Патент на изобретение №2358213

(54) СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ БОГАТОГО УГЛЕВОДОРОДАМИ ПОТОКА

(57) Реферат:

Способ сжижения богатого углеводородами потока, прежде всего потока природного газа, осуществляется за счет теплообмена со смесями хладагентов в каскаде из двух холодильных циклов, первый из которых предназначен для предварительного охлаждения (Е1), а второй – для сжижения и переохлаждения (Е2) сжижаемого богатого углеводородами потока (а) и в каждом из которых предусмотрен по меньшей мере один одно- или многоступенчатый компрессор (VI, V2) с приводом от по меньшей мере одной газовой турбины (G1, G2), снабженной стартером, который при нормальном режиме сжижения используют для поддержания работы газовой турбины. Согласно изобретению во втором холодильном цикле со смесью хладагентов используют компрессор (V2) с холодным всасыванием и со степенью сжатия, составляющей по меньшей мере 10, и первый холодильный цикл со смесью хладагентов по меньшей мере частично используют для промежуточного охлаждения (Е1) по меньшей мере части потока (36, 39) частично сжатой смеси хладагентов второго холодильного цикла. Изобретение позволит полностью использовать установленную мощность газовых турбин и сократить эксплуатационные и капитальные расходы. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение относится к способу сжижения богатого углеводородами потока, прежде всего потока природного газа, за счет теплообмена со смесями хладагентов в каскаде из двух холодильных циклов, первый из которых предназначен для предварительного охлаждения, а второй – для сжижения и переохлаждения сжижаемого богатого углеводородами потока и в каждом из которых предусмотрен по меньшей мере один одно- или многоступенчатый компрессор с приводом от по меньшей мере одной газовой турбины, снабженной стартером, который при нормальном режиме сжижения можно использовать для поддержания работы газовой турбины.

Под “предварительным охлаждением” в последующем подразумевается охлаждение сжижаемого богатого углеводородами потока до температуры, при которой происходит отделение от него тяжелых, соответственно высококипящих углеводородов. Последующее дальнейшее охлаждение сжижаемого богатого углеводородами потока ниже подпадает под понятие “сжижение”.

Методы сжижения природного газа, к которым относится настоящее изобретение и которые в целом называют двухпоточным процессом сжижения природного газа, достаточно хорошо известны из уровня техники и описаны, например, в US 6105389.

При наличии в сжижаемом природном газе тяжелых углеводородов их отделяют от природного газа между стадией его предварительного охлаждения и стадией его сжижения и выводят из процесса в виде так называемой газоконденсатной фракции, которую в некоторых случаях направляют на дальнейшую переработку. Под тяжелыми или высококипящими углеводородами подразумеваются те компоненты сжижаемого богатого углеводородами потока, соответственно природного газа, которые вымораживались бы при последующем охлаждении и сжижении, т.е. углеводороды C₅₊ 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, соответственно колонный скруббер, предназначенный для выделения тяжелых углеводородов, а также бензола из сжижаемого богатого углеводородами потока. Подобная технология описана, например, в DE-OS 19716415.

Используемые в установках для двухпоточного процесса сжижения природного газа циркуляционные компрессоры обычно имеют привод от газовых турбин. Газовые турбины, в свою очередь, обычно запускают электростартерами или стартерами с паровым приводом. Поскольку подобные стартеры часто должны развивать значительную мощность, составляющую от 20 до 40% от мощности газовых турбин, при нормальном режиме сжижения их используют в качестве так называемых вспомогательных двигателей для поддержания работы газовых турбин. Газовые турбины повышенной мощности выпускаются только с дискретной градацией мощности со сравнительно большим шагом между двумя ближайшими значениями мощности. Мощность же стартеров, соответственно вспомогательных двигателей, во избежание проблем с синхронизацией ограничена по сравнению с мощностью газовых турбин.

Учитывая множество самых разнообразных технологических ограничений, таких, например, как состав и давление сжижаемого богатого углеводородами потока, температура окружающей среды и иные факторы и требования к возможно предусматриваемому отделению тяжелых углеводородов, добиться оптимального распределения потребляемой мощности между приводами компрессоров обоих холодильных циклов со смесями хладагентов невозможно или возможно лишь случайно. Обычно первый холодильный цикл, соответственно цикл предварительного охлаждения, потребляет примерно от 40 до 55% от общей энергии, расходуемой на сжижение богатого углеводородами потока. Помимо этого мощность, потребляемая в цикле предварительного охлаждения, часто бывает меньше мощности, потребляемой во втором холодильном цикле, соответственно цикле сжижения.

Подобный дисбаланс можно компенсировать за счет разного использования вспомогательных двигателей. Так, например, если потребляемая мощность распределяется между первым и вторым холодильными циклами со смесями хладагентов в соотношении 45% на 55% и если в обоих холодильных циклах предусмотрено по газовой турбине мощностью 70 МВт, а также по вспомогательному двигателю мощностью 20 МВт, то вспомогательный двигатель первого холодильного цикла будет работать с отдачей мощности, равной только 4 МВт вместо потенциально возможных 20 МВт. Тем самым преобладающая часть капиталовложений в этот вспомогательный двигатель при нормальном режиме сжижения будет оставаться неиспользованной.

В основу настоящего изобретения была положена задача предложить способ сжижения богатого углеводородами потока указанного в начале описания типа, который позволял бы полностью использовать установленную мощность газовых турбин, а также стартеров/вспомогательных двигателей при нормальном режиме сжижения. Помимо этого должны быть сокращены, соответственно оптимизированы, капитальные и эксплуатационные расходы на применяемые газовые турбины, а также стартеры/вспомогательные двигатели, и прежде всего должна быть обеспечена возможность применения идентичных газовых турбин, а также стартеров/вспомогательных двигателей в обоих холодильных циклах.

Указанная задача решается согласно изобретению благодаря тому, что

а) во втором холодильном цикле со смесью хладагентов используют компрессор с холодным всасыванием и со степенью сжатия, составляющей по меньшей мере 10, и

б) первый холодильный цикл со смесью хладагентов по меньшей мере частично используют для промежуточного охлаждения по меньшей мере части потока частично сжатой смеси хладагентов второго холодильного цикла.

Ниже предлагаемый в изобретении способ, а также другие варианты его осуществления, заявленные в зависимых пунктах формулы изобретения, более подробно рассмотрены на примере одного из вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемый к описанию чертеж.

Как показано на прилагаемом к описанию чертеже, сжижаемый богатый углеводородами поток подают по трубопроводу а в теплообменник Е1. В этом теплообменнике богатый углеводородами поток охлаждают до температуры, при которой содержащиеся в нем тяжелые, соответственно высококипящие, углеводороды конденсируются для возможности их последующего отделения от богатого углеводородами потока в сепараторе Н, в который по трубопроводу b подают охлажденный технологический поток. Отделенные углеводороды отбирают по трубопроводу с и в некоторых случаях направляют на дальнейшую переработку.

Следует подчеркнуть, что предлагаемый в изобретении способ можно комбинировать с любыми известными из уровня техники методами отделения высококипящих углеводородов.

Далее богатый углеводородами поток, уже не содержащий высококипящих углеводородов, подают по трубопроводу d во второй теплообменник Е2, в котором его сжижают и переохлаждают за счет теплообмена со смесью хладагентов второго холодильного цикла. Сжиженный и переохлажденный богатый углеводородами поток отбирают из теплообменника Е2 по трубопроводу е, необязательно расширяют в турбодетандере Т1 и затем подают через вентиль f по трубопроводу g непосредственно на дальнейшее использование или на (промежуточное) хранение.

В показанной на прилагаемом к описанию чертеже схеме сжатую в компрессоре V1 смесь хладагентов подают по трубопроводу 10 в конденсатор Е3 и далее по трубопроводу 11 в теплообменник Е1, в котором ее переохлаждают. В теплообменнике Е1 смесь хладагентов разделяют на три отдельных потока 12, 15 и 18. Эти отдельные потоки смеси хладагентов далее расширяют пропусканием через вентили 13, 16 и 19 до давления разных уровней и после повторного пропускания через теплообменник Е1 и испарения в нем подают по трубопроводам 14, 17 и 20 в компрессор V1 для сжатия до давления разных уровней.

Компрессор V1 приводится от газовой турбины G1. На прилагаемом к описанию чертеже не показаны необходимые для пуска газовых турбин G1 и G2 стартеры, которые уже упоминались выше.

Аналогично рассмотренному выше первому холодильному циклу со смесью хладагентов сжатую смесь хладагентов второго холодильного цикла сначала подают по трубопроводу 30 в дополнительный охладитель Е4, а затем по трубопроводу 31 подают в теплообменник Е1, в котором ее подвергают охлаждению и конденсации. Далее поток сжиженной смеси хладагентов подают по трубопроводу 32 в теплообменник Е2, в котором ее подвергают дальнейшему переохлаждению и после выхода из которого расширяют в необязательном турбодетандере Т2, а затем по трубопроводу 33 подают в дроссельный вентиль 34 и расширяют в нем. Затем второй поток смеси хладагентов после ее испарения в теплообменнике Е2 подают по трубопроводу 35 во входную ступень циркуляционного компрессора V2.

Теплообменник Е2 может быть выполнен в виде змеевикового или пластинчатого теплообменника. При использовании для сжижения и переохлаждения сжижаемого богатого углеводородами потока пластинчатого теплообменника Е2 в предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа смесь хладагентов второго холодильного цикла можно испарять при ее движении восходящим или нисходящим потоком.

Указанный выше циркуляционный компрессор V2, который согласно изобретению представляет собой компрессор с холодным всасыванием (холодильный компрессор), у которого степень сжатия составляет по меньшей мере 10, также приводится от газовой турбины G2, которая снабжена не показанным на чертеже стартером/вспомогательным двигателем.

Согласно изобретению поток частично сжатой смеси хладагентов отбирают по трубопроводу 36 из промежуточной ступени циркуляционного компрессора V2, подвергают дополнительному охлаждению в охладителе Е5, после чего по меньшей мере частично подают по трубопроводу 39 в теплообменник Е1 и подвергают в нем промежуточному охлаждению за счет теплообмена со смесью хладагентов первого холодильного цикла. Затем подвергнутую промежуточному охлаждению частично сжатую смесь хладагентов по трубопроводу 40 вновь подают в компрессор V2 в его соответствующую ступень промежуточного давления и подвергают в ней сжатию до необходимого конечного давления.

Использование первого холодильного цикла для промежуточного охлаждения смеси хладагентов второго холодильного цикла позволяет снизить нагрузку на второй холодильный цикл за счет соответствующего увеличения нагрузки на первый холодильный цикл, поскольку мощность, потребляемая компрессором V2 в его ступени высокого давления, уменьшается пропорционально снижению температуры всасывания подвергнутого промежуточному охлаждению потока смеси хладагентов в трубопроводе 40. Тем самым согласно изобретению появляется возможность сместить соотношение мощностей, потребляемых компрессорами V1 и V2, а также их соответствующими стартерами/вспомогательными двигателями, в сторону уравнивания вплоть до равных значений.

Выбор оптимального режима описанного выше промежуточного охлаждения определятся точкой росы используемой во втором холодильном цикле смеси хладагентов при выбранном промежуточном давлении, при котором происходит отвод смеси хладагентов. В идеальном случае всю смесь хладагентов второго холодильного цикла охлаждают с помощью первого холодильного цикла до температуры, при которой уравниваются показатели мощности, потребляемой приводами обоих компрессоров V1 и V2.

Использование первого холодильного цикла со смесью хладагентов для промежуточного охлаждения смеси хладагентов второго холодильного цикла обеспечивает возможность полного использования установленной мощности идентичных газовых турбин и их стартеров/вспомогательных двигателей.

С учетом упомянутой выше ограниченной мощности стартеров, соответственно вспомогательных двигателей, по сравнению с мощностью газовых турбин очевидно, что достигаемое согласно изобретению полное использование мощности обоих вспомогательных двигателей приводит к максимизации производительности всей установки. Сказанное можно пояснить на следующем примере.

Если при сжижении богатого углеводородами газового потока предлагаемым в изобретении способом распределение потребляемой мощности между первым и вторым холодильными циклами со смесями хладагентов достигает соотношения 50% на 50%, то при условии идентичности используемых в обоих холодильных циклах газовых турбин и стартеров/вспомогательных двигателей можно добиться полного использования их мощности, соответственно затраченных на них капиталовложений. Применительно к приведенному выше примеру сказанное означает возможность работы стартера/вспомогательного двигателя второго холодильного цикла на полную мощность, равную 20 МВт. По сравнению с рассмотренным в начале описания исходным уровнем предлагаемый в изобретении способ позволяет повысить полезную установленную мощность со 164 МВт до 180 МВт. Тем самым при данной концепции привода производительность всей установки можно повысить примерно на 10%.

Как указано выше, сжижаемый богатый углеводородами поток подвергают предварительному охлаждению до трех разных уровней температуры (за счет теплообмена с потоками 12/14, 15/17 и 18/20 смеси хладагентов). Однако подобная дискретизация уровней температуры предварительного охлаждения самое большее может лишь случайно повлиять на идеальную температуру на входе имеющейся у компрессора V2 ступени высокого давления.

С учетом сказанного выше в еще одном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа температуру, до которой в теплообменнике Е1 подвергают промежуточному охлаждению по меньшей мере часть потока 36, 39 частично сжатой смеси хладагентов второго холодильного цикла, регулируют, варьируя температуру, после промежуточного охлаждения до которой из используемого для промежуточного охлаждения теплообменника Е1 отбирают эту по меньшей мере часть потока частично сжатой смеси хладагентов второго холодильного цикла, что обозначено на чертеже изображенным пунктирной линией трубопроводом 21, и/или подавая в следующую ступень, соответственно в следующие ступени компрессора, не подаваемую в теплообменник Е1 на промежуточное охлаждение часть потока частично сжатой смеси хладагентов в виде отдельного потока 37, подвергаемого расширению пропусканием через вентиль 38 до давления на входе в соответствующую ступень компрессора. Подобный подход позволяет устанавливать температуру на входе в имеющуюся у компрессора V2 ступень высокого давления на необходимый уровень.

Формула изобретения

1. Способ сжижения богатого углеводородами потока, прежде всего, потока природного газа, за счет теплообмена со смесями хладагентов в каскаде из двух холодильных циклов, первый из которых предназначен для предварительного охлаждения, а второй – для сжижения и переохлаждения сжижаемого богатого углеводородами потока и в каждом из которых предусмотрен по меньшей мере один одно- или многоступенчатый компрессор с приводом от по меньшей мере одной газовой турбины, снабженной стартером, который при нормальном режиме сжижения используют для поддержания работы газовой турбины, отличающийся тем, что
а) во втором холодильном цикле со смесью хладагентов используют компрессор (V2) с холодным всасыванием и со степенью сжатия, составляющей по меньшей мере 10, и
б) первый холодильный цикл со смесью хладагентов по меньшей мере частично используют для промежуточного охлаждения (Е1) по меньшей мере части потока (36, 39) частично сжатой смеси хладагентов второго холодильного цикла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру, до которой подвергают промежуточному охлаждению (Е1) по меньшей мере часть потока (36, 39) частично сжатой смеси хладагентов второго холодильного цикла, регулируют, варьируя температуру, после промежуточного охлаждения до которой со стадии промежуточного охлаждения (Е1) отбирают эту по меньшей мере часть потока частично сжатой смеси хладагентов второго холодильного цикла, и/или подавая в следующую ступень, соответственно в следующие ступени компрессора не подвергаемую промежуточному охлаждению часть (37) потока частично сжатой смеси хладагентов.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что сжижаемый богатый углеводородами поток подвергают сжижению и переохлаждению в змеевиковом или пластинчатом теплообменнике (Е2).

4. Способ по п.3, при осуществлении которого сжижаемый богатый углеводородами поток подвергают сжижению и переохлаждению в пластинчатом теплообменнике (Е2), отличающийся тем, что смесь (28) хладагентов второго холодильного цикла испаряют при ее движении восходящим или нисходящим потоком.

РИСУНКИ