Комбинированный цикл сжижения газа, использующий множество детандеров

Комбинированный цикл сжижения газа, использующий множество детандеров

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Сжижение газа осуществляется охлаждением и конденсацией потока исходного газа навстречу нескольким потокам хладагента, обеспечиваемым одной или несколькими циркуляционными холодильными системами. Исходный газ охлаждается разными технологическими циклами охлаждения, например, хорошо известным каскадным циклом, в котором охлаждение обеспечивается тремя разными холодильными контурами. Например, при сжижении природного газа каскадную систему охлаждения можно использовать с последовательными метановым, этиленовым и пропановым циклом, чтобы выполнять охлаждение на трех разных температурных уровнях. Другой хорошо известный холодильный цикл использует цикл смешанных хладагентов с применением предварительно охлажденного пропана, согласно которому многосоставная холодильная смесь выполняет охлаждение в заданных температурных пределах. Смешанный хладагент может включать в себя такие углеводороды, как метан, этан, пропан и другие легкие углеводороды, и также может содержать азот. Варианты этой эффективной холодильной системы используются во многих действующих установках сжиженного природного газа (СПГ) во многих странах.

Еще один тип способа охлаждения для сжижения природного газа использует цикл расширения газа, в котором такой холодильный газ как азот сжимают и охлаждают до условий окружающей среды воздушным или водяным охлаждением и далее охлаждают противоточным теплообменом с холодным газообразным азотом низкого давления. Охлажденный поток азота затем расширяют с совершением работы в турбодетандере и получают холодный газообразный азот низкого давления, который используют для охлаждения исходного природного газа и потока сжатого азота. Работу, совершаемую расширением азота, можно использовать для привода азотного бустер-компрессора, соединенного с валом детандера. При этом холодный расширенный азот используется для сжижения природного газа и также для охлаждения сжатого газообразного азота в том же теплообменнике. Охлажденный сжатый азот затем охлаждается на этапе расширения с совершением работы, чтобы получить холодный азотный хладагент.

Комплексные холодильные системы можно использовать для сжижения газа, согласно которому охлаждение газа от температуры окружающей среды до промежуточной температуры выполняется одним или несколькими циклами повторного сжатия пара, и охлаждение от промежуточной температуры до температуры окончательного сжижения обеспечивают циклом расширения газа. Примеры этих комбинированных циклов сжижения раскрыты в патенте Германии DE 2440215 и патентах США 5768912; 6062041; 6308531 В1 и 6446465 В1.

В процессах согласно патенту DE 2440215 и патентам США 5768912; 6446465 В1 исходный газ и сжатый холодильный газ из цикла расширения газа охлаждаются вместе в общих теплообменниках при помощи охлаждения, обеспечиваемого холодным хладагентом, расширенным с совершением работы. В альтернативном способе согласно патенту США 6308531 В1 исходный газ и сжатый пар хладагента из цикла расширения газа охлаждаются в отдельных теплообменниках за счет охлаждения, обеспечиваемого холодным хладагентом, расширенным с совершением работы. Согласно этому способу дополнительное охлаждение от цикла повторного сжатия пара используют для обеспечения дополнительного охлаждения повторно сжатого пара хладагента в цикле расширения газа. Это можно выполнить путем пропускания потока хладагента из цикла повторного сжатия пара через теплообменник, охлаждающий сжатый пар хладагента. Либо часть сжатого пара хладагента цикла расширения газа можно снова охладить испаряющимся хладагентом в теплообменниках цикла повторного сжатия пара, чтобы обеспечить дополнительное охлаждение.

Сжижение природного газа является очень энергоемким процессом. Повышение кпд и эксплутационная гибкость процессов сжижения газа при помощи комбинированных холодильных циклов повторного сжатия пара и охлаждения газа очень нужны и являются одной из целей новых циклов, разрабатываемых в области техники сжижения газа. Осуществления настоящего изобретения направлены на обеспечение этой необходимости путем обеспечения множества детандеров в цикле расширения газа в целях уменьшения или устранения необходимости уравновешивания охлаждения между циклами повторного сжатия пара и расширения газа с одновременным обеспечением возможности охлаждения исходного газа и хладагента, получаемого расширением сжатого газа в отдельных теплообменниках, и также с обеспечением возможности автономной работы циклов повторного сжатия пара и расширения газа.

Сущность изобретения

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения процесс ожижения газа включает в себя следующие этапы: охлаждают исходный газ в первой теплообменной зоне за счет косвенного теплообмена с одним или несколькими потоками хладагента, обеспечиваемыми в первой холодильной системе; и отводят по существу сжиженный поток из первой теплообменной зоны. По существу сжиженный поток охлаждают в еще большей степени во второй теплообменной зоне за счет косвенного теплообмена с одним или несколькими потоками хладагента, расширенными с совершением работы и обеспечиваемыми замкнутой второй холодильной системой, и охлажденный в еще большей степени по существу сжиженный поток отводят из второй теплообменной зоны. Два или более газообразных охлажденных сжатых потоков хладагента расширяют с совершением работы во второй холодильной системе, чтобы обеспечить по меньшей мере один поток из числа упомянутых одного или нескольких потоков хладагента, расширенных с совершением работы, во второй теплообменной зоне.

Действие второй холодильной системы включает в себя следующие этапы:

(1) сжатие одного или нескольких паров хладагента, чтобы обеспечить поток сжатого хладагента;

(2) охлаждение всего или части потока сжатого хладагента в третьей теплообменной зоне за счет косвенного теплообмена с одним или несколькими потоками расширенного с совершением работы хладагента, чтобы обеспечить поток газообразного охлажденного сжатого хладагента;

(3) расширение с совершением работы потока газообразного охлажденного сжатого хладагента, чтобы обеспечить поток холодного расширенного с совершением работы хладагента, с обеспечением одного или нескольких потоков расширенного с совершением работы хладагента во второй теплообменной зоне; и

(4) расширение с совершением работы потока газообразного охлажденного сжатого хладагента для обеспечения промежуточно-температурного потока, который вводится в или дополняет рабочий цикл охлаждения, обеспечиваемый подогретым холодным расширенным с совершением работы потоком во второй теплообменной зоне или после нее. Расход потока расширенного с совершением работы хладагента во второй теплообменной зоне меньше совокупного расхода одного или нескольких потоков расширенного с совершением работы хладагента в третьей теплообменной зоне.

В третьей теплообменной зоне охлаждение исходного газа или охлажденного исходного потока не происходит. Расход потока сжатого хладагента, охлаждаемого в третьей теплообменной зоне, может быть меньше совокупного расхода одного или более расширенных с совершением работы потоков хладагента, подогреваемых в третьей теплообменной зоне. Обычно первая холодильная система действует автономно от второй холодильной системы.

Охлаждение исходного газа в первой теплообменной зоне можно выполнять способом, согласно которому сжимают и охлаждают пар хладагента, содержащий один или несколько компонентов, чтобы обеспечить охлажденный и по меньшей мере частично сконденсированный хладагент; снижают давление охлажденного и по меньшей мере частично сконденсированного хладагента, чтобы обеспечить испаряющийся хладагент; и охлаждают исходный газ косвенным теплообменом с испаряющимся хладагентом в первой теплообменной зоне, чтобы обеспечить по существу сжиженный поток и пар хладагента. Исходный газ можно охладить до первой теплообменной зоны косвенным теплообменом с помощью второго испаряющегося хладагента. По меньшей мере часть охлаждения пара хладагента после сжатия можно обеспечить косвенным теплообменом со вторым испаряющимся хладагентом.

Первую часть сжатого пара хладагента можно охладить в третьей теплообменной зоне и вторую часть сжатого пара хладагента можно охладить, расширить с совершением работы и подогреть в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения первой части сжатого пара хладагента.

Согласно альтернативному варианту осуществления сжатый пар хладагента можно охладить в третьей теплообменной зоне и расширить с совершением работы для получения первого расширенного с совершением работы хладагента; первый расширенный с совершением работы хладагент можно подразделить на первый и второй охлажденные хладагенты; первый охлажденный хладагент можно подогреть в третьей теплообменной зоне с обеспечением в ней холода для охлаждения сжатого пара хладагента; второй охлажденный хладагент можно охладить в еще большей степени и расширить с совершением работы для получения второго расширенного с совершением работы хладагента; и второй расширенный с совершением работы хладагент можно подогреть во второй теплообменной зоне для обеспечения в ней холода для охлаждения по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны.

Согласно еще одному варианту осуществления первую часть сжатого пара хладагента можно охладить в третьей теплообменной зоне и расширить с совершением работы для обеспечения первого расширенного с совершением работы хладагента; вторую часть сжатого пара хладагента можно охладить косвенным теплообменом с испаряющимся хладагентом, обеспечиваемым третьей холодильной системой, и расширить с совершением работы для получения второго расширенного с совершением работы хладагента; и первый и второй расширенные с совершением работы хладагенты можно подогреть во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны.

В соответствии с еще одним альтернативным вариантом осуществления сжатый пар хладагента можно охладить в третьей теплообменной зоне, чтобы получить охлажденный сжатый пар хладагента; при этом часть охлажденного сжатого пара хладагента можно расширить с совершением работы и подогреть во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней охлаждение по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны.

Вторая холодильная система может работать согласно первому альтернативному осуществлению по способу, в соответствии с которым

(d) сжимают первый пар хладагента, чтобы получить сжатый пар хладагента, и подразделяют сжатый пар хладагента на первый и второй сжатые хладагенты;

(e) охлаждают первый сжатый хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы получить первый охлажденный сжатый хладагент; расширяют с совершением работы первый охлажденный сжатый хладагент, чтобы получить холодный расширенный с совершением работы хладагент; подогревают холодный расширенный с совершением работы хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения охлажденного исходного потока в ней; и отводят из нее промежуточный хладагент;

(f) охлаждают сжатый второй хладагент за счет косвенного теплообмена с испаряющимся хладагентом, чтобы получить второй охлажденный сжатый хладагент; расширяют с совершением работы второй охлажденный сжатый хладагент, чтобы получить расширенный с совершением работы второй хладагент; и объединяют расширенный с совершением работы второй хладагент с промежуточным хладагентом, чтобы получить объединенный промежуточный хладагент; и

(g) подогревают объединенный промежуточный хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в ней; и отводят из нее подогретый хладагент, чтобы получить первый пар хладагента.

Вторая холодильная система может действовать согласно второму альтернативному варианту осуществления по способу, в соответствии с которым

(d) сжимают первый пар хладагента, чтобы получить сжатый пар хладагента;

(e) охлаждают сжатый пар хладагента в третьей теплообменной зоне, чтобы получить охлажденный сжатый хладагент, и подразделяют охлажденный сжатый хладагент на первый и второй охлажденные сжатые хладагенты;

(f) охлаждают в еще большей степени первый охлажденный сжатый хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы получить первый более охлажденный хладагент;

(g) расширяют с совершением работы первый более охлажденный хладагент, чтобы обеспечить расширенный с совершением работы первый хладагент, и расширяют с совершением работы второй охлажденный сжатый хладагент, чтобы получить расширенный с совершением работы второй хладагент;

(h) подогревают первый расширенный с совершением работы хладагент и второй расширенный с совершением работы хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны, и отводят объединенный промежуточный хладагент из второй теплообменной зоны; и

(i) подогревают объединенный промежуточный хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в ней; и отводят из нее подогретый хладагент, чтобы обеспечить первый пар хладагента.

Согласно третьему альтернативному осуществлению вторая холодильная система может работать по способу, в соответствии с которым

(d) сжимают первый пар хладагента и второй пар хладагента в многоступенчатом холодильном компрессоре для получения сжатого пара хладагента; и подразделяют сжатый пар хладагента на первый и второй сжатые хладагенты;

(e) охлаждают первый сжатый хладагент в третьей теплообменной зоне для получения первого охлажденного сжатого хладагента и расширяют с совершением работы первый охлажденный сжатый хладагент, чтобы получить холодный расширенный с совершением работы хладагент под первым давлением; и подогревают холодный расширенный с совершением работы хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны; и отводят промежуточный хладагент из второй теплообменной зоны;

(f) охлаждают второй сжатый хладагент косвенным теплообменом с испаряющимся хладагентом, чтобы получить второй охлажденный сжатый хладагент; расширяют с совершением работы второй охлажденный сжатый хладагент, чтобы получить расширенный с совершением работы второй хладагент под вторым давлением, которое выше первого давления; подогревают расширенный с совершением работы второй хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в ней; и отводят из нее подогретый хладагент, чтобы получить второй пар хладагента;

(g) подогревают промежуточный хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в ней; и отводят из нее подогретый хладагент, чтобы получить первый пар хладагента; и

(h) вводят первый пар хладагента в первую ступень многоступенчатого холодильного компрессора и вводят второй пар хладагента в промежуточную ступень многоступенчатого холодильного компрессора.

Вторая холодильная система может действовать согласно четвертому альтернативному варианту осуществления, в соответствии с которым

(d) сжимают пар хладагента, чтобы получить сжатый пар хладагента, и подразделяют сжатый пар хладагента на первый и второй сжатые хладагенты;

(e) охлаждают первый сжатый пар хладагента в третьей теплообменной зоне, чтобы получить первый охлажденный сжатый хладагент; и расширяют с совершением работы первый охлажденный сжатый хладагент, чтобы обеспечить первый расширенный с совершением работы хладагент;

(f) охлаждают первый расширенный с совершением работы хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить охлажденный первый расширенный с совершением работы хладагент; расширяют с совершением работы охлажденный первый расширенный с совершением работы хладагент, чтобы обеспечить холодный расширенный с совершением работы хладагент; подогревают холодный расширенный с совершением работы хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны; и отводят промежуточный хладагент из второй теплообменной зоны;

(g) охлаждают второй сжатый хладагент косвенным теплообменом с испаряющимся хладагентом, чтобы получить второй охлажденный сжатый хладагент; расширяют с совершением работы второй охлажденный сжатый хладагент, чтобы получить расширенный с совершением работы второй хладагент; и объединяют расширенный с совершением работы второй хладагент с промежуточным хладагентом, чтобы получить объединенный хладагент; и

(h) подогревают объединенный хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в ней; и отводят из нее первый пар хладагента.

В пятом альтернативном осуществлении вторая холодильная система может действовать по способу, согласно которому

(d) сжимают первый пар хладагента и второй пар хладагента во многоступенчатом холодильном компрессоре, чтобы получить сжатый пар хладагента;

(e) охлаждают сжатый пар хладагента в третьей теплообменной зоне, чтобы получить первый охлажденный сжатый хладагент; расширяют с совершением работы первый охлажденный сжатый хладагент, чтобы получить первый холодный расширенный с совершением работы хладагент под первым давлением; и подразделяют первый холодный расширенный с совершением работы хладагент на первый и второй холодные хладагенты;

(f) подогревают первый холодный хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в ней; и отводят из нее подогретый хладагент, чтобы обеспечить второй пар хладагента;

(g) охлаждают второй холодный хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить второй охлажденный сжатый хладагент; расширяют с совершением работы второй охлажденный сжатый хладагент, чтобы получить второй расширенный с совершением работы хладагент под вторым давлением, меньшим, чем первое давление;

(h) подогревают второй расширенный с совершением работы хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней охлаждение по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны и обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в третьей теплообменной зоне; и отводят из нее подогретый хладагент, чтобы получить первый пар хладагента; и

(i) вводят первый пар хладагента в первую ступень многоступенчатого холодильного компрессора и вводят второй пар хладагента в промежуточную ступень многоступенчатого холодильного компрессора.

Вторая холодильная система может действовать согласно шестому альтернативному осуществлению, в соответствии с которым

(d) сжимают пар хладагента, чтобы получить сжатый пар хладагента; и подразделяют сжатый пар хладагента на первый и второй сжатые хладагенты;

(e) охлаждают первый сжатый хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить первый охлажденный сжатый хладагент; и расширяют с совершением работы первый охлажденный сжатый хладагент, чтобы получить холодный расширенный с совершением работы первый хладагент; подогревают холодный расширенный с совершением работы первый хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны; и формируют частично подогретый хладагент во второй теплообменной зоне;

(f) охлаждают второй сжатый хладагент косвенным теплообменом с испаряющимся хладагентом, чтобы обеспечить промежуточный охлажденный хладагент; в еще большей степени охлаждают промежуточный охлажденный хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить охлажденный второй сжатый хладагент; и расширяют с совершением работы второй охлажденный сжатый хладагент, чтобы обеспечить расширенный с совершением работы второй хладагент;

(g) объединяют холодный расширенный с совершением работы второй хладагент и частично подогретый хладагент, чтобы получить объединенный промежуточный хладагент; подогревают объединенный промежуточный хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить дополнительный холод для охлаждения в ней по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны; и отводят частично подогретый хладагент из второй теплообменной зоны; и

(h) подогревают частично подогретый хладагент в третьей теплообменной зоне, чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента и второго сжатого хладагента в ней; отводят из нее подогретый хладагент, чтобы обеспечить первый пар хладагента.

В этом шестом варианте осуществления дополнительное охлаждение можно обеспечить для третьей теплообменной зоны путем подогрева в ней части одного или нескольких хладагентов, обеспечиваемых в первой холодильной системе. Дополнительное охлаждение можно обеспечить для первой теплообменной зоны подогреванием в ней части промежуточного охлажденного хладагента, обеспечиваемого во второй холодильной системе.

Вторая холодильная система может действовать согласно седьмому альтернативному варианту осуществления, в соответствии с которым

(d) сжимают первый пар хладагента и второй пар хладагента во многоступенчатом холодильном компрессоре, чтобы получить сжатый пар хладагента;

(е) охлаждают сжатый пар хладагента в третьей теплообменной зоне, чтобы получить охлажденный сжатый хладагент; и подразделяют охлажденный сжатый хладагент на первый и второй охлажденные хладагенты;

(f) расширяют с совершением работы первый охлажденный хладагент, чтобы обеспечить первый расширенный с совершением работы хладагент под первым давлением; подогревают первый расширенный с совершением работы хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить в ней холод для охлаждения по существу сжиженного потока из первой теплообменной зоны и обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в третьей теплообменной зоне; и отводят из нее подогретый хладагент, чтобы обеспечить второй пар хладагента;

(g) охлаждают второй охлажденный хладагент во второй теплообменной зоне, чтобы обеспечить второй охлажденный сжатый хладагент; расширяют с совершением работы второй охлажденный сжатый хладагент, чтобы обеспечить второй расширенный с совершением работы хладагент под вторым давлением, меньшим, чем первое давление;

(h) подогревают второй расширенный с совершением работы хладагент, чтобы обеспечить холод для охлаждения охлажденного исходного потока во второй теплообменной зоне и чтобы обеспечить холод для охлаждения первого сжатого хладагента в третьей теплообменной зоне; и отводят из нее подогретый хладагент, чтобы обеспечить первый пар хладагента; и

(i) вводят первый пар хладагента в первую ступень многоступенчатого холодильного компрессора и вводят второй пар хладагента в промежуточную ступень многоступенчатого холодильного компрессора.

Во всех осуществлениях исходный газ может быть природным газом. Во всех осуществлениях один или несколько хладагентов в первой холодильной системе может быть выбран из группы, состоящей из азота; углеводородов, имеющих один или более атомов углерода; и галогенуглеводородов, имеющих один или более атомов углерода. Также во всех осуществлениях пар хладагента во второй холодильной системе может содержать один или несколько компонентов, выбранных из группы, состоящей из азота, аргона, метана, этана и пропана.

Варианты осуществления изобретения можно выполнить в системе для сжижения газа, содержащей

(а) первую холодильную систему и первое теплообменное средство, выполненные с возможностью охлаждения исходного газа косвенным теплообменом с одним или несколькими хладагентами, обеспечиваемыми первой холодильной системой, в целях обеспечения по существу сжиженного потока;

(b) вторую холодильную систему и второе теплообменное средство, выполненные с возможностью последующего охлаждения по существу сжиженного потока косвенным теплообменом с одним или несколькими расширенными с совершением работы хладагентами, обеспечиваемыми второй холодильной системой, в целях обеспечения в еще большей степени охлажденного по существу сжиженного потока;

(с) средство сжатия газа для сжатия одного или нескольких потоков пара хладагента и третье теплообменное средство, выполненное с возможностью охлаждения одного или нескольких потоков сжатых паров хладагента во второй холодильной системе;

(d) два или более детандеров для расширения с совершением работы потоков охлажденного сжатого пара хладагента во второй холодильной системе для обеспечения двух или более потоков холодного расширенного с совершением работы хладагента; и

(e) трубную обвязку для перемещения двух или более потоков холодного расширенного с совершением работы хладагента из двух или более детандеров во второе теплообменное средство или во второе и третье теплообменные средства.

В этой системе третье теплообменное средство не предназначено для охлаждения исходного газа или охлажденного исходного потока. Система может также содержать третью холодильную систему для охлаждения по меньшей мере одного или нескольких потоков сжатого пара хладагента второй холодильной системы. Третья холодильная система может быть выполнена с возможностью охлаждения исходного газа перед первым теплообменным средством.

Краткое описание чертежей

Излагаемое ниже описание приводится только в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи в данное время предпочтительных осуществлений изобретения. На чертежах:

Фиг.1 - схема процесса сжижения газа согласно одному из осуществлений настоящего изобретения с применением двух детандеров газа с исходящими потоками аналогичных давлений.

Фиг.2 - схема процесса сжижения газа согласно еще одному из осуществлений настоящего изобретения с применением двух детандеров газа с исходящими потоками аналогичных давлений.

Фиг.3 - схема процесса сжижения газа согласно еще одному из осуществлений настоящего изобретения с применением двух детандеров газа с исходящими потоками разных давлений.

Фиг.4 - схема процесса сжижения газа согласно еще одному из осуществлений настоящего изобретения с применением трех детандеров газа с исходящими потоками аналогичных давлений.

Фиг.5 - схема процесса сжижения газа согласно еще одному из осуществлений настоящего изобретения с применением двух детандеров газа с исходящими потоками разных давлений.

Фиг.6 - схема процесса сжижения газа согласно еще одному из осуществлений настоящего изобретения с применением двух детандеров газа с исходящими потоками аналогичных давлений и потоком уравновешивающего охлаждения.

Фиг.7 - схема процесса сжижения газа согласно еще одному из осуществлений настоящего изобретения с применением двух детандеров газа с исходящими потоками аналогичных давлений и потоком уравновешивающего охлаждения.

Фиг.8 - схема процесса сжижения газа согласно еще одному из осуществлений настоящего изобретения с применением двух детандеров газа с исходящими потоками разных давлений.

Подробное описание изобретения

В вариантах осуществления излагаемого изобретения используется несколько детандеров в газорасширительной холодильной системе для переохлаждения исходного газа, по существу сжиженного; упомянутую систему целесообразно использовать для переохлаждения потока сжиженного природного газа. Исходный газ можно по существу сжижать путем теплообмена с двумя или более компонентами хладагента или с многокомпонентным хладагентом, содержащим два или более компонентов, в теплообменном оборудовании, отдельном от теплообменного оборудования, применяемого для переохлаждения исходного газа после его существенного сжижения. Использование отдельного теплообменного оборудования для каждого рабочего цикла обеспечивает возможность оптимальной конструкции газорасширительной холодильной системы, которая в основном использует потоки холодильного пара и холодильной системы, работающей с повторным сжатием пара и использующей один или несколько потоков испаряющегося хладагента. Раздельность оборудования может быть также целесообразной в случае переделки газорасширительной холодильной системы в установку сжижения газа известного уровня техники.

Холодильная система определяется как одна или несколько замкнутых холодильных контуров или циклов; при этом в каждом контуре или цикле хладагент сжимается, его давление снижается и он подогревается для обеспечения охлаждения путем косвенной теплопередачи одному или нескольким охлаждаемым технологическим потокам. Хладагент может быть однокомпонентным или смесью двух или более компонентов. В холодильном контуре или цикле, в которых применяется повторное сжатие пара, холодильный пар сжимается, охлаждается, полностью или почти полностью конденсируется, его давление снижается и он испаряется с обеспечением охлаждения; и пар повторно сжимается для завершения контура или цикла. Расширенный с совершением работы хладагент может быть однофазным газом или может быть в основном газом с небольшим количеством жидкости; при этом расширенный с совершением работы хладагент может содержать 0-20% жидкости в мольном исчислении.

Высокий термодинамический кпд в цикле охлаждения обеспечивается, когда кривые подогревания и охлаждения текучей среды тесно приближаются друг к другу по всей их длине. Если газорасширительная холодильная система использует теплообменное оборудование, являющееся отдельным от теплообменного оборудования испаряющей холодильной системы, то течение охлажденного газа высокого давления в детандере то же, что и течение подогретого газа более низкого давления, возвращающегося из детандера. Из-за разных теплоемкостей газа на двух уровнях давления кривые подогревания и охлаждения невозможно удерживать параллельно друг к другу по всей их длине. Для регулирования этой разности поток уравновешивания охлаждения обычно создается между теплообменниками сжижения и частью газорасширительных теплообменников, которые работают на одном и том же температурном уровне. За счет этого повышается кпд процесса - путем обеспечения более параллельных кривых подогревания и охлаждения, но недостаток этого технического решения заключается в том, что газорасширительная холодильная система и применяющая повторное сжатие пара холодильная система в этом случае не являются автономными.

Упоминаемый выше патент США №6308531 описывает цикл сжижения, в котором охлаждение, сжижение и переохлаждение исходного газа, предпочтительно - природного газа, выполняется с помощью двух холодильных систем. Более теплая холодильная система использует два каскадных цикла повторного сжатия пара: пропановый цикл и цикл смешанного хладагента, или два цикла смешанного хладагента. Наиболее холодное охлаждение обеспечивается газорасширительной холодильной системой, предпочтительно с использованием азота в качестве рабочей жидкости. Фиг.1 патента США №6308531 показывает однодетандерную холодильную систему с уравновешивающим потоком смешанного хладагента, используемым в теплом газорасширительном теплообменнике. Фиг.2 этого патента показывает часть газообразного азота высокого давления, охлаждаемого в теплообменнике смешанного хладагента в качестве альтернативы созданию уравновешивания охлаждения в газорасширительных теплообменниках. Данное изобретение позволяет полностью отделить газорасширительную холодильную систему от холодильного контура, использующего повторное сжатие пара, являющегося смешанным хладагентом, без ущерба термодинамическому кпд. Это достигается при помощи двух или более детандеров в газорасширительной холодильной системе в целях снижения или устранения необходимости в уравновешивающем охлаждении между теплообменниками смешанного хладагента и газорасширительными теплообменниками.

В данном описании холодильная система является системой, содержащей один или несколько холодильных контуров, используемых с одним или несколькими соответствующими теплообменниками для охлаждения одного или нескольких технологических потоков путем косвенного теплообмена с одним или несколькими хладагентами, обеспечиваемыми одним или несколькими холодильными контурами. Холодильный контур является контуром хладагента, в котором пар хладагента сжимается, охлаждается, его давление снижается и он подогревается в теплообменнике(ах), чтобы охладить один или несколько технологических потоков косвенным теплообменом. Подогревающий хладагент может быть однофазной или двухфазной текучей средой. Подогретый пар хладагента сжимают в завершение контура. Одиночный холодильный контур может включать в свой состав специализированный компрессор, или несколько холодильных контуров могут включать в свой состав общий компрессор, в котором сжатый пар хладагента подразделяется и циркулирует по нескольким холодильным контурам под разными давлениями. Теплообменником является устройство, осуществляющее косвенный теплообмен между одним или несколькими подогревающими потоками и одним или несколькими охлаждающими потоками; причем подогревающие и охлаждающие потоки физически отделены друг от друга. Теплообменная зона может содержать один или несколько теплообменников, либо она может включать в себя секцию теплообменника.

Обнаружено, что второй детандер можно установить в газорасширительной холодильной системе таким образом, чтобы минимизировать и, в предпочтительном осуществлении, устранить необходимость уравновешивающего потока без ущерба термодинамическому кпд процесса. Второй, меньший, детандер установлен таким образом, что принимает относительно теплый газ и расширяет его до уровня промежуточной температуры. Этот расширенный поток промежуточной температуры вводится в или дополняет возвратный газ более низкого давления из холодного детандера после того, как холодный расширенный газ в основном выполнил цикл переохлаждения СПГ. Расширенный газ промежуточной температуры заменяет уравновешивающий поток смешанного хладагента в теплообменнике расширения теплого газа. Третий детандер можно также использовать в газорасширительной холодильной системе для дальнейшего повышения кпд процесса. Как правило, использование нескольких детандеров повышает кпд газорасширительной холодильной системы за счет обеспечения кривой подогревания хладагента, более близкой к кривой охлаждения хладагента, чем это возможно с кривой однодетандерного подогревания хладагента.

Согласно одному из осуществлений настоящего изобретения несколько детандеров объединены в газорасширительную холодильную систему, которая обеспечивает охлаждение для переохлаждения исходного газа, по существу сжиженного первой холодильной системой. Это техническое решение позволяет отсоединить газорасширительную холодильную систему от холодильной системы, которая обеспечивает более теплое охлаждение. Получаемая при этом конфигурация оборудования повышает термодинамический кпд цикла охлаждения и обеспечивает возможность оптимального конструирования теплообменного оборудования для каждой холодильной системы. Отсоединение холодильных систем также обеспечивает возможность более эффективного конструирования, если газорасширительная холодильная система предусматривается как часть развязки узких мест или расширения данной установки.

Первая холодильная система, которая обеспечивает по меньшей мере часть охлаждения, требуемого для существенного сжижения исходного газа, может применять два или более холодильных компонентов в одном или нескольких холодильных контурах или циклах, использующих повторное сжатие пара. Вторая холодильная система, которая обеспечивает по меньшей мере часть охлаждения, требуемого