2.2. Применение холода сжиженного природного газа для ожижения газообразных криопродуктов

Одним из направлений использования холода СПГ может быть ожижение таких газов, как азот, кислород и аргон, получаемых в газообразном виде на ВРУ. В этом случае работа ВРУ не связана непосредственно с работой криогенного блока регазификации СПГ, который может быть включен в работу лишь по мере необходимости либо в зависимости от получения заданного количества жидких О₂, N₂ или Ar, либо в связи с необходимостью рекуперации части или всего холода СПГ. Принципиальная схема такой установки показана на рис. 2.2.1.

Ожижаемый газ сжимается до необходимого давления с помощью компрессора 1, затем охлаждается и конденсируется в противоточном теплообменнике 2, пройдя который дросселируется в емкость 3, откуда в жидком виде направляется потребителю. Сжиженный природный газ, поступающий в емкость 4, с помощью насоса 5 подается на регазификацию в теплообменник 2, где газифицируется и подогревается до температуры, близкой к температуре окружающей среды.

Рис. 2.2.1. Принципиальная схема установки сжижения газообразных криопродуктов с использованием холода СПГ: I – сжижаемый газ; II – жидкий криопродукт; III – СПГ; IV – ПГ; 1 – компрессор; 2 – теплообменник; 3, 4 – емкости; 5 – насос

Одновременно с потоком СПГ в теплообменник 2в виде обратного потока подается и поток паров ожижаемого криопродукта, образовавшихся при дросселировании ожижаемого газа и за счет частичного испарения жидкости в емкости3.

Этот поток после рекуперации холода направляется во всасывающую линию компрессора 1. Такая схема регазификации [28] является наиболее простой и типичной, если не ставятся какие-либо дополнительные условия, связанные с потребителями ПГ и жидких криопродуктов.

Как показано в табл. 2.1.1, температура кипения метана несколько выше температуры конденсации таких продуктов разделения воздуха, как О₂, N₂ и Ar. В связи с этим даже при кипении СПГ в теплообменнике 2 при Р ≈ 0,1 МПа для ожижения вышеназванных газов, с целью повышения температуры конденсации, их необходимо посылать в теплообменник 2 при давлении выше атмосферного.

На рис. 2.2.2 показано, что если давление СПГ на входе в теплообменник 2 будет около 0,13 МПа, что соответствует температуре кипения СН₄, равной 115 К, то при наличии разности температур 5 К между кипящим СПГ и конденсирующимся в теплообменнике 2 криопродуктом в зависимости от вида последнего, его давление за компрессором 1 должно составлять соответственно для кислорода 1,0, аргона – 1,5 и азота – 2,5 МПа. Если требуется получение ПГ под более высоким давлением, то это повлечет за собой неизбежное повышение температуры кипения метана в теплообменнике 2 и, следовательно, вызовет необходимость сжатия ожижаемого газа в компрессоре 1 до более высокого давления.

p, МПа

6,0

4,0

3,0

2,0

1,0

0,8

0,6

0,4

0,3

0,2

0,1

70

90

110

130

150

170

190

T, К

Т

N₂

Ar

O₂

CH₄

Рис. 2.2.2. Зависимость давления насыщенных паров Ar, N₂, O₂ и СН₄ от температуры

В работе [20] приведена схема установки, работающей по дроссельному циклу, для ожижения и переохлаждения жидкого азота с использованием СПГ, разработанная совместно фирмами Tokyo Cryogenic Industries, Ltd и Furukawa Electric Co. Полученный жидкий азот предполагается использовать для термостатирования гиперпроводящей ЛЭП. В установку поступает три потока азота – жидкий из гиперпроводящей ЛЭП для переохлаждения и два потока газообраз-ного N₂: поток, идущий на ожижение, и рециркуляционный поток. Ожижение газообразного и переохлаждение жидкого N₂ осуществляется за счет холода регазифицируемого СПГ, подаваемого в установку при давлении, близком к атмосферному. Переохлаждение части жидкого азота производится в дополнительном переохладителе парами рециркуляционного азота, поступающими из отделителя жидкости. В дальнейшем этот поток газа, выходящий из переохладителя с низкой температурой, смешивается с потоком газообразного азота, поступающего в азотный компрессор, что позволяет понизить температуру N₂ на входе в компрессор и уменьшить затраты энергии на сжатие азота.

В работе [20] подсчитано, что для охлаждения такой ЛЭП протяженностью 10 км при передаче мощности 10⁷ кВт количество регазифицируемого СПГ составит 400 т/ч. В работе [29] предлагается некоторая модификация схемы, показанной на рис. 2.2.1, позволяющая использовать часть ожиженного криопродукта для последующего переохлаждения СПГ. Для этой цели часть жидкого криопродукта из емкости 3 отводится в змеевик, расположенный в емкости 4 для СПГ. За счет пропускания криопродукта, имеющего более низкую, чем СПГ в емкости 4, температуру, СПГ переохлаждается, что приводит к уменьшению потерь на испарение СПГ за счет подвода тепла к емкости 4. Кроме того, в схему установки встроен дополнительный теплообменник-переохладитель, через который проходит СПГ перед поступлением в емкость 4 и где в качестве охлаждающего потока используется жидкий криопродукт, выходящий из змеевика, помещенного в емкость 4.

Далее холод этой части жидкого криопродукта рекуперируется в теплообменнике 2, по выходе из которого он поступает на сжатие в компрессор 1.

Таким образом, в установке наряду с потоком регазифицируемого СПГ и ожижаемого криопродукта появляется дополнительный циркуляционный поток, в качестве которого используется часть ожижаемого криопродукта. В работе [30] патентуется установка для ожижения кислорода, в которой ожижаемый кислород поступает в криогенный блок при низком давлении, а регазификация СПГ может осуществляться под повышенным давлением. Наличие низкого давления ожижаемого газа и проведение регазификации под повышенным давлением достигаются путем ввода в схему установки азотного циркуляционного цикла. Принципиальная схема такой установки приведена на рис. 2.2.3.

Рис. 2.2.3. Установка для сжижения кислорода с использованием холода СПГ и циркуляционным потоком азота: I – газообразный N₂; II – газообразный О₂; III – СПГ; IV – жидкий О₂; 1 – компрессор; 2, 6, 7 – теплообменники; 3, 4 – турбодетандеры; 5 – вентиль; 8 – емкость

Ожижаемый кислород последовательно охлаждается и конденсируется в теплообменниках 6 и 7, а затем сливается в емкость 8. При этом в теплообменнике 6 используется холод, получаемый при регазификации СПГ, а в теплообменнике 7, расположенном на самом низком температурном уровне, требуемая холодопроизводительность обеспечивается с помощью азотного циркуляционного цикла. В качестве последнего может быть применен детандерный криогенный цикл низкого или среднего давления.

Азот, используемый в этом цикле, сжимается компрессором 1, охлаждается в теплообменнике 2 и последовательно расширяется в турбодетандерах 3 и 4.

Полученная в цикле холодопроизводительность реализуется на наиболее низкотемпературной стадии охлаждения и конденсации кислорода в теплообменнике 7, откуда поток циркуляционного азота направляется для рекуперации холода в теплообменник 2 и снова поступает в компрессор.

При необходимости в работу может быть включен только турбодетандер 4. В этом случае давление перед ним регулируется с помощью дроссельного вентиля 5.

В работе [31] патентуется схема установки, в которой и регазификация СПГ, и охлаждение, и ожижение криопродукта ведутся при давлениях выше критического. Принципиальная схема такой установки приведена на рис. 2.2.4.

Рис. 2.2.4. Схема установки для сжижения азота с использованием низкотемпературных компрессоров и холода СПГ: I – СПГ; II – ПГ; III – газообразный N₂; IV – жидкий N₂; 1, 5 – насосы; 2 – теплообменник; 3, 6, 8 – компрессоры; 4, 7, 9 – сепараторы

Ожижаемый азот, поступающий на установку при температуре окружающей среды и давлении, близком к атмосферному, охлаждается в теплообменнике 2 до температуры 123 К и поступает на сжатие в низкотемпературный компрессор 3. Процесс ожижения включает в себя трехступенчатое сжатие азота в низкотемпературных компрессорах 3, 6 и 8 соответственно до давлений 0,38, 1,46 и 5,6 МПа, последующее охлаждение сжатого азота после каждого компрессора в теплообменнике 2 за счет холода СПГ и трехстадийное сепарирование азота в сепараторах 4, 7 и 9. Давление в сепараторах 4, 7 и 9 поддерживается соответственно на уровне 1,45, 0,47 и близком к атмосферному, что позволяет отводить на всасывание в каждый из низкотемпературных компрессоров пары, образовавшиеся при дросселировании потока ожижаемого газа. Ожиженный азот с помощью насоса 5 подается потребителю.

В процессе низкотемпературного сжатия в каждом из компрессоров температура азота повышается приблизительно со 123 до 173 К. СПГ с помощью насоса 1 подается в теплообменник 2 при температуре около 111 К и давлении 7,0 МПа. Применение процесса низкотемпературного сжатия азота позволяет существенно снизить энергетические затраты на сжатие N₂ и в целом на его ожижение. Система ожижения криопродукта при давлениях выше критического имеет определенные преимущества в тех случаях, когда СПГ содержит кроме метана значительное количество более тяжелых углеводородов и его температура кипения не является постоянной. При изменяющейся температуре кипения СПГ может быть достигнуто такое состояние, когда температура кипения СПГ будет выше критической температуры ожижаемого криопродукта, что исключает возможность его ожижения при Р < Р_кр.

В ряде случаев для сжижения криопродуктов, получаемых на ВРУ в газообразном виде, предлагается подключать устройство для сжижения к установке, регулирующей расход природного газа, подаваемого потребителю. Один из вариантов такой установки, приведенной в патентах [32–34], показан на рис. 2.2.5.

Данная установка может быть использована в качестве установки выравнивания «пика» при повышении расхода ПГ у потребителя и может работать как с системой утилизации холода СПГ, так ибез нее. Из емкости 1 СПГ с помощью насоса 2 может подаваться в газификатор 4 и направляться к потребителю.

Рис. 2.2.5. Установка регулирования расхода природного газа, использующая холод СПГ для сжижения азота: I – СПГ; II – ПГ; III – газообразный N₂; IV – жидкий N₂; 1 – емкость; 2, 3 – насосы; 4 – газификатор; 5, 6 – теплообменники; 7, 8, 9 – компрессоры

В магистраль потребителя направляется природный ПГ, испаряющийся в емкости 1 за счет теплопритока из окружающей среды после сжатия в компрессоре 9. Система газификации, включающая теплообменники 5 и 6, может использовать СПГ, кипящий под давлением, близким к атмосферному, или под повышенным давлением.

В первом случае подача СПГ в теплообменник 5 осуществляется по линиям а или d, а во втором – по линиям b или c, подсоединенным к стороне нагнетания насосов 2 и 3.

Для последующего сжатия СПГ, регазифицируемого при атмосферном давлении, могут быть использованы компрессоры 8 и 9.

При регазификации потока СПГ в теплообменнике 5 под давлением регазифицированный поток ПГ отводится по линии е. Если в этом теплообменнике регазификация СПГ осуществляется при давлении, близком к атмосферному, то поток ПГ, выходящий из теплообменника 5, направляется в компрессор 8 или 9 по линиям g или f.

Ожижаемый азот или другой газообразный криопродукт сжимается в компрессоре 7, охлаждается, конденсируется и переохлаждается в теплообменниках 5 и 6.

В межтрубное пространство теплообменника 6 дросселируется некоторое количество полученного переохлажденного жидкого крио­продукта, который кипит и переохлаждает поток, идущий через трубное пространство.

В дальнейшем этот поток после прохождения через теплообменник 5 снова поступает на сжатие в компрессор 7.

Такая установка позволяет в значительных пределах регулировать расход регазифицируемого СПГ и может обеспечить получение значительного количества жидкого криопродукта.

Холод, полученный при регазификации СПГ, может быть использован и в системах хранения СПГ, предназначенных для выравнивания режимов работы газоснабжения.

Принципиальная схема такой установки, показанной на рис. 2.2.6, приведена в работе [9].

При газификации СПГ из хранилища 4направляется в испаритель-газификатор3, где испаряется за счет подогрева «теплым» хладоносителем, подаваемым насосом2из емкости1и направляемым после аппарата3в емкость5.

При сжижении ПГ из магистрального газопровода (МГ) поступает в компрессор 10, где сжимается до давления выше критического, охлаждается водой в холодильнике 9, делится на два потока, которые параллельно охлаждаются в теплообменниках 7 и 8, а затем дросселируется в хранилище СПГ 4.

При этом в качестве обратных потоков в теплообменнике 8 используют поток ПГ, выходящий из хранилища 4, который по выходе из теплообменника 8 поступает в газовую сеть, а в теплообменнике 7 поток «теплого» хладоносителя, подаваемого с помощью насоса 6, направляется в теплообменник, пройдя который попадает в емкость 1. В качестве промежуточных хладоносителей в работе [9] предлагается использовать 1-бутилен (t_пл = –185,4 °С), пропан (t_пл = –187,6 °С), пропилен (t_пл = –185 °С) и при возможности некоторые кремнийорганические соединения.

Рис. 2.2.6. Схема установки ожижения, хранения и регазификации СПГ с рекуперацией холода СПГ: I – ПГ в газовую сеть; II – ПГ в городскую газовую сеть;

1, 5 – емкости; 2, 6 – насосы; 3 – испаритель-газификатор; 4 – хранилище СПГ; 7, 8 – теплообменники; 9 – холодильник; 10 – компрессор; 11 – дроссельный вентиль

Холод СПГ может быть использован не только для ожижения криопродуктов, имеющих температуру конденсации ниже температуры кипения СПГ, но и для конденсации газов, температура конденсации которых выше температуры кипения СПГ. Установка такого типа, где производится ожижение СО₂, приводится в патенте [35].

В работе [7] рассматривается возможность использования холода регазифицируемого СПГ в установке, получающей сухой лед. Это позволяет исключить из каскадных циклов получения сухого льда аммиачную или хладоновую холодильную машину, а конденсация паров СО₂ производится за счет кипения в испарителе СПГ.

При использовании СПГ в качестве хладоносителя в конденсаторах СО₂ расход энергии в установке для производства сухого льда в 2,04 раза, а при использовании его в конденсаторах и холодильниках в 2,6 раза меньше, чем в цикле со вспомогательной аммиачной установкой; при этом расход СПГ составляет 1,79 .

Первая в мире промышленная установка по производству СО₂ за счет утилизации холода СПГ была построена фирмой Osaka Gas (Япония) [27] в феврале 1970 года. Производительность установки – 33 000 т/год жидкого СО₂. По сравнению с обычным процессом получения жидкого СО₂ капитальные затраты были уменьшены на 90 %, а расход энергии – на 50 %.

В патенте [36] рассматривается схема установки для сжижения газообразного криопродукта за счет холода, получаемого при регазификации СПГ, содержащего значительное количество тяжелых углеводородов. Предлагаемый в патенте [36] способ двухступенчатой газификации СПГ, когда каждая стадия газификации производится в определенном температурном интервале, обеспечивает такие условия теплообмена между ожижаемым газом и газифицируемым СПГ, при которых исключается намерзание высших углеводородов на поверхности трубок теплообменника.