На базе детандерных циклов

Ниже даны основные параметры ожижителей, приведенных в табл. 1.4.4.

В диапазоне производительностей, приведенных в табл. 1.4.4, ОАО «Криогенмаш» разработаны ожижители ПГ на базе детандерных циклов с циркуляционным компрессором при давлении нагнетания циркуляционного компрессора 3–3,5 МПа. Для этих установок удельные энергозатраты составляют 0,7–0,8 кВт·ч/кг СПГ при коэффициенте ожижения, равном 100 % .

Одним из возможных вариантов ожижителя ПГ небольшой производительности может быть применение в нем для ожижения ПГ жидких криопродуктов, получаемых на воздухоразделительных установках (ВРУ). Один из таких ожижителей ПГ, применяемый в качестве региональной установки, был разработан и введен в эксплуатацию в Германии фирмой «Линде». Производительность этой установки составляет около 720 кг/ч СПГ, и на ней для ожижения ПГ используется жидкий азот. Схема такой установки приведена на рис. 1.4.7.

Рис. 1.4.7. Схема ожижителя ПГ, использующего для охлаждения
и конденсации жидкий азот, получаемый на ВРУ:

I – воздух; II – жидкий кислород; III – жидкий аргон; IV – жидкий азот; V – ПГ; VI – газообразный азот; VII – СПГ;

1 – емкость жидкого азота; 2 – емкость жидкого азота ожижителя ПГ;
3 – блок комплексной очистки ПГ; 4 – азотный теплообменник;
5 – конденсатор ПГ; 6 – емкость СПГ; 7 – змеевик; 8 – испаритель
жидкого азота; 9 – электродвигатель; 10 – центробежный насос

Продуктами разделения воздуха на большой ВРУ являются жидкие кислород, аргон и азот. Жидкий азот сливается в емкость 1, откуда по мере необходимости выдается потребителю. Избыток жидкого азота сливается в емкость 2, которая входит в состав установки получения СПГ.

Природный газ из трубопровода ПГ редуцируется и через счетчик (на рис. 1.4.7 не показан) отводится на блок комплексной очистки 3, который включает в себя два адсорбера, заполненных синтетическими цеолитами. Затем ПГ проходит через теплообменники 4 и 5. В первом из них он охлаждается потоком газообразного азота, а во втором – кипящим жидким азотом. Во втором теплообменнике ПГ конденсируется, и образовавшийся СПГ отводится в емкость 6.

Жидкий азот из емкости 2 отводится по трем направлениям. Основной поток азота поступает в теплообменник 5, где кипит, а образовавшиеся пары затем поступают в теплообменник 4, откуда, подогревшись до температуры, близкой к температуре окружающей среды, отводится в атмосферу.

Небольшое количество жидкого азота поступает в змеевик 7, расположенный в паровом пространстве емкости СПГ 6, где используется для конденсации паров испаряющегося СПГ. По выходе из змеевика 7 пары азота отводятся в атмосферу.

Третий поток жидкого азота, отводимого из емкости 2, поступает в теплообменник 8, где испаряется и подогревается подаваемым в теплообменник теплым воздухом. Затем дополнительно подогревается до требуемой температуры в электродвигателе 9 и поступает в один из адсорберов, работающих в режиме регенерации, а по выходе из адсорбера отводится в атмосферу.

Из емкости 6 СПГ откачивается центробежным насосом 10 и подается потребителю.

Аналогичный ожижитель ПГ производительностью 1360 кг/ч СПГ был изготовлен фирмой «Линде» для Норвегии.

В ряде работ [22, 61, 62] наряду с мини-заводами, предназначенными для получения СПГ, предлагается использовать ожижительные установки на базе криогенных газовых машин (КГМ). В настоящее время отечественной и зарубежной промышленностью выпускается ряд таких установок, которые работают по обратному циклу Стирлинга.

Идеальный цикл, который положен в основу их работы, состоит из двух изотерм и двух изохор. Наиболее распространенная схема реализации этого цикла осуществляется следующим образом. Два поршня в цилиндре осуществляют прерывистое движение с некоторым углом сдвига по фазе. Находящийся в рабочем пространстве регенератор делит ее на две части, которые условно называются полостями сжатия и расширения. В процессе сжатия теплота отводится в окружающую среду в водяном холодильнике при температуре Т, а в процессе расширения при температуре Т₀ теплота передается от охлаждающего тела. Рабочим газом, циркулирующим в машине, является газообразный гелий.

Теоретическая холодопроизводительность Q_т, Вт, одноступенчатой КГМ, работающей по обратному циклу Стирлинга с гармоническим движением поршней, может быть определена по следующей зависимости:

Q_т = ,

где q – угол сдвига фаз; d – конструктивный безразмерный параметр; n – частота вращения, об/мин; V₀ – максимальный объем полости расширения, м³; – среднее давление рабочего тела за цикл, Н/м².

При относительном КПД h_отн, который находится в пределах 0,3–0,4 для Т₀ = 70–80 К, действительная холодопроизводительность составит

Q_д = Q_т h_отн.

При этом значение холодильного коэффициента e_д КГМ может достигать 10–12 %.

В настоящее время выпускаемые промышленностью КГМ этого типа отличаются значительным разнообразием конструкции как машины в целом, так и ее отдельных узлов.

В России эти машины производит ОАО «Машиностроительный завод "Арсенал"» и ОАО «НПО Гелиймаш», а за рубежом – фирмы «Филипс» (Голландия и США), «Веркспор» (Голландия) и др.

Холодопроизводительность этих машин на температурном уровне 77–80 К составляет от нескольких сотен ватт до нескольких десятков киловатт. На температурном уровне, соответствующем температуре конденсации метана, она несколько возрастет.

Определенными достоинствами этих КГМ являются простота их эксплуатации и относительно низкие значения удельных энергозатрат на ожижение. Так, при ожижении воздуха, когда температура охлаждающей воды, поступающей на охлаждение сжатого в компрессорной полости гелия, составляла 15 °С, удельный расход энергии на ожижение воздуха находился на уровне 1–1,2 кВт·ч/кг жидкого воздуха. Они обычно используются в системах переконденсации паров, испаряющихся жидких криопродуктов, в крупных хранилищах кислорода и некоторых других жидких криопродуктов, а также в воздухоразделительных установках (ВРУ) малой производительности. Так, отечественные КГМ ЗИФ-1000 и КГМ-9000/80 [63] используются в азотных ВРУ типа ЗИФ-1002 и Аж-0,05 производительностью соответственно 10 и 65 л/ч жидкого азота.

На базе одной из КГМ в работе [61] предложена установка ожижения ПГ «Газотрон» производительностью 20 л СПГ/ч. В работах [61, 62] предполагается использовать данные установки в различных гаражных предприятиях, где можно было бы снабжать СПГ автомобильный транспорт, двигатели которого работают на СПГ.

Однако при ряде положительных качеств таких установок ожижения (100 %-й коэффициент ожижения, высокая степень экологической чистоты, достаточный уровень промышленной безопасности, простота обслуживания и др.) их применение для этих целей маловероятно.

В число главных недостатков, как показано в работе [61], входят высокие капиталовложения, которые оцениваются в 40–75 ты­сяч долларов США, и достаточно ограниченный ресурс работы.

На основании анализа эффективности работы такой установки по ожижению природного газа, использующем КГМ ЗИФ-1000, в работе [22] приведены следующие данные. При подаче на ожижение ПГ под давлением ~0,1 МПа производительность установки будет составлять около 20 л СПГ/ч, но если прочностные характеристики конденсатора КГМ позволят увеличить давление ПГ, поступающего на ожижение до 0,5 МПа, то производительность ожижителя может быть увеличена ~ до 32 л/ч.

Однако такие значения производительности могут быть получены лишь в том случае, если в конденсаторе КГМ будет ожижаться лишь чистый метан, лишенный каких-либо примесей.

В действительности в соответствии с ГОСТ 5542–87 в ожижаемом ПГ имеются водяные пары, диоксид углерода и незначительное количество тяжелых углеводородов. Все эти примеси переходят в твердое состояние и вымерзают в конденсаторе, покрывая теплопередающую поверхность льдо-снеговой шубой, которая создает дополнительное термическое сопротивление и снижает величину коэффициента теплопередачи. В связи с этим, как показано в работе [22], в результате проведенных расчетов получено, что уже через 1 ч непрерывной работы производительность установки может уменьшиться почти в два раза, а по истечении 10 ч работы она может снизиться почти в 6 раз.

Поэтому вероятно в работе [61] длительность непрерывной работы установки "Газотрон" определена в 8 ч. Для дальнейшей работы установки ее необходимо ставить на отогрев и осушку и только после этого снова включать в работу.

В связи с этим маловероятным является достаточно широкое использование ожижителей ПГ этого типа для получения СПГ.

Более крупные установки сжижения ПГ по сравнению с мини-заводами на базе ГРС или АГНКС – это установки пикового газопотребления и заводы, предназначенные для получения СПГ, отправляемого на экспорт.

Наибольшее число установок пикового газопотребления, производительность которых находится в диапазоне 50–10 т СПГ/ч, размещаются в США и Канаде. Крупные заводы по ожижению ПГ в основном характерны для стран, которые являются основными мировыми экспортерами СПГ.

Из тех циклов ожижения метана, которые были рассмотрены выше, наибольшее распространение в этих установках получили:

– каскадный цикл ожижения;

– однопоточный каскадный цикл;

– детандерные циклы.

Принципиальная схема ожижителя классического каскада [64] показана на рис. 1.4.8.

Рис. 1.4.8. Принципиальная схема классического каскада:
1, 5, 10 – компрессоры; 2, 6, 11 – водяные холодильники;
3, 7, 12 – дроссельные вентили; 4, 8, 9, 13, 14, 15 – теплообменники

В установке используется каскад "пропан-этилен-метан". Пропан, сжатый в первом каскаде до давления ~ 1,37 МПа, охлаждается водой и конденсируется в холодильнике 2. После этого он проходит через дроссельный вентиль 3, где его давление снижается приблизительно до 0,14 МПа, а температура до минус 35 °С. Этот поток затем последовательно подогревается в аппаратах 4, 8 и 14, а затем идет на сжатие в пропановый компрессор 1. Выбор пропана для первого цикла каскада обычно связан с тем, что он содержится в ПГ, откуда его относительно просто получить.

Во втором цикле используется этилен, который сжимается в компрессоре 5 до давления 2,2 МПа, охлаждается в водяном холодильнике 6 и конденсируется в теплообменнике 4, затем дросселируется с помощью вентиля 7 до Р ≈ 0,14 МПа и последовательно испаряется и подогревается в теплообменниках 9 и 13.

В третьем цикле метан сжимается в компрессоре 10 до Р = 3,4 МПа, охлаждается в водяном холодильнике 11, а после охлаждения и конденсации в теплообменниках 8 и 9 дросселируется до Р ≈ 0,14 МПа, пройдя через дроссель 12. Этот поток метана затем используется в теплообменнике 15 на последней стадии ожижения продукционного ПГ.

Природный газ, сжатый до Р ≈ 4 МПа, последовательно охлаждается в этиленовых 13, 14 и метановом 15 теплообменниках и затем сливается из установки в емкость СПГ.

По этому циклу ожижения был построен ряд крупных заводов для производства СПГ. Фирмой "Газ Восточного Огайо" был построен завод производительностью 40 млн м³ жидкого метана в год, на который поступал ПГ под давлением ~ 4,3 МПа. В первом цикле каскада вместо пропана на ней использовался аммиак.

По данным работ [25, 64], аналогичные заводы были построены в г. Арзевс (Алжир), на котором эксплуатировались три блока, каждый из которых имел производительность по газу 0,5 млрд м³ газа/год при общей производительности 1,5 млрд м³ газа/год, и в г. Никиски (Аляска) производительностью 1,4 млрд м³ газа/год.

В Арзевсе используется природный газ с месторождения Хасси Р^/Мель, в состав которого входят, мол. %: СН₄ – 83,90; С₂Н₆ – 7,10; N₂ – 5,60; С₃Н₈ – 2,10; С₄Н₁₀ – 0,84; СО₂ – 0,26 и Не – 0,20.

Схема данного завода была аналогична схеме установки, разработанной фирмой "Притчард", в которой использовался каскадный метод ожижения ПГ с некоторыми изменениями по схеме. Цикл состоит из двух ступеней пропанового, трех ступеней этиленового и трех ступеней метанового охлаждения.

Однако ввиду определенных недостатков каскадного цикла ожижения, что ранее было отмечено, большинство крупных заводов для сжижения ПГ использовали однопоточный каскадный цикл (прямоточный каскад).

По этому циклу работают технологические схемы заводов ожижения ПГ в г. Марселе Брега (Ливия) производительностью 3,5 млрд м³ газа/год, в г. Скикде (Алжир) производительностью 4,5 млрд м³ газа/год, в г. Ломуте (Бруней) производительностью 5,5 млрд м³ газа/год [25, 64] и многие другие.

На заводе в г. Скикде ПГ поступает с месторождения Хасси Р^/Мель и распределяется по четырем линиям. Блоки ожижения на трех линиях были построены французскими фирмами "Технин" и "Тэал", а на четвертой – американской фирмой "Притчард" с использованием однопоточного каскадного цикла сжижения с двумя давлениями. Принципиальная схема такого ожижителя показана на рис. 1.4.9.

Рис. 1.4.9. Принципиальная схема установки ожижения ПГ,
использующей модифицированный однопоточный цикл:

БТ1, БТ2 – блоки теплообменников; ОЖ1, ОЖ2, ОЖ3 – отделители жидкости;
ВХ1, ВХ2 – водяные холодильники; ТК – турбокомпрессор

Поток ПГ при Т = 293 К и Р = 4,2 МПа поступает в блок теплообменников БТ2, где последовательно охлаждается потоками смеси, которые орошают секции теплообменников при температурах минус 126, 140 и 165 °С. Поток СПГ, выходящий из блока теплообменников БТ2, затем дросселируется до давления, близкого к атмосферному, и направляется потребителю.

Рабочая смесь N₂-C₁-C₂-C₃-C₄-C₅ сжимается в турбокомпрессоре до Р = 3,9 МПа и проходит в блоке теплообменников БТ1 последовательное охлаждение с отделением жидкой фазы после водяного холодильника ВХ и секций БТ1 в отделителях жидкости ОЖ1, ОЖ2 и ОЖ3. За исключением первой жидкой фазы, которая отделяется в ОЖ1 и затем полностью дросселируется в БТ1, орошая первую секцию БТ1, остальные жидкие фазы, отбираемые из отделителей жидкости ОЖ2 и ОЖ3, делятся на две части. Одна часть используется для охлаждения ПГ в БТ2, а другая – для охлаждения смеси в БТ1.

Давление смеси, поступающей в первую ступень турбокомпрессора ТК из БТ2, составляет около 0,15 МПа.

Один из модифицированных вариантов однопоточного каскадного цикла ожижения был применен фирмой "Эир Продактс" при создании одного из крупнейших заводов СПГ, который был построен в Брунее. Суммарная суточная производительность завода составляла 20 млн м³ газа/сут. На этой установке ПГ сначала охлаждается в трех предварительных теплообменниках независимого пропанового цикла, а затем в двухзонном многосекционном блоке теплообменников с использованием цикла из смеси хладагентов.

Из достаточно большого количества заводов по получению СПГ, которые эксплуатируются, в основном, в странах, занимающихся экспортом СПГ, в настоящее время наибольшее распространение в технологических схемах процесса ожижения получил однопоточный каскадный цикл ожижения ПГ. Схемы этих заводов отличаются большим разнообразием как по составу газовой смеси, используемой в качестве хладагента, так и по числу ступеней охлаждения, где кипение отдельных фракций многокомпонентной смеси осуществляется при различных температурах, что в большей степени продиктовано различным составом ПГ и его параметрами. Кроме того, в достаточно широких пределах могут изменяться как значения давлений ПГ, подаваемого на ожижение, так и конечное давление сжатия газовой смеси, и давление в конце процесса дросселирования отдельных фракций. В этих установках отличаются разнообразием и системы очистки и осушки ПГ, подаваемого на ожижение.

В зависимости от вида удаляемых примесей и величины их содержания в ПГ может использоваться наряду с адсорбционной системой осушки и очистки ПГ и абсорбционная система с использованием раствора диэтиленгликоля (ДЭГ) или моноэтаноламина (МЭА).

Большим разнообразием отличается и машинное оборудование, в состав которого могут входить поршневые компрессоры, турбокомпрессоры, компрессорно-детандерные агрегаты с различными типами приводов.

В качестве теплообменных аппаратов широкое распространение кроме трубчатых витых теплообменников получили пластинчато-ребристые теплообменники, выполненные из алюминиевых сплавов и имеющие по сравнению с трубчатыми более высокий коэффициент компактности.

О многообразии установок СПГ и широком развитии их производства целым рядом зарубежных фирм можно судить по данным, приведенным в табл. 1.4.5.

Таблица 1.4.5