Способ распределения нагрузки в процессе каскадного охлаждения

Способ распределения нагрузки в процессе каскадного охлаждения

Реферат

 

Передача нагрузки на привод в каждом холодильном цикле осуществляется путем охлаждения жидкого холодильного агента с более высокой температурой кипения перед мгновенным испарением посредством теплопередачи непрямого действия к парообразному холодильному агенту с более низкой температурой кипения в примыкающем цикле перед сжатием этого парообразного хладагента. Регулирование распределения нагрузок между приводами в примыкающих холодильных циклах в процессе каскадного охлаждения обеспечивает более эффективную эксплуатацию привода. 3 с. и 19 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к способу и устройству для распределения общей нагрузки на компрессор между приводами многоступенчатых газовых турбокомпрессоров в процессе каскадного охлаждения, обеспечивая таким образом более эффективное действие привода.

Криогенное ожижение газообразных в обычном состоянии материалов используется в целях разделения компонентов, очищения, хранения и для транспортировки указанных компонентов наиболее экономичным и удобным способом. Большинство таких систем ожижения включают много общих операций независимо от входящих в состав газов и, соответственно, имеют много аналогичных проблем. Одна из обычных операций и сопровождающие ее проблемы связаны со сжатием холодильных агентов и распределением мощности, требуемой для сжатия, между приводами многоступенчатых газовых турбин, когда используется много циклов, каждый с отдельным холодильным агентом. Соответственно, настоящее изобретение будет описано с конкретными ссылками на переработку природного газа, однако оно может быть применено и к другим газовым установкам.

В обычной практике в области обработки природного газа для того, чтобы подвергнуть газ криогенной обработке, нужно отделить углеводороды, имеющие больший молекулярный вес, чем метан (C₂₊), от природного газа, тем самым в трубопроводе создается поток газа, состоящий преимущественно из метана, и поток C₂₊, используемый для других целей. Зачастую поток C₂₊ разделяется на потоки отдельных компонентов, например C₂, C₃, C₄, и C₅.

Обычной практикой также является криогенная обработка природного газа с целью ожижения его для транспортировки и хранения. Первостепенным поводом для ожижения природного газа является то, что в результате ожижения его объем уменьшается примерно 1/600, тем самым становится возможным хранить и транспортировать сжиженный газ в контейнерах, это решение более экономично и практично. Например, если газ транспортируется от источника поставки по трубопроводу до отдаленного места продажи, желательно эксплуатировать трубопровод при по существу постоянном и высоком коэффициенте нагрузки. Часто пропускная способность или производительность трубопровода превышает требуемую, тогда как в другое время требования могут превысить пропускную способность трубопровода. Для того чтобы снять пики в тех случаях, когда потребность превышает подачу, желательно сохранять излишек газа таким образом, чтобы он мог быть направлен на хранение, если поставка превысит требуемую, тем самым обеспечивая удовлетворение будущих пиков потребности материалом из хранилища. Одним из практических устройств для осуществления этого является перевод газа в жидкое состояние для хранения и последующее испарение жидкости, если спрос потребует этого.

Ожижение природного газа имеет еще большее значение для создания возможности транспортировки газа от источника подачи газа до места его продажи, если источник и рынок разделены на большое расстояние, а трубопровод недостижим или непрактичен. Особенно это важно, если транспортировка производится морскими судами. Транспортировка морем в газообразном состоянии обычно является непрактичной, поскольку для заметного уменьшения удельного объема газа требуется значительное сжатие, которое в свою очередь связано с необходимостью использования более дорогих контейнеров для его хранения.

Для того чтобы хранить и транспортировать природный газ в жидком состоянии, природный газ предпочтительно охлаждается от -151,1^oC до -162,2^oC, при этом давление его паров становится близким к давлению паров в атмосфере. Известно, что существует множество систем для ожижения природного газа или подобных ему, в которых газ ожижается путем последовательных проходов газа под увеличивающимся давлением через множество стадий охлаждения, вследствие чего газ охлаждается последовательно до все более низких температур до тех пор, пока не будет достигнута температура ожижения. Охлаждение обычно заканчивается путем теплообмена с одним или несколькими холодильными агентами, такими как пропан, пропилен, этан, этилен и метан. Как известно, холодильные агенты часто располагаются каскадным способом и каждый холодильный агент используется в замкнутом цикле охлаждения. Дальнейшее охлаждение жидкости возможно путем расширения сжиженного природного газа до атмосферного давления в одной или более стадиях. На каждой стадии сжиженный газ мгновенно испаряется до более низкого давления, в результате чего образуется двухфазная смесь жидкость - газ при значительно меньшей температуре. Жидкость регенерируется и может снова быть подвергнута мгновенному испарению. Таким образом, сжиженный газ продолжает охлаждаться до температуры хранения или транспортирования, подходящей для хранения сжиженного газа при давлении, близком к атмосферному. При этом расширении до давления, близкого к атмосферному, значительные объемы сжиженного газа мгновенно испаряются. Пары мгновенного испарения со стадий расширения обычно собираются и рециркулируют для сжижения или использования в качестве топливного газа для выработки энергии.

Очевидно, компрессор или компрессоры, используемые для сжатия холодильного агента для данного цикла, имеют режимы эксплуатации, которые предпочтительно определяются эффективностью турбокомпрессора и надежностью/ожидаемым сроком службы оборудования. Например, перегрузка данного компрессора приведет к чрезмерному износу или повреждению этого компрессора. К несчастью, существует множество условий эксплуатации, которые могут создавать отклонения и воздействовать на нагрузку отдельных компрессоров. Такие отклонения включают изменения в составе исходного газа, изменения в эффективности турбины компрессора, связанные с данным холодильным агентом, изменения климата, которые влияют на мощность, которой располагает турбина, изменения в величине возврата выкипевшего пара, которые являются результатом условий загрузки/разгрузки корабля, изменения, которые связаны с остановкой или запуском турбины (по графику или не по графику), если более, чем одна турбина используется параллельным способом, изменения температуры, давления, скорости потока, либо состава пара, который подлежит сжижению, в результате различных процессов переработки (агрегат фракционирования, теплообменник и т.п.), но не ограничиваются ими. Несмотря на то, что отдельные турбины, которые приводят в действие компрессоры, обрабатывающие различные холодильные агенты, могут быть защищены такими устройствами, как механизмы регулирования скорости и т.п., эти механизмы не обеспечивают полной защиты, поскольку изменения в эксплуатации одной турбины изменят работу всей криогенной системы и могут привести к перегрузке или несбалансированной нагрузке других компрессоров.

Целью изобретения является повышение эффективности процесса сжижения путем распределения нагрузки на компрессор между приводами газовых турбокомпрессоров в процессе каскадного охлаждения, тем самым обеспечивая более эффективную работу привода.

Следующей целью изобретения является увеличение общей хладопроизводительности каскадного процесса путем использования хладопроизводительности, получаемой от одного или нескольких недостаточно загруженных приводов газовых турбин для хладагента.

Следующей целью настоящего изобретения является поддержание нагрузки на каждый компрессор на уровне оптимальных или близких к оптимальным нагрузок путем распределения нагрузки между наличными компрессорами хладагента.

Еще одной целью изобретения является способ распределения нагрузки и связанное с ним устройство - простое, компактное и экономически эффективное.

Еще одной целью изобретения является способ распределения нагрузки и устройство, в котором применяются имеющиеся в наличии компоненты.

В одном воплощении изобретения раскрыт усовершенствованный способ передачи нагрузок компрессора между приводами газовых турбин, связанных с различными холодильными циклами в процессе каскадного охлаждения, причем указанный способ номинально включает контактирование жидкого холодильного агента с более высокой точкой кипения посредством устройств для теплопередачи непрямого действия с парообразным холодильным агентом с более низкой точкой кипения перед мгновенным испарением указанного жидкого холодильного агента с более высокой точкой кипения и перед возвратом указанного парообразного холодильного агента в компрессор для холодильного агента с более низкой точкой кипения.

В другом воплощении этого изобретения раскрыта сущность устройства для передачи нагрузки компрессора между приводами газовых турбин, связанных с различными холодильными циклами в каскадном цикле охлаждения, которое включает компрессор, устройства теплопередачи непрямого действия, трубопровод для потока жидкого холодильного агента с более высокой точкой кипения в указанные устройства для теплопередачи непрямого действия, устройства теплопередачи непрямого действия, трубопровод для потока парообразного холодильного агента с более низкой точкой кипения из устройств для теплопередачи непрямого действия в компрессор, устройства для теплопередачи непрямого действия, трубопровод для потока жидкого холодильного агента с более высокой точкой кипения в устройства для понижения давления и устройства для понижения давления.

В еще одном воплощении изобретения раскрыт способ усовершенствованного регулирования для уравновешивания нагрузок между приводами газовых турбин в примыкающих циклах охлаждения в процессе каскадного охлаждения, в котором жидкий холодильный агент с более высокой точкой кипения в одном цикле охлаждается перед мгновенным испарением в результате контакта посредством устройств для теплопередачи непрямого действия с парообразным холодильным агентом с более низкой точкой кипения в примыкающем цикле перед сжатием указанного пара, причем этот способ включает: (1) определение нагрузок на приводы газовых турбин для циклов холодильных агентов с более высокой точкой кипения и более низкой точкой кипения; (2) сопоставление соответствующих нагрузок от каждого привода и в результате определение направления передачи нагрузки на привод для более эффективного действия привода; (3) течение, по меньшей мере, части потока парообразного холодильного агента с более низкой точкой кипения в устройства для теплопередачи непрямого действия, в результате чего образуется поток нагретого водяного пара; (4) течение указанного потока нагретого пара в компрессора холодильного агента с низкой точкой кипения; (5) разделение потока жидкого холодильного агента с высокой точкой кипения на первый поток жидкости и второй поток жидкости; (6) течение указанного второго потока жидкости в указанные устройства для теплопередачи непрямого действия, в результате чего образуется второй охлажденный поток; (7) регулирование относительной скорости указанного первого потока и указанного второго потока в соответствии со ступенью (2) посредством регулировочного клапана, в котором скорость потока указанного второго потока жидкости возрастает по мере передачи нагрузки на привод холодильного агента с более низкой точкой кипения, и (8) рекомбинация указанного обработанного второго потока с указанным первым потоком для образования комбинированного потока и течение указанного комбинированного потока в устройства для понижения давления или течение указанного первого потока и указанного обработанного второго потока в раздельные устройства для понижения давления.

Изобретение будет более понятным из следующего описания и приложенных чертежей, на которых: фиг. 1 - упрощенная схема потоков криогенного процесса производства сжиженного природного газа, на которой показан способ распределения нагрузок и устройство по настоящему изобретению.

Фиг. 2 - упрощенная схема потоков, на которой более подробно показаны способ распределения нагрузок и устройство, изображенное на фиг. 1.

Поскольку настоящее изобретение относится к распределению нагрузки между несколькими приводами газовых турбин, которые в свою очередь приводят в действие компрессоры для сжатия холодильных агентов, которые затем применяются в процессе криогенной обработки газа, нижеследующее описание в целях обеспечения простоты и ясности будет ограничено криогенным охлаждением потока природного газа для производства сжиженного природного газа. Проблемы, связанные с распределением нагрузки, являются общими для всех криогенных процессов охлаждения газа, в которых используются несколько циклов сжатия и несколько приводов газовых турбин.

Как было отмечено ранее, если скорость подачи в процессе криогенного охлаждения газа поддерживается ниже заранее определенного максимума, причем этот максимум определяется, исходя из эффективной работы процесса и ограничений оборудования, включая производительность компрессоров, а не из свойств газа или изменений условий процесса эксплуатации, процесс будет эксплуатироваться эффективно в пределах возможностей оборудования, в особенности турбокомпрессорных агрегатов. Однако такая нормальная и постоянная эксплуатация не может поддерживаться все время. Например, имеется ряд условий, ограничивающих работу компрессора, которые имеют отклонения в процессе эксплуатации. К таким отклонениям могут быть отнесены изменения в течение суток или сезона, либо они могут быть отнесены за счет износа или задиров и уменьшения эффективности работы различного связанного с процессом оборудования. Эти отклонения включают изменения в составе исходного газа, изменения окружающей среды, которые влияют на потребляемую турбиной мощность, изменения КПД турбины/компрессора в данном холодильном цикле, изменения, связанные с изменениями выпаривания сжиженного природного газа, которые определяются такими факторами, как загрузка и разгрузка судов, изменения, связанные с остановкой и запуском турбины (как по графику, так и вне графика), если используется несколько турбин при параллельной работе в данном холодильном цикле, и изменения, связанные с проведением различных стадий процесса, которые могут на своем месте воздействовать на составы пара и скорости потоков, такие как агрегаты для фракционирования, сосуды для мгновенного испарения, сепараторы и т.п., но не ограничиваются ими. Влияния таких изменений или отклонений на работу турбокомпрессорных агрегатов и в результате на производительность процесса значительно понижаются в соответствии с настоящим изобретением.

Сжижение потока природного газа Криогенные установки имеют разнообразные схемы; наиболее эффективной и с большим КПД является работа в схеме каскадного типа и этот тип в сочетании с охлаждением путем расширения. Кроме того, поскольку способы производства сжиженного природного газа (LNG) включают отделение углеводородов с более высокими молекулярным весом, чем метан, в качестве своего первого этапа, в описании установки для криогенного производства сжиженного природного газа действительно описывается аналогичная установка для удаления углеводородов C₂₊ из потока природного газа.

В предпочтительном воплощении, в котором используется система каскадного охлаждения, изобретение относится к последовательному охлаждению потока природного газа при повышенном давлении, например около 4,482 МПа (абс), путем последовательного охлаждения потока газа путем прохода через многостадийный пропановый цикл, многостадийный этановый или этиленовый цикл и либо (a) замкнутый метановый цикл, за которым следует цикл расширения для дальнейшего охлаждения его и снижения давления до величин, близких к атмосферному, либо (b) открытый конечный метановый цикл, в котором используется часть подаваемого газа как источник метана и который включает многостадийный цикл расширения для его дальнейшего охлаждения и снижения давления до величин, близких к атмосферному. Последовательность циклов охлаждения такова, что холодильный агент, имеющий самую высокую точку кипения, используется первым, за ним следует холодильный агент, имеющий промежуточную точку кипения, и, наконец, холодильный агент, имеющий самую низкую точку кипения.

Стадии предварительной обработки снабжены устройствами для удаления нежелательных компонентов, таких как газы кислот, меркаптаны, ртуть и влага из потока природного газа в потоке, поданном на установку.

Состав этого потока газа может значительно изменяться. Используемый в данном случае поток природного газа представляет собой любой поток газа, в принципе состоящий из метана, который создает большую часть потока подаваемого природного газа, причем этот поток подаваемого газа, например, содержит его, по меньшей мере, 85% по объему, причем остальную часть составляют этан, высшие углеводороды, азот, двуокись углерода и второстепенные количества других примесей, таких как ртуть, сероводород, меркаптаны. Стадии предварительной обработки могут быть стадиями разделения и расположены либо выше по потоку, чем циклы охлаждения, либо расположены ниже по потоку, чем одна из ранних стадий охлаждения в начальном цикле.

Далее приведен далеко не ограниченный перечень разработанных средств, которые могут быть получены специалистами. Газы кислот и в меньшей степени меркаптаны удаляются путем процесса сорбции с использованием водного раствора носителя амина. Стадия обработки обычно проводится выше по потоку, чем стадии охлаждения в начальном цикле. Большая часть воды обычно удаляется в виде жидкости посредством двухфазной газожидкостной сепарации, которая следует за сжатием газа и охлаждением выше по потоку, чем начальный холодильный цикл, а также ниже по потоку после первой стадии охлаждения в начальном холодильном цикле. Ртуть обычно удаляется при помощи фильтров из сорбентов ртути. Оставшиеся количества воды и газов кислот обычно удаляются посредством использования фильтров из соответствующим образом подобранных сорбентов, например регенерируемых молекулярных сит. Процессы, в которых используются фильтры из сорбентов, обычно расположены ниже по потоку, чем первая стадия охлаждения в начальном холодильном цикле.

Природный газ обычно поставляется в процесс сжижения при повышенном давлении либо производится его сжатие для повышения давления, причем сжатие должно производиться до величин, больших чем 3,447 МПа (абс) предпочтительно от приблизительно 3,447 МПа (абс) до 6,205 МПа (абс), еще более предпочтительно от около 4,137 МПа (абс) до около 4,654 МПа (абс), а наиболее предпочтительно около 4,482 МПа (абс). Температура потока обычно ниже окружающей либо несколько выше окружающей. Представительный диапазон температур составляет от 15,6^oC до 48,9^oC.

Как было отмечено ранее, поток природного газа охлаждается в нескольких многостадийных (например, трех) циклах или ступенях путем теплопередачи непрямого действия с несколькими холодильными агентами, предпочтительно тремя. Общая эффективность охлаждения в данном цикле повышается с увеличением числа стадий, однако это повышение эффективности сопровождается соответствующим ростом "чистых" капитальных затрат и сложности процесса. Подаваемый газ предпочтительно проходит через эффективное число стадий охлаждения, номинально равное 2, предпочтительно от двух до четырех, а более предпочтительно три стадии, в первый замкнутый цикл охлаждения, где используется холодильный агент с относительно высокой точкой кипения. Такой холодильный агент предпочтительно состоит по большей части из пропана, пропилена или их смеси, более предпочтительным является пропан, а наиболее предпочтительный холодильный агент состоит по существу из пропана. После этого поданный обработанный газ течет через эффективное число стадий, номинально две, предпочтительно от двух до четырех, а более предпочтительно три стадии, во второй замкнутый холодильный цикл путем теплообмена с холодильным агентом, имеющим более низкую температуру кипения. Такой холодильный агент предпочтительно состоит по большей части из этана, этилена или их смеси, более предпочтительными является этилен, а наиболее предпочтительный холодильный агент состоит по существу из этилена. Каждая стадия охлаждения включает отдельную зону охлаждения.

Обычно подаваемый природный газ содержит такие количества компонентов C₂₊, чтобы образовать в результате жидкость, насыщенную C₂₊ в одной или нескольких стадиях охлаждения. Эта жидкость удаляется посредством устройств для газожидкостной сепарации, предпочтительно одного или нескольких обычных газожидкостных сепараторов. Обычно последовательное охлаждение природного газа на каждой стадии регулируется таким образом, чтобы удалить из газа так много, как только возможно, C₂ и углеводородов с более высоким молекулярным весом для того, чтобы образовать первый поток газа, состоящий преимущественно из метана, и второй поток газа, содержащий значительные количества этана и более тяжелых компонентов. Эффективное число устройств для газожидкостной сепарации расположено в оперативных пунктах ниже по потоку после зон охлаждения для удаления потоков жидкостей, насыщенных компонентами C₂₊. Точное расположение и число газожидкостных сепараторов зависит от ряда технологических параметров, таких как состав C₂₊ в потоке подаваемого природного газа, желаемое теплосодержание готового сжиженного природного газа, количества компонентов C₂₊ для применения в других целях и других факторов, обычно учитываемых специалистами по эксплуатации установок для производства сжиженного природного газа и установок для производства газа. Из потока или потоков углеводородов C₂₊ метан может быть удален посредством одной стадии мгновенного испарения или разделения на фракции в колонне. В последнем из этих случаев, обогащенный метаном поток может быть непосредственно возвращен под давлением в процессе сжижения. В предыдущем случае обогащенный метаном поток может быть подвергнут повторному сжатию и рециркулированию либо использоваться как топливный газ. Поток или потоки углеводородов C₂₊ либо поток деметанизированных углеводородов C₂₊ могут быть использованы как топливо либо могут быть подвергнуты дальнейшей обработке, такой как фракционирование, в одной или нескольких зонах фракционирования для производства отдельных потоков, обогащенных конкретными химическими компонентами (например, ₂, C₃, C₄ и C₅₊). На последней стадии второго холодильного цикла, поток газа, состоящего в основном из метана, конденсируется (т.е. сжижается) в большей своей части, предпочтительно полностью. Давление в процессе на этом участке только немного ниже, чем давление газа, поступающего на первую стадию первого цикла.

Поток сжиженного природного газа после этого охлаждается дальше в третьей ступени или цикле в одном из двух воплощений. В одном воплощении поток сжиженного природного газа охлаждается глубже путем непрямого теплообмена с третьим замкнутым циклом охлаждения, где поток сконденсированного газа переохлаждается в результате прохода через эффективный ряд стадий, номинально 2, предпочтительно от двух до 4, наиболее предпочтительно 3, где охлаждение обеспечивается посредством третьего холодильного агента, точка кипения которого ниже, чем холодильного агента, используемого во втором цикле. Этот холодильный агент предпочтительно состоит по большей части из метана, а более предпочтительно в основном из метана. Во втором и предпочтительном воплощении поток сжиженного природного газа переохлаждается посредством контакта с газами после мгновенного испарения в главном экономайзере метана способом, который будет описан ниже.

В четвертом цикле или ступени сжиженный газ охлаждается далее в результате расширения и сепарации газа мгновенного испарения от охлаждающей жидкости. Способом, который будет описан ниже, азот удаляется из системы и сконденсированный продукт доводится до кондиции либо на участке этой ступени, либо в отдельной окончательной ступени. Ключевым фактором, на основании которого различаются замкнутый цикл и открытый цикл, является начальная температура сжижаемого потока перед мгновенным испарением при давлении, близком к атмосферному, относительные количества пара мгновенного испарения, полученного в результате указанного мгновенного испарения и свойства паров мгновенного испарения. В то время, как большая часть пара мгновенного испарения рециркулирует в компрессоры метана в системе открытого цикла, пар мгновенного испарения в системе замкнутого цикла обычно используется в качестве топлива.

В четвертом цикле или ступени в системах обработки метана либо открытого, либо замкнутого цикла сжиженный продукт охлаждается посредством по крайней мере одной, предпочтительно от двух до четырех, а наиболее предпочтительно трех стадий расширения, причем в каждом расширении используются либо дроссельные вентили Джоуля-Томсона, либо гидравлические детандеры с последующим разделением газожидкостного продукта в сепараторе. При использовании гидравлического детандера и надлежащей его эксплуатации, очень большая эффективность, связанная с регенерацией мощности, очень большое снижение температуры потока и производство меньшего количества пара в продолжении ступени мгновенного испарения смогут зачастую возместить более дорогие капитальные затраты и эксплуатационные расходы, связанные с детандером. В одном воплощении, используемом в системе открытого цикла, дополнительное охлаждение сжиженного при высоком давлении продукта перед его мгновенным испарением становится возможным в результате первого мгновенного испарения части этого потока посредством одного или нескольких гидравлических детандеров и затем посредством устройств для теплопередачи непрямого действия, в которых используется указанный пар мгновенного испарения для охлаждения потока, сжиженного под высоким давлением перед мгновенным испарением. Мгновенно испаренный продукт затем рециркулирует посредством возврата в соответствующий участок, исходя из температуры и давления в открытом метановом цикле.

Если низкий продукт, поступающий в четвертый цикл, находится под давлением около 4,137 МПа (абс), представительные давления в процессе мгновенного испарения для трехстадийного процесса мгновенного испарения составляют около 1,314 МПа (абс) и 0,17 МПа (абс). В системе открытого цикла пар, мгновенно испаренный или фракционированный на стадии отделения азота, которая будет описана далее, и тот пар, который был мгновенно испарен на ступенях расширения путем мгновенного испарения, используются на третьей ступени или цикле, который был упомянут ранее. В системе замкнутого цикла пар из стадий мгновенного испарения может также быть использован в качестве охлаждающего агента перед любым рециклом или использован как топливо. В системе либо открытого либо замкнутого цикла мгновенное испарение сжиженного потока при давлении, близком к атмосферному, произведет сжиженный природный газ в качестве продукта с температурой около от -151,1^oC до -162^oC^oC.

Для поддержания приемлемой величины теплосодержания сжиженного продукта, когда в подаваемом природном газе имеется значительное количество азота, азот необходимо концентрировать и удалять на каком-либо участке процесса. Специалисты располагают для этой цели различной технологией. Далее следуют примеры. Когда используется открытый метановый цикл и концентрация азота в подаваемом газе мала, обычно меньше, чем приблизительно 1,0% по объему, удаление азота обычно достигается путем вывода маленького потока из входного или выходного патрубков компрессора метана, которые находятся под высоким давлением. При замкнутом цикле и при аналогичных концентрациях азота в подаваемом газе сжиженный поток обычно мгновенно испаряется при следующих условиях: давление в процессе, близкое к атмосферному давлению, одна ступень, обычно барабан для мгновенного испарения. В таком случае содержащие азот пары мгновенного испарения обычно используются как топливный газ для газовых турбин, которые приводят в действие компрессоры. Готовый сжиженный природный газ, который теперь находится под давлением, близком к атмосферному давлению, направляется в хранилище. Когда концентрация азота во входящем подаваемом газе составляет от около 1,0 до около 1,5 объемных % и используется открытый или замкнутый цикл, для удаления азота можно подвергнуть поток сжиженного газа из третьего цикла охлаждения мгновенному испарению перед четвертой стадией испарения. Пар мгновенного испарения будет содержать соответствующую концентрацию азота и может быть впоследствии использован как топливный газ. Типичное давление при мгновенном испарении для удаления азота, при этих концентрациях составляет около 2,758 МПа (абс). Если подаваемый поток содержит концентрацию азота больше чем 1,5 объемных % и используется открытый или замкнутый цикл, ступень мгновенного испарения, следующая за третьей ступенью охлаждения, может не обеспечить достаточное удаление азота и потребуется колонна отвода азота, в которой образуются поток пара, обогащенного азотом, и поток жидкости. В предпочтительном воплощении с использованием колонны отвода азота поток сжиженного метана высокого давления в экономайзер метана разделяется на первую и вторую части. Первая часть мгновенно испаряется приблизительно при 2,758 МПа (абс) и двухфазная смесь подается как исходный поток в колонну отвода азота. Вторая часть потока метана, сжиженного при высоком давлении, подвергается дальнейшему охлаждению, протекая через экономайзер метана, после чего мгновенно испаряется до 2,758 МПа (абс), и полученная в результате двухфазная смесь подается в колонну, где обеспечивается ее дефлегмация. Поток обогащенного азотом газа, полученный с верха колонны отвода азота, обычно используется как топливо. С низа колонны получается поток жидкости, который подается на первую стадию расширения метана.

Охлаждение холодильными агентами для сжижения природного газа При сжижении природного газа в процессе каскадного охлаждения определяющим является использование одного или нескольких холодильных агентов для передачи тепловой энергии от потока природного газа холодильному агенту и в конце концов передачи этой энергии в окружающую среду. По существу, система охлаждения работает как тепловой насос для отвода тепловой энергии от потока природного газа по мере того, как поток постепенно охлаждается до все более низких температур.

В заявляемом процессе используется ряд типов охлаждения, которые включают (a) теплопередачу непрямого действия, (b) испарение и (с) расширение или уменьшение давления, но не ограничиваются ими. Выражение "теплопередача непрямого действия" используется здесь для обозначения процесса, в котором холодильный агент охлаждает среду, которая подлежит охлаждению, без действительного физического контакта между холодильным агентом и средой, которая подлежит охлаждению. К конкретным примерам относятся теплопередача, которая осуществляется в кожухотрубном теплообменнике, в котле с теплообменными трубками и в ребристом пластинчатом теплообменнике, ребра которого изготовлены из алюминия с твердым припоем. Физическое состояние холодильного агента и среды, которая подлежит охлаждению, могут изменяться в зависимости от требований к системе и к типу выбранного теплообменника. Так, в процессе по изобретению кожухотрубный теплообменник обычно используется там, где холодильный агент находится в жидком состоянии, а среда, которая подлежит охлаждению, находится в жидком или газообразном состоянии, в то время как ребристый пластинчатый теплообменник может обычно использоваться в тех случаях, когда холодильный агент находится в газообразном состоянии, а среда, которая подлежит охлаждению, находится в жидком состоянии. В заключение, теплообменник типа котла с теплообменными трубками обычно используется там, где среда, подлежащая охлаждению, представляет собой жидкость или газ, а холодильный агент подвергается фазовому переходу из жидкого состояния в газообразное состояние в продолжение теплообмена.

Испарительное охлаждение относится к охлаждению среды путем парообразования или испарения части среды, причем система поддерживается под постоянным давлением. Так, в продолжение испарения часть среды, которая испаряется, поглощает тепло из той части среды, которая остается в жидком состоянии, и, следовательно, охлаждает жидкую часть.

В конце концов, расширение или охлаждение путем уменьшения давления относится к охлаждению, которое происходит, когда давление в газо-, жидко- или двухфазной системе уменьшается при проходе через устройства для понижения давления. В одном воплощении это устройство для расширения обозначает дросселирующий вентиль Джоуля-Томсона. В другом воплощении устройства для расширения представляют собой либо жидкостный, либо газовый детандер. В связи с тем что детандеры регенерируют мощность из процесса расширения, при расширении возможны более низкие температуры обработки потока. В следующих далее описании и чертежах текст или чертежи изображают расширение холодильного агента при протекании его через дроссельный клапан, после которого имеет место последующая сепарация газообразной и жидкой частей в охладителях холодильного агента, в которых также происходит процесс теплопередачи непрямого действия. Поскольку эта упрощенная схема является работоспособной и в ряде случаев предпочтительной по своей стоимости и простоте, она может быть более эффективной для осуществления расширения и сепарации с последующим частичным испарением как ступеней сепарации, например сочетание дросселирующих клапанов и барабанов мгновенного испарения перед процессом теплопередачи непрямого действия в охладителях. В другом работоспособном воплощении дроссельный или регулирующий вентиль могут быть не отдельными узлами, но представляют собой выполненную как одно целое часть охладителя холодильного агента (т.е. мгновенное испарение происходит при входе сжиженного холодильного агента в охладитель).

В первом холодильном цикле охлаждение обеспечивается путем сжатия газообразного холодильного агента с более высокой точкой кипения, предпочтительно пропана, до такой величины давления, при которой он может сжижаться за счет теплопередачи непрямого действия к такой передающей тепло среде, которая в конце концов использует окружающую среду в качестве приемника отводимого тепла, причем этот приемник тепла обычно представляет собой атмосферу, источник свежей воды, источник соленой воды, землю или сразу два или более из упомянутых ранее. Сконденсированный холодильный агент в таком случае проходит одну или несколько ступеней охлаждения путем расширения посредством соответствующих устройств для расширения, в результате чего производятся двухфазные смеси, обладающие значительно более низкими температурами. В одном воплощении главный поток разделяется по крайней мере на два отдельных потока, предпочтительно от двух до четырех потоков, а наиболее предпочтительно на три потока, причем каждый поток расширяется отдельно до заданной величины давления. Каждому потоку затем обеспечивается испарительное охлаждение при помощи теплопередачи непрямого действия с одним или несколькими выбранными потоками, причем одним из этих потоков является поток природного газа, подлежащего сжижению. Ч