Устройство для сжижения природного газа и способ проектирования устройства для сжижения природного газа - RU2736122C1

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к технологии выполнения теплообменника с воздушным охлаждением для устройства для сжижения природного газа.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Устройство для сжижения природного газа (ПГ), выполненное с возможностью сжижения ПГ, содержит холодильник, выполненный с возможностью охлаждения различных видов охлаждаемых текучих сред, таких как хладагент для сжижения и переохлаждения ПГ и хладагент для предварительного охлаждения ПГ перед сжижением. В патентной литературе 1 описан пример, в котором в качестве такого холодильника используют теплообменник с воздушным охлаждением (air-cooled heat exchanger, ACHE).

[0003] ACHE принудительно засасывает воздух с помощью вращающегося вентилятора и подает охлажденный воздух в трубный пучок, включая трубы трубного пучка, по которым течет текучая среда, которая подлежит охлаждению, что обеспечивает охлаждение текучей среды, которая подлежит охлаждения. В устройстве сжижения ПГ предусмотрен ACHE, сконструированный и изготовленный так, чтобы можно было отводить заданное количество теплоты из текучей среды, которая подлежит охлаждению, имеющей расчетную скорость потока в заданных температурных условиях.

[0004] В то же время существует вариант, в котором ACHE выполнен на стороне верхней поверхности конструкции, содержащей штабели труб для фиксации труб, по которым течет обрабатываемая текучая среда в устройстве сжижения ПГ. ACHE, выполненный в таком высоком положении, может быть подвержен влиянию погодных условий, и существует риск того, что изменение погоды может ухудшить его охлаждающую способность. Однако в патентной литературе 1 отсутствует описание технологии снижения влияния погодных условий на ACHE, выполненный в устройстве сжижения ПГ.

Список литературы

Патентная литература

[0005] [Патентная литература 1] WO 00/029797 A1

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая проблема

[0006] Настоящее изобретение сделано с учетом вышеописанных обстоятельств и обеспечивает устройство для сжижения природного газа, содержащее теплообменник с воздушным охлаждением, который меньше подвержен влиянию окружающих погодных условий, и который может демонстрировать стабильную способность охлаждения текучей среды, которая подлежит охлаждению, а также способ проектирования устройства для сжижения природного газа.

Решение проблемы

[0007] В соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения, предложено устройство для сжижения природного газа, выполненное с возможностью сжижения природного газа, содержащее конструкцию, на которой выполнены аппараты, образующие устройство для сжижения природного газа; трубный пучок, который представляет собой пучок труб, размещенных на верхней поверхности указанной конструкции, и обеспечивает возможность охлаждения потока текучей среды, которая подлежит обработке в устройстве для сжижения природного газа; и множество теплообменников с воздушным охлаждением, каждый из которых содержит вентилятор, выполненный с возможностью подачи охлаждающего воздуха в трубный пучок для охлаждения текучей среды, которая подлежит охлаждению, причем из множества теплообменников с воздушным охлаждением по меньшей мере те теплообменники с воздушным охлаждением, которые размещены вдоль поверхности конструкции, на которую дует ветер, содержат теплообменник с воздушным охлаждением с большим перепадом давления, который способен обеспечивать подачу в трубный пучок охлаждающего воздуха с заданной скоростью потока воздуха при заданном проектном перепаде давления в диапазоне от 200 Па до 1000 Па перепада давления охлаждающего воздуха до и после прохождения через трубный пучок.

[0008] Устройство для сжижения природного газа может иметь следующие особенности.

(a) Теплообменник с воздушным охлаждением с большим перепадом давления выполнен с возможностью охлаждения хладагента для применения при охлаждении другой текучей среды в качестве текучей среды, которая подлежит охлаждению.

(b) Другая текучая среда включает природный газ или сжижающий хладагент для применения при сжижении природного газа, причем указанный хладагент включает хладагент для применения при осуществлении по меньшей мере одного из предварительного охлаждения природного газа, сжижения природного газа и охлаждения сжижающего хладагента, и теплообменник с воздушным охлаждением с большим перепадом давления содержит конденсатор или переохладитель для хладагента.

(c) Предложенная конструкция содержит штабель труб, выполненный с возможностью удерживания пучка труб, обеспечивающих возможность обработки потока текучей среды в устройстве сжижения природного газа, и сформированный в прямоугольной форме в горизонтальной проекции, и поверхность указанной конструкции, на которую дует ветер, представляет собой поверхность на длинной стороне прямоугольной формы.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением

[0009] В соответствии с настоящим изобретением, предложено устройство для сжижения природного газа с теплообменником с воздушным охлаждением с большим перепадом давления, который способен обеспечивать подачу охлаждающего воздуха с заданной скоростью потока воздуха, которую настраивают для проектного перепада давления, причем перепад давления охлаждающего воздуха до и после пропускания через трубный пучок составляет от 200 Па до 1000 Па. Таким образом, влияние снижения скорости потока воздуха вследствие увеличения давления является относительно низким, что обеспечивает возможность создания устройства для сжижения природного газа, которое можно эксплуатировать в устойчивом режиме.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0010] На ФИГ. 1 представлены блок-схемы, схематически иллюстрирующие устройства для сжижения ПГ.

На ФИГ. 2 представлен вид сверху, иллюстрирующий схему расположения оборудования в устройстве для сжижения ПГ.

На ФИГ. 3 представлен вид сбоку, иллюстрирующий схему расположения оборудования в устройстве для сжижения ПГ.

На ФИГ. 4 представлен вид сбоку в вертикальном сечении, иллюстрирующий ACHE с вытяжным вентилятором, выполненный в устройстве для сжижения ПГ.

На ФИГ. 5 представлено пояснительное изображение, иллюстрирующее механизм снижения скорости потока охлаждающего воздуха в ACHE.

На ФИГ. 6 представлено пояснительное изображение, иллюстрирующее взаимосвязь между скоростью потока охлаждающего воздуха в ACHE и перепадом давления охлаждающего воздуха до и после прохождения через трубный пучок.

На ФИГ. 7 представлен вид сбоку в вертикальном сечении, иллюстрирующий ACHE с вытяжным вентилятором.

На ФИГ. 8 показано распределение давлений на периферии ACHE, рассчитанное с помощью вычислительной динамики для жидкости и газа.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0011] Во-первых, приведено описание схематической конфигурации устройства 1 для сжижения природного газа (ПГ) в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.

На ФИГ. 1(a) представлена блок-схема, схематически иллюстрирующая конфигурацию устройства 1 для сжижения ПГ. Устройство 1 для сжижения ПГ содержит блок 11 предварительной обработки и блок 12 сжижения. Блок 11 предварительной обработки выполнен с возможностью удаления различных примесей, таких как ртуть, кислый газ (например, сероводород, меркаптан или диоксид углерода), влага или тяжелые компоненты, которые содержатся в ПГ, выходящем из устья скважины. Блок 12 сжижения выполнен с возможностью сжижения и переохлаждения ПГ после удаления из него примесей, посредством охлаждения ПГ с применением хладагента. Сжиженный природный газ (СПГ), полученный в устройстве 1 для сжижения ПГ, хранят в резервуаре 13 СПГ, а затем отгружают с завода, например, на танкере СПГ.

[0012] Если в блоке 12 сжижения используют систему со смешанным хладагентом, то используют смешанный хладагент (mixed refrigerant, MR), содержащий, например, азот, метан, этан или пропан в качестве хладагента для применения при сжижении и переохлаждении ПГ, представляющего собой другую текучую среду (здесь и далее также упоминаемую как «сжижающий хладагент»). Если в блоке 12 сжижения используют систему с одним хладагентом, то используют один хладагент, представляющий собой пропан, этилен или метан, в качестве хладагента.

СПГ после сжижения можно подвергать переохлаждению с помощью азотного детандерного цикла, помимо применения вышеуказанного хладагента. Кроме того, существует также вариант, в котором осуществляют регулирование температуры СПГ с помощью газифицирующей части (концевого испарения) СПГ.

[0013] В блоке 12 сжижения осуществляют теплообмен между ПГ и вышеупомянутым хладагентом с помощью теплообменника (не показан). Блок 12 сжижения дополнительно содержит цикл 121 сжижения хладагента. В цикле 121 сжижения хладагента указанный хладагент, переведенный в газообразное состояние посредством теплообмена, сжимают в компрессоре 31. После этого сжатый хладагент охлаждают и сжижают в холодильнике, а затем снова подают в блок 12 сжижения. В данном примере в качестве холодильника использованы теплообменники 2 с воздушным охлаждением (ACHE).

Холодильник, в котором используют ACHE 2, может представлять собой конденсатор, выполненный с возможностью конденсации сжатого хладагента, или может представлять собой переохладитель, выполненный с возможностью переохлаждения сжиженного хладагента.

[0014] На ФИГ. 1(a), представляющей собой схематическое изображение, представлена лишь одна пара компрессора 31 и ACHE 2 в цикле 121 сжижения хладагента. Однако в соответствии со ступенями давления хладагента, может быть выполнено множество пар компрессоров 31 и ACHE 2, расположенных последовательно. Кроме того, может быть выполнено множество циклов 121 сжижения хладагента, каждый из которых включает компрессор 31 и ACHE 2, параллельно блоку 12 сжижения, в соответствии с количеством обрабатываемого хладагента.

[0015] Далее, на ФИГ. 1(b) представлена блок-схема, схематически иллюстрирующая устройство 1 для сжижения ПГ, содержащее блок 14 предварительного охлаждения. Блок 14 предварительного охлаждения выполнен с возможностью охлаждения сжижаемого ПГ, который представляет собой другую текучую среду, с использованием предохлаждающего хладагента. В качестве предохлаждающего хладагента для применения при предварительном охлаждении ПГ используют, например, один хладагент, представляющий собой пропан, или смешанный хладагент из этана и пропана.

[0016] В блоке 14 предварительного охлаждения осуществляют теплообмен между ПГ и предварительно охлаждаемым хладагентом с помощью теплообменника (не показан). Блок 14 предварительного охлаждения дополнительно содержит цикл 141 предварительного охлаждения хладагента. В цикле 141 предварительного охлаждения хладагента указанный хладагент, переведенный в газообразное состояние посредством теплообмена, сжимают в компрессоре 31. После этого сжатый хладагент охлаждают и сжижают в холодильнике, а затем снова подают в блок 14 предварительного охлаждения. В данном примере в качестве холодильника также использован теплообменник 2.

Холодильник, в котором используют ACHE 2, может представлять собой любое устройство для понижения температуры, выполненное с возможностью снижения температуры сжатого хладагента, конденсатор, выполненный с возможностью конденсации хладагента, и переохладитель, выполненный с возможностью переохлаждения сжиженного хладагента.

[0017] Устройство 1 для сжижения ПГ, изображенное на ФИГ. 1(b), дополнительно содержит цикл 142 охлаждения хладагента. В цикле 142 охлаждения хладагента часть сжиженного и переохлажденного предохлаждающего хладагента сливают из цикла 141 предварительного охлаждения хладагента с целью охлаждения сжижающего хладагента, подаваемого в блок 12 сжижения в качестве другой текучей среды. Предохлаждающий хладагент, движущийся в цикле 142 охлаждения хладагента, охлаждает сжижающий хладагент на стороне цикла 121 сжижения хладагента в холодильнике 32, а затем его возвращают во входное отверстие компрессора 31 на стороне цикла 141 предварительного охлаждения хладагента.

[0018] Кроме того, в блоке 14 предварительного охлаждения может быть проведено множество циклов 141 предварительного охлаждения хладагента, каждый из которых включает компрессор 31 и ACHE 2, параллельно блоку 14 предварительного охлаждения. Кроме того, множество циклов 142 охлаждения хладагента могут быть параллельно соединены с циклом 141 предварительного охлаждения хладагента.

[0019] Кроме случая, в котором для охлаждения сжижающего хладагента или предохлаждающего хладагента используют ACHE 2, как описано со ссылкой на ФИГ. 1(a) и ФИГ. 1(b), ACHE 2 можно использовать также для различных процессов в блоке 11 предварительной обработки.

Например, в случае использования аминной абсорбционной текучести для процесса удаления кислого газа, ACHE 2 можно использовать в качестве конденсатора, выполненного с возможностью конденсации пара, выходящего из верхней части колонны регенерации аминной абсорбционной жидкости.

[0020] На ФИГ. 2 представлено изображение примера генерального плана для устройства 1 для сжижения ПГ. На схеме предложенного устройства 1 для сжижения ПГ группы оборудования (группы оборудования PL1 и PL2), образующие устройство 1 для сжижения ПГ, размещены над штабелями 6 труб.

Например, группы оборудования PL1 и PL2 содержат устройства, образующие блок 11 предварительной обработки для применения в процессе удаления различных примесей, и устройства, образующие блок 14 предварительного охлаждения, и блок 12 сжижения, такой как колонна, а также теплообменник, представляющий собой статическое оборудование, и насосы, представляющие собой динамическое оборудование. Прерывистые линии на ФИГ. 2 означают зоны 100 расположения указанного оборудования.

[0021] Как показано на ФИГ. 2, в устройстве 1 для сжижения ПГ в соответствии с данным примером, две системы штабелей 6 (6a и 6b) труб расположены рядом друг с другом, параллельно. Каждый штабель труб образован из конфигурационного корпуса конструкции, имеющего удлиненную прямоугольную форму в горизонтальной проекции, и удерживает множество труб 61 (пучок труб 61), обеспечивающих поток ПГ и различных хладагентов (сжижающего хладагента и предохлаждающего хладагента), перемещаемых между различными устройствами, образующими вышеупомянутые группы оборудования PL1 и PL2.

[0022] На верхней поверхности штабеля 6 труб расположены ACHE 2, образующие конденсатор или переохладитель цикла 121 сжижения хладагента, выполненный в вышеупомянутом блоке 12 сжижения. Кроме того, если выполнен блок 14 предварительного охлаждения, то установленные ACHE 2 образуют устройство для понижения температуры, конденсатор или переохладитель цикла 141 предварительного охлаждения хладагента или цикла 142 охлаждения хладагента. В частности, выполнено большое количество ACHE 2 для цикла 141 предварительного охлаждения хладагента и цикла 142 охлаждения хладагента, и существует вариант, в котором используют от нескольких единиц до нескольких десятков ACHE 2, образующих конденсатор, переохладитель или конденсатор. Таким образом, в зависимости от масштаба, существует устройство 1 для сжижения ПГ, содержащее, в общем, примерно сотню ACHE 2.

[0023] Как показано на ФИГ. 2, в устройстве 1 для сжижения ПГ согласно данному примеру, например, вдоль короткой стороны прямоугольника размещены три ACHE 2 с образованием группы ACHE 2, и множество групп ACHE 2 размещены на верхней поверхности штабеля 6 труб, имеющего прямоугольную форму в горизонтальной проекции, вдоль длинной стороны прямоугольника.

[0024] В качестве примера ACHE 2, выполненного на верхней поверхности штабеля 6 труб, на ФИГ. 4 представлен конфигурационный пример ACHE 2 с вытяжным вентилятором.

ACHE 2 содержит трубный пучок 230 и вентилятор 22. Трубный пучок 230 сформирован из пучка большого количества труб 23, каждая из которых обеспечивает возможность охлаждения потока текучей среды (сжижающего хладагента и предохлаждающего хладагента, описанных выше, а также других текучих сред, обрабатываемых в процессе, осуществляемом в блоке 11 предварительной обработки). Вентилятор 22 расположен над трубным пучком 230.

[0025] Трубный пучок 230 открыт со стороны верхней и нижней поверхностей и способен обеспечивать возможность протекания охлаждающего воздуха с нижней стороны на верхнюю сторону через щели, каждая из которых образована между смежными трубами 23. Кроме того, корпус каркаса, образующий боковую периферическую часть трубного пучка 230, прикреплен к верхней поверхности конструкции, образующей штабель 6 труб.

[0026] Центр вращения вентилятора 22 соединен с верхней концевой частью вращающегося вала 222, расположенного так, что он выступает в направлении вверх и вниз. Нижняя сторона вращающегося вала 222 проходит через трубный пучок 230, а нижняя концевая часть вращающегося вала 222 соединена с блоком 221 вращающегося привода, расположенного под трубным пучком 230.

[0027] Например, как показано на ФИГ. 4, блок 221 вращающегося привода может иметь следующую конфигурацию. То есть приводной ремень 225 навит вокруг шкива 223 вентилятора, выполненного в нижней концевой части вращающегося вала 222, и шкива 224 двигателя, выполненного со стороны вращающегося вала роторного двигателя 226, расположенного на боковой стороне шкива 223 вентилятора, и вращающийся вал 222 вращается благодаря приводному ремню 225.

Альтернативно, вращающийся вал 222 может быть соединен с роторным двигателем.

[0028] В той области, которая идет вверх от верхней поверхности корпуса каркаса, окружающего трубный пучок 230 через боковые стороны вентилятора 22, предусмотрен проход 21, обеспечивающий возможность прохождения воздуха через трубный пучок 230.

При вращении вентилятора 22 ACHE 2, имеющего вышеупомянутую конфигурацию, образуется поток воздуха, проходящего через трубный пучок 230 с нижней стороны на верхнюю сторону, и охлаждающий воздух поступает на поверхности труб 23. Благодаря этому происходит охлаждение текучей среды, которая подлежит охлаждению, текущей по трубам 23.

[0029] Приведено описание схемы способа проектирования каждого ACHE 2. Например, на основании технологической мощности каждого устройства в блоке 11 предварительной обработки и в блоке 12 сжижения (в блоке 14 предварительного охлаждения), рассчитанной по проектному объему производства СПГ в устройстве 1 для сжижения ПГ, устанавливают скорость потока текучей среды, которая подлежит охлаждению, проходящей по трубам 23, и разность температур между температурой на входе и температурой на выходе. На основании скорости потока и разности температур текучей среды, которая подлежит охлаждению, определяют степень теплообмена в единицу времени между текучей средой, которая подлежит охлаждению, и охлаждающим воздухом, проходящим через трубный пучок 230 (проектная температура зафиксирована, например, при 30 °С).

[0030] Затем значение, полученное добавлением заданного запаса к вышеуказанной степени теплообмена в единицу времени, используют в проекте в качестве степени теплообмена. На основании установленной в проекте степени теплообмена определяют проектные переменные, такие как материал, толщина, диаметр и площадь теплопереноса (общая площадь поверхности трубы 23) трубы 23, количество проходов, обеспечиваемых в каждом трубном пучке 230, количество рядов труб 23 по высоте и расстояние между трубными пучками 230, расположенными рядом друг с другом.

[0031] Кроме того, в соответствии с вышеуказанной степенью теплообмена и конструкцией на стороне трубного пучка 230, определяют скорость потока охлаждающего воздуха, проходящего через трубный пучок 230 (заданную скорость потока воздуха при нормальной эксплуатации ACHE 2). Затем, с учетом падения давления за время прохождения охлаждающего воздуха через трубный пучок 230 (перепад давления до и после прохождения охлаждающего воздуха через трубный пучок 230), определяют размер, количество, количество оборотов вентилятора 22 в единицу времени и мощность вращающегося двигателя 226, так чтобы охлаждающий воздух при заданной скорости потока воздуха мог проходить через трубный пучок 230.

В устройстве 1 для сжижения ПГ охлаждают различные текучие среды, которые подлежат охлаждению, с применением ACHE 2, описанного выше, с получением СПГ с заданной производительностью (например, с проектной производительностью).

[0032] В общем, ACHE 2 проектируют так, чтобы степень теплообмена, указанную в проекте, можно было достичь при эксплуатации ACHE 2 в таких условиях, в которых она менее подвержена влиянию погодных изменений, например, внутри завода. Однако реальный ACHE 2, выполненный в устройстве 1 для сжижения ПГ, может быть подвержен действию погодных изменений, и степень теплообмена может изменяться.

[0033] С учетом этого авторы изобретения сконцентрировались на ветре, дующем на штабель 6 труб, и обнаружили, что существует вариант, когда направление ветра и скорость ветра вызывает относительно существенное снижение охлаждающей способности некоторых из большого количества ACHE 2, выполненных на штабелях 6 труб.

Далее, со ссылкой на ФИГ. 2 и ФИГ. 5, приведено описание механизма снижения мощности ACHE 2.

[0034] Например, сделано предположение для случая, в котором существует тенденция, что в зоне монтажа устройства 1 для сжижения ПГ, изображенного на ФИГ. 2, сильный ветер W дует в определенном направлении, указанном обозначенными на ФИГ. 2 стрелками, в течение более продолжительного периода времени, по сравнению с другими направлениями ветра, в соответствии с погодными условиями или с геологическими условиями, в течение заданного периода времени суток или в течение заданного времени года.

Устройство 1 для сжижения ПГ, изображенное на ФИГ. 2, представляет собой пример, в котором ветер W дует на поверхность на длинной стороне штабеля 6a труб с одной стороны двух систем штабелей 6a и 6b труб.

[0035] Как указано выше, обнаружено, что существует вариант, в котором если ветер дует в заданном направлении, то возникает относительно существенное ухудшение охлаждающей способности ACHE 2, размещенных вдоль той поверхности, на которую дует ветер W (ACHE 2, расположенные в зоне A, окруженной штрихпунктирными линиями на ФИГ. 2).

[0036] На ФИГ. 5 представлено схематическое изображение для иллюстрации механизма снижения охлаждающей способности, упомянутой выше, и представлено схематическое изображение верхней части штабеля 6 труб, которое можно видеть в направлении, пересекающем направление движения ветра W.

Как показано на ФИГ. 5, если ветер W дует на боковую поверхность штабеля 6 труб, то ветер W сталкивается с ACHE 2, расположенным на верхней стороне в направлении движения ветра W. В результате образуется область, на которой поток ветра W концентрируется на стороне верхней поверхности, что увеличивает давление P₂ на стороне выхода из ACHE 2.

[0037] В то же время на стороне нижней поверхности ACHE 2, под действием динамического давления, создаваемого движением ветра W по штабелю 6 труб, имеющему указанную структурную конфигурацию, снижается давление P₁ на стороне входа в ACHE 2.

Кроме того, на верхней стороне боковой поверхности штабеля 6 труб может быть выполнена уплотнительная крышка (ветрозащитная крышка), выполненная с возможностью уменьшения изменения скорости потока воздуха под действием прямого ветра на ACHE 2, или конструкция 62, такая как поперечная балка, образующая главный корпус штабеля 6 труб. Существует вариант, в котором такая конструкция 62 образует вихрь, затягивая часть ветра W в штабель 6 труб. При этом снижается давление P₁ на стороне входа в ACHE 2.

Как описано выше, если давление P₁ на стороне входа в ACHE 2 снижено, а давление P₂ на стороне выхода увеличено, то перепад давления до и после прохождения охлаждающего воздуха через ACHE 2 увеличивается.

[0038] На ФИГ. 6 показана взаимосвязь между скоростью потока воздуха Q [Нм³/с] в ACHE 2 и перепадом давления ΔP [-] между стороной на входе и стороной на выходе из ACHE 2 (стандартизированная по перепаду давления ΔP_TB во время прохождения охлаждающего воздуха через трубный пучок 230, и представлено значение ΔP=(P₂-P₁)/ΔP_TB).

[0039] В соответствии с ФИГ. 6, в ACHE 2, имеющем конфигурацию, в которой можно подавать охлаждающий воздух с заданной скоростью потока воздуха Q_D, при наличии заданного перепада давления ΔP_D между стороной на входе и стороной на выходе в момент проектирования (сторона на входе и сторона на выходе из ACHE 2 находятся в условиях атмосферного давления и, следовательно, в нормальном состоянии задано значение ΔP_D=0), если перепад давления увеличивается до ΔP’, то скорость потока воздуха снижается до Q’ (D).

Понятно, что уменьшение скорости потока охлаждающего воздуха вследствие увеличения перепада давления, как описано выше, приводит к снижению охлаждающей способности ACHE 2, расположенных вдоль поверхности штабеля 6 труб, на которую дует ветер W.

[0040] В то же время для ACHE 2, расположенных на следующей по потоку стороне, в отличие от ACHE 2, расположенных на той поверхности, на которую дует ветер W, степень увеличения давления P₂ вследствие перехода концентрации ветра W на верхнюю поверхность ACHE становится меньше. При этом скорость потока ветра W, движущегося через штабель 6 труб, также постепенно уменьшается, что приводит к тому, что степень уменьшения давления P₁ под влиянием динамического давления также становится меньше. Кроме того, в положении, удаленном от конструкции 62, снижение давления P₁ вследствие образования вихря происходит с меньшей вероятностью. Таким образом, для ACHE 2, расположенного на следующей по потоку стороне, степень снижения охлаждающей способности под влиянием ветра W является небольшой.

[0041] Что касается ухудшения охлаждающей способности ACHE 2, описанного выше, то при использовании множества ACHE 2 для охлаждения текучей среды, которая подлежит охлаждению, при условии, что все ACHE 2, в целом, имеют требуемую охлаждающую способность, проблема ухудшения охлаждающей способности некоторых ACHE 2 является незаметной. Кроме того, даже если снижение охлаждающей способности некоторых ACHE 2 не может быть компенсировано другим ACHE 2, это не влияет на объем производства СПГ, при условии, что снижение охлаждающей способности можно компенсировать альтернативными способами (например, если указанная способность снижена в ACHE 2, образующем конденсатор для хладагента, то осуществляют регулирование в сторону повышения давления на выходе из компрессора хладагента).

[0042] В таких обстоятельствах для большого количества ACHE 2, предложенного до настоящего времени, не было предложено отдельное регулирование скорости потока охлаждающего воздуха. Таким образом, проблема снижения охлаждающей способности ACHE 2, расположенного вдоль поверхности, на которую дует ветер W, описанная со ссылкой на ФИГ. 5, была неизвестна.

[0043] Однако компенсация охлаждающей способности ACHE 2 с помощью альтернативных способов может приводить к увеличению расхода энергии устройства 1 для сжижения ПГ (например, к увеличению расхода энергии для повышения давления на выходе из компрессора хладагента). Кроме того, что касается регулировочных элементов, используемых в качестве альтернативных средств, резервная мощность регулирования (в случае, если охлаждающую способность компенсируют посредством увеличения давления на выходе из компрессора хладагента - резервная мощность регулирования давления на выходе) становится меньше, что приводит к тому, что существует риск затруднения эксплуатационной регулировки, осуществляемой для первоначальной цели.

В такой ситуации предпочтительно, что ACHE 2, который представлен в любом положении на штабеле 6 труб, имеет конфигурацию, менее подверженную снижению охлаждающей способности вследствие направления или скорости ветра W.

[0044] Для решения такой проблемы авторы настоящего изобретения сосредоточились на перепаде давления ΔP_TB до и после прохождения охлаждающего воздуха через трубный пучок 230 (см. ФИГ. 4). На изображении вида сбоку в вертикальном разрезе ACHE 2, представленном на ФИГ. 4, также приведена диаграмма распределения давления для схематической иллюстрации изменения давления охлаждающего воздуха, наблюдаемого вдоль направления потока со стороны входа к стороне выхода (то же относится к виду сбоку в вертикальном разрезе ACHE 2' с вытяжным вентилятором, представленного на ФИГ. 7, описанной далее).

[0045] В соответствии с результатом оценочных расчетов, в примере устройства 1 для сжижения ПГ, изображенном на ФИГ. 2 и ФИГ. 5, если ветер W со скоростью примерно 5 м/с дует по направлению, перпендикулярному длинной стороне штабеля 6 труб, то можно ожидать, что в ACHE 2, расположенных вдоль указанной поверхности, на которую дует ветер W, происходит снижение давления P₁ со стороны входа и увеличение давления P₂ со стороны выхода, и перепад давления ΔP увеличивается примерно на 20 Па.

[0046] В то же время в ACHE 2, используемых до настоящего времени, перепад давления ΔP_TB до и после прохождения охлаждающего воздуха через трубный пучок 230, составляет примерно 50 Па. Даже в том случае, если трубный пучок 230 имеет более высокий перепад давления, перепад давления ΔP_TB составляет от примерно 100 Па до примерно 150 Па. Таким образом, увеличение перепада давления на 20 Па под действием ветра W оказывает влияние, соответствующее от примерно 13% до примерно 40% от перепад давления ACHE 2 (трубного пучка 230). Таким образом, как показано на ФИГ. 6, снижение (Q_D-Q’) скорости потока охлаждающего воздуха с ΔP_D до ΔP’ вследствие увеличения перепада давления также становится больше.

[0047] Таким образом, для того, чтобы влияние увеличения перепада давления под действием ветра W было относительно меньше, в устройстве 1 для сжижения ПГ в соответствии с данным примером используют ACHE 2a (здесь и далее упоминаемый как «ACHE 2a с большим перепадом давления»), в котором перепада давления охлаждающего воздуха до и после прохождения через пучок труб 230 больше, чем в том, который использовали до настоящего времени, в таких условиях, в которых охлаждающий воздух движется с заданной скоростью потока. ACHE 2a с большим перепадом давления давлений проектируют так, что перепад давления трубного пучка 230 устанавливают на значение в пределах от 200 Па до 1000 Па, предпочтительно от 250 Па до 800 Па.

[0048] Увеличение перепада давления вследствие влияния ветра W изменяется в соответствии с разностью направлений и скорости ветра W. Однако в таких условиях, в которых происходит увеличение перепада давления на 20 Па, как описано выше, влияние такого увеличения перепада давления относительно перепада давления ACHE 2 (трубного пучка 230) может быть снижено на значение от примерно 2% до примерно 10%. В результате, как показано на ФИГ. 6, увеличение перепада давления с ΔP_D сдержано до значения ΔP’ (<ΔP’), что обеспечивает возможность уменьшения диапазона снижения (Q_D-Q’) скорости потока охлаждающего воздуха вследствие увеличения перепада давления.

[0049] Предложенный способ настройки перепада давления в трубном пучке 230 на более высокое значение не ограничен каким-либо конкретным способом. Однако, например, заданное количество рядов труб 23 в трубном пучке 230 может быть больше по сравнению с ACHE 2, используемым до настоящего времени, или на стороне выхода из трубного пучка 230 может быть предусмотрена заслонка типа жалюзи для регулирования наклона. Таким образом, в отношении трубного пучка 230, который спроектирован так, чтобы перепад давления был больше по сравнению с известным уровнем техники, предусмотрен вентилятор 22 и блок 221 вращающегося привода, которые выполнены с возможностью подачи охлаждающего воздуха, имеющего заданную скорость потока воздуха.

[0050] ACHE 2a с большим перепадом давления, имеющий больший перепад давления, как описано выше, можно использовать в качестве некоторых из большого количества ACHE 2, расположенных на штабеле 6 труб.

Например, как показано на ФИГ. 2, если устройство 1 для сжижения ПГ содержит множество штабелей 6 (6a и 6b) труб, и на верхней поверхности каждого из штабелей 6a и 6b труб размещено большое количество ACHE 2, то направление, в котором дует сильный ветер W в течение относительно продолжительного периода времени, определяют на этапе предварительного изучения до строительства устройства 1 для сжижения ПГ. Необходимо лишь, чтобы по меньшей мере ACHE 2a с большим перепадом давления был включен в ACHE 2 (ACHE 2 в области, окруженной штрихпунктирными линиями на ФИГ. 2), размещенные вдоль поверхности, на которую дует ветер W, относительно штабеля 6a труб, расположенного на предыдущей по потоку стороне в направлении движения ветра W.

[0051] На данном этапе не обязательно нужно обеспечивать ACHE 2a с большим перепадом давления для всех ACHE 2, размещенных вдоль поверхности, на которую дует ветер W. ACHE 2a с большим перепадом давления можно использовать лишь для тех ACHE 2, в которых снижение скорости потока воздуха вследствие увеличения перепада давления под действием ветра W является заметным.

В то же время, как описано выше, поскольку ранее не было осуществлено управление скоростью потока воздуха для отдельного ACHE 2 в устройстве 1 для сжижения ПГ, известном из уровня техники, то существует трудность при количественном определении изменения скорости потока охлаждающего воздуха, когда дует ветер W, а также разности изменений скорости потока охлаждающего воздуха в зависимости от места расположения ACHE 2.

[0052] Таким образом, в данном примере использована вычислительная динамика для жидкости и газа для проектирования штабеля 6 труб, на котором расположено большое количество ACHE 2. Для этого, например, более точно определяют перепад давления трубного пучка 230, место расположения ACHE 2a с большим перепадом давления и влияние ветра W на ACHE 2a с большим перепадом давления, необходимые для стабильной эксплуатации устройства 1 для сжижения ПГ.

[0053] Проектирование устройства 1 для сжижения ПГ с применением вычислительной динамики для жидкости и газа (проектирование штабеля 6 труб, содержащего большое количество ACHE 2) можно осуществлять на основании следующих этапов.

(Этап 1) Определяют место расположения штабеля 6 (6a, 6b) труб, который представляет собой конструкцию, на которой расположены аппараты, образующие устройство 1 для сжижения ПГ.

[0054] (Этап 2) Затем, исходя из ситуации, в которой множество ACHE 2 размещены на верхней стороне трубного стеллажа 6, который находится в месте расположения, определенном на этапе 1, рассчитывают поток воздуха в монтажных положениях множества ACHE 2 с помощью числового анализа динамики жидкости и газа.

После осуществления этапа 2, для по меньшей мере тех ACHE 2, которые размещены вдоль поверхности штабеля 6 труб, на который дует ветер W, создают модель вычислительной динамики для жидкости и газа для расчета потока охлаждающего воздуха при заданном проектном перепаде давления в диапазоне от 200 Па до 1000 Па для перепада давления охлаждающего воздуха до и после прохождения через трубный пучок 230 и в таких условиях, в которых включен ACHE 2a с большим перепадом давления, который способен обеспечивать подачу в трубный пучок 230 охлаждающего воздуха с заданной скоростью потока воздуха (например, со скоростью потока воздуха, обеспечивающей возможность достижения вышеуказанной степени теплообмена в единицу времени с использованием текучей среды, которая подлежит охлаждению).

[0055] Далее, на этапе 2 осуществляют расчет модели вычислительной динамики для жидкости и газа в таких условиях, в которых направление и скорость ветра W, который дует на штабель 6 труб, установлены на основании, например, результатов вышеупомянутого предварительного исследования, и может быть проверена скорость потока охлаждающего воздуха в каждом ACHE 2 (2a). В результате в ACHE 2a с большим перепадом давления, которые размещены вдоль поверхности, на которую дует ветер W, даже если скорость потока охлаждающего воздуха снижена с заданной скорости потока воздуха Q_D до скорости потока воздуха Q’, можно проверить, что скорость потока воздуха Qʺ равна или больше заданной минимальной скорости потока воздуха Q_MIN для управления эксплуатацией (см. ФИГ. 6).

[0056] Если скорость потока воздуха Q’ меньше минимальной скорости потока воздуха Q_MIN, существует риск того, что перепад давления в трубном пучке 230 в ACHE 2a с большим перепадом давления будет недостаточной и, следовательно, увеличивают количество рядов труб 23 или регулируют наклон заслонки типа жалюзи для изменения перепада давления.

Затем создают модель вычислительной динамики для жидкости и газа для штабеля 6 труб, содержащего ACHE 2a с большим перепадом давления с отрегулированным перепадом давления, и снова, в условиях, в которых дует вышеупомянутый ветер W, проверяют, что скорость потока воздуха Q’ равна или больше заданной минимальной скорости потока воздуха Q_MIN.

[0057] Теперь можно привести пример ситуации, в которой скорость ветра, которую задают для проверки скорости потока воздуха Q’ с помощью вычислительной динамики для жидкости и газа, устанавливают для условий, исключающих скорость ветра при аномальных погодных условиях, которые возникают реже, таких как буря, например, значение от 5 м/с до 10 м/с.

Далее устанавливают минимальную скорость потока воздуха Q_MIN на значение от 70% до 90% от установленной скорости потока воздуха Q_D при проектном перепаде давления ΔP_D с учетом запаса, заданного при проектировании ACHE 2a с большим перепадом давления, или охлаждающей способности, компенсированной другим ACHE 2.

[0058] В качестве другого способа проектирования штабеля 6 труб, содержащего ACHE 2a с большим перепадом давления, с применением вышеуказанной вычислительной динамики для жидкости и газа на этапе 2 может быть создана модель вычислительной динамики для жидкости и газа с использованием известных из уровня техники ACHE 2 во всех положениях на верхней стороне штабеля 6 труб для осуществления расчета для проверки скорости потока воздуха Q’. Затем можно определить место расположения, чтобы ACHE 2a с большим перепадом давления был выполнен в том положении, в котором скорость потока воздуха Q’ меньше, чем минимальная скорость потока воздуха Q_MIN среди ACHE 2, расположенных на той поверхности, на которую дует ветер W.

[0059] Далее, в соответствии с предварительным исследованием, если существует множество направлений, в которых дует сильный ветер W в течение относительно продолжительного периода времени, например, вследствие того, что направление ветра W, дующего на штабель 6 труб, изменяется в зависимости от времени суток и времени года, то можно осуществлять вышеупомянутые принципы проектирования с использованием вычислительной динамики для жидкости и газа для нескольких направлений ветра.

В результате ACHE 2a с большим перепадом давления может быть выполнен также в области, окруженной штрихпунктирными линиями B на стороне штабеля 6b труб, в дополнение к области A, окруженной штрихпунктирными линиями в штабеле 6a труб, как показано на ФИГ. 2.

[0060] На основании приемов, описанных выше, осуществляют проверку влияния ветра W и определение места расположения ACHE 2a с большим перепадом давления, а результаты используют для детального проектирования и конструирования реального устройства 1 для сжижения ПГ.

[0061] Предложенный вариант реализации обеспечивает получение следующего технического результата. Для устройства 1 для сжижения ПГ предложен ACHE 2a с большим перепадом давления, который способен обеспечивать подачу охлаждающего воздуха с заданной скоростью потока воздуха при проектном перепаде давления в пределах от 200 Па до 1000 Па перепада давления охлаждающего воздуха до и после прохождения через трубный пучок 230, и, следовательно, влияние снижения скорости потока воздуха вследствие увеличения давления является относительно небольшим. Таким образом, может быть получено устройство 1 для сжижения ПГ, которое можно эксплуатировать в устойчивом режиме.

[0062] ACHE 2, который способен образовывать ACHE 2a с большим перепадом давления, не ограничен ACHE 2 с вытяжным вентилятором, изображенным на ФИГ. 4. Например, как показано на ФИГ. 7, в ACHE 2’ с вытяжным вентилятором также может быть образован ACHE 2a с большим перепадом давления посредством регулирования количества рядов труб 23 и наклона заслонки типа жалюзи на стороне выпуска.

На ФИГ. 7 компоненты, одинаковые для ACHE 2 с вытяжным вентилятором, описанного со ссылкой на ФИГ. 4, обозначены такими же ссылочными позициями, как на ФИГ. 4. На ФИГ. 7 элемент, обозначенный ссылочной позицией 227, представляет собой опорный элемент, соединенный с главным корпусом конструкции штабеля 6 труб или т.п. и выполненный с возможностью удерживания блока 221 вращающегося привода.

[0063] Кроме того, в качестве примера варианта расположения ACHE 2a с большим перепадом давления, все ACHE 2, представленные на верхней поверхности штабеля 6 труб, могут быть сформированы из ACHE 2a с большим перепадом давления. Для этого случая ACHE 2a с большим перепадом давления также входит в ACHE 2, размещенные вдоль по меньшей мере той поверхности штабеля 6 труб, на которую дует ветер W.

[0064] Далее в примере, описанном со ссылкой на ФИГ. 2 - ФИГ. 5 и ФИГ. 7, приведено описание ситуации, в которой ACHE 2 (2a) закреплен на штабеле 6 труб, выполненном с возможностью удерживания множества труб 61. В дополнение к данному примеру, можно использовать конфигурацию без выполнения ACHE 2 (2a) на верхней поверхности штабеля 6 труб, но обеспечивая специальную конструкцию для удерживания ACHE 2 (2a) в схеме для блока 1 сжижения ПГ. Указанная конструкция также соответствует конструкции, для которой выполнены аппараты, образующие устройство для сжижения ПГ.

Пример

[0065] (Моделирование)

Для проверки механизма снижения скорости потока охлаждающего воздуха, описанного со ссылкой на ФИГ. 5, проводили анализ, создавая модель вычислительной динамики для жидкости и газа.

A. Условия моделирования

(Пример) Создавали модель вычислительной динамики для жидкости и газа, имеющую такую конструкцию, в которой известный из уровня техники ACHE 2 с перепадом давления ΔP_TB 50 Па до и после прохождения охлаждающего воздуха через трубный пучок 230 находится в штабеле 6 труб, описанном со ссылкой на ФИГ. 1-5, а затем рассчитывали распределение давления и скорость потока охлаждающего воздуха через ACHE 2 в условиях, когда ветер со скоростью 4,6 м/с дует в направлении, показанном на ФИГ. 5. В качестве программного выполнения для анализа вычислительной динамики для жидкости и газа использовали FLUENT (торговая марка) компании ANSYS, Inc.

[0066] B. Результаты моделирования

На ФИГ. 8 представлено изображение распределения давления на периферии штабеля 6 труб, полученного расчетом вычислительной динамики для жидкости и газа в данном примере.

В соответствии с результатом моделирования, обнаружено явление, включающее снижение давления P₁ на стороне входа ACHE 2, расположенных вдоль поверхности штабеля 6 труб, на которую дует ветер W (обозначена как «ОБЛАСТЬ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ» на ФИГ. 8), и увеличение давления P₂ на стороне выхода (обозначена как «ОБЛАСТЬ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ» на ФИГ. 8). Таким образом, было установлено, что явление, связанное с механизмом, описанным со ссылкой на ФИГ. 5, может действительно возникать.

[0067] Далее проводили расчеты для получения отношения скорости потока охлаждающего воздуха, проходящего через ACHE 2, установленный в положении a₁, как показано на ФИГ. 2, к скорости потока охлаждающего воздуха, проходящего через ACHE 2, установленный в положении a₂, как показано на ФИГ. 2. В результате расчета было обнаружено, что скорость потока охлаждающего воздуха в ACHE 2 в положении a₁ была снижена на 8% по сравнению с ACHE 2 в положении a₂. На основании этого можно установить, что формирование распределения давления, изображенного на ФИГ. 8, может вызывать снижение скорости потока охлаждающего воздуха в ACHE 2, расположенных вдоль поверхности штабеля 6 труб, на который дует ветер W.

Список ссылочных позиций

[0068]

1 устройство для сжижения ПГ

11 блок предварительной обработки

12 блок сжижения

121 цикл сжижения хладагента

14 блок предварительного охлаждения

141 цикл предварительного охлаждения хладагента

142 цикл охлаждения хладагента

2 ACHE

2a ACHE с большим перепадом давления

23 труба

230 трубный пучок

6 штабель труб

Реферат

Изобретение относится к технологии выполнения теплообменника с воздушным охлаждением для устройства сжижения природного газа. Устройство содержит множество теплообменников (2) с воздушным охлаждением, выполненных с возможностью охлаждения подлежащей охлаждению текучей среды, в устройстве (1) для сжижения природного газа, размещенных на верхней поверхности конструкции (6). Из множества теплообменников (2) по меньшей мере те теплообменники (2), которые размещены вдоль поверхности конструкции (6), на которую дует ветер (W), содержат теплообменник с большим перепадом давления, который способен обеспечивать подачу охлаждающего воздуха с заданной скоростью потока воздуха при заданном проектном перепаде давления в диапазоне от 200 Па до 1000 Па перепада давления охлаждающего воздуха до и после прохождения через трубный пучок, который представляет собой пучок труб, обеспечивающих возможность охлаждения потока текучей среды. Обеспечивается подача охлаждающего воздуха с заданной скоростью потока, которую настраивают для проектного перепада давления, что исключает воздействие погоды и гарантирует стабильную способность охлаждения текучей среды, которая подлежит охлаждению. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

Формула