RU2166709C1

RU2166709C1 - Highly efficiency combined system for liquefaction of main-line natural gas

Info

Publication number: RU2166709C1
Application number: RU99122942A
Authority: RU
Inventors: Н.Г. Кириллов
Original assignee: Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского
Priority date: 1999-11-01
Filing date: 1999-11-01
Publication date: 2001-05-10

Abstract

FIELD: gas liquefaction systems. SUBSTANCE: proposed system includes heat exchanger located between turbines. Expansion reservoir is located after low-pressure turbine. Liquefied gas line includes Dewar flask, high-pressure pump, check valve and heat-insulated reservoir for storage of liquefied gas. Cooling loop of Stirling cryogenic machine passes through heat exchanger and includes cooler communicated with surrounding medium and pump. Turbines and electric generator are mounted on common shaft. EFFECT: enhanced efficiency; reduced outlays. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области криогенной техники, криогенных газовых холодильных машин, работающих по обратному циклу Стирлинга, и предназначено для высокоэффективного ожижения газов, например природного газа. The invention relates to the field of cryogenic technology, cryogenic gas refrigeration machines operating on the reverse Stirling cycle, and is intended for highly efficient liquefaction of gases, such as natural gas.

Известно, что для ожижения газов используются различные циклы, например, с дросселированием или детандерные, однако в области криогенных температур (60-160 K) наиболее высокоэффективным циклом является цикл с холодильной машиной, работающей по циклу Стирлинга. Эффективность криогенных машин Стирлинга практически в 2 раза выше по сравнению с другими установками, применяемыми для ожижения газов (Усюкин И.П., Установки, машины и аппараты криогенной техники, Москва, Легкая и пищевая промышленность, 1982, с. 185-186). It is known that various cycles are used to liquefy gases, for example, with throttling or expander, however, in the range of cryogenic temperatures (60-160 K), the most highly efficient cycle is a cycle with a refrigerating machine operating according to the Stirling cycle. The efficiency of cryogenic Stirling machines is almost 2 times higher compared to other plants used for gas liquefaction (Usyukin I.P. Plants, machines and apparatuses of cryogenic equipment, Moscow, Light and Food Industry, 1982, p. 185-186).

Известно устройство криогенной машины Стирлинга, содержащей поршневую группу, теплообменник нагрузки (конденсатор), регенератор и холодильник (патент РФ N 2088776, F 02 C 6/00, 1997). A device is known for a cryogenic Stirling machine containing a piston group, a load heat exchanger (condenser), a regenerator and a refrigerator (RF patent N 2088776, F 02 C 6/00, 1997).

Известно устройство газовой холодильной машины "Филлипс", работающей по обратному циклу Стирлинга, предназначенной для ожижения воздуха (Вопросы глубокого охлаждения. Сборник статей под ред. М.П.Малкова, Москва, Иностранная литература, 1961, с. 35). Однако ранее данные машины не применялись в технологиях для ожижения природного газа. A device of the gas refrigerating machine "Phillips", operating on the reverse Stirling cycle, designed to liquefy the air (Questions of deep cooling. Collection of articles edited by MP Malkov, Moscow, Foreign literature, 1961, p. 35). However, previously these machines were not used in technologies for liquefying natural gas.

Известна принципиальная схема установки по утилизации избыточного давления природного газа, теряемого в процессе его дросселирования при дальнейшем ожижении в различных установках, в состав которой входит магистральный газопровод с природным газом избыточного давления и расширительная турбина на одном валу с электрогенератором (А.М. Васильев, Энергосбережение и экология. Химическое и нефтяное машиностроение, N 4, 1996, с. 77-78). Однако данное техническое решение ранее не применялось при ожижении природного газа. A well-known schematic diagram of a plant for utilization of excess pressure of natural gas lost during throttling during further liquefaction in various plants, which includes a gas main with natural gas of excess pressure and an expansion turbine on the same shaft with an electric generator (A.M. Vasiliev, Energy Saving and ecology, Chemical and Petroleum Engineering, N 4, 1996, pp. 77-78). However, this technical solution has not previously been used for liquefying natural gas.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является устройство для ожижения природного газа, содержащее магистральный газопровод с природным газом избыточного давления, расширительную турбину на одном валу с генератором теплообменник (см. SU 142311, кл. F 25 J 1/02, 1962). The closest analogue of the claimed invention is a device for liquefying natural gas, containing a main gas pipeline with natural gas overpressure, an expansion turbine on one shaft with a generator heat exchanger (see SU 142311, CL F 25 J 1/02, 1962).

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности систем и снижении материальных затрат при ожижении и использовании ожиженных газов, например природного газа, а также в повышении безопасности эксплуатации данных систем, снижении экологического загрязнения окружающей среды и получении дополнительной электрической энергии. The technical result that can be obtained by carrying out the invention is to increase the efficiency of systems and reduce material costs during liquefaction and use of liquefied gases, such as natural gas, as well as to increase the safety of operation of these systems, reduce environmental pollution and receive additional electrical energy .

Для достижения этого технического результата высокоэффективная комбинированная система для ожижения магистрального природного газа, включающая в себя магистральный газопровод с природным газом избыточного давления, расширительную турбину на одном валу с электрогенератором и теплообменник, снабжена дополнительной турбиной (низкого давления), расширительной емкостью, установленной после турбины низкого давления, криогенной холодильной машины Стирлинга, а также линией ожиженного газа, состоящей из сосуда Дьюара, насоса высокого давления, обратного клапана и теплоизолированной емкости для хранения ожиженного газа, при этом контур охлаждения криогенной машины Стирлинга проходит через теплообменник и включает в себя охладитель, связанный с окружающей средой, и насос, а турбины и электрогенератор расположены на одном валу. To achieve this technical result, a highly efficient combined system for liquefying main natural gas, which includes a main gas pipeline with natural gas of excess pressure, an expansion turbine on one shaft with an electric generator and a heat exchanger, is equipped with an additional turbine (low pressure), an expansion tank installed after the low turbine pressure, cryogenic Stirling refrigeration machine, as well as a liquefied gas line consisting of a dewar vessel, high pressure pump a valve, a check valve and a thermally insulated container for storing liquefied gas, while the cooling circuit of the cryogenic Stirling machine passes through a heat exchanger and includes a cooler associated with the environment and a pump, and the turbines and the generator are located on the same shaft.

Введение в состав высокоэффективной комбинированной системы для ожижения магистрального природного газа промежуточного теплообменника, турбины низкого давления, криогенной холодильной машины Стирлинга, контур охлаждения которой проходит через промежуточный теплообменник, и линии ожиженного газа, включающей в себя сосуда Дьюара и теплоизоированную емкость для ожиженного газа, позволяет получить новое свойство, заключающееся в использовании избыточного давления магистрального природного газа с подогревом его от системы охлаждения криогенной машины для получения электроэнергии, в высокоэффективном ожижении природного газа низкого давления в криогенной машине Стирлинга и увеличении холодильного коэффициента криогенной машины Стирлинга за счет снижения температуры охлаждающей жидкости ниже температуры окружающей среды. The introduction of a high-performance combined system for liquefying natural gas of an intermediate heat exchanger, a low-pressure turbine, a Stirling cryogenic refrigeration machine, the cooling circuit of which passes through an intermediate heat exchanger, and a liquefied gas line including a Dewar vessel and a heat-insulated liquefied gas tank allow new property consisting in the use of excess pressure of the main natural gas with its heating from the cooling system a cryogenic machine for generating electricity, in a highly efficient liquefaction of low-pressure natural gas in a cryogenic Stirling machine and an increase in the refrigeration coefficient of the cryogenic Stirling machine by lowering the temperature of the coolant below ambient temperature.

На чертеже изображена высокоэффективная комбинированная система для ожижения магистрального природного газа. The drawing shows a highly efficient combined system for liquefying main natural gas.

Комбинированная система состоит из магистрального газопровода 1 с природным газом избыточного давления, регулирующего клапана 2, расширительной турбины 3, электрогенератора 4, теплообменника 5, расширительной турбины 6 низкого давления, расширительной емкости 7, криогенной холодильной машины Стирлинга 8, линии 9 ожиженного газа и контура 10 охлаждения машины Стирлинга 8. Криогенная машина Стирлинга 8 содержит конденсатор 11 (теплообменник нагрузки) и холодильник 12. Линия 9 ожиженного газа включает в себя сосуд Дьюара 13, насос 14 высокого давления, обратный клапан 15 и теплоизолированную емкость 16 для ожиженного газа. Через холодильник 12 криогенной машины Стирлинга 8 проходит контур охлаждения 10, содержащий охладитель 17, связанный с окружающей средой, и насос 18, при этом контур 10 проходит также через теплообменник 5. The combined system consists of an overpressure natural gas pipeline 1, a control valve 2, an expansion turbine 3, an electric generator 4, a heat exchanger 5, a low pressure expansion turbine 6, expansion tank 7, Stirling cryogenic refrigeration machine 8, liquefied gas line 9, and circuit 10 cooling of the Stirling machine 8. The cryogenic Stirling machine 8 contains a condenser 11 (load heat exchanger) and a refrigerator 12. The liquefied gas line 9 includes a dewar vessel 13, a high pressure pump 14 I, check valve 15 and insulated tank 16 for liquefied gas. Through the refrigerator 12 of the cryogenic Stirling machine 8 passes a cooling circuit 10 containing a cooler 17, connected with the environment, and a pump 18, while the circuit 10 also passes through the heat exchanger 5.

Высокоэффективная комбинированная система для ожижения магистрального природного газа работает следующим образом. Highly efficient combined system for liquefaction of the main natural gas operates as follows.

Природный газ высокого давления из магистрального газопровода 1 через регулирующий клапан 2 поступает в турбину 3, где расширяется с получением полезной работы. Расширение газа сопровождается падением его давления и температуры. Газ пониженного давления из турбины 3 поступает в промежуточный теплообменник 5, где нагревается за счет теплообмена с контуром 10 охлаждения, после этого в турбине 6 низкого давления газ повторно расширяется, в результате чего получают дополнительную полезную энергию. Энергия вращения с турбин 3 и 6 передается электрогенератору 4 для выработки электроэнергии. После турбины 6 газ поступает в расширительную емкость 7, откуда засасывается в конденсатор 11 криогенной машины Стирлинга 8, где происходит его ожижение. Переход газа в жидкую фазу в конденсаторе 11 холодильной машины 8 создает необходимый перепад давлений во всей линии от магистрального газопровода 1 до машины 8. Ожиженный газ по линии 9 сливается в сосуда Дьюара 13 и насосом повышенного давления 14 через обратный клапан 15 подается в теплоизолированную емкость 16 для хранения ожиженного газа. С целью охлаждения холодильной машины Стирлинга 8 предусмотрен контур 10 охлаждения. По этому контуру нагретая от рабочего тела холодильной машины 8 охлаждающая жидкость из холодильника 12 с помощью насоса 18 подается сначала в охладитель 17, где происходит теплообмен с окружающей средой (например, атмосферным воздухом), при этом охлаждающая жидкость охлаждается до температуры окружающей среды. Затем жидкость подается в теплообменник 5, где она охлаждается до температуры ниже температуры окружающей среды за счет теплообмена с холодильным потоком расширенного после турбины 3 газа, и поступает вновь в холодильник 12. За счет теплообмена охлаждающей жидкости с низкой температурой и рабочим телом холодильной машины 8 происходит увеличение холодильного коэффициента машины 8. High-pressure natural gas from the gas main 1 through the control valve 2 enters the turbine 3, where it expands to obtain useful work. The expansion of the gas is accompanied by a drop in its pressure and temperature. The reduced pressure gas from the turbine 3 enters the intermediate heat exchanger 5, where it is heated by heat exchange with the cooling circuit 10, after which the gas in the low pressure turbine 6 re-expands, resulting in additional useful energy. The rotation energy from the turbines 3 and 6 is transmitted to the electric generator 4 to generate electricity. After the turbine 6, the gas enters the expansion tank 7, from where it is sucked into the condenser 11 of the cryogenic Stirling machine 8, where it liquefies. The transition of gas into the liquid phase in the condenser 11 of the chiller 8 creates the necessary pressure difference in the entire line from the main gas pipeline 1 to the machine 8. The liquefied gas through line 9 is discharged into the Dewar vessels 13 and is supplied with a pressure pump 14 through a check valve 15 to a heat-insulated tank 16 for storage of liquefied gas. In order to cool the Stirling refrigerator 8, a cooling circuit 10 is provided. According to this circuit, the cooling liquid heated from the working medium of the refrigerating machine 8 from the refrigerator 12 is first supplied to the cooler 17 by means of a pump 18, where heat is exchanged with the environment (for example, atmospheric air), while the cooling liquid is cooled to ambient temperature. Then, the liquid is supplied to the heat exchanger 5, where it is cooled to a temperature below the ambient temperature due to heat exchange with the refrigerant stream of the gas expanded after the turbine 3, and again enters the refrigerator 12. Due to the heat exchange of the coolant with a low temperature and the working fluid of the refrigeration machine 8, increase in the refrigeration coefficient of the machine 8.

Claims

A highly efficient combined system for liquefying main natural gas, including a main gas pipeline with natural gas of excess pressure, an expansion turbine on one shaft with an electric generator and a heat exchanger, characterized in that it is equipped with an additional turbine (low pressure), an expansion tank installed after the low pressure turbine , cryogenic Stirling refrigeration machine, as well as a liquefied gas line consisting of a dewar vessel, high pressure pump, check valve and a thermally insulated tank for storing liquefied gas, with the heat exchanger located between the turbines, and the cooling circuit of the cryogenic Stirling machine passes through the heat exchanger and includes a cooler associated with the environment, and a pump, and the turbines and electric generator are located on the same shaft.