RU2792387C1

RU2792387C1 - Method for liquefiting natural gas "modified arctic cascade" and installation for its implementation

Info

Publication number: RU2792387C1
Application number: RU2022130053A
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Руденко; Павел Олегович Федосеев; Никита Дмитриевич Нозиков; Анастасия Геннадьевна Трифонова; Тимир Эмильевич Разяпов; Алексей Иванович Цепков; Дмитрий Николаевич Седавных; Игорь Андреевич Радаев
Original assignee: Публичное акционерное общество "НОВАТЭК"
Filing date: 2022-11-18
Publication date: 2023-03-21

Abstract

FIELD: gas transportation.

SUBSTANCE: liquefying natural gas for its further transportation by river and sea transport. Pre-processed natural gas is compressed by compressor 1, heat of compression is removed in air or water cooler 2, preliminarily cooled in multistage due to evaporation of heavy refrigerant in evaporators 3, supercooled due to cold recovery of light refrigerant vapor in shell-and-tube heat exchanger 7 and its preliminary evaporation in evaporator 8, the pressure of the liquefied gas is reduced by the pressure reducing means 10, the non-liquefied gas is separated, and the liquefied gas is discharged. The heavy refrigerant obtained by evaporation is compressed by compressor 4, condensed and reused in cooling natural gas. The light refrigerant is compressed by compressors 11, the heat of compression is removed on air or water coolers 12, then it is cooled successively by a light low-pressure refrigerant in a double-flow superheater 13 and an evaporating heavy refrigerant in an evaporator 3. The high-pressure light refrigerant is then separated into two streams. The isentropic expansion of the first stream is carried out by the expander 14. The second flow is sequentially cooled in the shell-and-tube heat exchanger 7, its isenthalpy expansion at the throttle 15 and evaporation in the evaporator 8 due to natural gas supercooling. The streams are then mixed at equal pressure and used as a single low-pressure light refrigerant stream.

EFFECT: invention provides deeper cooling of natural gas, as well as simpler hardware design of heat exchangers.

8 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технологиям сжижения природного газа для дальнейшей его перевозки речным и морским транспортом с последующей его регазификацией.The invention relates to technologies for liquefying natural gas for its further transportation by river and sea transport with its subsequent regasification.

Известно множество способов сжижения природного газа, преимущественно основанных на отводе теплоты внешним хладагентом. There are many ways to liquefy natural gas, mainly based on the removal of heat by an external refrigerant.

Известен способ для сжижения природного газа, раскрытый в EP 0358100 A2, 30.08.1989, который заключается в том, что образовавшийся в системе хранения СПГ отпарной газ компримируют до выбранного уровня давления, а затем последовательно охлаждают и переохлаждают в теплообменных аппаратах в контуре азотного хладагента, в котором перегретый азот компримируют с отводом теплоты компримирования, далее происходит разделение азота на две части, которые подают раздельно на охлаждение в теплообменные аппараты параллельно со сжижаемым газом путем теплообмена с потоком азота низкого давления, один из потоков после охлаждения изоэнтальпийно расширяют на клапане Джоуля-Томсона, второй поток после охлаждения изоэнтропийно расширяют на детандере с отводом энергии для возможного использования энергии привода последней ступени компримирования и далее используют в охлаждении указанных первого и второго потоков азота и потока сжижаемого газа. Перегретый за счет рекуперации поток азота низкого давления смешивают с азотом после первой ступени компримирования и направляют на последующее компримирование вновь, а изоэнтальпийно расширенный поток азота также используют для охлаждения первого и второго потоков азота и сжижаемого газа, за счет чего его перегревают и далее направляют на первую или третью ступень компримирования в зависимости от необходимой температуры охлаждения газа, а сжиженный газ, образовавшийся при понижении давления переохлажденной жидкости выводят из теплообменного аппарата и насосом перекачивают в систему хранения.A known method for liquefying natural gas, disclosed in EP 0358100 A2, 08/30/1989, which consists in the fact that the boil-off gas formed in the LNG storage system is compressed to a selected pressure level, and then sequentially cooled and supercooled in heat exchangers in the nitrogen refrigerant circuit, in which superheated nitrogen is compressed with the removal of compression heat, then nitrogen is separated into two parts, which are fed separately for cooling to heat exchangers in parallel with the liquefied gas by heat exchange with a low-pressure nitrogen flow, one of the flows after cooling is isenthalpically expanded on the Joule-Thomson valve , the second stream after cooling is entropically expanded in an expander with energy removal for possible use of the drive energy of the last compression stage and is further used in cooling the said first and second nitrogen streams and the liquefied gas stream. The low-pressure nitrogen stream superheated due to recuperation is mixed with nitrogen after the first stage of compression and sent to the subsequent compression again, and the isenthalpy expanded nitrogen stream is also used to cool the first and second streams of nitrogen and liquefied gas, due to which it is overheated and then sent to the first stage. or the third stage of compression, depending on the required gas cooling temperature, and the liquefied gas formed by lowering the pressure of the supercooled liquid is removed from the heat exchanger and pumped into the storage system.

Недостаток известных способа и реализующей его установки заключается в том, что их применение ограничивается отпарным газом с высоким содержанием низкокипящих компонентов, в частности азота, и низкой начальной температурой (порядка -94…-130 град. С) газа, и низкоэффективно для сжижения природного газа с начальными температурами близкими к температуре окружающей среды. Помимо этого разделение потоков азота после отвода теплоты компримирования, и их изоэнтропийное и изоэнтальпийное расширение до разных давлений требует применения многоходовых теплообменников с несколькими потоками как по теплой стороне, так и по холодной, что влечет за собой использование теплообменников пластинчато-ребристого типа и делает невозможным применение технологии на больших производительностях в том числе для средне- и крупнотоннажного производства СПГ, а также усложняет регулирование процесса.The disadvantage of the known method and the installation that implements it is that their use is limited to boil-off gas with a high content of low-boiling components, in particular nitrogen, and a low initial temperature (of the order of -94 ... -130 degrees C) of gas, and is ineffective for liquefying natural gas with initial temperatures close to the ambient temperature. In addition, the separation of nitrogen flows after removal of the heat of compression, and their isentropic and isenthalpic expansion to different pressures, requires the use of multi-pass heat exchangers with several flows both on the warm side and on the cold side, which entails the use of plate-fin type heat exchangers and makes it impossible to use technology at high capacities, including for medium and large-scale LNG production, and also complicates the process control.

Наиболее близкими к предложенным являются способ сжижения природного газа «Арктический каскад» и установка для его осуществления по патенту RU 2645185 C1 компании ПАО «НОВАТЭК», применяемые на заводе «Ямал СПГ» в п. Сабетта на четвертой очереди сжижения природного газа (приняты за прототип). Способ заключается в том, что подготовленный природный газ предварительно охлаждают, отделяют этан, переохлаждают сжижаемый газ с использованием охлажденного азота в качестве хладагента, снижают давление сжижаемого газа, отделяют несжиженный газ и отводят сжиженный природный газ. При этом перед предварительным охлаждением природный газ компримируют, отделение этана осуществляют в процессе многоступенчатого предварительного охлаждения сжижаемого газа с одновременным испарением этана с использованием охлажденного этана в качестве хладагента. Этан, полученный при испарении, компримируют конденсируют и используют в качестве хладагента при охлаждении сжижаемого газа и азота, причем азот компримируют, охлаждают, расширяют и подают на стадию переохлаждения природного газа. Установка сжижения содержит линию сжижения природного газа, контур этана и контур азота, линия сжижения природного газа включает последовательно соединенные компрессор природного газа, аппарат охлаждения, испарители этана, концевой теплообменник переохлаждения и сепаратор, контур этана включает последовательно соединенные по меньшей мере один компрессор этана, аппарат охлаждения, указанные испарители этана, выходы которых соединены с входами, по меньшей мере, одного компрессора, контур азота включает последовательно соединенные, по меньшей мере, один компрессор азота, аппарат охлаждения, указанные испарители этана, между которыми подсоединены теплообменники азот-азот, турбодетандер, указанный концевой теплообменник переохлаждения, указанные теплообменники азот-азот и турбокомпрессор, соединенный с входом компрессора азота.The closest to the proposed are the method of liquefying natural gas "Arctic Cascade" and the installation for its implementation according to the patent RU 2645185 C1 of the company PJSC "NOVATEK", used at the Yamal LNG plant in the village of Sabetta in the fourth stage of natural gas liquefaction (taken as a prototype ). The method consists in that the prepared natural gas is pre-cooled, ethane is separated, the liquefied gas is supercooled using cooled nitrogen as a refrigerant, the pressure of the liquefied gas is reduced, the non-liquefied gas is separated, and the liquefied natural gas is removed. At the same time, natural gas is compressed before pre-cooling, ethane separation is carried out in the process of multi-stage pre-cooling of the liquefied gas with simultaneous evaporation of ethane using cooled ethane as a refrigerant. The ethane obtained by evaporation is compressed, condensed and used as a refrigerant in cooling the liquefied gas and nitrogen, the nitrogen being compressed, cooled, expanded and fed to the natural gas supercooling stage. The liquefaction plant contains a natural gas liquefaction line, an ethane circuit and a nitrogen circuit, the natural gas liquefaction line includes a natural gas compressor, a cooling apparatus, ethane evaporators, an end subcooling heat exchanger and a separator connected in series, the ethane circuit includes at least one ethane compressor connected in series, the apparatus cooling, said ethane evaporators, the outlets of which are connected to the inlets of at least one compressor, the nitrogen circuit includes at least one nitrogen compressor connected in series, a cooling apparatus, the said ethane evaporators, between which nitrogen-nitrogen heat exchangers are connected, a turbo expander, said end subcooling heat exchanger, said nitrogen-nitrogen heat exchangers, and a turbocharger connected to the nitrogen compressor inlet.

Особенностями данных способа и установки является охлаждение азота в теплообменниках азот-азот, что усложняет технологическое оформление процесса и увеличивает количество единиц оборудования, а также понижение температуры в контуре азота происходит исключительно за счет расширения в турбодетандере, что ведет к недоохлаждению природного газа перед расширением, снижению количества СПГ и увеличению количества отпарного газа и, следовательно, увеличению нагрузки на компрессор отпарного газа и снижению энергоэффективности.The features of this method and installation are nitrogen cooling in nitrogen-nitrogen heat exchangers, which complicates the technological design of the process and increases the number of pieces of equipment, as well as lowering the temperature in the nitrogen circuit occurs solely due to expansion in the turboexpander, which leads to undercooling of natural gas before expansion, reduction LNG and increase the amount of boil-off gas and, consequently, increase the load on the boil-off gas compressor and reduce energy efficiency.

Технической проблемой, решаемой предлагаемой технологией сжижения природного газа, является упрощение технологического процесса, расширение области применения процесса, уменьшение единиц используемого оборудования, уменьшение энергозатрат на производство СПГ и увеличение производительности технологии по продукту.The technical problem solved by the proposed natural gas liquefaction technology is the simplification of the technological process, the expansion of the scope of the process, the reduction of units of equipment used, the reduction of energy costs for LNG production and the increase in product productivity of the technology.

Техническая проблема решается способом сжижения природного газа, заключающимся в том, что по предложенному способу сжижения природного газа подготовленный природный газ компримируют, снимают теплоту компримирования, предварительно многоступенчато охлаждают за счет испарения тяжелого хладагента, переохлаждают за счет рекуперации холода паров легкого хладагента и его предварительного испарения снижают давление сжижаемого газа, отделяют несжиженный газ и отводят сжиженный газ, при этом тяжелый хладагент полученный при испарении, компримируют, конденсируют и вновь используют при предварительном многоступенчатом охлаждении природного газа, а легкий хладагент компримируют, охлаждают и используют при переохлаждении природного газа, при этом, согласно изобретению, легкий хладагент перед охлаждением компримируют, снимают теплоту компримирования, после чего осуществляют его охлаждение последовательно легким хладагентом низкого давления и испаряющимся тяжелым хладагентом, после этого разделяют легкий хладагент высокого давления на два потока, осуществляют изоэнтропийное расширение первого потока и последовательное охлаждение, изоэнтальпийное расширение и испарение второго потока за счет переохлаждения природного газа, затем потоки смешивают при равном давлении и используют в качестве единого потока легкого хладагента низкого давления для охлаждения природного газа, второго потока легкого хладагента перед его изоэнтальпийным расширением и испарением и охлаждения единого потока легкого хладагента высокого давления.The technical problem is solved by the method of liquefying natural gas, which consists in the fact that according to the proposed method of liquefying natural gas, the prepared natural gas is compressed, the heat of compression is removed, pre-cooled in multistage by evaporation of the heavy refrigerant, supercooled by recuperation of the cold of the light refrigerant vapor and its pre-evaporation is reduced pressure of the liquefied gas, the non-liquefied gas is separated and the liquefied gas is removed, while the heavy refrigerant obtained by evaporation is compressed, condensed and reused in the preliminary multi-stage cooling of natural gas, and the light refrigerant is compressed, cooled and used in the subcooling of natural gas, while, according to of the invention, the light refrigerant is compressed before cooling, the heat of compression is removed, after which it is cooled successively with a low-pressure light refrigerant and an evaporating heavy refrigerant, after which it is separated high-pressure soft refrigerant into two streams, isentropic expansion of the first stream and sequential cooling, isoenthalpic expansion and evaporation of the second stream due to natural gas subcooling, then the streams are mixed at equal pressure and used as a single stream of low-pressure light refrigerant for natural gas cooling, the second light refrigerant stream prior to its isenthalpy expansion and evaporation and cooling the single high pressure light refrigerant stream.

Кроме того, предварительное многоступенчатое охлаждение газа целесообразно осуществлять при различных уровнях давления кипения тяжелого хладагента на ступенях, которые обеспечивают путем понижения давления тяжелого хладагента до кипения перед каждой ступенью, при этом по меньшей мере последнюю ступень используют для охлаждения легкого хладагента высокого давления.In addition, it is expedient to pre-cool the gas at different levels of the boiling pressure of the heavy refrigerant in stages, which are provided by lowering the pressure of the heavy refrigerant to boiling before each stage, while at least the last stage is used to cool the high pressure light refrigerant.

Кроме того, энергию, выделяющуюся при изоэнтропийном расширении первого потока, целесообразно использовать при компримировании легкого хладагента.In addition, the energy released during the isentropic expansion of the first stream is expedient to use when compressing a light refrigerant.

Кроме того, в качестве легкого хладагента можно использовать азот, а в качестве тяжелого хладагента - этан или этилен.In addition, nitrogen can be used as a light refrigerant, and ethane or ethylene can be used as a heavy refrigerant.

Кроме того, давление сжижаемого газа в зависимости от его состава после переохлаждения за счет рекуперации холодных паров легекого хладагента могут дополнительно понижать до давления, исключающего образование двухфазного потока для взятого состава газа.In addition, the pressure of the liquefied gas, depending on its composition, after supercooling due to the recovery of cold vapors of a light refrigerant, can be further reduced to a pressure that excludes the formation of a two-phase flow for the given gas composition.

Техническая проблема также решается установкой для сжижения природного газа, которая содержит линию предварительного охлаждения природного газа, линию переохлаждения природного газа, контур тяжелого хладагента, и контур легкого хладагента, линия предварительного охлаждения природного газа включает последовательно соединенные по меньшей пере один компрессор природного газа, по меньшей мере один аппарат воздушного или водяного охлаждения и трубные пространства испарителей тяжелого хладагента, линия переохлаждения включает кожухотрубный теплообменник и первое средство понижения давления, контур тяжелого хладагента включает последовательно соединенные по меньшей мере один компрессор тяжелого хладагента, по меньшей мере один аппарат воздушного или водяного охлаждения и межтрубные пространства испарителей тяжелого хладагента, выходы которых соединены с компрессором тяжелого хладагента, контур легкого хладагента включает последовательно соединенные по меньшей мере два компрессора легкого хладагента, по меньшей мере один аппарат воздушного или водяного охлаждения расположенный после каждого компрессора легкого хладагента, а также двухпоточный перегреватель легкого хладагента, трубное пространство испарителя тяжелого хладагента, первое трубное пространство кожухотрубного теплообменника и детандер, при этом, согласно изобретению, линия переохлаждения природного газа включает второе трубное пространство кожухотрубного теплообменника, выход которого соединен с первым теплообменным пространством испарителя легкого хладагента, с выходом которого соединено первое средство понижения давления, в контуре легкого хладагента с последним аппаратом воздушного или водяного охлаждения последовательно соединены первое теплообменное пространство двухпоточного перегревателя и второе трубное пространство испарителя тяжелого хладагента, выход по легкому хладагенту которого соединен с двумя линиями легкого хладагента, первая линия включает указанный детандер, а вторая линия включает последовательно соединенные первое трубное пространство кожухотрубного теплообменника, второе средство понижения давления и второе теплообменное пространство испарителя легкого хладагента, выход по газу которого совместно с выходом детандера соединены с межтрубным пространством кожухотрубного теплообменника, выход которого соединен со вторым теплообменным пространством двухпоточного перегревателя, соединенным по выходу с первым по ходу потока компрессором легкого хладагента.The technical problem is also solved by a plant for liquefying natural gas, which contains a natural gas pre-cooling line, a natural gas subcooling line, a heavy refrigerant circuit, and a light refrigerant circuit, the natural gas pre-cooling line includes at least one natural gas compressor connected in series, at least at least one air or water cooler and pipe spaces of heavy refrigerant evaporators, the subcooling line includes a shell-and-tube heat exchanger and a first pressure reducing means, the heavy refrigerant circuit includes at least one heavy refrigerant compressor connected in series, at least one air or water cooler and intertube spaces of heavy refrigerant evaporators, the outlets of which are connected to the heavy refrigerant compressor, the light refrigerant circuit includes at least two light refrigerant compressors connected in series agent, at least one air or water cooler located after each light refrigerant compressor, as well as a two-way superheater of light refrigerant, a pipe space of a heavy refrigerant evaporator, a first pipe space of a shell-and-tube heat exchanger and an expander, while, according to the invention, the natural gas supercooling line includes the second tube space of the shell-and-tube heat exchanger, the outlet of which is connected to the first heat exchange space of the light refrigerant evaporator, with the outlet of which the first pressure reducing means is connected, in the light refrigerant circuit, the first heat exchange space of the double-flow superheater and the second tube space of the heavy evaporator are connected in series with the last air or water cooler refrigerant, the light refrigerant outlet of which is connected to two light refrigerant lines, the first line includes the specified expander, and the second line includes the successor the first tube space of the shell-and-tube heat exchanger, the second pressure reducing means and the second heat exchange space of the light refrigerant evaporator, the gas outlet of which, together with the expander outlet, are connected to the shell-and-tube heat exchanger annular space, the outlet of which is connected to the second heat exchange space of the double-flow superheater, connected to the first downstream by a light refrigerant compressor.

Кроме того, линия переохлаждения может содержать третье средство понижения давления, которое по входу соединено с выходом первого трубного пространства кожухотрубного телпообменника, а выходом - с входом первого теплообменного пространства испарителя легкого хладагента.In addition, the subcooling line may include a third pressure reducing means, which is connected at the inlet to the outlet of the first tube space of the shell-and-tube heat exchanger, and at the outlet - to the inlet of the first heat exchange space of the light refrigerant evaporator.

Кроме того, целесообразно, чтобы детандер был кинематически связан по меньшей мере с одной ступенью компрессора легкого хладагента.In addition, it is expedient for the expander to be kinematically connected to at least one stage of the light refrigerant compressor.

Технический результат, достигаемый при использовании предложенных способа и устройства, заключается в более глубоком захолаживании природного газа, что снижает количество отпарного газа и уменьшает нагрузку на его повторное компримирование и направление на рецикл, а также в более простом аппаратурном оформлении теплообменных аппаратов.The technical result achieved by using the proposed method and device is a deeper chilling of natural gas, which reduces the amount of boil-off gas and reduces the load on its re-compression and recycle, as well as simpler hardware design of heat exchangers.

По сравнению с технологией «Арктический каскад» (прототип) в предлагаемой технологии контур азотного охлаждения включает в себя кипение легкого хладагента, что увеличивает глубину захолаживания сжиженного природного газа, снижает количество отпарного газа, а также исключается охлаждение легкого хладагента на каждой ступени много ступенчатого предварительного охлаждения с межступенчатым охлаждением в теплообменниках азот-азот. В первую очередь это приводит к уменьшению количества единиц и размеров технологического оборудования, что ведет к упрощению аппаратурного оформления процесса и снижению площади застройки, так как охлаждение азота происходит только в последней ступени предварительного охлаждения и за счет рекуперации холода испарившегося легкого хладагента снижая гидравлические сопротивления и теплопотери.Compared to the "Arctic Cascade" technology (prototype), in the proposed technology, the nitrogen cooling circuit includes the boiling of a light refrigerant, which increases the cooling depth of liquefied natural gas, reduces the amount of boil-off gas, and also eliminates the cooling of a light refrigerant at each stage of a multi-stage pre-cooling with interstage cooling in nitrogen-nitrogen heat exchangers. First of all, this leads to a decrease in the number of units and sizes of process equipment, which leads to a simplification of the instrumentation of the process and a decrease in the building area, since nitrogen cooling occurs only in the last stage of pre-cooling and due to the recuperation of the cold of the evaporated light refrigerant, reducing hydraulic resistance and heat loss .

По сравнению с техническим решением EP 0358100 A2 в предлагаемых способе и установке присутствует дополнительное охлаждение природного газа и легкого хладагента высокого давления за счет испаряющегося тяжелого хладагента, что позволяет снизить энергозатраты на охлаждение и применять изобретение для сжижения природного газа с высокими температурами на входе. Кроме того, разделение потоков легкого хладагента в контуре происходит после охлаждения перегретыми парами и тяжелым хладагентом, что приводит к возможности применения двухпоточного теплообменного аппарата кожухотрубного типа. Также отличие предлагаемого технического решения заключается в том, что давление второго потока после испарения и первого потока после изонтропийного расширения равны, что позволяет осуществить их смешение и использовать единым потоком в кожухотрубном теплообменном аппарате.Compared to the technical solution EP 0358100 A2, the proposed method and installation include additional cooling of natural gas and light high-pressure refrigerant due to the evaporating heavy refrigerant, which makes it possible to reduce energy costs for cooling and apply the invention for liquefying natural gas with high inlet temperatures. In addition, the separation of the light refrigerant flows in the circuit occurs after cooling with superheated vapors and heavy refrigerant, which leads to the possibility of using a double-flow shell-and-tube type heat exchanger. Also, the difference of the proposed technical solution lies in the fact that the pressure of the second stream after evaporation and the first stream after isotropic expansion are equal, which allows them to be mixed and used as a single stream in a shell-and-tube heat exchanger.

На фиг. 1 изображена схема исполнения предложенной установки.In FIG. 1 shows a diagram of the proposed installation.

Установка для сжижения природного газа содержит линию предварительного охлаждения природного газа, линию переохлаждения природного газа, контур тяжелого хладагента, контур легкого хладагента.The natural gas liquefaction plant comprises a natural gas pre-cooling line, a natural gas subcooling line, a heavy refrigerant circuit, and a light refrigerant circuit.

Линия предварительного охлаждения природного газа включает последовательно соединенные компрессор 1 природного газа, аппарат 2 или аппараты воздушного или водяного охлаждения и трубные пространства испарителей 3 тяжелого хладагента, в данном случае этана.The natural gas pre-cooling line includes a natural gas compressor 1 connected in series, an apparatus 2 or air or water coolers, and tube spaces of heavy refrigerant evaporators 3, in this case ethane.

Линия переохлаждения природного газа включает последовательно соединенные второе трубное пространство кожухотрубного теплообменника 7, третье средство 9 понижения давления, в частности, дроссель, первое теплообменное (в частности, трубное) пространство испарителя 8 легкого хладагента, в данном случае азота, и второе средство 10 понижения давления, в частности, дроссель.The natural gas supercooling line includes the second tube space of the shell-and-tube heat exchanger 7 connected in series, the third pressure reduction means 9, in particular, the throttle, the first heat exchange (in particular, the tube) space of the light refrigerant evaporator 8, in this case nitrogen, and the second pressure reduction means 10 in particular the throttle.

Контур тяжелого хладагента включает последовательно соединенные компрессор 4 (компрессоры) тяжелого хладагента, по меньшей мере один аппарат 5 воздушного или водяного охлаждения и межтрубные пространства испарителей 3 тяжелого хладагента. На входе каждого испарителя 3 установлен дроссель 6. Выходы по газу межтрубных пространств испарителей 3 соединены с компрессором 4 (компрессорами). В контуре тяжелого хладагента могут быть установлены последовательно два или более компрессоров в зависимости от мощности компрессоров и требуемого давления хладагента.The heavy refrigerant circuit includes serially connected heavy refrigerant compressor 4 (compressors), at least one air or water cooler 5 and annulus of heavy refrigerant evaporators 3. A throttle 6 is installed at the inlet of each evaporator 3. The gas outlets of the annular spaces of the evaporator 3 are connected to the compressor 4 (compressors). Two or more compressors can be installed in series in the heavy refrigerant circuit, depending on the size of the compressors and the required refrigerant pressure.

Контур легкого хладагента включает последовательно соединенные по меньшей мере два компрессора 11 легкого хладагента и по меньшей мере один аппарат 12 воздушного или водяного охлаждения после каждого компрессора 11, первое теплообменное пространство двухпоточного перегревателя 13, второе трубное пространство испарителя 3 легкого хладагента, выход которого соединен с двумя линиями легкого хладагента. Первая линия включает детандер 14. Вторая линия легкого хладагента включает последовательно соединенные первое трубное пространство кожухотрубного теплообменника 7, дроссель 15 и второе теплообменное (в частности, межтрубное) пространство испарителя 8 легкого хладагента, которое выходом по газу, совместно с выходом детандера 14 первой линии легкого хладагента, соединено с входом холодной стороны межтрубного пространства кожухотрубного теплообменника 7. Выход холодной стороны межтрубного пространства кожухотрубного теплообменника 7 соединен с холодной стороной второго теплообменного (в частности, межтрубного) пространства двухпоточного перегревателя 13, в свою очередь по выходу соединенного с входом первого по ходу потока компрессора 11 легкого хладагента.The light refrigerant circuit includes at least two light refrigerant compressors 11 connected in series and at least one air or water cooler 12 after each compressor 11, the first heat exchange space of the double-flow superheater 13, the second pipe space of the light refrigerant evaporator 3, the outlet of which is connected to two light refrigerant lines. The first line includes an expander 14. The second line of a light refrigerant includes the first tube space of the shell-and-tube heat exchanger 7, a throttle 15 and the second heat exchange (in particular, annulus) space of the light refrigerant evaporator 8 connected in series, which has a gas outlet, together with the output of the expander 14 of the first light refrigerant line. refrigerant, is connected to the inlet of the cold side of the annulus of the shell-and-tube heat exchanger 7. The outlet of the cold side of the annulus of the shell-and-tube heat exchanger 7 is connected to the cold side of the second heat exchange (in particular, annulus) space of the double-flow superheater 13, in turn connected to the inlet of the first along the flow compressor 11 light refrigerant.

В качестве приводов компрессора 1 природного газа, компрессора 4 (компрессоров) тяжелого хладагента и компрессоров 11 легкого хладагента предлагается применять газотурбинные двигатели или электродвигатели, но не ограничиваясь ими, которые могут быть соединены с компрессорами посредством мультипликаторов (на схеме не показаны).As drives for natural gas compressor 1, heavy refrigerant compressor 4 (compressors) and light refrigerant compressors 11, it is proposed to use gas turbine engines or electric motors, but not limited to, which can be connected to compressors by means of multipliers (not shown in the diagram).

Для работы одного из компрессоров 11 легкого хладагента также можно использовать часть генерируемой на детандере 14 мощности путем обеспечения его кинематической связи с валом компрессора 11.To operate one of the light refrigerant compressors 11, it is also possible to use part of the power generated on the expander 14 by providing its kinematic connection with the compressor shaft 11.

Способ сжижения природного газа осуществляется следующим образом.The method of liquefying natural gas is carried out as follows.

Подготовленный к сжижению природный газ (ПГ) (очищенный от паров воды, углекислого газа и других загрязняющих примесей) поступает на компрессор 1 природного газа, где его компримируют до давления порядка 10 МПа, далее его охлаждают за счет холода окружающей среды в аппарате 2 или аппаратах воздушного либо водяного охлаждения до температуры порядка +15 град.C и направляют в испарители 3 тяжелого хладагента для предварительного многоступенчатого охлаждения. После последовательного охлаждения в испарителях 3 сжижаемый газ с температурой порядка -84 град.С направляют во второе теплообменное пространство, где его охлаждают до температур порядка -144,5 град.С и далее подают на расширение в третье средство 9 понижения давления, где его давление снижается до порядка 2 МПа, исключающего образование двухфазного потока для данного состава газа. Далее в испарителе 8 газ переохлаждают до температур -152,3 град.С и направляют в первое средство 10 понижения давления, где его давление снижают до 0,1 МПа с образованием парожидкостного потока, жидкая часть которого является сжиженным природным газом.Natural gas (NG) prepared for liquefaction (purified from water vapor, carbon dioxide and other contaminants) enters the natural gas compressor 1, where it is compressed to a pressure of about 10 MPa, then it is cooled due to the cold environment in apparatus 2 or apparatuses air or water cooling to a temperature of about +15 degrees C and sent to the heavy refrigerant 3 evaporators for pre-multistage cooling. After sequential cooling in the evaporators 3, the liquefied gas with a temperature of about -84 degrees C is sent to the second heat exchange space, where it is cooled to temperatures of the order of -144.5 degrees C and then fed to the expansion in the third pressure reduction means 9, where its pressure decreases to about 2 MPa, excluding the formation of a two-phase flow for a given gas composition. Further, in the evaporator 8, the gas is supercooled to temperatures of -152.3 degrees C and sent to the first pressure reduction means 10, where its pressure is reduced to 0.1 MPa with the formation of a vapor-liquid stream, the liquid part of which is liquefied natural gas.

В качестве тяжелого хладагента применяют этан, но применение не ограничивается им. Газообразный этан от испарителей 3 с различными давлениями поступает на многоступенчатый компрессор 4 (компрессоры) тяжелого хладагента, где его дожимают до давления порядка 3 МПа и конденсируют в аппарате 5 или аппаратах воздушного или водяного охлаждения при температуре +10 град.C. Жидкий этан направляют в испарители 3, в которых на различных уровнях давления тяжелый хладагент охлаждает природный газ до температуры порядка -84 град.С., при этом по меньшей мере на последнем испарителе 3 тяжелый хладагент помимо природного газа охлаждает поток легкого хладагента. Разные уровни давления тяжелого хладагента в испарителях 3 достигаются за счет снижения давления на дросселях 6. Газообразный этан от испарителей 3 направляют к компрессору 4 тяжелого хладагента, компримируют, конденсируют и далее по циклу вновь используют при предварительном многоступенчатом охлаждении природного газа.As a heavy refrigerant, ethane is used, but the use is not limited to it. Gaseous ethane from evaporators 3 with different pressures enters a multi-stage compressor 4 (compressors) of heavy refrigerant, where it is boosted to a pressure of about 3 MPa and condensed in apparatus 5 or air or water coolers at a temperature of +10 degrees C. Liquid ethane is sent to evaporators 3, in which, at various pressure levels, the heavy refrigerant cools the natural gas to a temperature of the order of -84 degrees C., while at least in the last evaporator 3, the heavy refrigerant, in addition to natural gas, cools the light refrigerant stream. Different pressure levels of the heavy refrigerant in the evaporators 3 are achieved by reducing the pressure on the throttles 6. Gaseous ethane from the evaporators 3 is sent to the heavy refrigerant compressor 4, compressed, condensed and then reused in the cycle for preliminary multi-stage cooling of natural gas.

В качестве легкого хладагента применяется азот, но применение не ограничивается им. Газообразный легкий хладагент низкого давления от двухпоточного перегревателя 13 поступает по меньшей мере на один компрессор 11 легкого хладагента и по меньшей мере один аппарат 12 воздушного или водяного охлаждения, где его дожимают до давления 10,3 МПа и охлаждают до температуры +15 град.C. Полученный газообразный азот высокого давления направляют в двухпоточный перегреватель 13, в котором он охлаждается за счет рекуперации холода азота низкого давления до температуры порядка -65 град.С, и далее разделяют на два потока. Первый поток направляют по первой линии на детандер 14, где происходит его изоэнтропийное расширение с отводом энергии, в результате чего его давление снижают до 2,1 МПа, а температура до -147,5 град.С. Второй поток направляют по второй линии в кожухотрубный теплообменник 7, где охлаждают за счет рекуперации холода суммарного потока легкого хладагента до температуры порядка -139 град.С. и на втором средстве 15 понижения давления осуществляют его изоэнтальпийное расширение до давления 2,1 МПа с образованием парожидкостного потока. Парожидкостной поток легкого хладагента низкого давления направляют в испаритель 8, где его испаряют за счет переохлаждения потока природного газа и, смешавшись с первым потоком легкого хладагента низкого давления, направляют единым суммарным потоком в кожухотрубный теплообменник 7, где его нагревают, охлаждая второй поток легкого хладагента высокого давления и поток природного газа. Далее суммарный поток азота из теплообменника 7 направляется в двухпоточный перегреватель 13, где перегревается за счет охлаждения азота высокого давления после аппарата 12.Nitrogen is used as a light refrigerant, but the use is not limited to it. Gaseous low-pressure light refrigerant from the double-flow superheater 13 enters at least one light refrigerant compressor 11 and at least one air or water cooler 12, where it is pressurized to a pressure of 10.3 MPa and cooled to a temperature of +15 degrees C. The resulting gaseous high-pressure nitrogen is sent to a double-flow superheater 13, in which it is cooled due to the recuperation of low-pressure nitrogen to a temperature of the order of -65 degrees C, and then divided into two streams. The first flow is directed along the first line to the expander 14, where it is entropically expanded with the removal of energy, as a result of which its pressure is reduced to 2.1 MPa and the temperature to -147.5 degrees C. The second stream is sent through the second line to the shell-and-tube heat exchanger 7, where it is cooled due to the recuperation of the cold of the total light refrigerant stream to a temperature of the order of -139 degrees C. and on the second pressure reduction means 15, its isenthalpic expansion to a pressure of 2.1 MPa is carried out with the formation of a vapor-liquid flow. The vapor-liquid flow of low-pressure light refrigerant is sent to evaporator 8, where it is evaporated due to supercooling of the natural gas stream and, having mixed with the first low-pressure light refrigerant flow, is sent as a single total flow to shell-and-tube heat exchanger 7, where it is heated, cooling the second high-pressure light refrigerant flow. pressure and flow of natural gas. Further, the total flow of nitrogen from the heat exchanger 7 is sent to the double-flow superheater 13, where it is superheated by cooling the high-pressure nitrogen after the apparatus 12.

При этом энергию, выделяющуюся при изоэнтропийном расширении на детандере 14, можно использовать в качестве энергетического привода по меньшей мере одного компрессора 11.In this case, the energy released during isentropic expansion on the expander 14 can be used as an energy drive for at least one compressor 11.

Технологическая схема работает в номинальном режиме при температуре окружающей среды +5 град.C и ниже. При температуре выше +5 град.C производительность технологической нитки начинает снижаться. Поскольку технология разрабатывается для арктических и антарктических широт, то для конденсации тяжелого хладагента (в частности, этана) в аппаратах охлаждения в жаркий период также могут быть использованы воды арктических, либо антарктических морей, заливов и иных водоемов, которые даже в летний период имеют низкую температуру.The technological scheme operates in nominal mode at an ambient temperature of +5 degrees C and below. At temperatures above +5 degrees C, the productivity of the technological thread begins to decrease. Since the technology is being developed for arctic and antarctic latitudes, the waters of the arctic or antarctic seas, bays and other bodies of water, which even in summer have a low temperature .

Claims

1. The method of liquefying natural gas, according to which the prepared natural gas is compressed, the heat of compression is removed, it is preliminarily cooled in multistage due to the evaporation of a heavy refrigerant, it is supercooled due to the recuperation of the cold of the light refrigerant vapor and its preliminary evaporation, the pressure of the liquefied gas is reduced, the non-liquefied gas is separated and removed liquefied gas, wherein the heavy refrigerant obtained by evaporation is compressed, condensed and reused in the preliminary multi-stage cooling of natural gas, and the light refrigerant is compressed, cooled and used in the subcooling of natural gas, characterized in that the light refrigerant is compressed before cooling, heat is removed compression, after which it is cooled successively with a light low-pressure refrigerant and an evaporating heavy refrigerant, after which the light high-pressure refrigerant is divided into two streams, and the first stream is isentropically expanded ka and sequential cooling, isenthalpic expansion and evaporation of the second stream due to natural gas subcooling, then the streams are mixed at equal pressure and used as a single low pressure light refrigerant stream for cooling natural gas, the second light refrigerant stream before its isenthalpic expansion and evaporation and cooling single flow of high pressure light refrigerant.

2. The method according to p. 1, characterized in that the preliminary multi-stage cooling of the gas is carried out at different levels of the boiling pressure of the heavy refrigerant in stages, which are provided by lowering the pressure of the heavy refrigerant to boiling before each stage, while at least the last stage is used for cooling high pressure light refrigerant.

3. The method according to claim 1, characterized in that the energy released during the isentropic expansion of the first stream is used in the compression of a light refrigerant.

4. The method according to claim 1, characterized in that nitrogen is used as a light refrigerant, and ethane or ethylene is used as a heavy refrigerant.

5. The method according to claim 1, characterized in that the pressure of the liquefied gas after supercooling due to the recovery of cold vapors of the light refrigerant is further reduced to a pressure that excludes the formation of a two-phase flow.

6. A natural gas liquefaction plant, comprising a natural gas pre-cooling line, a natural gas subcooling line, a heavy refrigerant circuit and a light refrigerant circuit, the natural gas pre-cooling line includes a natural gas compressor connected in series, at least one air or water cooler, and pipe spaces of the heavy refrigerant evaporators, the subcooling line includes a shell-and-tube heat exchanger and the first means of pressure reduction, the heavy refrigerant circuit includes at least one heavy refrigerant compressor, at least one air or water cooler, and annular spaces of the heavy refrigerant evaporators connected in series, the outlets of which are connected with a heavy refrigerant compressor, the light refrigerant circuit includes at least two light refrigerant compressors connected in series, at least one air or water refrigeration system located after each light refrigerant compressor, as well as a two-flow light refrigerant superheater, a pipe space of a heavy refrigerant evaporator, a first pipe space of a shell-and-tube heat exchanger and an expander, characterized in that the natural gas subcooling line includes a second pipe space of a shell-and-tube heat exchanger, the outlet of which is connected to the first the heat exchange space of the light refrigerant evaporator, with the outlet of which the first pressure reducing means is connected, in the light refrigerant circuit with the last air or water cooler, the first heat exchange space of the double-flow superheater and the second pipe space of the heavy refrigerant evaporator are connected in series, the light refrigerant outlet of which is connected to two lines light refrigerant, the first line includes the specified expander, and the second line includes the first tube space of the shell-and-tube heat exchange connected in series. nika, the second means of reducing pressure and the second heat exchange space of the light refrigerant evaporator, the gas outlet of which, together with the expander outlet, is connected to the annular space of the shell-and-tube heat exchanger, the outlet of which is connected to the second heat exchange space of the double-flow superheater, connected at the outlet to the first downstream light refrigerant compressor .

7. Installation according to claim 6, characterized in that the supercooling line contains a third pressure reducing means, which is connected at the inlet to the outlet of the first tube space of the shell-and-tube heat exchanger, and at the outlet - to the inlet of the first heat exchange space of the light refrigerant evaporator.

8. Installation according to claim 6, characterized in that the expander is kinematically connected to at least one stage of the light refrigerant compressor.