Технология получения малотоннажного СПГ с двумя контурами охлаждения
Качество СПГ определяется не только нормативными документами на поставку газа, определённые требования накладывает сам процесс сжижения. В статье в качестве энергоэффективного холодильного цикла для получения СПГ высокого качества рассмотрена технология малотоннажного производства, с метановым и азотным контурами охлаждения
Наиболее перспективным сектором применения СПГ является его использование в качестве моторного топлива на автомобильном, морском и железнодорожном транспорте, а также на объектах тепло- и электрогенерации.
Производство СПГ является ключевым звеном в построении инфраструктуры производства, хранения, распределения и потребления сжиженного природного газа.
Источниками газа для малотоннажного СПГ могут служить как традиционные магистральные и распределительные газопроводы, так и низконапорные месторождения природного газа, а также шахтный метан, метан угольных пластов и биогаз.
Определяющими параметрами при проектировании установок по получению СПГ является не только производительность, но и состав газа, поскольку требования к его очистке очень жесткие и связаны с тем, что при криогенных температурах примеси выпадают в твердом виде и забивают арматуру. Еще большее значение играет и качество получаемого СПГ и, как следствие, свойства газа, полученного после регазификации СПГ.
Оптимизация технологий является одним из способов совершенствования эффективности в СПГ-индустрии [1]. Внедрение инноваций на установках предварительной обработки газа, обеспечивают преимущества того или иного проекта по сжижению газа. При производстве СПГ, основное внимание должно уделяться мероприятиям по подготовке газа к ожижению, т.е. по доведению природного газа до параметров, позволяющих конденсацией получить СПГ требуемого качества [2], при этом данная стадия составляет значительную часть капитальных вложений и эксплуатационных расходов завода по производству СПГ.
Наличие в газе паров воды и углекислого газа вызывает серьезные проблемы при ожижении газа. При охлаждении газа в системе происходит конденсация водяных паров и, следовательно, образование в ней водного конденсата. Последний с компонентами природного газа образует гидраты или лёд. Выпадение твердой углекислоты – «сухого льда» – также нежелательно. Такие отложения уменьшают сечение трубопроводов, ухудшают теплообмен, а при отложении на дросселях или попадании в детандер приводят к аварийным остановкам. Кроме того, наличие воды в системе усиливает коррозию оборудования, особенно при содержании в сырьевом газе кислых компонентов. Следовательно, природный газ перед подачей на ожижение необходимо подвергать глубокой осушке и очистке.
Традиционные методы обработки бедного газа для удаления тяжелых углеводородов, такие как абсорбция, низкотемпературная сепарация и конденсация, могут иметь более высокие экономические издержки, уменьшать мощность установки и усложнять процесс [3].
В таблице 1 приведено качественное сравнение методов подготовки газа к сжижению — очистки от тяжелых углеводородов (коррекция состава), кислых примесей и осушки.
Возможность глубокой очистки и осушки
Применение высоких/низких температур
Изменение углеводородного состава
Как видно из таблицы, несмотря на наличие газов регенерации, для глубокой очистки и осушки газа наиболее перспективно выглядит последовательное соединение блоков мембранного разделения и КЦА.
Помимо способа подготовки, на качество СПГ значительно влияет процесс сжижения. В настоящее время при малотоннажном производстве СПГ используются дроссельные, детандерные и комбинированные криогенные циклы – такое деление опирается на способ получения холода.
Дроссельные циклы характеризуются относительной простотой и надежностью, однако эффективность их мала, коэффициент ожижения сравнительно низок, давление рабочего тела должно быть высоким 15,0-25,0 МПа. В РФ такая установка работает на ГРС «Никольская» Тосненского района Ленинградской области [4].
При производстве СПГ высокого качества нецелесообразно использовать холодильные циклы, использующие только дросселирование, из-за малой степени ожижения и, как следствие, большой концентрации тяжёлых примесей в жидкой фазе, поэтому для производства СПГ высокого качества применимы только процессы с внешней холодильной машиной.
В России установки с дроссельным циклом высокого давления с предварительным фреоновым охлаждением на АГНКС и ГРС работают в г. Первоуральск, г. Калининграде и г. Пскове.
Недостатки дроссельного цикла создали предпосылки для перехода к созданию установок сжижения, специально оптимизированных для работы в условиях ГРС в широком диапазоне их технических характеристик и технологических параметров.
К таким установкам можно отнести установку дроссельного цикла с вихревой трубой (ГРС «Выборг») и установку с дроссельно-эжекторным циклом высокого давления и предварительным фреоновым охлаждением (АГНКС-500 «Развилка») [4].
Также в малотоннажном производстве СПГ используются детандерные циклы различных модификаций. Следует выделить два случая использования детандеров. Первый, когда детандер применяется в цикле, где рабочим телом является сам природный газ (установка сжижения на ГРС-4 в г. Екатеринбург). Второй, когда детандер устанавливается во внешнем контуре, где рабочим телом может быть чистое рабочее тело (азот), или смесь (азот-углеводороды) – в России реализована установка сжижения с азотным циклом в Пермском крае.
В некоторых случаях применение двух детандеров, установленных на разных температурных уровнях, позволяет создать ожижитель с низким удельным энергопотреблением.
В качестве энергоэффективного холодильного цикла с долей ожижения не менее 90% от объёма направляемого на ожижение природного газа для получения СПГ высокого качества с учётом минимальных эксплуатационных затрат и отсутствия необходимости использования привозных хладоагентов (фреонов или индивидуальных углеводородов) предлагается применять установку малотоннажного производства, использующую холодильный цикл с двумя детандерами (азот и метан). При этом, необходимо обеспечивать как глубокую очистку от углекислоты, осушку природного газа, так и коррекцию его состава.
Технологическая схема блока сжижения такой установки приведена на рисунке 1.
Природный газ из газопровода высокого давления после очистки от механических примесей и направляется на комбинированную установку предварительной подготовки природного газа перед сжижением с применением полупроницаемых мембран и короткоцикловой адсорбции по технологии [5], [6] (на схеме не показана).
Далее подготовленный природный газ после блока подготовки газа смешивается с природным газом открытого холодильного цикла и поступает на всас компрессора К-200. Здесь газ сжимается до 40-45 атм., после чего поток направляется на охлаждение в АВО АВО-200 и затем на вторую ступень компримирования в компрессор К-201. Давление газа в компрессоре К-201 повышается до 70 атм. Далее газ поступает на охлаждение в АВО-201.
После компримирования природный газ направляется в теплообменник Т-200, где газ охлаждается за счет работы азотного и метанового холодильных циклов. После этого от основного потока природного газа отделяется часть газа на открытый холодильный цикл, а поток газа на сжижение направляется во вторую секцию основного теплообменника (Т-200), где его температура снижается до еще более низких значений.
Природный газ открытого холодильного цикла расширяется в детандерном агрегате (Д-200), при этом его температура снижается. Работа, вырабатываемая на детандере, снимается компрессором первой ступени сжатия К-200. Далее природный газ холодильного цикла обратным потоком проходит через секции теплообменников Т -201 и Т -200, забирая при этом тепло у охлаждаемых потоков.
Природный газ на сжижение направляется в третью часть Т-202 основного теплообменника, где охлаждается до температуры минус 132 °С. Затем проходя через дроссель Др-200 давление потока снижается до давления хранения СПГ – 6 атм., при этом происходит переохлаждение жидкости до температуры минус 135 °С. Парожидкостная смесь разделяется в сепараторе Е-001: внизу сепаратора отводится СПГ из верха сепаратора отводится поток отпарного газа, который после подогрева используется в качестве топлива газопоршневыми приводами компрессоров К-201 и К-203.
Охлаждение природного газа обеспечивается за счет работы азотного холодильного цикла. Поток азота (контур показан синим цветом) сжимается сначала в компрессоре К-202, затем в компрессоре К-203. Тепло от сжатия снимается аппаратами воздушного охлаждения АВО-202 и АВО-203. Далее поток азота предварительно охлаждается в секциях теплообменника Т-200 и Т-201 и направляется на детандер Д-201, где расширяется, температура при этом снижается до минус 143 °С. Высвободившаяся при этом энергия обеспечивает работу компрессора К-202.
Далее поток азота проходит последовательно теплообменники Т-202, Т-201 и Т-200, забирая тепло у охлаждаемых потоков, и возвращается на рецикл.
Сравнение расчетных показателей работы описанной установки сжижения с показателями существующих производств (по данным [4]) приведено в таблице 2.
Коэффициент ожижения, %
Источник