природного газа, заключающемся в том, что поток природного газа высокого давления последовательно охлаждают, конденсируют и переохлаждают в первом и втором четырехпоточных и трехпоточном теплообменных аппаратах потоком смесевого хладагента, расширяют и направляют в резервуар на хранение, нагретый обратный поток хладагента из первого четырехпоточного теплообменного аппарата сжимают в ступенях компрессора с частотным регулированием и охлаждают после каждой ступени, далее последовательно охлаждают в первом и втором четырехпоточных и трехпоточном теплообменных аппаратах, расширяют и подают на охлаждение потока природного газа, при этом перед каждой ступенью компрессора от потока хладагента в первом и втором сепараторах отделяют жидкую фазу, которую насосом подают на смешивание со сжатым и охлажденным потоком хладагента в третьем сепараторе, после второй ступени компрессора часть потока хладагента через линию перепуска с соленоидным вентилем подают в резервуар газообразного хладагента, откуда через регулирующий вентиль подают в первый сепаратор, перед входом в каждый четырехпоточный теплообменный аппарат поток хладагента разделяют на газовую и жидкую фазы в третьем и четвертом сепараторах соответственно, от жидкой фазы отводят часть, которую дросселируют и смешивают с обратным потоком хладагента, при этом при изменении температуры природного газа перед дросселированием регулируют производительность компрессора путем изменения частоты вращения вала компрессора.

Упомянутая часть жидкой фазы может быть отведена после выхода из третьего и четвертого сепараторов, остальную жидкую фазу сжимают в насосах с частотным регулированием, смешивают с газовой фазой и подают объединенный поток на вход соответственно первого и второго четырехпоточного теплообменного аппарата.

Упомянутая часть жидкой фазы может быть отведена после выхода из четырехпоточного теплообменного аппарата, остальную жидкую фазу после третьего сепаратора дросселируют и объединяют с жидкой фазой из четвертого сепаратора перед входом во второй четырехпоточный теплообменный аппарат, а остальную часть жидкой фазы после четвертого сепаратора дросселируют и объединяют с газовой фазой из четвертого сепаратора перед входом в третий трехпоточный теплообменный аппарат.

Достижение указанного технического результата первым вариантом установки обеспечивается тем, что, согласно изобретению, установка для производства сжиженного природного газа включает:

- контур смесевого хладагента, содержащий последовательно сообщенные газовыми трубопроводами первый сепаратор с установленным в нем датчиком уровня жидкости, датчик давления, первую ступень компрессора с частотным регулированием, первый аппарат воздушного охлаждения, второй сепаратор, вторую ступень компрессора, второй аппарат воздушного охлаждения, на выходе которого установлены датчики температуры и давления, третий сепаратор, при этом выходы по потоку жидкости из первого сепаратора и второго сепаратора соединены жидкостными трубопроводами с первым и вторым насосами соответственно с третьим сепаратором, на котором установлен датчик уровня жидкости, выход газообразной фазы смесевого хладагента из третьего сепаратора соединен со входом для парожидкостного потока первого четырехпоточного теплообменного аппарата, выход жидкой фазы смесевого хладагента из третьего сепаратора соединен со входом для жидкостного потока первого четырехпоточного теплообменного аппарата и со входом третьего насоса, выход которого соединен со входом парожидкостного потока первого четырехпоточного теплообменного аппарата, выход жидкостного потока первого четырехпоточного теплообменного аппарата соединен через первый регулирующий вентиль с трубопроводом обратного потока перед первым четырехпоточным теплообменным аппаратом, выход по парожидкостному потоку первого четырехпоточного теплообменного аппарата соединен со входом четвертого фазового сепаратора, на котором установлен датчик уровня жидкости, выход паровой фазы смесевого хладагента из четвертого сепаратора соединен со входом для парожидкостного потока второго четырехпоточного теплообменного аппарата, выход жидкой фазы смесевого хладагента из четвертого сепаратора соединен со входом для жидкостного потока второго четырехпоточного теплообменного аппарата и со входом четвертого насоса, выход которого, в свою очередь, соединен со входом парожидкостного потока второго четырехпоточного теплообменного аппарата, выход жидкостного потока второго четырехпоточного теплообменного аппарата соединен через второй регулирующий вентиль с трубопроводом обратного потока, который соединен со входом обратного потока второго четырехпоточного теплообменного аппарата, выход по парожидкостному потоку второго четырехпоточного теплообменного аппарата соединен со входом третьего трехпоточного теплообменного аппарата, выход которого соединен со входом третьего регулирующего вентиля, выход третьего регулирующего вентиля соединен с трубопроводом обратного потока, который последовательно соединяет трехпоточный теплообменный аппарат, второй и первый четырехпоточные теплообменные аппараты, на входы по обратному потоку в первый и второй четырехпоточные теплообменные аппараты установлены датчики температуры, выход четвертого регулирующего вентиля и выход первого четырехпоточного теплообменного аппарата соединены со входом резервуара жидкого смесевого хладагента;

- линию перепуска, соединяющую трубопровод газа между вторым компрессором и вторым аппаратом воздушного охлаждения и первый сепаратор и содержащую последовательно соединенные соленоидный вентиль, резервуар газообразного смесевого хладагента и четвертый регулирующий вентиль; и

- трубопровод природного газа, последовательно соединяющий первый четырехпоточный теплообменный аппарат, второй четырехпоточный теплообменный аппарат, трехпоточный теплообменный аппарат, датчик температуры, пятый регулирующий вентиль и резервуар хранения сжиженного природного газа.

Компрессоры первой и второй ступени могут быть выполнены винтовыми, поршневыми, либо в виде турбокомпрессоров.

Теплообменные аппараты могут быть выполнены пластинчатыми либо витыми.

Достижение указанного технического результата вторым вариантом установки обеспечивается тем, что, согласно изобретению, установка включает:

- контур смесевого хладагента, содержащий последовательно сообщенные газовыми трубопроводами первый сепаратор с установленным в нем датчиком уровня жидкости, датчик давления, первую ступень компрессора с частотным регулированием, первый аппарат воздушного охлаждения, второй сепаратор, вторую ступень компрессора, второй аппарат воздушного охлаждения, на выходе которого установлены датчики температуры и давления, третий сепаратор, при этом выходы по потоку жидкости из первого сепаратора и второго сепаратора посредством жидкостных трубопроводов с первым и вторым насосами соединены соответственно с третьим сепаратором, на котором установлен датчик уровня жидкости, выход газообразной фазы смесевого хладагента из третьего сепаратора соединен со входом для парожидкостного потока первого четырехпоточного теплообменного аппарата, выход из третьего сепаратора жидкостной фазы смесевого хладагента соединен со входом для жидкостного потока первого четырехпоточного теплообменного аппарата, выход жидкостного потока первого четырехпоточного теплообменного аппарата соединен со входом первого регулирующего вентиля и с входом второго регулирующего вентиля, выход первого регулирующего вентиля соединен с трубопроводом обратного потока, который соединен со входом обратного потока первого четырехпоточного теплообменного аппарата, выход второго регулирующего вентиля - со входом жидкостной фазы второго четырехпоточного теплообменного аппарата, выход по парожидкостному потоку первого четырехпоточного теплообменного аппарата соединен со входом четвертого сепаратора, на котором установлен датчик уровня жидкости, выход газовой фазы смесевого хладагента из четвертого сепаратора соединен со входом для газового потока второго четырехпоточного теплообменного аппарата, выход жидкой фазы смесевого хладагента из четвертого сепаратора соединен со входом для жидкостного потока второго четырехпоточного теплообменного аппарата, выход жидкостного потока второго четырехпоточного теплообменного аппарата соединен со входом третьего регулирующего вентиля и со входом четвертого регулирующего вентиля, выход третьего регулирующего вентиля соединен с трубопроводом обратного потока, который соединен со входом обратного потока второго четырехпоточного теплообменного аппарата, выход четвертого регулирующего вентиля - со входом двухфазного потока трехпоточного теплообменного аппарата, выход по парожидкостному потоку второго четырехпоточного теплообменного аппарата соединен со входом третьего трехпоточного теплообменного аппарата, выход которого соединен с пятым регулирующим вентилем, а выход пятого регулирующего вентиля соединен со входом обратного потока третьего трехпоточного теплообменного аппарата;

- линию перепуска, соединяющую трубопровод газа между вторым компрессором и вторым аппаратом воздушного охлаждения и первый сепаратор и содержащую последовательно соединенные соленоидный вентиль, резервуар газообразного смесевого хладагента и шестой регулирующий вентиль; и

- трубопровод природного газа, последовательно соединяющий первый четырехпоточный теплообменный аппарат, второй четырехпоточный теплообменный аппарат, трехпоточный теплообменный аппарат, датчик температуры, седьмой регулирующий вентиль и резервуар хранения сжиженного природного газа.

Компрессор может быть выполнен в виде центробежного компрессора.

Выход жидкой фазы из третьего сепаратора может быть дополнительно соединен со входом во второй сепаратор линией, включающей регулирующий вентиль и проходящей через электродвигатель компрессора.

Теплообменные аппараты могут быть выполнены пластинчато-ребристыми.

Применение регулирующей арматуры, насосов, датчиков температуры и датчиков уровня на сепараторах реализуют регулирование производства сжиженного газа с учетом температуры окружающей среды, позволяет повысить энергоэффективность установки за счет поддержания минимальной недорекуперации на теплообменных аппаратах. Поддержание минимальной недорекуперации позволяет снизить необходимую производительность компрессора, что снижает энергетические затраты установки в целом.

Реализация регулирования количественного состава смесевого хладагента в зависимости от температуры окружающей среды выполняется с помощью следующих элементов: компрессоры с частотным регулированием, сепараторы с датчиками уровня, датчики температуры на обратном потоке смесевого хладагента и регулирующие вентили. При изменении температуры окружающей среды поддерживается программно заданная производительность компрессора с помощью изменения частоты вращения электродвигателя смесевого хладагента в контуре с учетом температуры продукционного потока перед расширением. Также регулирующими вентилями поддерживается программно заданный уровень смесевого хладагента в сепараторах, учитывающий температуру обратного потока смесевого хладагента, измеряемую датчиками, установленными между теплообменными аппаратами.

В качестве смесевого хладагента используют смесь углеводородов и азота.

Причем жидкостной поток из седьмого регулирующего вентиля, предназначенного для перераспределения жидкости в теплообменном аппарате, после второго теплообменного аппарата можно направить в третий теплообменный аппарат как третий горячий поток и, после переохлаждения, смешать с парожидкостным потоком из третьего теплообменного аппарата перед подачей на дросселирование в третий регулирующий вентиль.

На фиг.1, 2 показаны схемы установок, обеспечивающих реализацию предложенного способа малотоннажного производства сжиженного природного газа.

Установка для производства сжиженного природного газа (фиг.1) содержит технологическую линию, выполненную в виде последовательно сообщенных соединительными трубопроводами первого сепаратора 15, представляющего собой резервуар жидкого смесевого хладагента, и установленного в нем датчика уровня жидкости 27, выход по потоку газа которого соединен с датчиком давления 28 и первой ступенью компрессора 1 с частотным регулированием, а выход по потоку жидкости соединен с насосом 14. Выход компрессора из первой ступени компрессора 1 соединен трубопроводом со входом аппарата воздушного охлаждения 2, выход которого соединен со вторым сепаратором 31. Выход по потоку газа из сепаратора 31 соединен со второй ступенью компрессора 29, а выход по потоку жидкости - с насосом 32. Выход второй ступени компрессора 29 соединен со входом аппарата воздушного охлаждения 30, на выходе из которого установлены датчики температуры 20 и давления 21, и с линией перепуска. На линии перепуска последовательно соединены соленоидный вентиль 19, резервуар газообразного смесевого хладагента 17 и регулирующий вентиль 16. Трубопроводы с жидким смесевым хладагентом и трубопровод с газообразным смесевым хладагентом соединяют выход насоса 14, выход насоса 32 и выход аппарата воздушного охлаждения 30 с третьим сепаратором 3, на котором установлен датчик уровня жидкости 22. Выход газообразной фазы смесевого хладагента из сепаратора 3 соединен со входом для парожидкостного потока четырехпоточного теплообменного аппарата 5. Выход из сепаратора 3 жидкой фазы смесевого хладагента соединен со входом для жидкостного потока четырехпоточного теплообменного аппарата 5 и со входом насоса 4, выход которого, в свою очередь, соединен со входом парожидкостного потока четырехпоточного теплообменного аппарата 5. Выход жидкостного потока четырехпоточного теплообменного аппарата 5 соединен через регулирующий вентиль 7 с трубопроводом обратного потока, который соединен со входом обратного потока четырехпоточного теплообменного аппарата 5. Выход по парожидкостному потоку четырехпоточного теплообменного аппарата 5 соединен со входом четвертого сепаратора 6, на котором установлен датчик уровня жидкости 23. Выход паровой фазы смесевого хладагента из сепаратора 6 соединен со входом для парожидкостного потока четырехпоточного теплообменного аппарата 9. Выход жидкой фазы смесевого хладагента из сепаратора 6 соединен со входом для жидкостного потока четырехпоточного теплообменного аппарата 9 и со входом насоса 8, выход которого, в свою очередь, соединен со входом парожидкостного потока четырехпоточного теплообменного аппарата 9. Выход жидкостного потока четырехпоточного теплообменного аппарата 9 соединен через регулирующий вентиль 10 с трубопроводом обратного потока, который соединен со входом обратного потока четырехпоточного теплообменного аппарата 9. Выход по парожидкостному потоку четырехпоточного теплообменного аппарата 9 соединен со входом трехпоточного теплообменного аппарата 11, выход которого соединен со входом регулирующего вентиля 12. Выход регулирующего вентиля 12 соединен со входом обратного потока трехпоточного теплообменного аппарата 11. Далее трубопровод обратного потока последовательно соединяет теплообменные аппараты 11, 9, 5. На входе в четырехпоточный теплообменный аппарат 9 по обратному потоку установлен датчик температуры 25, на входе в четырехпоточный теплообменный аппарат 5 по обратному потоку установлен датчик температуры 24. Выход регулирующего вентиля 16 и выход четырехпоточного теплообменного аппарата 5 соединяются со входом резервуара жидкого смесевого хладагента 15. Входом в установку является вход в четырехпоточный теплообменный аппарат 5 для потока природного газа. Трубопровод природного газа соединяет выход четырехпоточного теплообменного аппарата 5 со входом в четырехпоточный теплообменный аппарат 9. Выход четырехпоточного теплообменного аппарата 9 соединен со входом в трехпоточный теплообменный аппарат 11. Выход трехпоточного теплообменного аппарата 11 соединен со входом регулирующего вентиля 13, до которого стоит датчик температуры 25. Далее выход регулирующего вентиля 13 соединен с резервуаром хранения сжиженного природного газа 18.

Установка для производства сжиженного природного газа, показанная на фиг.2, отличается от установки по фиг.1 тем что:

- насос 4 и насос 8 отсутствуют;

- добавлен трубопровод, соединяющий выход жидкости из теплообменного аппарата 5, с трубопроводом жидкости из сепаратора 6, при этом на этой линии установлен регулирующий вентиль 33;

- добавлен трубопровод, соединяющий выход жидкости из теплообменного аппарата 9, с трубопроводом газа из сепаратора 6, при этом на этой линии установлен регулирующий вентиль 34.

Установка для производства сжиженного природного газа работает следующим образом.

Поток пара с давлением 4 бар направляется из резервуара жидкого смесевого хладагента 15 на вход в первую ступень компрессора 1 с частотным регулированием на сжатие до давления 11,5 бар. по трубопроводу, на котором установлен датчик давления 28. Далее газ идет на охлаждение до температуры 30°С в аппарат воздушного охлаждения (АВО) 2. После поток поступает в сепаратор 31, в котором происходит разделение потока на фазы: газ направляется на всасывание во вторую ступень компрессора 29, жидкость - на всасывание в насос 32. Затем газ сжимается во второй ступени компрессора 29 до давления 30 бар, и часть потока идет на охлаждение до температуры 30°С в аппарат воздушного охлаждения 30, другая часть потока - на линию перепуска. На линии перепуска газ поступает через соленоидный вентиль 19 в резервуар газообразного смесевого хладагента 17, и далее в регулирующий вентиль 16. После охлаждения в аппарате воздушного охлаждения 30 параметры газа контролируются датчиками температуры 20 и давления 21 и поддерживаются с помощью частотного регулирования компрессора 1. Датчик температуры 20, измеряющий температуру хладагента после АВО 30, фиксирует изменение температуры и посылает сигнал на контроллер, который по заранее заданному алгоритму посылает сигнал на частотный преобразователь, который регулирует частоту вращения электродвигателей компрессоров. Таким образом электродвигатели компрессоров, изменяя частоту вращения, а именно регулируя производительность компрессоров, понижают или повышают давление нагнетания, т.к. происходит распределение хладагента между полостями низкого и высокого давления. Давление всасывания регулируется степенью открытия дросселя 12: при изменении проходного сечения дросселя происходит распределение хладагента между полостями низкого и высокого давления. Уставка давления всасывания задана по заранее заданному алгоритму, которая изменяется в зависимости от температуры хладагента после АВО 30. Поток жидкости сжимается в насосе 32 до давления 11,5 бар. Жидкостной поток из сепаратора 15 направляется на нагнетание в насос 14 до давления 30 бар, который поддерживает требуемый уровень жидкости в сепараторе 15, контролируемый датчиком уровня жидкости 27. Далее двухфазный поток из аппарата воздушного охлаждения 30, поток жидкости из насоса 32 и насоса 14 поступают на смешивание в сепаратор 3 и последующее разделение на фазы. Поток газа из сепаратора 3 направляется на охлаждение и частичную конденсацию в четырехпоточный теплообменный аппарат 5, часть жидкостного потока из сепаратора 3 подается в теплообменный аппарат 5 с помощью насоса 4, смешиваясь с потоком газа из сепаратора 3, а другая часть - на переохлаждение в четырехпоточный теплообменный аппарат 5 до температуры минус 58°С. После теплообменного аппарата 5 поток переохлажденной жидкости дросселируется регулирующим вентилем 7 до давления 4,5 бар. После регулирующего вентиля 7 двухфазный поток смешивается с обратным потоком и направляется на нагрев в четырехпоточный теплообменный аппарат 5 до температуры 25°С. Уровень жидкости в сепараторе 3 поддерживается регулирующим вентилем 7, а температура обратного потока на входе в четырехпоточный теплообменный аппарата 5 - насосом 4 или регулирующим вентилем 33. Далее парожидкостной поток с температурой минус 58°С из четырехпоточного теплообменного аппарата 5 направляется в сепаратор 6, на выходе из которого поток пара направляется в четырехпоточный теплообменный аппарат 9 на охлаждение и частичную конденсацию, часть жидкостного потока из сепаратора 6 подается в теплообменный аппарат 9 с помощью насоса 8, смешиваясь с потоком газа из сепаратора 6, а другая часть - на переохлаждение в четырехпоточный теплообменный аппарат 9 до температуры минус 125°С. После теплообменного аппарата 9 поток переохлажденной жидкости дросселируется регулирующим вентилем 10 до давления 4,5 бар. После регулирующего вентиля 10 двухфазный поток смешивается с обратным потоком и направляется на нагрев в четырехпоточный теплообменный аппарат 5 до температуры минус 62°С. Уровень жидкости в сепараторе 6 поддерживается регулирующим вентилем 10, а температура обратного потока на входе в четырехпоточный теплообменный аппарат 9 - насосом 8 или регулирующим вентилем 34. Затем парожидкостной поток из четырехпоточного теплообменного аппарата 9 охлаждается и конденсируется в трехпоточном теплообменном аппарате 11, после которого направляется на дросселирование в регулирующий вентиль 12, поддерживающий необходимое давление на всасывание в первой ступени компрессора. Далее двухфазный поток из регулирующего вентиля 12 поступает на нагрев в трехпоточный теплообменный аппарат 11, смешивается с потоком из регулирующего вентиля 10 и затем поток с температурой минус 640С направляется на нагрев в четырехпоточный теплообменный аппарат 9 по трубопроводу, на котором установлен датчик температуры 25. После четырехпоточного теплообменного аппарата 9 двухфазный поток смешивается с потоком из регулирующего вентиля 7 и затем поток с температурой минус 128°С поступает на нагрев в четырехпоточный теплообменный аппарат 5 по трубопроводу, на котором установлен датчик температуры 24. Поток газа из четырехпоточного теплообменного аппарата 5 и поток газа из регулирующего вентиля 16 смешиваются в резервуаре жидкого хладагента 15. На входе в установку природный газ направляется на охлаждение и конденсацию в четырехпоточный теплообменный аппарат 5 до температуры минус 58°С и далее на охлаждение и конденсацию в четырехпоточный теплообменный аппарат 9 до температуры минус 125°С. Затем поток поступает на переохлаждение в трехпоточный теплообменный аппарат 11, после которого измеряется температура природного газа датчиком температуры 26 и поддерживается частотным регулированием компрессора 1, и дросселируется в регулирующем вентиле 13 до давления хранения 4 бар. Далее сжиженный природный газ поступает на хранение в хранилище сжиженного природного газа 18.

Система регулирования количественного состава смесевого хладагента состоит из линии перепуска с соленоидным вентилем 19, резервуаром газообразного смесевого хладагента 17 и регулирующим вентилем 16. Также в ее состав входят резервуар жидкого смесевого хладагента 15 и насос 14, насосы 4 и 8 (фиг.1) или регулирующие вентили 33 и 34 (фиг.2), датчик температуры 20, датчик давления 21, датчик температуры 24, датчик температуры 25, датчик температуры 26, датчик уровня жидкости в сепараторе 27, датчик давления 28.

При изменении температуры окружающей среды с 30°С до 20°С с учетом недорекуперации в 10°С в аппаратах воздушного охлаждения 2 и 30, температура смесевого хладагента после АВО составит 30°С, на входе в теплообменный аппарат 5 по потоку природного газа - 30°С. Параметры в системе: давление нагнетания и всасывания, массовый расход и мольный состав хладагента по всему контуру установки за счет хранения части хладагента в ресиверах газообразного и жидкого смесевого хладагента, температуры по датчикам 24, 25 после теплообменных аппаратов, уровни в сепараторах начинают изменяться за счет изменения температуры после АВО и принимают требуемые значения по предварительно рассчитанным режимам работы установки для наихудших параметров природного газа на входе в установку (низкое давление газа на входе, высокая температура газа на входе). Датчик температуры фиксирует изменение температуры после АВО и посылает сигнал на контроллер, который по заранее заданному алгоритму посылает сигналы на исполнительные устройства (в т.ч. частотные преобразователи компрессора 1, насосов, регулирующие и соленоидные вентили. Датчик температуры 20 определяет температуру природного газа и смесевого хладагента, а привод компрессора 1 регулирует частоту вращения вала компрессора 1 и давление нагнетания, которое регистрирует датчик давления 21. По заранее заданному алгоритму контроллер поддерживает уставку давления нагнетания за счет открытия соленоидного вентиля 19. Соленоидный вентиль 19 открывается и часть хладагента после компрессора 1 направляется на линию перепуска, где в резервуаре газообразного хладагента 17 поддерживается определенное количество газообразного хладагента регулирующим вентилем 16. Поток жидкостного смесевого хладагента перепускается в резервуар жидкого смесевого хладагента 15, уровень в котором поддерживается насосом 14 и контролируется датчиком уровня жидкости 27. Давление всасывания, которое определяет датчик давления 28, поддерживается регулирующим вентилем 12. В связи с изменением массового расхода и количественного состава хладагента, циркулирующего по системе, изменяется уровень жидкости в сепараторах 3 и 6, определяемый датчиками уровня жидкости 22 и 23, который поддерживается насосами 4 и 8 за счет изменения их производительности с помощью частотного преобразователя. Уровень жидкости сепаратора изменяется от распределения жидкости и газа в ресиверах жидкости и газа соответственно, что и вносит изменения в мольный состав циркулирующего хладагента, а также от избыточной/недостающей холодопроизводительности, что эквивалентно массовому расходу хладагента. Уровень жидкости в сепараторе, который поддерживается для определенного режима работы по уставке с помощью вентилей за счет изменения степени их открытия или же насосами при изменении их производительности с помощью частотного преобразователя. Регулирующие вентили 7 и 10 поддерживают необходимую температуру обратного потока, определяемую датчиками температуры 24 и 25, обеспечением перепуска части потока. Если температура природного газа после теплообменного аппарата 11, определяемая датчиком температуры 26, превышает допустимую уставку, то подается сигнал на частотный преобразователь, который увеличивает частоту вращения электродвигателя, что в свою очередь увеличивает производительность компрессора и холодопроизводительность цикла. Производительность компрессора регулируется по температуре после АВО 30. В свою очередь, помимо основного алгоритма, если температура на датчике 26 будет ниже, чем температура уставки, то сигнал с датчика температуры 26 пойдет на контроллер, который, в свою очередь, подаст сигнал на частотный преобразователь, с помощью которого изменится частота вращения электродвигателя и производительность компрессора изменится в соответствии с необходимой холодопроизводительностью.

Сравнение двух методов сжижения выполняется при следующих исходных данных состава природного газа:

Параметры работы установки:

- массовый расход природного газа на входе в холодильную машину - 3000 кг/ч;

- давление природного газа на входе в холодильную машину - 40 бар;

- температура природного газа на входе в холодильную машину - 40°С;

- давление хранения сжиженного природного газа - 4 бар;

- полное сжижение природного газа;

- температура смесевого хладагента после аппарата воздушного охлаждения -40, 30, 20, 10°С для варианта работы установки с методом регулирования, для варианта работы установки без метода регулирования - 40°С.

В таблице 2 показаны энергозатраты на сжатие смесевого хладагента при изменении температуры окружающей среды по двум вариантам сжижения.

Приведенные данные показывают, что с понижением температуры окружающей среды понижаются энергозатраты на сжатие смесевого хладагента. Среднегодовое потребление в базовом варианте сжижения составил - 987,5 кВт⋅ч, а в предложенном варианте с методом регулирования - 858,6 кВт⋅ч.

Группа изобретений относится к технологии сжижения природного газа с использованием внешнего холодильного цикла. Поток природного газа высокого давления охлаждают, конденсируют и переохлаждают потоком смесевого хладагента, расширяют и направляют в резервуар на хранение. Нагретый обратный поток хладагента сжимают в ступенях компрессора с частотным регулированием и охлаждают после каждой ступени. Перед каждой ступенью компрессора от потока хладагента в первом и втором сепараторах отделяют жидкую фазу, которую насосом подают на смешивание со сжатым и охлажденным потоком хладагента в третьем сепараторе. После второй ступени компрессора часть потока хладагента через линию перепуска с соленоидным вентилем подают в резервуар газообразного хладагента, откуда через регулирующий вентиль подают в первый сепаратор. Перед входом в каждый четырехпоточный теплообменный аппарат поток хладагента разделяют на газовую и жидкую фазы. От жидкой фазы отводят часть, которую дросселируют и смешивают с обратным потоком хладагента. При изменении температуры природного газа перед дросселированием регулируют производительность компрессора путем изменения частоты вращения вала. Технический результат - повышение энергетической эффективности производства сжиженного природного газа. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Способ производства сжиженного природного газа, заключающийся в том, что поток природного газа высокого давления последовательно охлаждают, конденсируют и переохлаждают в первом и втором четырехпоточных и трехпоточном теплообменных аппаратах потоком смесевого хладагента, расширяют и направляют в резервуар на хранение, нагретый обратный поток хладагента из первого четырехпоточного теплообменного аппарата сжимают в ступенях компрессора с частотным регулированием и охлаждают после каждой ступени, далее последовательно охлаждают в первом и втором четырехпоточных и трехпоточном теплообменных аппаратах, расширяют и подают на охлаждение потока природного газа, при этом перед каждой ступенью компрессора от потока хладагента в первом и втором сепараторах отделяют жидкую фазу, которую насосом подают на смешивание со сжатым и охлажденным потоком хладагента в третьем сепараторе, после второй ступени компрессора часть потока хладагента через линию перепуска с соленоидным вентилем подают в резервуар газообразного хладагента, откуда через регулирующий вентиль подают в первый сепаратор, перед входом в каждый четырехпоточный теплообменный аппарат поток хладагента разделяют на газовую и жидкую фазы в третьем и четвертом сепараторах соответственно, от жидкой фазы отводят часть, которую дросселируют и смешивают с обратным потоком хладагента, при этом при изменении температуры природного газа перед дросселированием регулируют производительность компрессора путем изменения частоты вращения вала компрессора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутую часть жидкой фазы отводят после выхода из третьего и четвертого сепараторов, остальную жидкую фазу сжимают в насосах с частотным регулированием, смешивают с газовой фазой и подают объединенный поток на вход соответственно первого и второго четырехпоточного теплообменного аппарата.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутую часть жидкой фазы отводят после выхода из четырехпоточного теплообменного аппарата, остальную жидкую фазу после третьего сепаратора дросселируют и объединяют с жидкой фазой из четвертого сепаратора перед входом во второй четырехпоточный теплообменный аппарат, а остальную часть жидкой фазы после четвертого сепаратора дросселируют и объединяют с газовой фазой из четвертого сепаратора перед входом в третий трехпоточный теплообменный аппарат.

4. Установка для производства сжиженного природного газа, включающая:

- контур смесевого хладагента, содержащий последовательно сообщенные газовыми трубопроводами первый сепаратор с установленным в нем датчиком уровня жидкости, датчик давления, первую ступень компрессора с частотным регулированием, первый аппарат воздушного охлаждения, второй сепаратор, вторую ступень компрессора, второй аппарат воздушного охлаждения, на выходе из которого установлены датчики температуры и давления, третий сепаратор, при этом выходы по потоку жидкости из первого сепаратора и второго сепаратора соединены жидкостными трубопроводами с первым и вторым насосами соответственно с третьим сепаратором, на котором установлен датчик уровня жидкости, выход газообразной фазы смесевого хладагента из третьего сепаратора соединен со входом для парожидкостного потока первого четырехпоточного теплообменного аппарата, выход жидкой фазы смесевого хладагента из третьего сепаратора соединен со входом для жидкостного потока первого четырехпоточного теплообменного аппарата и со входом третьего насоса, выход которого соединен со входом парожидкостного потока первого четырехпоточного теплообменного аппарата, выход жидкостного потока первого четырехпоточного теплообменного аппарата соединен через первый регулирующий вентиль с трубопроводом обратного потока перед первым четырехпоточным теплообменным аппаратом, выход по парожидкостному потоку первого четырехпоточного теплообменного аппарата соединен со входом четвертого фазового сепаратора, на котором установлен датчик уровня жидкости, выход паровой фазы смесевого хладагента из четвертого сепаратора соединен со входом для парожидкостного потока второго четырехпоточного теплообменного аппарата, выход жидкой фазы смесевого хладагента из четвертого сепаратора соединен со входом для жидкостного потока второго четырехпоточного теплообменного аппарата и со входом четвертого насоса, выход которого, в свою очередь, соединен со входом парожидкостного потока второго четырехпоточного теплообменного аппарата, выход жидкостного потока второго четырехпоточного теплообменного аппарата соединен через второй регулирующий вентиль с трубопроводом обратного потока, который соединен со входом обратного потока второго четырехпоточного теплообменного аппарата, выход по парожидкостному потоку второго четырехпоточного теплообменного аппарата соединен со входом третьего трехпоточного теплообменного аппарата, выход которого соединен со входом третьего регулирующего вентиля, выход третьего регулирующего вентиля соединен с трубопроводом обратного потока, который последовательно соединяет трехпоточный теплообменный аппарат, второй и первый четырехпоточные теплообменные аппараты, на входы по обратному потоку в первый и второй четырехпоточный теплообменный аппарат установлены датчики температуры, выход четвертого регулирующего вентиля и выход первого четырехпоточного теплообменного аппарата соединены со входом резервуара жидкого смесевого хладагента;

- линию перепуска, соединяющую трубопровод газа между вторым компрессором и вторым аппаратом воздушного охлаждения и первый сепаратор и содержащую последовательно соединенные соленоидный вентиль, резервуар газообразного смесевого хладагента и четвертый регулирующий вентиль; и

- трубопровод природного газа, последовательно соединяющий первый четырехпоточный теплообменный аппарат, второй четырехпоточный теплообменный аппарат, трехпоточный теплообменный аппарат, датчик температуры, пятый регулирующий вентиль и резервуар хранения сжиженного природного газа.

5. Установка по п. 4, отличающаяся тем, что компрессоры первой и второй ступени выполнены винтовыми, поршневыми, либо в виде турбокомпрессоров.

6. Установка по п. 4, отличающаяся тем, что теплообменные аппараты выполнены пластинчатыми либо витыми.

7. Установка для производства сжиженного природного газа, включающая:

- контур смесевого хладагента, содержащий последовательно сообщенные газовыми трубопроводами первый сепаратор с установленным в нем датчиком уровня жидкости, датчик давления, первую ступень компрессора с частотным регулированием, первый аппарат воздушного охлаждения, второй сепаратор, вторую ступень компрессора, второй аппарат воздушного охлаждения, на выходе из которого установлены датчики температуры и давления, третий сепаратор, при этом выходы по потоку жидкости из первого сепаратора и второго сепаратора посредством жидкостных трубопроводов с первым и вторым насосами соединены соответственно с третьим сепаратором, на котором установлен датчик уровня жидкости, выход газообразной фазы смесевого хладагента из третьего сепаратора соединен со входом для парожидкостного потока первого четырехпоточного теплообменного аппарата, выход из третьего сепаратора жидкостной фазы смесевого хладагента соединен со входом для жидкостного потока первого четырехпоточного теплообменного аппарата, выход жидкостного потока первого четырехпоточного теплообменного аппарата соединен со входом первого регулирующего вентиля и со входом второго регулирующего вентиля, выход первого регулирующего вентиля соединен с трубопроводом обратного потока, который соединен со входом обратного потока первого четырехпоточного теплообменного аппарата, выход второго регулирующего вентиля - со входом жидкостной фазы второго четырехпоточного теплообменного аппарата, выход по парожидкостному потоку первого четырехпоточного теплообменного аппарата соединен со входом четвертого сепаратора, на котором установлен датчик уровня жидкости, выход газовой фазы смесевого хладагента из четвертого сепаратора соединен со входом для газового потока второго четырехпоточного теплообменного аппарата, выход жидкой фазы смесевого хладагента из четвертого сепаратора соединен со входом для жидкостного потока второго четырехпоточного теплообменного аппарата, выход жидкостного потока второго четырехпоточного теплообменного аппарата соединен со входом третьего регулирующего вентиля и со входом четвертого регулирующего вентиля, выход третьего регулирующего вентиля соединен с трубопроводом обратного потока, который соединен со входом обратного потока второго четырехпоточного теплообменного аппарата, выход четвертого регулирующего вентиля - со входом двухфазного потока трехпоточного теплообменного аппарата, выход по парожидкостному потоку второго четырехпоточного теплообменного аппарата соединен со входом третьего трехпоточного теплообменного аппарата, выход которого соединен с пятым регулирующим вентилем, выход пятого регулирующего вентиля соединен со входом обратного потока третьего трехпоточного теплообменного аппарата;

- линию перепуска, соединяющую трубопровод газа между вторым компрессором и вторым аппаратом воздушного охлаждения и первый сепаратор и содержащую последовательно соединенные соленоидный вентиль, резервуар газообразного смесевого хладагента и шестой регулирующий вентиль;

- трубопровод природного газа, последовательно соединяющий первый четырехпоточный теплообменный аппарат, второй четырехпоточный теплообменный аппарат, трехпоточный теплообменный аппарат, датчик температуры, седьмой регулирующий вентиль и резервуар хранения сжиженного природного газа.

8. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что компрессор выполнен в виде центробежного компрессора.

9. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что выход жидкой фазы из третьего сепаратора дополнительно соединен со входом во второй сепаратор линией, включающей регулирующий вентиль и проходящей через электродвигатель компрессора.

10. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что теплообменные аппараты выполнены пластинчато-ребристыми.