Аппарат и способ трехциклового сжижения природного газа, подходящие для ультракрупных масштабов Российский патент 2023 года по МПК F25J1/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области техники криогенного сжижения природного газа, в частности к аппарату и способу трехциклового сжижения природного газа, подходящих для ультракрупных масштабов, при этом нагрузки предварительного охлаждения, сжижения и переохлаждения распределены по трехэтапному циклу охлаждения, применено высокоэффективное оборудование и упрощена соответствующая последовательность операций, тем самым удовлетворяя требованиям конструирования аппарата сжижения природного газа в ультракрупных масштабах с производственной мощностью одной технологической линии 6-8 миллионов тонн в год.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

С непрерывным развитием технологий и оборудования для сжиженного природного газа (LNG) в строительстве заводов LNG по всему миру предпочтительными являются крупномасштабные установки с производственной мощностью одной технологической линии, достигающей в большинстве случаев 3-5,5 миллиона метрических тонн в год и вплоть до 7,8 миллиона метрических тонн в год. Технологии сжижения, применяемые по всему миру в аппаратах для крупномасштабного производства LNG, главным образом включают процессы C3MR, DMR и АР-Х от APCI, процесс Оптимизированного каскада от ConocoPhillips, процесс MFC от Linde Group и процесс DMR от Shell. Применение аппаратов для крупномасштабного производства LNG может снизить стоимость производства единицы продукции LNG для реализации эффекта масштаба.

Максимальная производственная мощность одной технологической линии аппарата для производства LNG в Китае составляет 1,2 миллиона метрических тонн в год, где применяют процесс многоэтапного однокомпонентного охлаждения и сжижения (MSC). Установка для сжижения LNG с производственной мощностью одной технологической линии в 3,5 миллиона метрических тонн в год была разработана на основе процесса MSC. Однако процесс не удовлетворяет требованиям к строительству аппарата для производства LNG в ультракрупных масштабах с производственной мощностью одной технологической линии 6-8 миллионов метрических тонн в год. Следовательно, необходимо разработать процесс сжижения природного газа, подходящий для аппарата для сжижения природного газа в ультракрупных масштабах с производственной мощностью 6 8 миллионов метрических тонн в год.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для преодоления недостатков существующих технологий в настоящем изобретении предоставлены аппарат и способ трехциклового сжижения природного газа, подходящие для ультракрупных масштабов, которые обладают преимуществами простой последовательности операций и энергосбережения.

Техническая схема, принятая в настоящем изобретении, представляет собой аппарат трехциклового сжижения природного газа, подходящий для ультракрупных масштабов, содержащий систему труб для сжижения природного газа, систему цикла предварительного охлаждения пропаном, систему цикла теплого смешанного охлаждения (далее именуемого WMR) и систему цикла холодного смешанного охлаждения (далее именуемого CMR), при этом:

система труб для сжижения природного газа содержит пропановый теплообменник, теплообменник WMR, теплообменник CMR, детандер LNG, расширительный бак LNG и подпиточный насос LNG, которые соединены последовательно;

система цикла предварительного охлаждения пропаном содержит пропановый теплообменник, пропановый компрессор, концевой холодильник пропанового компрессора, пропановый отбойный сепаратор высокого давления, пропановый отбойный сепаратор среднего давления и пропановый отбойный сепаратор низкого давления, которые используют для предварительного охлаждения природного газа, хладагента WMR и хладагента CMR;

система цикла охлаждения WMR содержит теплообменник WMR, входной сепаратор компрессора WMR, компрессор WMR, концевой холодильник компрессора WMR и детандер WMR, которые используют для дополнительного охлаждения и частичного сжижения природного газа и хладагента CMR; и

система цикла охлаждения CMR содержит теплообменник CMR, входной сепаратор компрессора CMR, компрессор CMR, концевой холодильник компрессора CMR и детандер CMR, которые используют для обеспечения охлаждающей способности для общего сжижения и переохлаждения природного газа и хладагента CMR.

В настоящем изобретении дополнительно раскрыт способ трехциклового сжижения природного газа, подходящий для ультракрупных масштабов, включающий следующие этапы:

1) система цикла охлаждения пропаном обеспечивает охлаждающую способность для предварительного охлаждения природного газа, хладагента WMR и хладагента CMR:

пропан, давление которого повышают посредством пропанового компрессора и который охлаждают посредством пропанового концевого холодильника, разделяют на два потока, один поток жидкофазного пропана входит в пропановый теплообменник после дросселирования и сброса давления первым дросселирующим клапаном пропана высокого давления, тем самым обеспечивая охлаждающую способность для охлаждения природного газа, хладагента WMR и хладагента CMR, а газофазный пропан, выходящий из пропанового теплообменника, возвращают во входной сепаратор высокого давления пропанового компрессора; другой поток жидкого пропана входит в пропановый отбойный сепаратор высокого давления для разделения газа и жидкости после дросселирования и сброса давления вторым дросселирующим клапаном пропана высокого давления, при этом: газофазный пропан, выходящий из верхней части отбойного сепаратора, входит во входное отверстие для всасывания высокого давления пропанового компрессора, а жидкую фазу, выходящую из нижней части отбойного сепаратора, разделяют на два потока, один поток жидкофазного пропана входит в пропановый теплообменник после дросселирования и сброса давления первым дросселирующим клапаном пропана среднего давления, тем самым обеспечивая охлаждающую способность для непрерывного охлаждения природного газа, хладагента WMR и хладагента CMR, а газофазный пропан, выходящий из пропанового теплообменника, возвращают во входное отверстие для всасывания среднего давления пропанового компрессора; другой поток жидкофазного пропана входит в пропановый отбойный сепаратор среднего давления для разделения газа и жидкости после дросселирования и сброса давления вторым дросселирующим клапаном пропана среднего давления, газофазный пропан, выходящий из верхней части отбойного сепаратора, входит во входное отверстие для всасывания среднего давления пропанового компрессора, жидкофазный пропан, выходящий из нижней части отбойного сепаратора, входит в пропановый теплообменник после дросселирования и сброса давления дросселирующим клапаном пропана низкого давления, тем самым обеспечивая охлаждающую способность для непрерывного охлаждения природного газа, хладагента WMR и хладагента CMR, а газофазный пропан, выходящий из пропанового теплообменника, входит во входное отверстие для всасывания низкого давления пропанового компрессора через пропановый отбойный сепаратор низкого давления; и давление пропана низкого давления, пропана среднего давления и пропана высокого давления повышают посредством пропанового компрессора для очередного цикла;

2) система охлаждения WMR обеспечивает охлаждающую способность для дополнительного охлаждения и частичного сжижения природного газа и хладагента CMR:

хладагент WMR, выходящий из нижней части теплообменника WMR, входит во входной сепаратор компрессора WMR и затем входит в пропановый теплообменник для охлаждения и сжижения после повышения давления посредством компрессора WMR и охлаждения посредством охладителя WMR; жидкий WMR входит в теплообменник WMR для дополнительного охлаждения, затем выходит из его верхней части, затем расширяется до низкого давления при помощи детандера WMR и входит в теплообменник WMR для обеспечения охлаждающей способности для дополнительного охлаждения и частичного сжижения природного газа, хладагента WMR и хладагента CMR; и хладагент WMR низкого давления, выходящий из нижней части теплообменника WMR, возвращается во входной сепаратор компрессора WMR для очередного цикла; и

3) система охлаждения CMR обеспечивает охлаждающую способность для общего сжижения и переохлаждения природного газа и хладагента CMR;

хладагент CMR выходит из верхней части теплообменника CMR после повышения давления посредством компрессора CMR и охлаждения посредством охладителя CMR, пропанового теплообменника, теплообменника WMR и теплообменника CMR последовательно, затем расширяется до низкого давления при помощи детандера CMR и входит в теплообменник CMR для обеспечения охлаждающей способности для сжижения и переохлаждения природного газа и самого хладагента CMR; и хладагент CMR низкого давления, выходящий из нижней части теплообменника CMR, возвращается во входной сепаратор входного отверстия компрессора CMR для очередного цикла.

По сравнению с известным уровнем техники настоящее изобретение имеет следующие положительные эффекты:

на основании трех циклов настоящее изобретение распределяет нагрузку охлаждения каждого этапа; природный газ последовательно охлаждают одним ребристым пластинчатым теплообменником и двумя теплообменниками змеевикового типа, пока природный газ не будет сжижен и переохлажден; и аппарат для сжижения природного газа может реализовывать производственную мощность одной технологической линии, равную 6-8 миллионов метрических тонн в год, с небольшим количеством оборудования для обработки; охлаждающая способность, необходимая в процессе сжижения, обеспечивается тремя системами пропана, хладагента WMR и хладагента CMR; и система поддерживает различные средства регулировки для обеспечения необходимой охлаждающей способности, гибких операций и высокой адаптивности к различным составам исходного газа. По сравнению с известными технологиями настоящее изобретение характеризуется тем, что:

1. настоящее изобретение является инновацией и улучшением на основании многоэтапного однокомпонентного процесса сжижения (процесс MSC), которое имеет практическое техническое применение, а технология процесса обладает непрерывностью. По сравнению с процессом MSC настоящее изобретение имеет следующие преимущества:

1) в процессе MSC применяют предварительное охлаждение пропиленом + охлаждение этиленом + сжижение и переохлаждение смешанным хладагентом (состоящим главным образом из метана и азота). В настоящем изобретении в цикле предварительного охлаждения применяют пропан, и в цикле охлаждения применяют смешанный хладагент, главным образом содержащий этан, за которым следуют метан и пропан; и для цикла сжижения и переохлаждения в качестве хладагента используют смешанный хладагент, содержащий азот, метан и этан.

2) Смешанный хладагент применяют в секции охлаждения и секции сжижения и переохлаждения соответственно. Нагрузку каждого цикла охлаждения регулируют в сочетании с необязательным выбором привода компрессора, тем самым гибко регулируя температуры охлаждения, сжижения и переохлаждения природного газа с улучшенной операционной адаптивностью.

3) В процессе MSC в системе охлаждения пропиленом и в системе охлаждения этиленом применяют кожухотрубные теплообменники или теплообменники CIK для теплообмена, а в цикле охлаждения метаном применяют ребристый пластинчатый теплообменник; в настоящем изобретении высокоэффективный ребристый пластинчатый теплообменник применяют в секции предварительного охлаждения пропаном, таким образом, система теплообмена является высокоинтегрированной и имеет такие преимущества, как упрощенная последовательность операций и экономичность в плане занимаемого места; и главный криогенный теплообменник WMR и главный криогенный теплообменник CMR, использованные в настоящем изобретении, являются теплообменниками змеевикового типа, которые могут обеспечивать большую область теплопередачи, таким образом, являясь полезными для реализации большой производственной мощности одной технологической линии.

2. В двухконтурном процессе сжижения со смешанным хладагентом (процесс DMR) реализуют предварительное охлаждение, сжижение и переохлаждение природного газа посредством цикла двухэтапного охлаждения смешанным хладагентом. По сравнению с процессом DMR в настоящем изобретении применяют цикл трехциклового охлаждения для распределения тепловой нагрузки каждого этапа, тем самым реализуя создание аппарата для сжижения природного газа в ультракрупных масштабах с производственной мощностью одной технологической линии 6-8 миллионов метрических тонн в год.

3. Процесс MFC является процессом трехциклового охлаждения, в котором смешанные хладагенты используют для охлаждения в секции предварительного охлаждения, секции сжижения и секции переохлаждения; по сравнению с MFC в секции предварительного охлаждения по настоящему изобретению применяют хладагент в виде чистого пропана.

4. AP-X является еще одним процессом трехциклового цикла охлаждения, в котором хладагент в виде пропана используют для секции предварительного охлаждения, смешанный хладагент в секции сжижения, а расширение азота в секции переохлаждения. По сравнению с процессом АР-Х в секции переохлаждения по настоящему изобретению применяют смешанный хладагент для охлаждения.

5. Согласно настоящему изобретению дросселирование WMR, дросселирование CMR и дросселирование LNG высокого давления реализуют посредством гидравлических турбодетандеров изоэнтропического расширения. По сравнению с традиционными дросселирующими клапанами изентальпического расширения гидравлические турбодетандеры имеют более высокую эффективность расширения, благодаря чему производство продукта LNG увеличивается на 1% - 3%, а потребление энергии на единицу продукта LNG снижается на 1% - 3%.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЕРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение описано в комбинации с вариантами осуществления и сопроводительным графическим материалом, на котором:

на фигуре изображена последовательность операций по настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На фигуре показан аппарат трехциклового сжижения природного газа, подходящий для ультракрупных масштабов, содержащий ребристый пластинчатый теплообменник 1 для предварительного охлаждения пропаном, теплообменник 2 змеевикового типа WMR, теплообменник 3 змеевикового типа CMR, гидравлический турбодетандер 4 LNG, расширительный бак 5 LNG, подпиточный насос 6 LNG, пропановый компрессор 7, концевой холодильник 8 пропанового компрессора, первый дросселирующий клапан 9 пропана высокого давления, второй дросселирующий клапан 10 пропана высокого давления, пропановый отбойный сепаратор 11 высокого давления, первый дросселирующий клапан 12 пропана среднего давления, второй дросселирующий клапан 13 пропана среднего давления, пропановый отбойный сепаратор 14 среднего давления, дросселирующий клапан 15 пропана низкого давления, пропановый отбойный сепаратор 16 низкого давления, входной сепаратор 17 компрессора WMR, компрессор 18 WMR, концевой холодильник 19 компрессора WMR, гидравлический турбодетандер 20 WMR, входной сепаратор 21 компрессора CMR, компрессор 22 CMR, концевой холодильник 23 компрессора CMR и гидравлический турбодетандер 24 CMR, при этом:

ребристый пластинчатый теплообменник 1 для предварительного охлаждения пропаном, теплообменник 2 змеевикового типа WMR, теплообменник 3 змеевикового типа CMR, гидравлический турбодетандер 4 LNG, расширительный бак 5 LNG и подпиточный насос 6 LNG соединены последовательно;

пропановый компрессор 7, концевой холодильник 8 пропанового компрессора, первый дросселирующий клапан 9 пропана высокого давления, ребристый пластинчатый теплообменник 1 для предварительного охлаждения пропаном и входное отверстие для всасывания высокого давления пропанового компрессора 7 соединены последовательно;

концевой холодильник 8 пропанового компрессора, второй дросселирующий клапан 10 пропана высокого давления, пропановый отбойный сепаратор 11 высокого давления, первый дросселирующий клапан 12 пропана среднего давления, ребристый пластинчатый теплообменник 1 для предварительного охлаждения пропаном и входное отверстие для всасывания среднего давления пропанового компрессора 7 соединены последовательно;

пропановый отбойный сепаратор 11 высокого давления, второй дросселирующий клапан 13 пропана среднего давления, пропановый отбойный сепаратор 14 среднего давления, дросселирующий клапан 15 пропана низкого давления, ребристый пластинчатый теплообменник 1 для предварительного охлаждения пропаном, пропановый отбойный сепаратор 16 низкого давления и входное отверстие для всасывания низкого давления пропанового компрессора 7 соединены последовательно;

газофазное выпускное отверстие пропанового отбойного сепаратора 11 высокого давления соединено со всасывающей линией высокого давления пропанового компрессора 7; и газофазное выпускное отверстие пропанового отбойного сепаратора 14 среднего давления соединено со всасывающей линией среднего давления пропанового компрессора 7.

Входной сепаратор 17 компрессора WMR, компрессор 18 WMR, концевой холодильник 19 компрессора WMR, ребристый пластинчатый теплообменник 1 для предварительного охлаждения пропаном, теплообменник 2 змеевикового типа WMR и гидравлический турбодетандер 20 WMR соединены последовательно.

Входной сепаратор 21 компрессора CMR, компрессор 22 CMR, концевой холодильник 23 компрессора CMR, ребристый пластинчатый теплообменник 1 для предварительного охлаждения пропаном, теплообменник 2 змеевикового типа WMR, теплообменник 3 змеевикового типа CMR и гидравлический турбодетандер 24 CMR соединены последовательно.

В настоящем изобретении дополнительно предоставлен способ трехциклового сжижения природного газа, подходящий для ультракрупных масштабов, включающий следующие этапы:

1) система предварительного охлаждения пропаном осуществляет предварительное охлаждение природного газа, WMR и CMR до -30°С - -39°С:

давление пропана доводят до 1,5 МПа абс.- 2,5 МПа абс.пропановым компрессором 7, и пропан охлаждают до 20°С - 50°С пропановым охладителем 8 и разделяют на два потока, один поток жидкофазного пропана (приблизительно 15% - 25%) входит в ребристый пластинчатый теплообменник 1 для предварительного охлаждения пропаном после дросселирования и сброса давления до 0,3 МПа абс. - 0,6 МПа абс. первым дросселирующим клапаном 9 пропана высокого давления, тем самым охлаждая природный газ, хладагент WMR и хладагент CMR (до 20°С - 0°С), а газофазный пропан, выходящий из ребристого пластинчатого теплообменника 1, возвращают во входное отверстие для всасывания высокого давления пропанового компрессора 7; другой поток жидкофазного пропана (75% - 85%) входит в пропановый отбойный сепаратор 11 высокого давления для разделения газа и жидкости после дросселирования и сброса давления до 0,3 МПа абс.- 0,6 МПа абс. вторым дросселирующим клапаном 10 пропана высокого давления, а газофазный пропан, выходящий из верхней части отбойного сепаратора, возвращают во входное отверстие для всасывания высокого давления пропанового компрессора 7;

жидкую фазу, выходящую из нижней части пропанового отбойного сепаратора 11 высокого давления, разделяют на два потока, один поток жидкофазного пропана (45% - 55%) входит в ребристый пластинчатый теплообменник 1 для предварительного охлаждения пропаном после дросселирования и сброса давления до 0,2 МПа абс. - 0,35 МПа абс. первым дросселирующим клапаном 12 пропана среднего давления, тем самым охлаждая природный газ, хладагент WMR и хладагент CMR до -10°С -20°С, а газофазный пропан, выходящий из ребристого пластинчатого теплообменника, возвращают во входное отверстие для всасывания среднего давления пропанового компрессора 7; другой поток жидкофазного пропана (45% - 55%) входит в пропановый отбойный сепаратор 14 среднего давления для разделения газа и жидкости после дросселирования и сброса давления до 0,2 МПа абс. - 0,35 МПа абс. вторым дросселирующим клапаном 13 пропана среднего давления, а жидкофазный пропан, выходящий из верхней части отбойного сепаратора, возвращают во входное отверстие для всасывания среднего давления пропанового компрессора 7;

жидкофазный пропан, выходящий из пропанового отбойного сепаратора 14 среднего давления, входит в ребристый пластинчатый теплообменник 1 для предварительного охлаждения пропаном после дросселирования и сброса давления до 0,1 МПа абс. - 0,2 МПа абс. дросселирующим клапаном 15, тем самым охлаждая природный газ, хладагент WMR и хладагент CMR до -30°С - -39°С, а газофазный пропан, выходящий из ребристого пластинчатого теплообменника 1 для предварительного охлаждения пропаном, возвращают во входное отверстие для всасывания низкого давления пропанового компрессора 7 через пропановый отбойный сепаратор 16 низкого давления; и

давление пропана низкого давления, пропана среднего давления и пропана высокого давления повышают посредством пропанового компрессора 7 для очередного цикла;

2) система охлаждения WMR охлаждает природный газ и хладагент CMR до -65°С -95°С:

хладагент WMR, выходящий из нижней части теплообменника 2 змеевикового типа WMR, входит во входной сепаратор 17 компрессора WMR и затем входит в ребристый пластинчатый теплообменник 1 для предварительного охлаждения пропаном для охлаждения до -30°С - -39°С и сжижения после повышения давления до 3 МПа абс.- 5 МПа абс. компрессором 18 WMR и охлаждения до 20°С - 50°С охладителем 19 WMR; жидкий WMR входит в теплообменник 2 змеевикового типа WMR для дополнительного охлаждения до -65°С -95°С, затем выходит из его верхней части, расширяется до 0,2 МПа абс.0,5 МПа абс.(при -70°С - -100°С) гидравлическим детандером 20 WMR и входит в теплообменник 2 змеевикового типа WMR для охлаждения природного газа, хладагента WMR и хладагента CMR до -65°С - -95°С; и хладагент WMR низкого давления (0,2 МПа абс.0,5 МПа абс, -35°С -45°С), выходящий из нижней части теплообменника 2 змеевикового типа WMR, возвращается во входной сепаратор 17 компрессора WMR для очередного цикла;

3) система охлаждения CMR обеспечивает охлаждающую способность для сжижения и переохлаждения природного газа и хладагента CMR;

в качестве хладагента системы охлаждения CMR давление хладагента CMR повышают до 5 МПа абс.- 8 МПа абс. посредством компрессора 22 CMR, а затем охлаждают до 20°С - 50°С концевым холодильником 23 компрессора CMR, до -30°С - -39°С ребристым пластинчатым теплообменником 1 для предварительного охлаждения пропаном, до -65°С - -95°С теплообменником 2 змеевикового типа WMR и до -155°С - -160°С в теплообменнике 3 змеевикового типа CMR; и хладагент CMR выходит из верхней части теплообменника 3 змеевикового типа CMR, затем расширяется до 0,2 МПа абс.0,5 МПа абс. при помощи гидравлического детандера 24 CMR и входит в теплообменник 3 змеевикового типа CMR для обеспечения охлаждающей способности для сжижения и переохлаждения природного газа и самого хладагента CMR; и CMR низкого давления (0,2 МПа абс. - 0,5 МПа абс, -75°С - -95°С), выходящий из нижней части теплообменника 3 змеевикового типа CMR, возвращается во входной сепаратор 21 компрессора CMR для очередного цикла;

4) расширение и парообразование LNG высокого давления.

Природный газ, выходящий из верхней части теплообменника 3 змеевикового типа CMR, был сжижен и переохлажден до -155°С - -160°С. Переохлажденный природный газ расширяют до 120 кПа абс. (при -160°С - -163°С) посредством гидравлического турбодетандера 4 LNG, и он входит в расширительный бак 5 LNG для парообразования. Отпарной газ (BOG) отправляют в расположенные ниже по потоку устройства для сжатия BOG, a LNG в нижней части расширительного бака 5 LNG отправляют в блок хранения LNG посредством подпиточного насоса 6 LNG.

Смешанный хладагент WMR главным образом содержит этан и определенное количество метана и пропана, при этом метан составляет 5% - 15% (об/об), этан составляет 70% - 85% (об/об), а пропан составляет 10% - 20% (об/об). Смешанный хладагент CMR содержит азот, метан и этан, при этом азот составляет 10% - 25%, этан составляет 40% - 65%, а пропан составляет 30% - 45%.

Настоящее изобретение действует согласно следующему принципу:

система трехциклового сжижения, основанная на высокоэффективном оборудовании, предоставленном настоящим изобретением, подходит для аппарата сжижения природного газа в ультракрупных масштабах с производственной мощностью одной технологической линии 6-8 миллионов метрических тонн в год, и в ней применяют трехэтапный цикл охлаждения, где хладагент в виде пропана используют в секции предварительного охлаждения, а смешанный хладагент используют в секции сжижения и секции переохлаждения; в цикле предварительного охлаждения, цикле сжижения и цикле переохлаждения соответственно применяют набор процессов в плане сжатия, охлаждения, конденсации, турбодетандирования и теплообмена.

Согласно настоящему изобретению гидравлические турбодетандеры используют для расширения с дросселированием WMR, CMR и LNG, тем самым достигая относительно высокой эффективности охлаждения на основании принципа изоэнтропического расширения; и гидравлический турбодетандер используют для восстановления энергии для выработки энергии, тем самым уменьшая совокупное потребление энергии.

Настоящее изобретение имеет следующие положительные эффекты: 1) состав и пропорция смешанного хладагента могут быть отрегулированы согласно изменениям условий окружающей среды проектного объекта и условий исходного газа для оптимизации температур охлаждения и сжижения с целью минимизации потребления энергии системы общего процесса и улучшения местной адаптивности; 2) трехэтапный цикл охлаждения, в котором применяют высокоэффективный ребристый пластинчатый теплообменник и теплообменник змеевикового типа для достижения высокой эффективности теплообмена, тем самым надлежащим образом распределяя нагрузку охлаждения на разных этапах и повышая производственную мощность одной технологической линии аппарата LNG; 3) хладагент WMR и хладагент CMR дросселируют посредством гидравлического турбодетандера, что дополнительно уменьшает потребление энергии на единицу продукта LNG в зависимости от высокой эффективности охлаждения; и 4) гидравлический турбодетандер используют для дросселирования LNG высокого давления, демонстрируя эффективное дросселирование и улучшая скорость сжижения природного газа.

Представлены аппарат и способ трехциклового сжижения природного газа, подходящие для ультракрупных масштабов. Аппарат содержит трубопровод для сжижения природного газа, систему цикла предварительного охлаждения пропаном, систему цикла охлаждения теплого смешанного хладагента (WMR) и систему цикла охлаждения холодного смешанного хладагента (CMR). Этот аппарат основан на трех циклах для распределения нагрузки охлаждения каждого этапа. Природный газ охлаждают посредством одного ребристого пластинчатого теплообменника и двух теплообменников змеевикового типа последовательно, пока природный газ не будет сжижен и переохлажден. Охлаждающая способность, требующаяся для процесса сжижения, обеспечивается тремя системами, то есть пропаном, смешанным хладагентом WMR и смешанным хладагентом CMR. Техническим результатом является упрощение технологии и снижение энергозатрат. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Аппарат трехциклового сжижения природного газа, подходящий для ультракрупных масштабов, отличающийся тем, что содержит систему труб для сжижения природного газа, систему цикла предварительного охлаждения пропаном, систему цикла теплого смешанного охлаждения (WMR) и систему цикла холодного смешанного охлаждения (CMR), при этом:

система труб для сжижения природного газа содержит пропановый теплообменник, теплообменник WMR, теплообменник CMR, детандер сжиженного природного газа (LNG), расширительный бак LNG и подпиточный насос LNG, которые соединены последовательно;

система цикла предварительного охлаждения пропаном содержит пропановый теплообменник, пропановый компрессор, концевой холодильник пропанового компрессора, пропановый отбойный сепаратор высокого давления, пропановый отбойный сепаратор среднего давления и пропановый отбойный сепаратор низкого давления, которые используют для предварительного охлаждения природного газа, хладагента WMR и хладагента CMR;

система цикла охлаждения WMR содержит теплообменник WMR, входной сепаратор компрессора WMR, компрессор WMR, концевой холодильник компрессора WMR и детандер WMR, которые используют для дополнительного охлаждения и частичного сжижения природного газа и хладагента CMR; и

система цикла охлаждения CMR содержит теплообменник CMR, входной сепаратор компрессора CMR, компрессор CMR, концевой холодильник компрессора CMR и детандер CMR, которые используют для обеспечения охлаждающей способности для общего сжижения и переохлаждения природного газа и хладагента CMR.

2. Аппарат трехциклового сжижения природного газа, подходящий для ультракрупных масштабов, по п. 1, отличающийся тем, что в системе цикла предварительного охлаждения пропаном пропановый компрессор, концевой холодильник пропанового компрессора, первый дросселирующий клапан пропана высокого давления, пропановый теплообменник и входное отверстие для всасывания высокого давления пропанового компрессора соединены последовательно; концевой холодильник пропанового компрессора, второй дросселирующий клапан пропана высокого давления, пропановый отбойный сепаратор высокого давления, первый дросселирующий клапан пропана среднего давления, пропановый теплообменник и входное отверстие для всасывания среднего давления пропанового компрессора соединены последовательно; пропановый отбойный сепаратор высокого давления, второй дросселирующий клапан пропана среднего давления, пропановый отбойный сепаратор среднего давления, дросселирующий клапан пропана низкого давления, пропановый теплообменник, пропановый отбойный сепаратор низкого давления и входное отверстие для всасывания низкого давления пропанового компрессора соединены последовательно; газофазное выпускное отверстие пропанового отбойного сепаратора высокого давления соединено со всасывающей линией высокого давления пропанового компрессора; и газофазное выпускное отверстие пропанового отбойного сепаратора среднего давления соединено со всасывающей линией среднего давления пропанового компрессора.

3. Аппарат трехциклового сжижения природного газа, подходящий для ультракрупных масштабов, по п. 1, отличающийся тем, что в системе цикла охлаждения WMR теплообменник WMR, входной сепаратор компрессора WMR, компрессор WMR, концевой холодильник компрессора WMR, пропановый теплообменник, теплообменник WMR, детандер WMR и теплообменник WMR соединены последовательно.

4. Аппарат трехциклового сжижения природного газа, подходящий для ультракрупных масштабов, по п. 1, отличающийся тем, что в системе цикла охлаждения CMR теплообменник CMR, входной сепаратор компрессора CMR, компрессор CMR, концевой холодильник компрессора CMR, пропановый теплообменник, теплообменник WMR, теплообменник CMR, детандер CMR и теплообменник CMR соединены последовательно.

5. Аппарат трехциклового сжижения природного газа, подходящий для ультракрупных масштабов, по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что детандер LNG, детандер WMR и детандер CMR являются гидравлическими турбодетандерами.

6. Аппарат трехциклового сжижения природного газа, подходящий для ультракрупных масштабов, по п. 5, отличающийся тем, что пропановый теплообменник является ребристым пластинчатым теплообменником, а теплообменник WMR и теплообменник CMR являются теплообменниками змеевикового типа.

7. Способ трехциклового сжижения природного газа, подходящий для ультракрупных масштабов, отличающийся тем, что включает следующие этапы:

1) система цикла охлаждения пропаном обеспечивает охлаждающую способность для предварительного охлаждения природного газа, хладагента WMR и хладагента CMR:

пропан, давление которого повышают посредством пропанового компрессора и который охлаждают посредством пропанового охладителя, разделяют на два потока, один поток жидкофазного пропана входит в пропановый теплообменник после дросселирования и сброса давления первым дросселирующим клапаном пропана высокого давления, тем самым обеспечивая охлаждающую способность для охлаждения природного газа, хладагента WMR и хладагента CMR, а газофазный пропан, выходящий из пропанового теплообменника, возвращают во входное отверстие для всасывания высокого давления пропанового компрессора; другой поток жидкофазного пропана входит в пропановый отбойный сепаратор высокого давления для разделения газа и жидкости после дросселирования и сброса давления вторым дросселирующим клапаном пропана высокого давления, при этом: газофазный пропан, выходящий из верхней части отбойного сепаратора, возвращают во входное отверстие для всасывания высокого давления пропанового компрессора, а жидкую фазу, выходящую из нижней части отбойного сепаратора, разделяют на два потока, один поток жидкофазного пропана входит в пропановый теплообменник после дросселирования и сброса давления первым дросселирующим клапаном пропана среднего давления, тем самым обеспечивая охлаждающую способность для непрерывного охлаждения природного газа, хладагента WMR и хладагента CMR, а газофазный пропан, выходящий из пропанового теплообменника, возвращают во входное отверстие для всасывания среднего давления пропанового компрессора; другой поток жидкофазного пропана входит в пропановый отбойный сепаратор среднего давления для разделения газа и жидкости после дросселирования и сброса давления вторым дросселирующим клапаном пропана среднего давления, газофазный пропан, выходящий из верхней части отбойного сепаратора, возвращают во входное отверстие для всасывания среднего давления пропанового компрессора, жидкофазный пропан, выходящий из нижней части отбойного сепаратора, входит в пропановый теплообменник после дросселирования и сброса давления дросселирующим клапаном пропана низкого давления, тем самым обеспечивая охлаждающую способность для непрерывного охлаждения природного газа, хладагента WMR и хладагента CMR, а газофазный пропан, выходящий из пропанового теплообменника, возвращают во входное отверстие для всасывания низкого давления пропанового компрессора через пропановый отбойный сепаратор низкого давления; и давление пропана низкого давления, пропана среднего давления и пропана высокого давления повышают посредством пропанового компрессора для очередного цикла;

2) система охлаждения WMR обеспечивает охлаждающую способность для дополнительного охлаждения и частичного сжижения природного газа и хладагента СMR:

хладагент WMR, выходящий из нижней части теплообменника WMR, входит во входной сепаратор компрессора WMR и затем входит в пропановый теплообменник для охлаждения и сжижения после повышения давления посредством компрессора WMR и охлаждения посредством охладителя WMR; жидкий WMR входит в теплообменник WMR для дополнительного охлаждения, затем выходит из его верхней части, расширяется до низкого давления при помощи детандера WMR и входит в теплообменник WMR для обеспечения охлаждающей способности для дополнительного охлаждения и частичного сжижения природного газа, хладагента WMR и хладагента CMR; и хладагент WMR низкого давления, выходящий из нижней части теплообменника WMR, возвращается во входной сепаратор компрессора WMR для очередного цикла; и

3) система охлаждения CMR обеспечивает охлаждающую способность для общего сжижения и переохлаждения природного газа и хладагента CMR;

хладагент CMR выходит из верхней части теплообменника CMR после повышения давления посредством компрессора CMR и охлаждения посредством охладителя CMR, пропанового теплообменника, теплообменника WMR и теплообменника CMR последовательно, затем расширяется до низкого давления при помощи детандера CMR и входит в теплообменник CMR для обеспечения охлаждающей способности для сжижения и переохлаждения природного газа и самого хладагента CMR; и хладагент CMR низкого давления, выходящий из нижней части теплообменника CMR, возвращается во входной сепаратор компрессора CMR для очередного цикла.

8. Способ трехциклового сжижения природного газа, подходящий для ультракрупных масштабов, по п. 7, отличающийся тем, что хладагент WMR содержит метан, этан и пропан, при этом метан составляет 5% - 15% (об./об.), этан составляет 70% - 85% (об./об.), а пропан составляет 10% - 20% (об./об.).

9. Способ трехциклового сжижения природного газа, подходящий для ультракрупных масштабов, по п. 7, отличающийся тем, что хладагент CMR содержит азот, метан и этан, при этом азот составляет 10% - 25% (об./об.), этан составляет 40% - 65% (об./об.), а пропан составляет 30% - 45% (об./об.).

10. Способ трехциклового сжижения природного газа, подходящий для ультракрупных масштабов, по п. 7, отличающийся тем, что природный газ, выходящий из верхней части теплообменника CMR, сжижают и переохлаждают до -155°С - -160°С перед расширением до 120 кПа абс. детандером LNG, а затем он входит в расширительный бак LNG для парообразования; отпарной газ (BOG) отправляют в расположенные ниже по потоку компрессоры BOG; и LNG в нижней части расширительного бака LNG отправляют в блок хранения LNG посредством подпиточного насоса LNG.