Малогабаритная установка сжижения природного газа

Изобретение относится к криогенной технике. Малогабаритная установка сжижения природного газа включает в себя участок газопровода, криогенную газовую машину (КГМ), работающую по обратному циклу Стирлинга, теплообменники вымораживатели-конденсаторы природного газа (ПГ), криогенную емкость для сжиженного природного газа (СПГ), газодувку и подогреватель азота. Охлаждение, очистка ПГ от H₂O и СО₂ и его ожижение производится в попеременно работающих теплообменниках вымораживателях-конденсаторах, охлаждаемых жидким азотом, сжижаемым в КГМ и циркулирующим в замкнутом контуре. Часть циркуляционного азота отбирается на газодувку с последующим подогревом в подогревателе и используется для отогрева теплообменников с последующим возвратом этого потока азота в поток циркуляционного азота. Техническим результатом является обеспечение длительной непрерывной работы установки. 1 ил.

 

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано для ожижения небольших объемов природного газа (ПГ).

Примером наиболее простой малогабаритной установки сжижения ПГ может быть установка, основанная на использовании криогенной газовой машины (КГМ). Такой установкой является установка сжижения ПГ «Газотрон» (Труды международной конференции «Сжиженный природный газ (СПГ) - универсальное топливо XXI века», Россия, СПб., 3 июля - 6 июля 2002 г., с. 168-169 [1]). Она отличается наибольшей простотой и практически состоит только из КГМ, работающей по обратному циклу Стирлинга. На головку этой машины, где располагается теплообменник нагрузки, подается ПГ, отбираемый из газопровода, где он охлаждается, конденсируется и сливается в емкость со сжиженным природным газом (СПГ).

Однако недостатком данной установки является то, что в теплообменнике нагрузки КГМ одновременно с охлаждением и конденсацией ПГ из него вымерзают примеси Н₂О и СО₂, которые в виде снега и льда выпадают в теплообменнике, что приводит к увеличению термодинамического сопротивления и снижению производительности КГМ по СПГ, а через относительно небольшой промежуток времени производительность машины практически снижается до нуля и ее необходимо останавливать на отогрев.

Наиболее близким по технической сущности к заявленной установке является криогенная автомобильная заправочная станция СПГ (Патент РФ № 2300716, F25J 1/02, опубл. 10.06.2007 [2]), использующая КГМ, работающую по обратному циклу Стирлинга. ПГ отбирается из газопровода низкого или среднего давления, проходит через вымораживатель H₂O и CO₂, поступает в КГМ, где охлаждается и сжижается, а затем сливается в емкость СПГ, откуда жидкостным насосом закачивается в топливную раздаточную колонку.

К недостатку данной установки относится то, что в схеме установки имеется только один вымораживатель, который через определенный промежуток времени будет забит примесями H₂O и CO₂ в виде снега и льда, что потребует остановки установки и проведения ее отогрева.

Кроме того, охлаждение вымораживателя производится парами ПГ, выходящими из криогенной емкости с СПГ. Объем этого потока непостоянен, т.к. он зависит от давления в емкости СПГ и объеме СПГ в ней, который изменяется.

Недостатком установки [2] является и то, что ПГ непосредственно сжижается в теплообменнике нагрузки КГМ, что с точки зрения технической безопасности неприемлемо, т.к. работа этого теплообменника должна осуществляться только при низком давлении конденсируемого газа.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в разработке установки непрерывной и длительной конденсации ПГ, отбираемого из магистрального трубопровода.

Технический результат, который может быть получен при использовании заявленного устройства, заключается в применении для охлаждения и конденсации переключающихся вымораживателей-конденсаторов, охлаждаемых жидким азотом, сжижаемым в циркуляционном азотном цикле с использование КГМ.

Указанный технический результат достигается тем, что в установке используется циркуляционный поток азота низкого давления, который находится в газгольдере, оттуда поступает на сжижение в КГМ, а затем используется для охлаждения и конденсации ПГ в вымораживателях-конденсаторах и после испарения в них и подогрева паров поступает для конденсации в КГМ.

Достижению данного технического результата способствует и то, что в установке сжижения ПГ, содержащей КГМ, ПГ проходит периодически только через один из двух параллельно установленных вымораживателей, не соприкасаясь с другими элементами установки, что обеспечивает необходимую безопасность ее работы. Кроме того, циркуляционный азот используется и для отогрева вымораживателей-конденсаторов.

При этом внешний контур автономных теплообменников вымораживателей-конденсаторов подсоединен к магистральному трубопроводу ПГ или реципиенту ПГ, а на выходе СПГ к емкости для сбора и хранения СПГ.

В состав малогабаритной установки сжижения ПГ, показанной на чертеже, входят: источник природного газа 1 (магистральный трубопровод), теплообменники - вымораживатели-конденсаторы 2 и 3, КГМ 4, работающая по обратному циклу Стирлинга, вентили 5-13, 17, 18-21, 24, 25, установленные на линиях ПГ, СПГ и азота, криогенная емкость для СПГ 15 и газгольдер газообразного азота 16, газодувка 22, подогреватель азота 23.

Установка для сжижения ПГ работает следующим образом: ПГ по линии 1 из магистрального трубопровода или реципиента через редуктор или дроссельный вентиль (на чертеже не показаны) поступает в теплообменник вымораживатель-конденсатор 2 при открытом вентиле 5, вентиль 6 подачи ПГ на теплообменник вымораживатель-конденсатор 3 закрыт. Каждый из теплообменников вымораживателей-конденсаторов 2 и 3 двухсекционный. В трубках верхней секции газообразный ПГ охлаждается, и из него выпадают примеси H₂O и CO₂. Окончательное охлаждение ПГ и его сжижение происходит в нижней секции теплообменников 2 и 3.

В начале работы установки через открытый вентиль 18 газообразный азот из газгольдера 16 поступает в теплообменник нагрузки КГМ 4, где охлаждается и сжижается. Из этого теплообменника жидкий азот через вентиль 7 поступает в полость кипения теплообменника вымораживателя-конденсатора 2, где кипит, а образовавшиеся пары азота подогреваются и через вентили 11 и 13 поступают в теплообменник нагрузки КГМ 4. В полость ПГ теплообменника 2 через вентиль 5 поступает ПГ, который охлаждается в теплообменнике 2, и из него вымораживаются примеси H₂O и CO₂, затем после дальнейшего охлаждения и конденсации СПГ через вентиль 7 сливается в криогенную емкость 15 для СПГ.

При повышении сопротивления по линии ПГ в теплообменнике вымораживателе-конденсаторе 2 за счет отложения примесей H₂O и CO₂ в твердом виде вентили 5 и 7 закрывают и прекращается подача жидкого азота в теплообменник 2 через вентиль 9. Теплообменник 2 ставится на отогрев, и включается в работу теплообменник 3 при открытых вентилях 6 и 8 подачи ПГ и открытых вентилях 10 и 12 подачи в теплообменник жидкого азота и отвода из него газообразного азота с последующей его подачей в КГМ 4.

При остановке КГМ вентиль 18 закрывается и при открытом вентиле 17 азот отводится через газгольдер 16.

При увеличении гидравлического сопротивления в секции ПГ теплообменника через вентиль 19 отбирается часть газообразного азота из газгольдера 16 на газодувку 22, а затем подогревается в подогревателе азота 23 и направляется в азотную секцию теплообменника, поставленного на отогрев, например в теплообменник 2, при закрытых вентилях 5 и 20 и открытом 21. По окончании отогрева теплообменника открывается вентиль 24 и при закрытом вентиле 7 сдувается часть ПГ с примесью H₂O и CO₂. Затем теплообменник 2 вводится в работу, а теплообменник 3 ставится на отогрев.

Малогабаритная установка сжижения природного газа, включающая в себя участок газопровода, криогенную газовую машину (КГМ), работающую по обратному циклу Стирлинга, теплообменники вымораживатели-конденсаторы природного газа (ПГ), криогенную емкость для сжиженного природного газа (СПГ), газодувку, подогреватель азота, отличающаяся тем, что охлаждение, очистка ПГ от H₂O и СО₂ и его ожижение производится в попеременно работающих теплообменниках вымораживателях-конденсаторах, охлаждаемых жидким азотом, сжижаемым в КГМ и циркулирующим в замкнутом контуре, при этом часть циркуляционного азота отбирается на газодувку с последующим подогревом в подогревателе и используется для отогрева теплообменников с последующим возвратом этого потока азота в поток циркуляционного азота.