Способ и устройство для сжижения богатого углеводородами потока - RU2374576C2

Описание

Настоящее изобретение относится к способу сжижения богатого углеводородами потока, прежде всего потока природного газа, за счет теплообмена со смесями хладагентов в каскаде из трех холодильных циклов, первый из которых предназначен для предварительного охлаждения богатого углеводородами потока, второй - собственно для его сжижения, а третий - для переохлаждения сжиженного богатого углеводородами потока и в которых смеси хладагентов подвергают одно- или многоступенчатому сжатию.

Изобретение относится также к устройству для сжижения богатого углеводородами потока, прежде всего потока природного газа, имеющему каскад из трех холодильных циклов, в которых циркулируют смеси хладагентов, за счет теплообмена с которыми происходит сжижение богатого углеводородами потока, и первый из которых предназначен для предварительного охлаждения богатого углеводородами потока, второй - собственно для его сжижения, а третий - для переохлаждения сжиженного богатого углеводородами потока, а также имеющему несколько одно- или многоступенчатых компрессоров для сжатия холодильных смесей.

Способ указанного в начале описания типа, а также устройство указанного в начале описания типа для сжижения богатого углеводородами потока известны из публикации DE 19716415. В соответствии с этим указанная публикация DE 19716415 включена в настоящее описание в качестве ссылки и является его частью.

Установки для сжижения природного газа выполняют либо в виде рассчитанных на базисную нагрузку установок для сжижения природного газа и снабжения им в качестве первичного энергоносителя, либо в виде установок для сжижения природного газа, подаваемого в период его пикового потребления.

В установках первого типа обычно используются холодильные циклы со смесями хладагентов, в качестве которых применяются углеводороды. Подобные холодильные циклы энергетически более эффективны, чем холодильные циклы с детандерами, и при обеспечении высокой производительности рассчитанных на базисную нагрузку установок для сжижения природного газа обладают соответственно сравнительно низким энергопотреблением.

При сжижении богатого углеводородами потока способом указанного в начале описания типа первый холодильный цикл со смесью хладагентов в принципе предназначен для предварительного охлаждения, второй холодильный цикл - для сжижения, а третий холодильный цикл - для переохлаждения богатого углеводородами потока, соответственно природного газа.

Между стадией предварительного охлаждения и стадией сжижения богатого углеводородами потока, соответственно природного газа от него при необходимости отделяют высококипящие углеводороды. Под высококипящими углеводородами подразумеваются те компоненты сжижаемого богатого углеводородами потока, соответственно природного газа, которые вымораживались бы при последующем его охлаждении, т.е. углеводороды С₅₊ и ароматические соединения. Помимо этого перед сжижением природного газа от него часто отделяют те углеводороды, которые вызывали бы нежелательное повышение теплотворной способности сжиженного природного газа и под которыми при этом подразумеваются прежде всего пропан и бутан.

Обычно для отделения высококипящих углеводородов используют колонну для выделения тяжелых углеводородов (которую в специальной литературе называют также колонным скруббером), предназначенную для выделения тяжелых углеводородов, а также бензола из сжижаемого богатого углеводородами потока. Подобная технология также описана в упоминавшейся выше публикации DE 19716415 (см., например, фиг.2 и соответствующие разделы описания).

Из-за такого разграничения на те компоненты сжижаемого богатого углеводородами потока, которые в конечном итоге образуют сжиженный продукт и которыми в основном являются метан и этан, и те компоненты богатого углеводородами потока, которые по указанным выше причинам отделяют (необходимо отделять) от него, температуру отделения этих компонентов от сжижаемого богатого углеводородами потока, ниже называемого отделением фракции С₃₊, при заданном давлении неочищенного газа устанавливают в сравнительно узких пределах.

При использовании первого холодильного цикла со смесью хладагентов исключительно в целях предварительного охлаждения сжижаемого богатого углеводородами потока перед указанным отделением от него фракции С₃₊ на предварительное охлаждение богатого углеводородами потока неизбежно затрачивается примерно от 40 до 50% от общей мощности компрессоров, тогда как остальная мощность компрессоров, составляющая от 60 до 50%, распределяется между вторым и третьим холодильными циклами со смесями хладагентов.

Однако для экономически эффективного использования имеющихся компрессоров и приводов целесообразно, чтобы приводная мощность распределялась по (циркуляционным) компрессорам трех холодильных циклов примерно в одинаковой пропорции, т.е. примерно по 33,33% от общей приводной мощности. Сказанное относится прежде всего к крупным установкам для сжижения природного газа производительностью более 5 миллионов тонн сжиженного природного газа в год, поскольку количество выпускаемых промышленностью компрессоров и приводов для установок подобной производительности весьма ограничено. Унификация приводов и компрессоров трех холодильных циклов позволяет максимизировать достижимую с помощью апробированных и хорошо зарекомендовавших себя на практике приводов, соответственно компрессоров производительность процесса сжижения богатого углеводородами потока. Соответствующее техническое решение, соответственно технология описаны в заявке DE 10344030, которая включена в настоящее описание в качестве ссылки и является его частью.

В этой заявке DE 10344030 описан способ сжижения указанного в начале описания типа, в соответствии с которым компрессоры холодильных циклов со смесями хладагентов приводятся в действие тремя в основном идентичными приводами. Однако такие приводы, что относится прежде всего к газовым турбинам, выпускаются лишь с дискретной градацией мощности с определенным шагом между двумя ближайшими значениями мощности. Поэтому в зависимости от выбранного масштаба технологического процесса, соответственно установки применение трех одинаковых приводов часто оказывается нецелесообразным. Более того, вполне было бы достаточно, если бы необходимую приводную мощность вместо трех идентичных приводов могли развивать лишь два идентичных или два примерно идентичных привода.

В основу настоящего изобретения была положена задача предложить способ указанного в начале описания типа, а также устройство указанного в начале описания типа, которые позволили бы решить рассмотренную выше проблему.

Применительно к способу указанная задача решается благодаря тому, что компрессоры объединяют или группируют в два компрессорных агрегата и приводят их в действие двумя идентичными или двумя примерно идентичными приводами.

Предлагаемое в изобретении устройство отличается тем, что компрессоры объединены или сгруппированы в два компрессорных агрегата, снабженных соответственно двумя идентичными или двумя примерно идентичными приводами

Под выражением "примерно идентичные приводы" подразумеваются приводы, которые по своей мощности различаются между собой не более чем на 5%.

Предлагаемый в изобретении способ, а также предлагаемое в изобретении устройство позволяют обеспечить все компрессоры необходимой приводной мощностью лишь от двух идентичных, соответственно примерно идентичных приводов.

При этом приводы предпочтительно выполнены в виде газовых турбин, электродвигателей и/или паровых турбин.

В одном из вариантов осуществления изобретения в том случае, когда между обоими компрессорными агрегатами имеется различие в их мощности, предлагается снабжать компрессорный агрегат большей мощности генератором, а компрессорный агрегат меньшей мощности - электродвигателем, с которым соединяют генератор.

Вырабатываемую генератором избыточную мощность можно подавать на электродвигатель, который тем самым может поддерживать работу привода компрессорного агрегата меньшей мощности.

Предлагаемые способ и устройство, а также другие варианты осуществления предлагаемого в изобретении способа, соответственно другие варианты выполнения предлагаемого в изобретении устройства, заявленные в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения, более подробно рассмотрены на примере одного из вариантов осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемый чертеж.

В соответствии с показанной на чертеже схемой охлаждение и сжижение богатого углеводородами потока, подаваемого по трубопроводу 1 в теплообменник Е1, происходит за счет теплообмена со смесями хладагентов в каскаде из трех холодильных циклов. Смеси хладагентов трех этих холодильных циклов обычно имеют разный состав, описанный, например, в упомянутой выше заявке DE 19716415.

Сжижаемый богатый углеводородами поток охлаждается в теплообменнике Е1 за счет теплообмена с обоими потоками 4b и 4d испаряющихся смесей хладагентов первого холодильного цикла 4а-4е и затем по трубопроводу 1а поступает в разделительный блок (сепаратор) S, который на чертеже изображен лишь в виде прямоугольника.

В разделительном блоке S происходит рассмотренное выше отделение фракции С₃₊, при этом выделенные из сжижаемого богатого углеводородами потока компоненты отбирают из разделительного блока S по трубопроводу 1b.

В соответствии с предпочтительным, не показанным на чертеже вариантом осуществления предлагаемого способа, по меньшей мере часть одного из отдельных потоков 3b и 3d второго холодильного цикла 3а-3е, который более подробно рассмотрен ниже, можно использовать для обеспечения разделительного блока S холодом. При этом решение о том, по меньшей мере часть какого из двух отдельных потоков 3b и/или 3d следует использовать для подобного обеспечения разделительного блока S холодом, зависит от требуемой(-ых) в разделительном блоке температуры(температур).

Далее сжижаемый богатый углеводородами поток поступает по трубопроводу 1 с во второй теплообменник Е2, в котором он сжижается за счет теплообмена с потоком 3b испаряющейся смеси хладагентов второго холодильного цикла 3а-3b.

После сжижения богатый углеводородами поток поступает по трубопроводу 1d в третий теплообменник Е3, в котором происходит его переохлаждение за счет теплообмена с потоком 2b смеси хладагентов третьего холодильного цикла 2а-2с. Затем переохлажденный сжиженный продукт направляют по трубопроводу 1е на дальнейшее использование.

Как показано на чертеже, компрессоры V2, V3, V3', а также V4 холодильных циклов 2а-2с, 3а-3f и 4а-4е согласно изобретению по два объединены или сгруппированы в два компрессорных агрегата. При этом первый компрессорный агрегат образуют компрессор V4, предусмотренный в холодильном цикле предварительного охлаждения, и компрессор V3 высокого давления, предусмотренный в холодильном цикле сжижения, а второй компрессорный агрегат образуют компрессор V2, предусмотренный в холодильном цикле переохлаждения, и компрессор V3' низкого давления, предусмотренный в холодильном цикле сжижения. В другом равноценном варианте первый компрессорный агрегат могут образовывать компрессоры V4 и V3', а второй компрессорный агрегат - компрессоры V2 и V3.

Циркуляционный компрессор холодильного цикла сжижения согласно изобретению "разделен" на два компрессора, соответственно компрессорных агрегата. В результате такого "разделения" циркуляционного компрессора холодильного цикла сжижения отдельный поток 3с смеси хладагентов холодильного цикла сжижения поступает, о чем более подробно сказано ниже, в компрессор V3' низкого давления, а отдельный поток 3е смеси хладагентов холодильного цикла сжижения поступает в компрессор V3 высокого давления. При этом оба указанных компрессора сжимают потоки смесей хладагентов предпочтительно до одинаковых значений конечного давления.

С каждым из двух компрессорных агрегатов функционально связано по приводу GT1 и GT2, которые согласно изобретению представляют собой два идентичных или два примерно идентичных привода.

К пригодным для приведения в действие компрессорных агрегатов приводам относятся прежде всего газовые турбины, электродвигатели и/или паровые турбины.

На прилагаемом чертеже не показаны предусмотренные после компрессоров V2, V3, V3', соответственно V4 охладители, соответственно теплообменники, в которых смесь хладагентов охлаждают за счет теплообмена с соответствующей охлаждающей средой, например водой или воздухом.

Сжатая в компрессоре V4 смесь хладагентов первого холодильного цикла подается по трубопроводу 4а в теплообменник Е1, в котором она после отдачи своего холода охлаждаемому потоку разделяется на два отдельных потока 4b и 4d. Эти отдельные потоки 4b и 4d смеси хладагентов после их расширения пропусканием через вентили d и е, соответственно расширительные устройства до давления разного уровня испаряются в теплообменнике Е1 и затем по трубопроводу 4с, соответственно 4е подаются в компрессор V4 на вход его первой ступени (отдельный поток 4с), соответственно в его ступень промежуточного давления (отдельный поток 4е).

Сжатая в компрессоре V3 смесь хладагентов второго холодильного цикла 3a-3f по трубопроводам 3а и 3а подается в теплообменники Е1 и Е2 и охлаждается в них. Тот отдельный поток 3b этой смеси хладагентов, который проходит через теплообменник Е2, после расширения пропусканием через вентиль b испаряется в теплообменнике Е2 за счет теплообмена с охлаждаемыми технологическими потоками и затем по трубопроводу 3с подается во входную ступень компрессора V3'.

Тот же отдельный поток 3d смеси хладагентов второго холодильного цикла 3a-3f, который отбирается уже из теплообменника Е1, расширяют пропусканием через вентиль с, после чего испаряют в теплообменнике Е1 за счет теплообмена с охлаждаемыми технологическими потоками и затем подают по трубопроводу 3е в компрессор V3. При подобном осуществлении технологического процесса отдельный поток 3d смеси хладагентов способствует предварительному охлаждению богатого углеводородами потока в теплообменнике Е1.

Для обеспечения такой возможности используемый для предварительного охлаждения богатого углеводородами потока отдельный поток 3d смеси хладагентов второго холодильного цикла 3a-3f необходимо испарять с понижением его давления до уровня, превышающего давление испарения отдельного потока 3b смеси хладагентов второго холодильного цикла 3a-3f.

Задание промежуточного давления, до которого снижается давление отдельного потока 3e смеси хладагентов при его испарении и при котором его подают в компрессор V3, а также регулирование количественного распределения обоих отдельных потоков 3b и 3d смесей хладагентов позволяют практически без ограничений регулировать распределение холодопроизводительности второго холодильного цикла между теплообменниками Е1 и Е2, а тем самым и степень предварительного охлаждения и сжижения сжижаемого богатого углеводородами потока.

При наличии между обоими компрессорными агрегатами различий в их мощности в предпочтительном варианте осуществления изобретения можно, как показано на чертеже, снабдить компрессорный агрегат большей мощности генератором G, а компрессорный агрегат меньшей мощности - электродвигателем М. В этом случае вырабатываемый генератором G электрический ток приводит в действие электродвигатель М, который таким путем поддерживает работу компрессорного агрегата меньшей мощности, соответственно его привода GT2.

Предлагаемый в изобретении способ сжижения богатого углеводородами потока, прежде всего потока природного газа, позволяет, таким образом, реализовать процесс сжижения, в котором компрессорные агрегаты кинематически связаны только с двумя идентичными или примерно идентичными приводами. Благодаря этому на практике во многих случаях удается добиться оптимального согласования с имеющимися в продаже приводами и в результате снизить необходимые капитальные и эксплуатационные расходы.

Реферат

Способ сжижения богатого углеводородами потока, прежде всего потока природного газа, осуществляется за счет теплообмена со смесями хладагентов в каскаде из трех холодильных циклов, первый из которых предназначен для предварительного охлаждения богатого углеводородами потока, второй - собственно для его сжижения, а третий - для переохлаждения сжиженного богатого углеводородами потока и в которых смеси хладагентов подвергают одно- или многоступенчатому сжатию. Компрессоры (V2, V3, V3', V4) объединяют или группируют в два компрессорных агрегата и приводят в действие двумя приводами (GT1, GT2), которые по своей мощности различаются между собой не более чем на 5%. Использование изобретения позволит снизить капитальные и эксплуатационные затраты. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула