Способ сжижения природного газа "АРКТИЧЕСКИЙ МИКС" Российский патент 2023 года по МПК F25J1/00 

Изобретение относится к технологиям сжижения природного газа для дальнейшей его перевозки речным или морским транспортом.

Известно множество способов сжижения природного газа и установок для их осуществления, преимущественно основанных на отводе теплоты внешним хладагентом.

Известна технология сжижения природного газа (EP 3299757 B1, опубл. 19.06.2019), которая заключается в том, что предварительно подготовленный природный газ ступенчато охлаждают потоком смешанного холодильного агента в спиральновитом теплообменном аппарате и расширяют с образованием СПГ. Смешанный хладагент компримируют, частично конденсируют с помощью аппарата воздушного охлаждения и подают в сепаратор, в котором происходит его разделение на жидкую и газообразные фазы, далее смешанный холодильный агент подают отдельными потоками в спиральновитой теплообменный аппарат. Жидкий смешанный хладагент переохлаждают в спиральновитом теплообменном аппарате за счет кипения смешанного хладагента низкого давления и изоэнтальпийно расширяют на клапане Джоуля - Томсона. Газообразный смешанный хладагент частично конденсируют в спиральновитом теплообменном аппарате и разделяют в сепараторе на жидкую и газообразную фазы. Жидкий смешанный хладагент переохлаждают, а газообразный смешанный хладагент конденсируют в теплообменном аппарате за счет кипения смешанного хладагента низкого давления.

Недостатком данной технологии является ограниченная производительность по продукту - сжиженному природному газу вследствие пропорционального увеличения компрессорных ступеней и ограниченности их размеров, а также низкая энергоэффективность за счет использования одного контура смешанного хладагента.

Кроме того, известно множество изобретений, например, RU 2 706892 C2, решающих проблему пуска теплообменного оборудования технологии сжижения газа на смешанных хладагентах, связанную с неполной конденсацией потока смешанного хладагента в пространстве теплообменника в начальный момент пуска, что приводит к увеличению времени пуска установки и выхода ее на режим, а также вызывает вибрации в оборудовании, снижая его надежность.

Известен способ сжижения природного газа (DE 19716415 С1, опубл. 22.10.1998), который заключается в том, что не обязательно подготовленный природный газ ступенчато охлаждают потоками холодильных агентов в образующих каскад циклах с тремя смесями холодильных агентов теплообменных аппаратах и расширяют с образованием СПГ. В первом цикле происходит предварительное охлаждение природного газа, конденсация второго холодильного агента и частичная конденсация третьего холодильного агента за счет кипения первого холодильного агента. Во втором цикле происходит сжижение природного газа и конденсация третьего холодильного агента за счет кипения второго холодильного агента. В третьем цикле происходит переохлаждение природного газа за счет кипения третьего холодильного агента. Первый холодильный агент компримируют, охлаждают и конденсируют в первом цикле и изоэнтальпийно расширяют на клапане Джоуля - Томсона. Второй холодильный агент компримируют, конденсируют в первом цикле, переохлаждают во втором холодильном цикле и изоэнтальпийно расширяют на клапане Джоуля - Томсона. Третий холодильный агент частично конденсируют в первом холодильном цикле, конденсируют во втором холодильном цикле, переохлаждают в третьем холодильном цикле и изоэнтальпийно расширяют на клапане Джоуля - Томсона.

Недостатком данного способа является осуществление конденсации второго холодильного агента в первом теплообменнике первого холодильного цикла, а также частичная конденсация третьего холодильного агента в первом и втором холодильных циклах, что приводит к наличию двухфазного потока в теплообменном оборудовании, вибраций и, как следствие, снижению надежности установки и усложнению управления процессом.

Наиболее близким к предложенному способу является принятый за прототип способ сжижения природного газа, по которому природный газ охлаждают и сжижают в трех холодильных контурах (RU 2698565 C2, опубл. 28.08.2019). Подготовленный природный газ компримируют, снимают теплоту компримирования и охлаждают тремя контурами смешанных холодильных агентов, снижают давление охлажденного газа с образованием парожидкостной смеси и отводят сжиженный газ, а в каждом контуре смешанный хладагент компримируют, снимают теплоту компримирования, переохлаждают, расширяют с получением в каждом контуре смешанного хладагента низкого давления и используют для охлаждения природного газа, при этом в первом контуре первый смешанный хладагент переохлаждают за счет испарения первого смешанного хладагента низкого давления, во втором контуре второй смешанный хладагент охлаждают также за счет испарения первого смешанного хладагента низкого давления и переохлаждают за счет испарения второго смешанного хладагента низкого давления, а в третьем контуре третий смешанный хладагент охлаждают за счет испарения второго смешанного хладагента низкого давления и переохлаждают за счет испарения третьего смешанного хладагента низкого давления.

Установка для осуществления данного способа, принятая за прототип (описана там же), содержит линию охлаждения природного газа, включающую по компрессор природного газа, первый аппарат воздушного охлаждения и теплообменные пространства первой, второй и третьей ступеней охлаждения природного газа соответственно первого второго и третьего многопоточных теплообменников, первое средство понижения давления и сепаратор, а также контуры первого, второго и третьего смешанных хладагентов, при этом контур первого смешанного хладагента включает последовательно соединенные компрессор первого смешанного хладагента, второй аппарат воздушного или водяного охлаждения, первую сборную емкость, теплообменное пространство переохлаждения первого многопоточного теплообменника, второе средство понижения давления (редукционный клапан) и теплообменное пространство испарения первого многопоточного теплообменника, контур второго смешанного хладагента включает последовательно соединенные компрессор второго смешанного хладагента, третий аппарат воздушного охлаждения, вторую сборную емкость, теплообменное пространство охлаждения первого многопоточного теплообменника, теплообменное пространство переохлаждения второго многопоточного теплообменника, третье средство понижения давления (редукционный клапан) и теплообменное пространство испарения второго многопоточного теплообменника, контур третьего смешанного хладагента включает последовательно соединенные два компрессора третьего смешанного хладагента, после каждого из которых установлен четвертый и пятый аппарат воздушного охлаждения соответственно, теплообменное пространство охлаждения второго многопоточного теплообменника, третья сборная емкость, теплообменное пространство переохлаждения третьего многопоточного теплообменника, четвертое средство понижения давления и теплообменное пространство испарения третьего многопоточного теплообменника.

В процессе осуществления способа и эксплуатации установки сжижения природного газа по прототипу возникающие нарушения равномерности расходов природного газа или смешанных хладагентов от проектных параметров вызывают отклонения проектных значений температурных сближений на концах теплообменных аппаратов в результате чего может произойти охлаждение потока природного газа до более низких температур. Данный эффект при неправильной организации процесса влечет за собой обратный теплообмен вследствие пересечения температур между потоком природного газа и смешанного хладагента. В результате возможна частичная конденсация испарившегося хладагента потоком природного газа. Сконденсированная часть хладагента при попадании в компрессор приводит к его поломке и аварии на установке. В случае если перед компрессорами предусмотрены сепараторы, сконденсировавшаяся часть отделяется в них и выводится с установки, что приводит к изменению состава хладагента, снижению энергоэффективности, необходимости переработки сконденсировавшегося хладагента (например, разделения на установке фракционирования) и необходимости его корректировки под значения оптимального состава.

Техническая проблема, решаемая группой изобретений, заключается в уменьшении рисков аварийных ситуаций вследствие попадания сконденсированной части хладагента в компрессор.

Техническая проблема решается способом сжижения природного газа, по которому подготовленный природный газ компримируют, снимают теплоту компримирования и охлаждают тремя контурами смешанных холодильных агентов, понижают давление охлажденного газа с образованием парожидкостной смеси и отводят сжиженный газ, а в каждом контуре смешанный хладагент компримируют, снимают теплоту компримирования, переохлаждают, понижают его давление с получением в каждом контуре смешанного хладагента низкого давления и используют для охлаждения природного газа, при этом в первом контуре первый смешанный хладагент переохлаждают за счет испарения первого смешанного хладагента низкого давления, во втором контуре второй смешанный хладагент охлаждают также за счет испарения первого смешанного хладагента низкого давления и переохлаждают за счет испарения второго смешанного хладагента низкого давления, а в третьем контуре третий смешанный хладагент охлаждают за счет испарения второго смешанного хладагента низкого давления и переохлаждают за счет испарения третьего смешанного хладагента низкого давления, при этом, согласно изобретению, температура конца кипения второго смешанного хладагента при давлении начала его компримирования ниже температуры первого смешанного хладагента после понижения его давления, а температура конца кипения третьего смешанного хладагента при давлении начала его компримирования ниже температуры второго смешанного хладагента после понижения его давления.

Кроме того, для исключения образования двухфазных потоков в теплообменном пространстве после снятия теплоты компримирования первый и второй смешанные хладагенты полностью конденсируют.

Кроме того, для предотвращения фазового перехода компримирование природного газа осуществляют до получения его сверхкритического состояния.

Кроме того, для предотвращения двухфазных потоков на входе в теплообменные аппараты компримирование третьего смешанного хладагента осуществляют до получения его сверхкритического состояния.

Кроме того, для снижения энергопотребления процесса после снятия теплоты компримирования третьего смешанного хладагента проводят его предварительное охлаждения за счет испарения первого смешанного хладагента низкого давления.

Кроме того, в качестве первого смешанного хладагента можно использовать смесь углеводородов, преимущественно состоящую из этана или этилена, пропана или пропилена и бутанов, в качестве второго смешанного хладагента можно использовать смесь углеводородов, преимущественно состоящую из метана, этана или этилена, пропана или пропилена, а качестве третьего смешанного хладагента можно использовать смесь, преимущественно состоящую из азота, метана и этана или этилена.

Кроме того, первый, второй и третий многопоточные теплообменники предпочтительно представляют собой спиральные или пластинчато-ребристые теплообменники

Технический результат, достигаемый при использовании предложенного способа заключается в более стабильной работе установки за счет обеспечения температуры конца кипения хладагента ниже значения температуры смешанного хладагента предыдущего контура после его расширения (понижения давления), что приводит к невозможности охлаждения природного газа в предыдущем контуре сжижения до температур, соответствующих существованию смешанного хладагента в двухфазной области, ни при каких расходных или иных флуктуациях параметров технологического процесса.

На фиг. 1 показана схема исполнения установки для осуществления способа без предварительного охлаждения третьего смешанного хладагента.

На фиг. 2 - схема другого исполнения установки для осуществления способа с предварительным охлаждением третьего смешанного хладагента.

Установка для сжижения природного газа, показанная на фиг. 1, содержит линию охлаждения природного газа и контуры первого, второго и третьего смешанного хладагента.

Линия охлаждения природного газа включает последовательно соединенные компрессор 1 природного газа, аппарат 2 или аппараты воздушного или водяного охлаждения, теплообменные пространства первой, второй и третьей ступеней охлаждения природного газа соответственно первого второго и третьего многопоточных теплообменников 3, 4, 5, первое средство 6 понижения давления и сепаратор 7. В качестве многопоточных теплообменников 3, 4, 5 целесообразно использовать спиральные или пластинчато-ребристые теплообменники.

Контур первого смешанного хладагента включает последовательно соединенные по меньшей мере один компрессор 11 первого смешанного хладагента, по меньшей мере один аппарат 12 воздушного или водяного охлаждения, конденсатор 13 воздушного или водяного охлаждения, теплообменное пространство переохлаждения первого многопоточного теплообменника 3, второе средство 4 понижения давления и теплообменное пространство испарения первого многопоточного теплообменника 3.

Контур второго смешанного хладагента включает последовательно соединенные по меньшей мере один компрессор 21 второго смешанного хладагента, по меньшей мере один аппарат 22 воздушного или водяного охлаждения, конденсатор 23 воздушного или водяного охлаждения, теплообменное пространство охлаждения первого многопоточного теплообменника 3, теплообменное пространство переохлаждения второго многопоточного теплообменника 4, третье средство 24 понижения давления и теплообменное пространство испарения второго многопоточного теплообменника 4.

Контур третьего смешанного хладагента включает последовательно соединенные по меньшей мере один компрессор 31 третьего смешанного хладагента, по меньшей мере один аппарат 32 воздушного или водяного охлаждения, теплообменное пространство охлаждения второго многопоточного теплообменника 4, теплообменное пространство переохлаждения третьего многопоточного теплообменника 5, четвертое средство 33 понижения давления и теплообменное пространство испарения третьего многопоточного теплообменника 5.

Установка для сжижения природного газа по фиг. 2 отличается от схемы на фиг. 1 тем, что в контур третьего смешанного хладагента между аппаратом 32 воздушного или водяного охлаждения включено теплообменное пространство предварительного охлаждения первого многопоточного теплообменника 3.

В качестве приводов компрессора природного газа 1, компрессора 11 первого смешанного хладагента, компрессора 21 второго смешанного хладагента и компрессора 31 третьего смешанного хладагента могут применяться газотурбинные двигатели или электродвигатели, но не ограничиваясь ими, которые могут быть соединены с компрессорами посредством мультипликаторов (на схеме не показаны).

Количество компрессоров 1 природного газа в случае недостаточности пропускной характеристики также может быть увеличено с параллельной установкой соответствующих компрессоров и аппарата воздушного или водяного охлаждения после каждого компрессора.

Количество компрессоров 11, 21, 31 первого, второго и третьего смешанных хладагентов в случае недостаточности пропускной характеристики может быть увеличено с параллельной установкой соответствующих компрессоров и аппарата воздушного или водяного охлаждения после каждого компрессора.

Конденсаторы 13, 23 воздушного или водяного охлаждения представляют собой теплообменные устройства, позволяющие осуществлять нормальное протекание процессов фазового перехода без возникновения газовых пробок, например, но не ограничиваясь, путем применения наклонных однозаходных теплообменных трубок.

Способ сжижения природного газа осуществляется следующим образом.

Подготовленный к сжижению природный газ, очищенный от паров воды, углекислого газа и других загрязняющих примесей, поступает на компрессор 1 природного газа (или компрессоры), где его компримируют до давления порядка 8-10 МПа, далее его охлаждают за счет холода окружающей среды в аппарате 2 или аппаратах воздушного либо водяного охлаждения до температуры порядка +15-20° и направляют в теплообменное пространство первого многопоточного теплообменника 3 После первой ступени охлаждения газ с температурой порядка - минус 30 - минус 40° направляют в теплообменное пространство второго многопоточного теплообменника 4. После второй ступени охлаждения газ с температурой порядка минус 60 - минус 70° направляют в теплообменное пространство второго многопоточного теплообменника 5, где его охлаждают до температуры порядка минус 155 - минус 159°. Далее газ направляют на первое средство 6 понижения давления, в данном случае дроссель, где его давление снижают до 0,1 МПа с образованием парожидкостного потока и направляют в сепаратор 7 для разделения жидкой и газообразной фазы. Жидкая часть является сжиженным природным газом.

В качестве первого смешанного хладагента применяют смесь, преимущественно состоящую из этана или этилена, пропана или пропилена и бутана, но применение не ограничивается данными веществами. Газообразный первый смешанный хладагент от теплообменного пространства испарения первого многопоточного теплообменника 3 поступает на компрессор 11 первого смешанного хладагента (или компрессоры), где его компримируют до давления порядка 2,5 МПа, охлаждают в аппарате 12 или аппаратах воздушного или водяного охлаждения и конденсируют в конденсаторе 13 при температуре +15-20 °. Жидкий первый смешанный хладагент направляют в теплообменное пространство первого многопоточного теплообменника 3, в котором происходит его переохлаждение до температуры порядка минус 30 - минус 40°. После переохлаждения происходит понижение давления первого смешанного хладагента с помощью второго средства 14 понижения давления, в данном случае дросселя, сопровождающееся понижением температуры до значений порядка минус 32 - минус 40°, с последующим испарением первого смешанного хладагента низкого давления в теплообменном пространстве испарения первого многопоточного теплообменника 3, сопровождающимся охлаждением природного газа, переохлаждением первого смешанного хладагента и охлаждением второго смешанного хладагента. Газообразный первый смешанный хладагент от многопоточного теплообменника 3 направляют к компрессору 11, компримируют, охлаждают и конденсируют и далее по циклу вновь используют для охлаждения газа и смешанных хладагентов.

В качестве второго смешанного хладагента применяют смесь углеводородов, преимущественно состоящую из метана, этана или этилена и пропана или пропилена, но применение не ограничивается данными веществами. Газообразный второй смешанный хладагент находится в теплообменном пространстве испарения второго многопоточного теплообменника 4 при давлении порядка 0,35-0,45 МПа, при котором температура конца его кипения составляет порядка минус 45-минус 50°, что ниже температуры первого смешанного хладагента после расширения на втором средстве 14 понижения давления на величину не менее 5 градусов, что делает невозможным процесс конденсации испарившегося хладагента при нарушении равномерности потока природного газа и его захолаживании до более низких температур. Далее второй смешанный хладагент поступает на компрессор 22 второго смешанного хладагента (или компрессоры), где его дожимают до давления порядка 3,5-4,5 МПа, охлаждают в аппарате 21 или аппаратах воздушного или водяного охлаждения и конденсируют в конденсаторе 23 при температуре порядка +15-20 °. Жидкий второй смешанный хладагент охлаждается за счет испарения первого смешанного хладагента низкого давления в многопоточном теплообменнике 3 до температуры порядка минус 30 - минус 40° и переохлаждается в многопоточном теплообменнике 4 до температур порядка минус 62 - минус 70°. После переохлаждения происходит понижение давления второго смешанного хладагента с помощью третьего средства 24 понижения давления, в данном случае дросселя, сопровождающееся понижением температуры до значений порядка минус 62-минус 73°, и последующее испарение второго смешанного хладагента низкого давления в теплообменном пространстве испарения второго многопоточного теплообменника 4, сопровождающееся охлаждением природного газа, переохлаждением второго смешанного хладагента и охлаждением третьего смешанного хладагента соответственно. Газообразный второй смешанный хладагент от вышеуказанного теплообменника 4 направляют к компрессору 21, компримируют, охлаждают и конденсируют и далее по циклу вновь используют для охлаждения газа и смешанных хладагентов.

В качестве третьего смешанного хладагента применяется смесь, преимущественно состоящая из азота, метана и этана или этилена, но применение не ограничивается данными веществами. Газообразный третий смешанный хладагент находится в теплообменном пространства испарения третьего многопоточного теплообменника 5 при давлении порядка 0,35-0,45 МПа, при котором температура конца его кипения составляет порядка минус 75-минус 85°, что ниже температуры первого смешанного хладагента после расширения на третьем средстве 24 понижения давления на величину не менее 5 градусов, что делает невозможным процесс конденсации испарившегося хладагента при нарушении равномерности потока природного газа и его захолаживании до более низких температур. Далее третий смешанный хладагент поступает на компрессор 31 третьего смешанного хладагента (или компрессоры), где его дожимают до давления порядка 8-9 МПа, охлаждают в аппарате 32 или аппаратах воздушного или водяного охлаждения. Газообразный третий смешанный хладагент последовательно направляют во второй многопоточный теплообменник 4, где он охлаждается до температуры порядка минус 60 - минус 70°, и третий многопоточный теплообменник 5, где он охлаждается до температуры порядка минус 155-минус 159°. После охлаждения третьего смешанного хладагента его давление понижают с помощью четвертого средства 34 понижения давления, в данном случае дросселя. После понижения давления третий смешанный хладагент подают в теплообменное пространство испарения третьего многопоточного теплообменника 5, в котором происходит испарение третьего смешанного хладагента низкого давления, сопровождающееся охлаждением природного газа и переохлаждением третьего смешанного хладагента. Газообразный третий смешанный хладагент от многопоточного теплообменника 5 направляют в компрессор 31, компримируют, охлаждают и конденсируют и далее по циклу вновь используют для охлаждения газа и смешанных хладагентов.

При высоких температурах окружающей среды целесообразно применять схему, показанную на фиг. 2, по которой после охлаждения в аппарате 32 или аппаратах воздушного или водяного охлаждения газообразный третий смешанный хладагент сначала направляют в теплообменное пространство предварительного охлаждения первого многопоточного теплообменника 3, где он предварительно охлаждается до температур порядка минус 30 - минус 40°, и затем во второй многопоточный теплообменник 4, где он охлаждается до температур порядка минус 60 - минус 70° и третий многопоточный теплообменник 5, где он охлаждается до температур порядка минус 155-минус 159°. Далее третий смешанный хладагент проходит по контуру аналогично схеме на фиг. 1.

В предлагаемом способе по меньшей мере два смешанных хладагента целесообразно конденсировать с помощью конденсаторов 13 и 23 воздушного или водяного охлаждения, при этом переохлаждение второго смешанного хладагента осуществляется за счет кипения первого смешанного хладагента, что приводит к увеличению энергоэффективности за счет более глубокого захолаживания и уменьшению габаритов теплообменных аппаратов за счет исключения двухфазного потока в трубных пространствах, а также снижению доли пара в потоке второго смешанного хладагента после изоэнтальпийного или изоэнтропийного расширения. В том числе в предлагаемом способе охлаждение природного газа и третьего смешанного хладагента предпочтительно осуществляется при давлениях выше критических для исключения фазовых переходов в теплообменных аппаратах, что в свою очередь уменьшает металлоемкость и повышает надежность установки.

Изобретение относится к технологиям сжижения природного газа для дальнейшей его перевозки речным или морским транспортом. Подготовленный природный газ компримируют, снимают теплоту компримирования и охлаждают тремя контурами смешанных холодильных агентов, понижают давление охлажденного газа с образованием парожидкостной смеси и отводят сжиженный газ. В каждом контуре смешанный хладагент компримируют, снимают теплоту компримирования, переохлаждают, понижают его давление с получением в каждом контуре смешанного хладагента низкого давления и используют для охлаждения природного газа. В первом контуре первый смешанный хладагент переохлаждают за счет испарения первого смешанного хладагента низкого давления. Во втором контуре второй смешанный хладагент охлаждают также за счет испарения первого смешанного хладагента низкого давления и переохлаждают за счет испарения второго смешанного хладагента низкого давления. В третьем контуре третий смешанный хладагент охлаждают за счет испарения второго смешанного хладагента низкого давления и переохлаждают за счет испарения третьего смешанного хладагента низкого давления. Возможно предварительное охлаждение третьего смешанного хладагента за счет испарения первого смешанного хладгента. При этом температура конца кипения второго смешанного хладагента при давлении начала его компримирования ниже температуры первого смешанного хладагента после понижения его давления, а температура конца кипения третьего смешанного хладагента при давлении начала его компримирования ниже температуры второго смешанного хладагента после понижения его давления. Технический результат заключается в более стабильной работе установки. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ сжижения природного газа, по которому подготовленный природный газ компримируют, снимают теплоту компримирования и охлаждают тремя контурами смешанных холодильных агентов, понижают давление охлажденного газа с образованием парожидкостной смеси и отводят сжиженный газ, а в каждом контуре смешанный хладагент компримируют, снимают теплоту компримирования, переохлаждают, понижают его давление с получением в каждом контуре смешанного хладагента низкого давления и используют для охлаждения природного газа, при этом в первом контуре первый смешанный хладагент переохлаждают за счет испарения первого смешанного хладагента низкого давления, во втором контуре второй смешанный хладагент охлаждают также за счет испарения первого смешанного хладагента низкого давления и переохлаждают за счет испарения второго смешанного хладагента низкого давления, а в третьем контуре третий смешанный хладагент охлаждают за счет испарения второго смешанного хладагента низкого давления и переохлаждают за счет испарения третьего смешанного хладагента низкого давления, отличающийся тем, что температура конца кипения второго смешанного хладагента при давлении начала его компримирования ниже температуры первого смешанного хладагента после понижения его давления, а температура конца кипения третьего смешанного хладагента при давлении начала его компримирования ниже температуры второго смешанного хладагента после понижения его давления.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после снятия теплоты компримирования первый и второй смешанные хладагенты полностью конденсируют.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что компримирование природного газа осуществляют до получения его сверхкритического состояния.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что компримирование третьего смешанного хладагента осуществляют до получения его сверхкритического состояния.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после снятия теплоты компримирования третьего смешанного хладагента проводят его предварительное охлаждения за счет испарения первого смешанного хладагента низкого давления.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве первого смешанного хладагента используют смесь углеводородов, состоящую из этана или этилена, пропана или пропилена и бутана, в качестве второго смешанного хладагента используют смесь углеводородов, состоящую из метана, этана или этилена, пропана или пропилена, а в качестве третьего смешанного хладагента используют смесь, состоящую из азота, метана и этана или этилена.