Установка для производства сжиженного природного газа Российский патент 2025 года по МПК F25J1/00 

Изобретение относится к газовой промышленности, в частности к установкам для ожижения газов и их смесей, и может найти применение при организации процесса ожижения природного газа и получения сжиженного природного газа (СПГ) в условиях газораспределительной станции (ГРС).

Производство и использование в качестве энергоресурса СПГ - одно из наиболее перспективных направлений мировой энергетики. СПГ-технологии все заметнее теснят традиционный для России сегмент трубопроводных поставок. Сжиженный газ, полученный на малотоннажных установках, может эффективно использоваться для газоснабжения населения, предприятий, промышленных теплоэнергетических объектов, а также в качестве газомоторного топлива. Кроме этого, СПГ может применяться в качестве резервного топлива при пиковых нагрузках, а также для обеспечения работы распределительных сетей на период ремонта ГРС.

Установки, устройства, комплексы для производства СПГ широко известны. Одним из наиболее простых технических решений является схема ожижения природного газа, основанная на применении дроссель-эжекторного цикла высокого давления с использованием внешнего источника холода. В качестве внешнего источника холода, как правило, используется фреоновая холодильная машина, обеспечивающая захолаживание природного газа до минус 40…минус 55°С.

Необходимость применения внешних источников холода увеличивает выработку СПГ, одновременно увеличивая и энергопотребление процесса сжижения, что существенно снижает энергоэффективность данного процесса. Также, в известных установках, устройствах, при осуществлении подготовки природного газа к ожижению сохраняется достаточно высокое потребление электроэнергии от внешних источников энергообеспечения. Для повышения энергоэффективности процесса сжижения природного газа, в конструктивное исполнение известных установок сжижения подключают бустер-компрессор, работающий на перепаде энергии сжатого газа из магистрального газопровода. Например, известна «Установка по производству сжиженного природного газа», патент РФ №2783611, кл. F25J 1/00, опубл. 15.11.2022 г., которая содержит соединенные трубопроводами подвода, отвода природного газа бустер-компрессор, теплообменники предварительного и окончательного охлаждения, блок осушки, блок очистки, регулирующие клапаны, продукционный и технологический эжекторы и сепараторы предварительного и окончательного разделения парожидкостной смеси на паровую и жидкую фазы. Известная установка с бустер-компрессором для компримирования газа позволяет частично отказаться от получения электроэнергии из внешних источников, однако не обеспечивает полный отказ от такой электроэнергии.

Также, с целью выработки электроэнергии для агрегатов установки сжижения природного газа на ГРС, в конструктивное исполнение известных установок может быть включена тубодетандерная установка для извлечения энергии, полученной при расширении природного газа от перепада давлений на входе в ГРС и на выходе из нее. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является установка сжижения природного газа «Установка сжижения природного газа (СПГ) в условиях газораспределительной станции (ГРС)», патент РФ №2673642, кл. F25J 1/00, опубл. 28.11.2018 г. Известное техническое решение направлено на повышение эффективности процесса сжижения природного газа за счет применения турбодетандерной установки. Известная установка включает узел очистки газа, турбодетандерный агрегат с электрическим генератором, компрессор основного цикла и установку сжижения природного газа с внедренным детандером и флэш-циклом, резервуарный парк склада СПГ, узел отпуска товарного СПГ, факельную установку. Заявлен эффект энергосбережения, однако, в известной установке используются электроприводные компрессоры, потребляющие электроэнергию от внешних источников электрообеспечения, а вся извлеченная энергия за счет применения тубодетандерной установки перед использованием в агрегатах известной установки, требует дополнительного преобразования к промышленной частоте, что усложняет конструктивное исполнение электрогенератора, снижая его надежность и надежность работы известной установки в целом. Помимо этого, для осуществления процесса сжижения применяется многопоточный теплообменник, что также отрицательно влияет на надежность и эффективность работы известной установки.

Задача изобретения - обеспечение энергосбережения, повышение эффективности, надежности при производстве СПГ на ГРС.

Техническим результатом изобретения является разработка простой, надежной, полностью на отечественных комплектующих установки, обеспечивающей нулевое потребление электроэнергии от внешних источников электрообеспечения для производства сжиженного природного газа в условиях ГРС.

Поставленная задача и требуемый технический результат достигаются за счет того, что установка для производства сжиженного природного газа подключена к источнику подачи природного газа и содержит соединенные трубопроводами подвода, отвода природного газа следующие агрегаты: блок входных устройств с замером газа, бустер-компрессор, блоки осушки высокого и низкого давления, блок очистки высокого давления, витые двухпоточные теплообменные аппараты: теплообменник предварительного захолаживания, теплообменник внешнего источника холода, концевой теплообменник и теплообменник предварительного охлаждения природного газа турбодетандерной установки, турбодетандерную установку с электрогенератором, а также эжектор, блок отгрузки, сепараторы высокого и низкого давления. Основной трубопровод с потоком природного газа от источника подачи природного газа подсоединен ко входу блока входных устройств с замером газа, на выходе из которого основной трубопровод с потоком природного газа разделяется на два трубопровода: трубопровод продукционного потока и трубопровод технологического потока. Трубопровод технологического потока подсоединен ко входу блока осушки низкого давления и далее последовательно подключен с возможностью последовательного прохождения через теплообменник предварительного охлаждения природного газа турбодетандерной установки, турбодетандерную установку, теплообменник внешнего источника холода и вновь через теплообменник предварительного охлаждения природного газа турбодетандерной установки, к одному из выходов которого подсоединен трубопровод отвода неожиженного газа технологического потока с возможностью направления неожиженного потока газа в сеть низкого давления. Трубопровод продукционного потока подсоединен ко входу бустер-компрессора и далее последовательно подключен с возможностью последовательного прохождения через блок осушки высокого давления, блок очистки высокого давления, теплообменник предварительного захолаживания, теплообменник внешнего источника холода, концевой теплообменник, эжектор, сепараторы высокого и низкого давления, блок отгрузки для подачи потребителю сжиженного природного газа. Трубопровод паровой фазы от одного из выходов сепаратора высокого давления подсоединен ко входу концевого теплообменника и далее последовательно подключен с возможностью последовательного прохождения через теплообменник предварительного захолаживания с возможностью нагрева паровой фазы от тепла продукционного потока газа. Трубопровод паровой фазы от одного из выходов сепаратора низкого давления подсоединен ко входу всасывающей камеры эжектора с возможностью соединения с продукционным потоком газа. Первый и второй трубопроводы отвода неожиженного газа продукционного потока подсоединены к выходам соответственно бустер-компрессора и теплообменника предварительного захолаживания с возможностью направления неожиженного потока газа в сеть низкого давления. В электрогенераторе турбодетандерной установки подключены диодные мосты с возможностью получения напряжения постоянного тока, причем электрогенератор турбодетандерной установки связан электрической связью с электронагревателями газа регенерации в блоке осушки низкого давления, в блоке осушки высокого давления, в блоке очистки высокого давления с возможностью выдачи электроэнергии с напряжением и частотой тока выше промышленных. Электрогенератор турбодетандерной установки связан электрической связью, с возможностью выдачи электроэнергии промышленного напряжения и частоты после преобразования, с агрегатами установки, потребляющими электроэнергию, с возможностью обеспечения нулевого потребления электроэнергии от внешних источников электрообеспечения для производства сжиженного природного газа.

Конструктивное исполнение установки сжижения простое и надежное, полностью на основе отечественных комплектующих. Процесс получения СПГ на ГРС с использованием данной установки эффективен и полностью энергонезависим, поскольку одновременное применение в установке сжижения бустер-компрессора, работающего на перепаде давлений сжатого газа из магистрального газопровода, и турбодетандерной установки с подключенным электрогенератором, позволяет отказаться от использования внешних источников холода и от использования внешних источников электрообеспечения для осуществления процесса получения СПГ на ГРС. Подключение в электрогенераторе турбодетандерной установки диодных мостов позволяет направлять для работы установки сжижения электроэнергию с напряжением и частотой тока выше промышленных, уменьшая потери электроэнергии на преобразование, тем самым позволяя максимально эффективно использовать полученную электроэнергию, а исполнение теплообменных аппаратов в установке сжижения витыми двухпоточными позволяет конструкционно упростить установку и повысить надежность ее работы.

Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее подробное описание и прилагаемый чертеж (фиг. 1). На чертеже показана схема одного конструктивного исполнения этого изобретения. Чертеж не исключает из объема изобретения другие конструктивные исполнения, которые являются результатом обычных и предполагаемых модификаций этого конкретного конструктивного исполнения. Различные требуемые вспомогательные устройства: клапаны, смесители потоков, датчики исключены из чертежа в целях упрощения.

Установка для производства сжиженного природного газа подключена к источнику подачи природного газа, смонтирована на ГРС и подсоединена к магистральному трубопроводу. Установка содержит соединенные трубопроводами подвода, отвода природного газа следующие агрегаты: блок 1 входных устройств с замером газа, бустер-компрессор 2, блок 3 осушки высокого давления, блок 8 осушки низкого давления, блок 4 очистки высокого давления, турбодетандерную установку 10, электрогенератор 15 турбодетандерной установки 10, теплообменник 5 предварительного захолаживания, теплообменник 6 внешнего источника холода, концевой теплообменник 7 и теплообменник 9 предварительного охлаждения природного газа турбодетандерной установки 10, эжектор 11, сепаратор 12 высокого давления, сепаратор 13 низкого давления, блок 14 отгрузки СПГ. В установке предусмотрены трубопровод отвода неожиженного газа технологического потока и первый и второй трубопроводы отвода неожиженного газа продукционного потока. Для достижения простоты конструкции, повышения надежности работы установки, все теплообменные аппараты в установке исполнены витыми, двухпоточными.

В одном конкретном исполнении, но не ограничиваясь этим, установка монтируется на ГРС, использует магистральный трубопровод с природным газом в качестве источника подачи природного газа и работает следующим образом. Природный газ поступает в установку сжижения и направляется в блок 1 входных устройств с замером газа, где замеряется расход поступающего в установку природного газа и определяется его компонентный состав, на выходе из блока 1 трубопровод с потоком природного газа разделяется на два трубопровода: трубопровод продукционного потока и трубопровод технологического потока.

Трубопровод продукционного потока природного газа подсоединен ко входу бустер-компрессора 2. В бустер-компрессоре 2, работающем на перепаде энергии сжатого газа из магистрального газопровода, происходит компримирование (сжатие) природного газа. Далее, по трубопроводу продукционного потока поток компримированного природного газа с давлением не более 25 МПа поступает от бустер-компрессора 2 на вход блока 3 осушки высокого давления, где происходит процесс поглощения влаги из природного газа до концентрации, соответствующей точке росы по воде не выше минус 60°С. Далее, поток компримированного природного газа идет в блок 4 очистки высокого давления, в котором происходит процесс удаления из природного газа диоксида углерода (CO₂), который при понижении температуры ниже предела растворимости для данной концентрации может кристаллизоваться в процессе сжижения метана, тем самым нарушая работу установки. Также, в блоке 4 очистки высокого давления удаляются прочие кислые компоненты из потока компримированного природного газа. Подготовленный (осушенный и очищенный) компримированный природный газ продукционного потока последовательно проходит три теплообменника: теплообменник 5 предварительного захолаживания, теплообменник 6 внешнего источника холода, концевой теплообменник 7, где предварительно охлаждается, далее направляется в эжектор 11, где происходит снижение его давления. После эжектора 11 природный газ продукционного потока с давлением 1,3 МПа поступает в сепаратор 12 высокого давления. В сепараторе 12 высокого давления двухфазная смесь природного газа разделяется на жидкую и паровую фазы. Трубопровод паровой фазы от одного из выходов сепаратора 12 высокого давления подсоединен к одному из входов концевого теплообменника 7, и далее последовательно подсоединен к одному из входов теплообменника 5 предварительного захолаживания. Проходя теплообменники 5 и 7, паровая фаза нагревается за счет отвода тепла от продукционного потока. Подогретый газ сбрасывается в сеть низкого давления (0,3-1,2 МПа). Образованная в сепараторе 12 высокого давления жидкая фаза проходит через дроссель (на чертеже не показан), где при снижении давления до 0,3 МПа образуется двухфазный поток, который, в свою очередь направляется в сепаратор 13 низкого давления, являющийся криогенной емкостью для хранения СПГ. После сепаратора 13 низкого давления через блок 14 отгрузки СПГ жидкая фаза с требуемыми параметрами: температура минус 141,1°С, давление 0,3 МПа, направляется к выходу для подачи потребителю сжиженного природного газа. Трубопровод паровой фазы от одного из выходов сепаратора 13 низкого давления подсоединен ко входу всасывающей камеры эжектора 11, в котором после повышения давления смешивается с продукционным потоком, выходящим из концевого теплообменника 7.

Трубопровод технологического потока природного газа подсоединен ко входу блока 8 осушки низкого давления, где происходит осушка природного газа до температуры точки росы не выше минус 70°С. Для получения дополнительного источника холода, в установке предусмотрена турбодетандерная установка 10 с теплообменником 9 предварительного охлаждения. На выходе из блока 8 осушки низкого давления трубопровод технологического потока подсоединен ко входу теплообменника 9 предварительного охлаждения природного газа турбодетандерной установки 10, где газ предварительно охлаждается, - и направляется в турбодетандерную установку 10. В турбодетандерной установке 10 происходит процесс расширения природного газа с одновременным понижением его давления и температуры. Далее, трубопровод технологического потока подсоединен последовательно через теплообменник 6 внешнего источника холода и теплообменник 9 предварительного охлаждения природного газа турбодетандерной установки 10. Проходя теплообменник 6 внешнего источника холода, газ технологического потока дополнительно охлаждает продукционный поток газа. Далее, в теплообменнике 9 предварительного охлаждения природного газа турбодетандерной установки 10, догревается и по трубопроводу отвода неожиженного газа технологического потока поступает на сброс в сеть низкого давления для подачи потребителю природного газа с требуемыми параметрами. К одному из выходов бустер-компрессора 2 и теплообменника 5 предварительного захолаживания подсоединены соответственно первый и второй трубопроводы отвода неожиженного газа продукционного потока, по которым неожиженный поток газа поступает на сброс в сеть низкого давления для подачи потребителю природного газа с требуемыми параметрами. В электрогенераторе 15 турбодетандерной установки 10 подключены диодные мосты (на чертеже не показаны) для получения напряжения постоянного тока. Электрогенератор 15 турбодетандерной установки 10 связан электрической связью (на чертеже показано пунктирными линиями) с электронагревателями газа регенерации (на чертеже не показаны), установленными в блоке 8 осушки низкого давления, в блоке 3 осушки высокого давления и в блоке 4 очистки высокого давления. Для питания электронагревателей газа регенерации от электрогенератора 15 поступает электроэнергия с напряжением и частотой тока выше промышленных, тем самым уменьшаются потери электроэнергии на преобразование. Помимо этого, электрогенератор 15 турбодетандерной установки 10 связан электрической связью с возможностью выдачи электроэнергии промышленного напряжения и частоты после преобразования со всеми агрегатами установки, потребляющими такую электроэнергию: электроэнергия подается на блок 1 входных устройств с замером газа, на блок 14 отгрузки СПГ, запитываются расходомеры, насосы, исполнительные механизмы (на чертеже не показаны).

Таким образом, конструктивное исполнение установки сжижения природного газа с бустер-компрессором 2, имеющим газовый привод, и турбодетандерной установкой 10 с подключенным электрогенератором 15, позволяет не использовать внешние источники холода, не использовать электроэнергию от внешних источников электрообеспечения, делая процесс получения СПГ на ГРС полностью энергонезависимым. Подключение в электрогенераторе турбодетандерной установки диодных мостов позволяет направлять для работы установки сжижения электроэнергию с напряжением и частотой тока выше промышленных, уменьшая потери электроэнергии на преобразование, эффективно используя полученную электроэнергию. Применение в установке сжижения витых, двухпоточных теплообменных аппаратов 5, 6, 7, 9 упрощает конструктивное исполнение установки, повышает надежность ее работы.

Изобретение относится к газовой промышленности, в частности к установкам для ожижения газов и их смесей, и может найти применение для получения сжиженного природного газа (СПГ) в условиях газораспределительной станции (ГРС). Установка для производства сжиженного природного газа подключена к источнику подачи природного газа и содержит соединенные трубопроводами подвода, отвода природного газа следующие агрегаты: блок входных устройств с замером газа, бустер-компрессор, блоки осушки высокого и низкого давления, блок очистки высокого давления, витые двухпоточные теплообменные аппараты: теплообменник предварительного захолаживания, теплообменник внешнего источника холода, концевой теплообменник и теплообменник предварительного охлаждения природного газа турбодетандерной установки, турбодетандерную установку с электрогенератором, а также эжектор, блок отгрузки, сепараторы высокого и низкого давления. В электрогенераторе турбодетандерной установки подключены диодные мосты с возможностью получения напряжения постоянного тока. Электрогенератор турбодетандерной установки связан электрической связью с электронагревателями газа регенерации в блоках осушки низкого давления, осушки высокого давления, очистки высокого давления, а также связан электрической связью, с возможностью выдачи электроэнергии промышленного напряжения и частоты после преобразования, с агрегатами установки, потребляющими электроэнергию с целью обеспечения нулевого потребления электроэнергии от внешних источников электрообеспечения для производства СПГ на ГРС. Задача изобретения - обеспечение энергосбережения, повышение эффективности, надежности при производстве СПГ на ГРС. 1 ил.

Установка для производства сжиженного природного газа, подключенная к источнику подачи природного газа, содержащая соединенные трубопроводами подвода, отвода природного газа следующие агрегаты: блок входных устройств с замером газа, бустер-компрессор, блоки осушки высокого и низкого давления, блок очистки высокого давления, витые двухпоточные теплообменные аппараты: теплообменник предварительного захолаживания, теплообменник внешнего источника холода, концевой теплообменник и теплообменник предварительного охлаждения природного газа турбодетандерной установки, турбодетандерную установку с электрогенератором, а также эжектор, блок отгрузки, сепараторы высокого и низкого давления, в которой основной трубопровод с потоком природного газа от источника подачи природного газа подсоединен ко входу блока входных устройств с замером газа, на выходе из которого основной трубопровод с потоком природного газа разделяется на два трубопровода: трубопровод продукционного потока и трубопровод технологического потока, при этом трубопровод технологического потока подсоединен ко входу блока осушки низкого давления и далее последовательно подключен с возможностью последовательного прохождения через теплообменник предварительного охлаждения природного газа турбодетандерной установки, турбодетандерную установку, теплообменник внешнего источника холода и вновь через теплообменник предварительного охлаждения природного газа турбодетандерной установки, к одному из выходов которого подсоединен трубопровод отвода неожиженного газа технологического потока с возможностью направления неожиженного потока газа в сеть низкого давления, а трубопровод продукционного потока подсоединен ко входу бустера-компрессора и далее последовательно подключен с возможностью последовательного прохождения через блок осушки высокого давления, блок очистки высокого давления, теплообменник предварительного захолаживания, теплообменник внешнего источника холода, концевой теплообменник, эжектор, сепараторы высокого и низкого давления, блок отгрузки для подачи потребителю сжиженного природного газа, при этом, трубопровод паровой фазы от одного из выходов сепаратора высокого давления подсоединен ко входу концевого теплообменника и далее последовательно подключен с возможностью последовательного прохождения через теплообменник предварительного захолаживания с возможностью нагрева паровой фазы от тепла продукционного потока газа, также, трубопровод паровой фазы от одного из выходов сепаратора низкого давления подсоединен ко входу всасывающей камеры эжектора с возможностью соединения с продукционным потоком газа, помимо этого, первый и второй трубопроводы отвода неожиженного газа продукционного потока подсоединены к выходам соответственно бустера-компрессора и теплообменника предварительного захолаживания с возможностью направления неожиженного потока газа в сеть низкого давления, а в электрогенераторе турбодетандерной установки подключены диодные мосты с возможностью получения напряжения постоянного тока, причем электрогенератор турбодетандерной установки связан электрической связью с электронагревателями газа регенерации в блоке осушки низкого давления, в блоке осушки высокого давления, в блоке очистки высокого давления с возможностью выдачи электроэнергии с напряжением и частотой тока выше промышленных, помимо этого электрогенератор турбодетандерной установки связан электрической связью, с возможностью выдачи электроэнергии промышленного напряжения и частоты после преобразования, с агрегатами установки, потребляющими электроэнергию, с возможностью обеспечения нулевого потребления электроэнергии от внешних источников электрообеспечения для производства сжиженного природного газа.