RU2272971C2

RU2272971C2 - Plant for partial liquefaction of natural gas

Info

Publication number: RU2272971C2
Application number: RU2004112285/06A
Authority: RU
Inventors: Борис Давыдович Краковский (RU); Борис Давыдович Краковский; Владимир Алексеевич Мартынов (RU); Владимир Алексеевич Мартынов; Олег Максимович Попов (RU); Олег Максимович Попов; Дмитрий Александрович Русинов (RU); Дмитрий Александрович Русинов; Вадим Николаевич Удут (RU); Вадим Николаевич Удут
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "ГЕЛИЙМАШ" (ОАО "НПО "ГЕЛИЙМАШ")
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2006-03-27
Also published as: RU2004112285A

Abstract

FIELD: gas-processing industry, cryogenic equipment engineering, possible use for liquefaction of natural gas.

SUBSTANCE: plant for partial liquefaction of natural gas includes serially positioned along direct flow source of high pressure gas, heat exchanger for preliminary cooling, main heat exchanger, filter-separator for hard particles, expanding device, at input connected to direct flow line, and at output connected to reverse flow line, throttling valve of production flow, and separator-accumulator of liquefied gas. Prior to input into expanding device filter and cutting valve are mounted. Expanding device is made in form of turbo gas expansion machine, wherein as break on one shaft turbo-compressor is mounted. Output from turbo gas expansion machine is connected to reverse flow after accumulator-separator for liquefied gas. Temperature indicator mounted at output from turbo gas expansion machine through control block, is interconnected to throttling valve of production flow. High pressure gas source through cleaning block, filter and cutting valve is connected to input of turbo-compressor. Output of turbo-compressor through reverse valve and cooling device is connected to input of preliminary heat exchanger. Input of preliminary heat exchanger by rounding line through bypassing valve is connected to input of turbo-compressor. Bypassing valve is interconnected through control block with turbo gas expansion machine revolution number indicator.

EFFECT: 20-25% increased liquefaction of natural gas, improved stability of plant operation, improved personnel and equipment safety.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к газоперерабатывающей отрасли и криогенной технике и может быть использовано для сжижения природного газа.The invention relates to the gas processing industry and cryogenic technology and can be used to liquefy natural gas.

Известны наиболее простые устройства для сжижения природного газа с дроссельным циклом охлаждения (патент США №6085547, кл. НКИ 62-613; МКИ 7 F 25 J 1/00, публ. 11.07.2000 г., патент России №2127855 С1, МКИ 6 F 25 J 1/00, публ. в бюл. №8 от 20.03.99 г.).Known are the simplest devices for liquefying natural gas with a throttle cooling cycle (US patent No. 6085547, class NKI 62-613; MKI 7 F 25 J 1/00, publ. 07/11/2000, Russian patent No. 2127855 C1, MKI 6 F 25 J 1/00, published in Bulletin No. 8 of 03/20/99).

Технологически они включают источник сжатого газа, предварительный и основной теплообменники, дроссельный вентиль и сборник парожидкостной смеси с выводом паров в теплообменники для утилизации холода и охлаждения газа, идущего на ожижение, а жидкости - потребителю.Technologically, they include a source of compressed gas, a preliminary and main heat exchanger, a throttle valve and a vapor-liquid mixture collector with the outlet of vapors to heat exchangers for utilization of cold and cooling of the liquefied gas, and liquids for the consumer.

Основным недостатком этих устройств является низкий процент (до 6-8%) сжижения газа, связанный с неэффективностью цикла.The main disadvantage of these devices is the low percentage (up to 6-8%) of gas liquefaction associated with cycle inefficiency.

Известна криогенная установка для сжижения промышленного газа (патент США №6220053, ВА МКИ 7 F 25 J 1/00 (НКИ 62-13)), включающая источник промышленного газа, компрессор, влагоотделитель, теплообменник для предварительного охлаждения газа, теплообменник для охлаждения газа до температуры конденсации и дроссельный клапан для дросселирования прямого потока, разделения потока с отводом части в качестве обратного потока для охлаждения прямого потока, а жидкости потребителю. Для повышения коэффициента ожижения газа в установку введены два детандера-компрессора, в которых компрессоры служат для повышения давления прямого потока газа, а часть прямого потока из разных зон охлаждения в предварительном теплообменнике и при разном давлении отводится на два турбодетандера для расширения и подачи расширенного охлажденного газа в качестве обратного потока на охлаждение прямого потока.Known cryogenic installation for liquefying industrial gas (US patent No. 6220053, VA MKI 7 F 25 J 1/00 (NKI 62-13)), including a source of industrial gas, compressor, dehumidifier, heat exchanger for pre-cooling gas, heat exchanger for gas cooling to condensation temperature and a throttle valve for throttling the direct flow, separation of the flow with the removal of part as a return flow for cooling the direct flow, and liquid to the consumer. To increase the gas liquefaction coefficient, two expander-compressors were introduced into the installation, in which the compressors serve to increase the pressure of the direct gas flow, and part of the direct flow from different cooling zones in the preliminary heat exchanger and at different pressures is diverted to two turbo-expanders for expansion and supply of expanded cooled gas as a return flow to direct flow cooling.

К недостаткам этой установки и способа ожижения в ней газа следует отнести низкую надежность из-за большого количества машинного оборудования.The disadvantages of this installation and the method of liquefying gas in it include low reliability due to the large number of machinery.

Наиболее близкой, взятой нами за прототип является установка для частичного сжижения природного газа (патент России №2212598 С1, МКИ 7 F 25 J 1/00, публ. бюл. №26 от 20.09.2003 г.), включающая последовательно расположенные по прямому потоку источник газа высокого давления, теплообменник для предварительного охлаждения и основной теплообменник, фильтр-сепаратор твердых частиц, расширительное устройство, на входе соединенное с линией прямого потока, а на выходе с линией обратного потока, дроссельный вентиль продукционного потока и сборник-сепаратор сжиженного газа.The closest we have taken as a prototype is a plant for partial liquefaction of natural gas (Russian patent No. 2212598 C1, MKI 7 F 25 J 1/00, publ. Bull. No. 26 from 09/20/2003), including sequentially located in a straight stream high pressure gas source, pre-cooling heat exchanger and main heat exchanger, particulate filter separator, expansion device connected to the direct flow line at the inlet and a return line to the outlet, production flow throttle valve and liquefaction separator nnogo gas.

Недостатком этой установки является то, что не используется полезная мощность турбодетандера, и на его работу оказывает влияние изменения давления в магистральном трубопроводе.The disadvantage of this installation is that the useful power of the turboexpander is not used, and its work is affected by changes in pressure in the main pipeline.

Целью предлагаемого технического решения является повышение процента сжижения газа в цикле, повышение устойчивости работы установки и ее безопасности при пусках и остановках.The aim of the proposed technical solution is to increase the percentage of gas liquefaction in the cycle, increasing the stability of the installation and its safety during starts and stops.

Поставленная цель решается благодаря тому, что в установке для частичного сжижения природного газа, включающей последовательно расположенные по прямому потоку источник газа высокого давления, теплообменник для предварительного охлаждения, основной теплообменник, фильтр-сепаратор твердых частиц, расширительное устройство, на входе соединенное с линией прямого потока, а на выходе с линией обратного потока, дроссельный вентиль продукционного потока и сборник-сепаратор сжиженного газа, перед входом в расширительное устройство установлен фильтр и отсечной клапан, расширительное устройство выполнено в виде турбодетандера, в котором в качестве тормоза на одном валу установлен турбокомпрессор, выход из турбодетандера соединен с обратным потоком после сборника-сепаратора сжиженного газа, а датчик температуры, установленный на выходе из турбодетандера, через блок управления взаимосвязан с дроссельным вентилем продукционного потока; источник газа высокого давления через блок осушки, фильтр и отсечной клапан соединен с входом в турбокомпрессор, а выход из турбокомпрессора через обратный клапан и охладитель соединен с входом в предварительный теплообменник, а вход в предварительный теплообменник обводной линией через байпасный клапан соединен с входом в турбокомпрессор, причем байпасный клапан взаимосвязан через блок управления с датчиком числа оборотов турбодетандера.This goal is achieved due to the fact that in the installation for partial liquefaction of natural gas, which includes a high-pressure gas source sequentially arranged in a straight stream, a pre-cooling heat exchanger, a main heat exchanger, a particulate filter separator, an expansion device connected to the direct flow line at the inlet and at the outlet with the return flow line, the throttle valve of the production stream and the collector-separator of liquefied gas, installed in front of the expansion device a filter and a shut-off valve, an expansion device is made in the form of a turbo-expander, in which a turbocompressor is installed as a brake on one shaft, the outlet of the turbo-expander is connected to the return flow after the liquefied gas separator-collector, and the temperature sensor installed at the outlet of the turbo-expander is control interconnected with the throttle valve of the production stream; the high-pressure gas source through the drying unit, the filter and the shut-off valve are connected to the inlet to the turbocharger, and the outlet of the turbocharger through the check valve and cooler is connected to the inlet to the preliminary heat exchanger, and the bypass line through the bypass valve is connected to the inlet to the turbocharger, moreover, the bypass valve is interconnected through the control unit with the speed sensor of the turbo expander.

В предлагаемой установке на линии подачи масла в подшипники турбодетандера установлена аккумулирующая масляная емкость, имеющая газовую полость под избыточным давлением, а датчик температуры масла на входе в подшипники взаимосвязан через блок управления с шиберной заслонкой подачи охлаждающего воздуха от вентилятора на охладитель масла.In the proposed installation, an oil storage tank with a gas cavity under overpressure is installed on the oil supply line to the turbo-expander bearings, and the oil temperature sensor at the inlet to the bearings is interconnected via a control unit with a slide gate for supplying cooling air from the fan to the oil cooler.

Для пояснения сущности предлагаемого технического решения представлены:To clarify the essence of the proposed technical solutions are presented:

фиг.1 - установки для частичного сжижения природного газа;figure 1 - installation for partial liquefaction of natural gas;

фиг.2 - установка для частичного сжижения природного газа (с системой подачи масла).figure 2 - installation for partial liquefaction of natural gas (with an oil supply system).

Установка для сжижения природного газа, см. фиг.1, состоит из линии подачи 1 природного газа, из источника газа высокого давления (магистрали), блока 2 очистки газа от CO₂ и паров воды, например адсорбционного, фильтра 3 от механических примесей, клапана отсечного 4, турбокомпрессора 5 с обратным клапаном 6 на выходе, охладителя природного газа 7, охлаждающего прямой поток 8 атмосферным воздухом, подаваемым вентилятором 9, предварительного 10 и основного 11 теплообменников, охлаждающих сжижаемый прямой поток 8 за счет тепла обратного потока 12 и потока 13, являющегося частью прямого потока 8, отводимого через фильтр 14 и отсечной клапан 15, установленный на входе в турбодетандер 16, который служит для расширения и охлаждения потока 13 и тормозом которому является установленный на одном валу турбокомпрессор 5, фильтра-отделителя 17, предназначенного для фильтрации от твердых примесей и предотвращения забивки дроссельного вентиля 18, и сборника-сепаратора 19.Installation for liquefying natural gas, see Fig. 1, consists of a natural gas supply line 1, from a high pressure gas source (line), a CO ₂ gas purification unit ₂ and water vapor, for example adsorption, a filter 3 from mechanical impurities, a valve shut-off 4, turbocharger 5 with check valve 6 at the outlet, natural gas cooler 7, cooling direct flow 8 with atmospheric air supplied by fan 9, preliminary 10 and main 11 heat exchangers, cooling liquefied direct flow 8 due to heat of return flow 12 and flow and 13, which is part of the direct flow 8, discharged through the filter 14 and the shut-off valve 15, installed at the inlet to the turbo expander 16, which serves to expand and cool the flow 13 and the brake of which is a turbocompressor 5 mounted on one shaft, of the filter-separator 17, designed for filtering from solid impurities and preventing clogging of the throttle valve 18, and the separator 19.

Для поддержания уровня жидкости в сборнике-сепараторе 19 установлен датчик уровня 20, связанный через блок управления (на фиг. не показан) с запорным вентилем 21 отбора продукционного потока 22 жидкости в криогенную накопительную емкость (на фиг. не показана).To maintain the liquid level, a level sensor 20 is installed in the collector-separator 19, which is connected through a control unit (not shown in FIG.) To a shut-off valve 21 for selecting the liquid production stream 22 into a cryogenic storage tank (not shown in FIG.).

Для регулирования подачи прямого потока 8 через дроссельный клапан 18, последний связан через блок управления (на фиг. не показан) с датчиком температуры 23, установленным на потоке 13 на выходе из турбодетандера 16.To regulate the flow of direct flow 8 through the throttle valve 18, the latter is connected via a control unit (not shown in Fig.) To a temperature sensor 23 mounted on the flow 13 at the outlet of the turboexpander 16.

В случае забивки фильтра-сепаратора 17 для его отогрева предусмотрен змеевик 24, намотанный на корпус фильтра-сепаратора 17, вход которого соединен с вентилем 25 подачи подогретого потока газа через змеевик 24, а выход с обратным потоком 12. Для продувки фильтра-сепаратора 17 после отогрева предусмотрен запорный клапан 26.In case of clogging of the filter separator 17, a coil 24 is provided for heating it, wound on the filter separator 17 body, the inlet of which is connected to the valve 25 for supplying a heated gas stream through the coil 24, and the outlet with a reverse flow 12. For purging the filter separator 17 after shut-off valve 26 is provided for heating.

Для регулирования числа оборотов турбодетандера 16 в режиме нормальной работы и исключения резкого изменения числа оборотов во время пуска и остановки турбодетандера 16 установлен датчик числа оборотов 27, взаимосвязанный через блок управления (на фиг. не показан) с байпасным клапаном 28, установленным на обводной линии 29 между входом в турбокомпрессор 5 и входом в предварительный теплообменник 10 прямого потока 8.To regulate the speed of the turboexpander 16 in normal operation and to prevent a sharp change in the speed during the start and stop of the turboexpander 16, a speed sensor 27 is installed, interconnected via a control unit (not shown in FIG.) With a bypass valve 28 installed on the bypass line 29 between the inlet to the turbocharger 5 and the inlet to the preliminary heat exchanger 10 direct flow 8.

Система подачи масла на подшипники (см. фиг.2) турбодетандера 16 состоит из сливного масляного бака 30, куда сливается масло после охлаждения подшипников турбодетандера 16, насоса 31 подачи масла, охладителя масла 32 с вентилятором атмосферного воздуха 33 и шиберной заслонкой 34, взаимосвязанной через блок управления (на фиг. не показан) с датчиком температуры 35, установленным на линии 36 подачи масла в турбодетандер 16, и аккумулирующей масляной емкости 37, находящейся под избыточным давлением и имеющей над маслом газовую полость 38.The oil supply system for bearings (see Fig. 2) of the turboexpander 16 consists of a drain oil tank 30, where oil is drained after cooling the bearings of the turbine expander 16, an oil pump 31, an oil cooler 32 with an atmospheric air fan 33 and a slide gate 34 interconnected through a control unit (not shown in FIG.) with a temperature sensor 35 mounted on the oil supply line 36 to the turbo expander 16 and an oil storage tank 37, which is under overpressure and has a gas cavity 38 above the oil.

Установка работает следующим образом.Installation works as follows.

Природный газ (см. фиг.1), поступающий по линии подачи 1 из источника газа высокого давления (магистрали), очищается от влаги и двуокиси углерода (например, в блоке очистки 2), проходит через фильтр 3 очистки от механических примесей, отсечной клапан 4 и направляется в турбокомпрессор 5, где сжимается до давления 5,2 МПа, и, пройдя обратный клапан 6 и охладитель 7 природного газа, охлаждаемый атмосферным воздухом, подаваемым от вентилятора 9, прямым потоком 8 направляется в предварительный теплообменник 10 для предварительного охлаждения до температуры 235 К. Далее часть прямого потока 8 (около 20%) последовательно проходит основной теплообменник 11, где охлаждается до температуры сжижения обратным потоком 12, фильтр-отделитель от твердых примесей 17, дроссельный клапан 18 и в виде парожидкостной смеси поступает в сборник-сепаратор 19. Образующиеся в сборнике-сепараторе 19 пары в качестве обратного потока 12 направляются в основной теплообменник 11 для участия в охлаждении прямого потока 8.Natural gas (see figure 1), coming in through the supply line 1 from a high-pressure gas source (line), is cleaned of moisture and carbon dioxide (for example, in the cleaning unit 2), passes through the filter 3 for cleaning from mechanical impurities, the shut-off valve 4 and sent to a turbocharger 5, where it is compressed to a pressure of 5.2 MPa, and, having passed a check valve 6 and a natural gas cooler 7, cooled by atmospheric air supplied from a fan 9, direct flow 8 is directed to a preliminary heat exchanger 10 for preliminary cooling to a temperature ry 235 K. Next, a portion of the direct flow 8 (about 20%) passes sequentially through the main heat exchanger 11, where it is cooled to a liquefaction temperature by a reverse flow 12, a filter separator from solid impurities 17, a throttle valve 18 and enters the collector-separator in the form of a vapor-liquid mixture 19. Vapors formed in the collector-separator 19 as a return flow 12 are sent to the main heat exchanger 11 to participate in the cooling of the direct flow 8.

Основная часть 13 прямого потока 8 (около 80%) после предварительного теплообменника 10, пройдя фильтр 14 и отсечной клапан 15, направляется в турбодетандер 16, где расширяется и при температуре около 148 К соединяется с обратным потоком 12 после сборника-сепаратора 19 и идет в основной теплообменник 11 для охлаждения прямого потока 8. В зависимости от температуры на выходе после турбодетандера 16 по датчику температуры 23 через блок управления (на фиг. не показан) регулируется открытие дроссельного клапана 18.The main part 13 of the direct flow 8 (about 80%) after the preliminary heat exchanger 10, passing through the filter 14 and the shut-off valve 15, is sent to the turboexpander 16, where it expands and at a temperature of about 148 K is connected to the return flow 12 after the collector-separator 19 and goes to the main heat exchanger 11 for cooling the direct flow 8. Depending on the temperature at the outlet after the turboexpander 16 through the temperature sensor 23 through the control unit (not shown in Fig.), the opening of the throttle valve 18 is controlled.

Часть жидкости, накопившейся в сборнике-сепараторе 19, в виде продукционного потока 22 через запорный вентиль 21 отбирается в накопительную криогенную емкость (на фиг.не показана), где накапливается и расходуется в виде жидкого продукта потребителем.Part of the liquid accumulated in the collector-separator 19, in the form of a production stream 22 through a shut-off valve 21, is taken into a storage cryogenic tank (not shown in Fig.), Where it is accumulated and consumed as a liquid product by the consumer.

Уровень жидкости в сборнике-сепараторе 19 поддерживается датчиком уровня 20 через блок управления (на фиг. не показан) открытием (закрытием) вентиля 21.The liquid level in the collector-separator 19 is supported by a level sensor 20 through the control unit (not shown in Fig.) By opening (closing) of the valve 21.

При забивке фильтра-сепаратора 17 производится прогрев его корпуса, для чего часть теплого потока газа через вентиль 25 направляют в змеевик 24. После отогрева фильтр-сепаратор 17 продувают открытием вентиля 26.When driving the filter separator 17, its body is heated, for which a part of the warm gas flow through the valve 25 is sent to the coil 24. After heating, the filter separator 17 is purged by opening the valve 26.

Для обеспечения безопасности работы турбодетандера 16 в рабочем режиме и в период пуска и остановки (как плановой, так и экстренной) при превышении числа оборотов по сигналу датчика числа оборотов 27 через блок управления (на фиг. не показан) открывается байпасный вентиль 28 обводной линии 29, тем самым увеличивая поток газа, подаваемого на тормозной турбокомпрессор 5, и уменьшая поток газа 13, подаваемого на турбодетандер 16, при этом число оборотов турбодетандера 16 изменяется. Байпасный вентиль 28 позволяет регулировать соотношение потоков газа на турбодетандер 16 и турбокомпрессор 5 для поддержания заданного числа оборотов.To ensure the safety of the operation of the turboexpander 16 in the operating mode and during start-up and shutdown (both planned and emergency) when the speed is exceeded by the signal of the speed sensor 27, the bypass valve 28 of the bypass line 29 opens through the control unit (not shown); thereby increasing the flow of gas supplied to the brake turbocompressor 5, and decreasing the flow of gas 13 supplied to the turbo expander 16, while the number of revolutions of the turbo expander 16 is changed. Bypass valve 28 allows you to adjust the ratio of gas flows to the turboexpander 16 and turbocharger 5 to maintain a given speed.

Охлаждающее масло, стекающее из подшипников турбодетандера 16, собирается в масляном баке 30 и насосом 31 подается в охладитель 32, охлаждаемый атмосферным воздухом, подаваемым от вентилятора 33 через заслонку 34. Регулирование температуры масла, подаваемого на подшипники турбодетандера 16, ведется через блок управления (на фиг. не показан) открытием и закрытием шиберной заслонки 34 в зависимости от температуры масла по датчику 35.Cooling oil flowing from the bearings of the turbo expander 16 is collected in an oil tank 30 and pump 31 is supplied to a cooler 32 cooled by atmospheric air supplied from the fan 33 through the damper 34. The temperature of the oil supplied to the bearings of the turbo expander 16 is controlled through the control unit (on Fig. not shown) by opening and closing the slide gate valve 34 depending on the oil temperature by the sensor 35.

В газовой полости 38 аккумулирующей емкости 37 насосом 31 поддерживается избыточное давление (до 3 МПа). При аварийной остановке насоса 31 и прекращении подачи масла избыточное давление в газовой полости 38 аккумулирующей емкости 37 выдавливает масло из емкости 37 в линию подачи масла 36 в подшипники, тем самым обеспечивая безаварийную остановку турбодетандера 16.In the gas cavity 38 of the storage tank 37, the pump 31 maintains excess pressure (up to 3 MPa). When the pump 31 is stopped abnormally and the oil supply stops, the excess pressure in the gas cavity 38 of the storage tank 37 squeezes the oil from the tank 37 into the oil supply line 36 into the bearings, thereby ensuring an emergency shutdown of the turboexpander 16.

Использование эффективного турбокомпрессора, установленного на одном валу с турбодетандером, позволяет использовать энергию расширения и повысить процент сжижения природного газа на 20-25%, а введение аккумулирующей емкости и автоматического регулирования соотношения потоков на турбодетандер и турбокомпрессор, поддерживаемого байпасным клапаном, повышает безопасность работы турбодетандера, особенно в период пуска и остановки установки, а также позволяет сократить время остановки и обеспечить ее безопасность.The use of an efficient turbocompressor mounted on the same shaft with a turboexpander allows the use of expansion energy and an increase in the percentage of natural gas liquefaction by 20-25%, and the introduction of an accumulating tank and automatic regulation of the flow ratio to the turbine expander and a turbocompressor supported by a bypass valve increases the safety of the turbine expander, especially during the start-up and shutdown of the installation, and also reduces the stopping time and ensure its safety.

Claims

1. Installation for partial liquefaction of natural gas, including a high-pressure gas source sequentially located in a straight stream, a heat exchanger for pre-cooling, a main heat exchanger, a particulate filter separator, an expansion device, connected at the input to the direct flow line, and at the output, with a return line, a throttle valve of the production stream and a collector-separator of liquefied gas, characterized in that a filter and a shut-off valve are installed in front of the entrance to the expansion device But, the expansion device is made in the form of a turbo-expander, in which a turbocompressor is installed as a brake on one shaft, the outlet of the turbo-expander is connected to the return flow after the collector-separator of liquefied gas, and the temperature sensor installed at the outlet of the turbo-expander is interconnected with the throttle production flow valve; the high pressure gas source through the cleaning unit, the filter and the shut-off valve are connected to the inlet to the turbocharger, and the outlet of the turbocharger through the check valve and cooler is connected to the inlet to the preliminary heat exchanger, and the bypass line through the bypass valve is connected to the inlet to the turbocharger, moreover, the bypass valve is interconnected through the control unit with the speed sensor of the turbo expander.

2. Installation according to claim 1, characterized in that an accumulating oil tank having a gas cavity under excessive pressure is installed on the oil supply line to the turbine expander bearings, and the oil temperature sensor at the inlet to the bearings is interconnected via a control unit with a cooling air supply damper fan on oil cooler.