PL242185B1 - System i sposób wstępnego schładzania gazu ziemnego - Google Patents

Abstract

System wstępnego schładzania gazu ziemnego przed skropleniem, wyposażony w jednostkę skraplającą zintegrowaną ze stacją redukcyjno-pomiarową charakteryzuje się tym, że rurociąg sieci przesyłowej stacji redukcyjno-pomiarowej za pomocą rurociągu wlotowego (1) połączony jest z wymiennikiem ciepła (W), który od strony wylotowej poprzez rurociąg wylotowy (2) z zamontowanym zaworem regulującym ciśnienie (ZC), i rurociąg wylotowy (3) połączony jest z ekspanderem (E), który za pomocą rurociągu (4) połączony jest z separatorem (S), przy czym separator (S) łączy się z rozdzielaczem (R) rurociągiem (5), a rurociągiem (6) połączony jest mieszalnikiem (M), połączonym z wymiennikiem ciepła (W) rurociągiem (8), rozdzielacz (R) połączony jest rurociągiem (7) z mieszalnikiem (M), zarówno wymiennik ciepła (W), jak i rozdzielacz (R) za pomocą odpowiednio rurociągu (9) i rurociągu (10) łączą system rurociąg (9) łączy się z siecią dystrybucyjną, a rurociąg (10) łączy się z układem całkowitego wykroplenia gazu ziemnego. Sposób wstępnego schładzania gazu ziemnego przed skropleniem polega na tym, że paliwo gazowe w postaci gazu ziemnego pod ciśnieniem od 25 bar do 60 bar, korzystnie 35 bar, poprzez rurociąg wlotowy (1) wpływa do wymiennika ciepła (W), gdzie ulega schłodzeniu w zakresie temperatur od 0°C do -25°C, korzystnie -15°C, następnie poprzez zawór regulujący ciśnienie (ZC) rurociągiem wylotowym (3) wpływa do ekspandera (E), gdzie następuje obniżenie ciśnienia od 8 bar do 20 bar, korzystnie 10 bar i temperatury od -65°C do -85°C, korzystnie -75°C, skropliny i część lotna gazu ziemnego wpływa poprzez rurociąg wlotowy (4) do separatora (S), w którym następuje rozdział faz na ciekłą i gazową, skroplone cięższe węglowodory rurociągiem (6) wpływają do mieszalnika (M), a lżejsze lotne węglowodory rurociągiem (5) kierowane są do rozdzielacza (R), gdzie następuje podział na gaz do skroplenia, który wstępnie schłodzony rurociągiem (10) wpływa do jednostki skraplającej oraz na gaz płynący do mieszalnika (M), gdzie miesza się z fazą ciekłą, następnie przez rurociąg 8 wpływa do wymiennika ciepła (W), ogrzewa się do temperatury od -30°C do 5°C, korzystnie 0°C, po czym w postaci gazowej wraca rurociągiem (9) do systemu dystrybucji.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest system i sposób wstępnego schładzania gazu ziemnego, mający zastosowanie w istniejących lub nowoprojektowanych jednostkach skraplania gazu ziemnego zintegrowanych z infrastrukturą sieci przesyłu gazu ziemnego o wysokim stopniu czystości.

Dotychczas znane są układy jednostek skraplających, które zamiast zaworu Joula-Thomsona lub wymiennika ziębniczego posiadają ekspander, którego zadaniem jest zwiększenie efektywności schładzania gazu ziemnego podczas jego rozprężania.

Dotychczas zastosowanie ekspanderów ograniczało się do wstępnego ochłodzenia gazu ziemnego na wejściu jednostki skraplającej poprzez redukcję ciśnienia oraz wykorzystaniu ich w miejscu poszczególnych komponentów skraplających w układach skraplania gazu ziemnego. Ekspandery nie były integrowane w stacjach redukcyjno-pomiarowych i łączone we współpracy z jednostkami skraplania gazu ziemnego.

Z amerykańskiego opisu patentowego US4548629A znany jest proces skraplania gazu ziemnego pod wysokim ciśnieniem, gdzie gaz ziemny jest rozprężany przez rozprężarkę turbinową dla zmniejszenia jego ciśnienia, a tym samym schłodzenia, następnie przepuszczany jest przez odmetanizator celem usunięcia z niego cięższych składników, po czym wstępnie schładzany jest czynnikiem chłodniczym w postaci węglowodoru C2, etanu lub etylenu, zawartym w pojedynczym układzie chłodniczym. Wstępnie schłodzony gaz ziemny jest następnie skraplany poprzez wymianę ciepła z mieszanym czynnikiem chłodniczym zawartym w mieszanym układzie chłodniczym, przy czym mieszany czynnik chłodniczy składa się głównie z azotu, metanu i węglowodoru C2, etanu lub etylenu. Mieszany czynnik chłodniczy zawarty w układzie czynnika chłodniczego z mieszaniem jest chłodzony poprzez wymianę ciepła z czynnikiem chłodniczym węglowodorowym C2 zawartym w pojedynczym układzie chłodniczym.

Niedogodnością powyższych rozwiązań jest brak wykorzystania pełnego potencjału wysokiego ciśnienia dostępnego w rurociągu gazu ziemnego przepływającego przez stację redukcyjną lub redukcyjno-pomiarową.

Stwierdzono nieoczekiwanie podczas prowadzonych badań, że można zwiększyć ilość odzyskanej energii poprzez integrację jednostki skraplającej ze stacją redukcyjną lub redukcyjno-pomiarową poprzez zastąpienie zaworu dławiącego ekspanderem i rozprężenie gazu do skroplenia jak i gazu do dalszej dystrybucji.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest opracowanie ulepszonego, innowacyjnego i prostego, a zarazem skutecznego sposobu/ systemu zmniejszającego energochłonność jednostki skraplającej gaz ziemny poprzez zasilenie jej odzyskaną energią odpadową i wstępne ochłodzenie gazu ziemnego na ekspanderze.

Cel ten zrealizowano opracowując rozwiązanie, które eliminuje niedogodności znanych rozwiązań stacji redukcyjnych zasilających w gaz jednostki skraplające.

System wstępnego schładzania gazu ziemnego przed skropleniem, wyposażony w jednostkę skraplająca zintegrowaną ze stacją redukcyjno-pomiarową charakteryzuje się tym, że rurociąg sieci przesyłowej stacji redukcyjno-pomiarowej za pomocą rurociągu wlotowego połączony jest z wymiennikiem ciepła, który od strony wylotowej poprzez rurociąg wylotowy z zamontowanym zaworem regulującym ciśnienie i rurociąg wylotowy połączony jest z ekspanderem, który za pomocą rurociągu połączony jest z separatorem, przy czym separator łączy się z rozdzielaczem, który za pomocą rurociągu połączony jest mieszalnikiem, połączonym z wymiennikiem ciepła rurociągiem, rozdzielacz połączony jest rurociągiem z mieszalnikiem, zarówno wymiennik ciepła, jak i rozdzielacz, za pomocą rurociągów łączą się w system, gdzie jeden z rurociągów łączy się z siecią dystrybucyjną, a drugi rurociąg łączy się z układem całkowitego wykroplenia gazu ziemnego.

Sposób wstępnego schładzania gazu ziemnego przed skropleniem polega na tym, że paliwo gazowe w postaci gazu ziemnego pod ciśnieniem od 25 bar do 60 bar, korzystnie 35 bar, poprzez rurociąg wlotowy wpływa do wymiennika ciepła, gdzie ulega schłodzeniu w zakresie temperatur od 0°C do -25°C, korzystnie -15°C, następnie poprzez zawór regulujący ciśnienie rurociągiem wylotowym wpływa do ekspandera, gdzie następuje obniżenie ciśnienia od 8 bar do 20 bar, korzystnie do 10 bar i temperatury od -65°C do -85°C, korzystnie -75°C, skropliny i część lotna gazu ziemnego wpływa poprzez rurociąg wlotowy do separatora, w którym następuje rozdział faz na ciekłą i gazową, skroplone cięższe węglowodory rurociągiem wpływają do mieszalnika, a lżejsze lotne węglowodory rurociągiem kierowane są do rozdzielacza, gdzie następuje podział na gaz do skroplenia, który wstępnie schłodzony rurociągiem wpływa do jednostki skraplającej oraz na gaz płynący do mieszalnika, gdzie miesza się z fazą ciekłą, następnie przez rurociąg wpływa do wymiennika ciepła, ogrzewa się do temperatury od -30°C do 5°C, korzystnie 0°C, po czym w postaci gazowej wraca rurociągiem do systemu dystrybucji.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest wytworzenie większej ilości energii mechanicznej, wynikającej z przepływu przez ekspander większego strumienia gazu w stosunku do znanych ze stanu techniki rozwiązań, ponadto zwiększona zostaje produkcja energii elektrycznej przez ekspander w stacji redukcyjno-pomiarowej, zwiększony odzysk energii wysokiego ciśnienia gazu ziemnego, wstępne ochłodzenie gazu ziemnego przed jego skropleniem, obniżenie energochłonności jednostki skraplającej poprzez pełne lub częściowe zasilanie z ekspandera, obniżenie energochłonności jednostki skraplającej poprzez zastąpienie klasycznego stopnia chłodzenia wstępnego, schładzaniem wstępnym gazu na p oziomie stacji redukcyjno-pomiarowej, zmniejszenie kosztów eksploatacji jednostki skraplania gazu ziemnego.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniony jest na rysunku, który przedstawia schemat układu wstępnego ochładzania gazu ziemnego przed skropleniem.

Na rysunku uwidoczniono system zbudowany z przeponowego wymiennika ciepła (W), do którego połączone są rurociągi wlotowe (1) i (8) oraz rurociągi wylotowe (2) i (9). Rurociąg (1) łączy rurociąg sieci przesyłowej z wlotem wymiennika ciepła (W). Na rurociągu wylotowym (2) zamontowany jest zawór regulujący ciśnienie (ZC), który poprzez rurociąg (3) połączony jest z ekspanderem (E), którego wylot złączony jest rurociągiem (4) z separatorem (S). Z separatora (S) wyprowadzone są dwa rurociągi, rurociąg (5) i (6), gdzie rurociąg (5) prowadzi do rozdzielacza (R), a rurociąg (6) do mieszalnika (M). Rurociąg (10) integruje układ z jednostką skraplającą poprzez rozdzielacz (R), z kolei rurociąg (7) łączy rozdzielacz (R) z mieszalnikiem (M). Rurociąg (8) spaja ze sobą wylot mieszalnika (M) oraz wlot wymiennika ciepła (W). Rurociąg (9) przymocowany jest dalej do wejścia systemu dystrybucji.

P r z y k ł a d

Całkowity strumień gazu ziemnego w ilości 1570 kg/h poprzez rurociąg 1 wpływa pod ciśnieniem 35 bar do wymiennika ciepła (W), w którym ulega schłodzeniu z temperatury 8°C, do temperatury -15°C i kierowany jest dalej do zaworu regulującego ciśnienie (ZC). Zawór regulujący ciśnienie (ZC) utrzymuje stabilne ciśnienie wlotowe do ekspandera (E) na poziomie 34 bar. Gaz po przepłynięciu przez zawór regulujący ciśnienie (ZC) oraz rurociąg (3) rozpręża się na ekspanderze (E). W wyniku redukcji ciśnienia gazu ziemnego do 10 bar na ekspanderze (E) spada temperatura gazu ziemnego do -70°C, co powoduje wykroplenie się cięższych węglowodorów takich jak: butan, pentan oraz o wyższej liczbie atomów węgla z gazu w rurociągu (4). Mieszanka skroplin oraz części lotnej gazu przepływa do separatora (S), w którym skroplone cięższe węglowodory płynące dalej rurociągiem (6) są oddzielane od części lżejszych lotnych węglowodorów płynące dalej rurociągiem (5). Za rurociągiem (5) następuje rozdział strumieni w rozdzielaczu (R). Lotna część gazu ziemnego przeznaczonego do skroplenia 750 kg/h przepływa do jednostki skraplającej jako wstępnie ochłodzony gaz ziemny w rurociągu (10). Lotna reszta gazu ziemnego w rurociągu (7) mieszana jest ze strumieniem skroplonych cięższych węglowodorów w rurociągu (6) mieszalnika (M). Zmieszane strumienie w rurociągu (8) przepływają przez wymiennik ciepł a (W), ogrzewając się wlotowym strumieniem gazu ziemnego w rurociągu (1) do temperatury -3°C. Ciekłe węglowodory takie jak: etan, propan, butan, pentan oraz o wyższej liczbie atomowej zawarte w mieszaninie ulegają odparowaniu podczas ogrzewania. Ogrzany i oczyszczony ze skroplin strumień gazu ziemnego w ilości, 820 kg/h jest kierowany dalej do sieci dystrybucyjnej rurociągu (9).

Niezależnie od konstrukcji urządzenia należy spełnić kluczowe parametry do poprawnego funkcjonowania obiektu zgodnie z przedmiotem wynalazku,

- Strumień gazu do-skroplenia w. rurociągu (10), powinien-wynosić co najmniej 20% i co najwyżej 115% strumienia wypływającego z rurociągu (9) ze stacji redukcyjnej lub redukcyjno-pomiarowej, korzystnie 100%,

- Stosunek ciśnienia wlotowego w rurociągu (3) do ciśnienia wylotowego w rurociągu (4) na ekspanderze (E) powinien być co najmniej 3,0 i co najwyżej 3,5, korzystnie 3,4,

- Temperatura za wymiennikiem (W) w rurociągu (2) powinna wynosić co najwyżej 0°C i co najmniej -25°C, korzystnie -15°C.

Claims (2)

Zastrzeżenia patentowe

1. System wstępnego schładzania gazu ziemnego przed skropleniem, wyposażony w jednostkę skraplająca zintegrowaną ze stacją redukcyjno-pomiarową znamienny tym, że rurociąg sieci przesyłowej stacji redukcyjno-pomiarowej za pomocą rurociągu wlotowego (1) połączony jest z wymiennikiem ciepła (W), który od strony wylotowej poprzez rurociąg wylotowy (2) z zamontowanym zaworem regulującym ciśnienie (ZC) i rurociąg wylotowy (3) połączony jest z ekspanderem (E), który za pomocą rurociągu (4) połączony jest z separatorem (S), przy czym separator (S) łączy się z rozdzielaczem (R) rurociągiem (5), a rurociągiem (6) połączony jest z mieszalnikiem (M), połączonym z wymiennikiem ciepła (W) rurociągiem (8), rozdzielacz (R) połączony jest rurociągiem (7) z mieszalnikiem (M), zarówno wymiennik ciepła (W), jak i rozdzielacz (R) za pomocą rurociągów (9) i (10) łączą się w system, gdzie jeden z rurociągów (9) łączy się z siecią dystrybucyjną, a drugi rurociąg (10) łączy się z układem całkowitego wykroplenia gazu ziemnego.

2. Sposób wstępnego schładzania gazu ziemnego przed skropleniem znamienny tym, że paliwo gazowe w postaci gazu ziemnego pod ciśnieniem od 25 bar do 60 bar, korzystnie 35 bar, poprzez rurociąg wlotowy (1) wpływa do wymiennika ciepła (W), gdzie ulega schłodzeniu w zakresie temperatur od 0°C do -25°C, korzystnie -15°C, następnie poprzez zawór regulujący ciśnienie (ZC) rurociągiem wylotowym (3) wpływa do ekspandera (E), gdzie następuje obniżenie ciśnienia od 8 bar do 20 bar, korzystnie do poziomu 10 bar i temperatury od- 65°C do -85°C, korzystnie -75°C, skropliny i część lotna gazu ziemnego wpływa poprzez rurociąg wlotowy (4) do separatora (S), w którym następuje rozdział faz na ciekłą i gazową, skroplone cięższe węglowodory rurociągiem (6) wpływają do mieszalnika (M), a lżejsze lotne węglowodory rurociągiem (5) kierowane są do rozdzielacza (R), gdzie następuje podział na gaz do skroplenia, który wstępnie schłodzony rurociągiem (10) wpływa do jednostki skraplającej oraz na gaz płynący do mieszalnika (M), gdzie miesza się z fazą ciekłą, następnie przez rurociąg (8) wpływa do wymiennika ciepła (W), ogrzewa się do temperatury od -30°C do 5°C, korzystnie 0°C, po czym w postaci gazowej wraca rurociągiem (9) do systemu dystrybucji.