Басниев К.С. Энциклопедия газовой промышленности

Подождите немного. Документ загружается.

СПГ

газ низкого давления

при температуре

окружающей среды

газ

давления,

температуры

компрессор

конденсатор

горячий

источ

(воздух,

вода)

холодный источник -

охлажденная

жидкость

дроссель

•£>«—*•

жидкость высокого давления,

переохлаждение

жидкость или

двухфазная смесь, низкое давление, низкая температура

Цикл

простым

веществом

фазовым

переходом

Природный газ

•0-

Сжиженный природный газ (СПГ)

да

—*»

Природный газ

——

Вода

\ •***—

Сжиженный природный газ

Цикл

азотом

простой

расширительной

трубкой.

Цикл

азотом

детандером

турбиной.

454

СПГ

Природный

газ

^-N-

Горячий

нсточ

Этиленовый

цикл

Горачвй

источник

Метановый

цикл

Однократное

расширение

Горячий

источ

Газ

Природное

газ

Жидкость

Пропановый

цикл

Этиленовый

цикл

Вода

или

воздух

-Газ

С31Г

Каскадные

холодильные

циклы

455

СПГ

Рекуперация механической энергии, производи-

мой

расширительной турбиной, может производить-

ся компрессором торможения: соосный агрегат

час-

то называют "турбодетандерным агрегатом"

(см.

рисунок

с.

454).

4.5.2.2.3.

Циклы

со

смесью

флюидов

Развитие вычислительной техники позволило

рассчитывать процессы (циклы)

фазовыми пере-

ходами,

которых хладоагент представлен

сме-

сью,

а не

чистым веществом. Этот флюид подоб-

ран строго

так, что

энтальпийная кривая холо-

дильной системы

охватывает

энтальпийную

кривую сжижаемого природного газа.

Эти циклы, называемые также

"со

встроенным

каскадом"

(см.

нижеследующий рисунок

с. 456) и

процессы,

которых

они

используются, требуют

точных

расчетов, особенно

при

разработке боль-

Смешанный

цикл

Низкое

давление Высокое давление

Природный газ

-W

4*J

СПГ

Цикл

со

встроенным

каскадом

ших компрессоров

для

газовых смесей

больших

многофазных теплообменников

процессами сжи-

жения

определенных секциях теплообменников

и испарением

других.

4.5.2.3.

Критерии выбора

холодильных циклов

4.5.23.1.

Термодинамическая эффективность

Выбирают,

одной стороны, машины (компрес-

соры,

турбины), имеющие

наилучшую

эффектив-

ность (КПД),

другой стороны

циклы,

которых

теплообменники имеют

наилучшее

приближение

температуры (особенно

области низких темпера-

тур,

поскольку холод

виде механической энергии

стоит

тем

дороже,

чем

ниже температура).

дей-

ствительности теплообменники часто являются

комбинированными: один многофазный теплооб-

менник может

выполнять

одновременно функцию

экономайзера

или

главного теплообменника

- пе-

редатчика

холода

сжижаемому газу.

4.5.2.3.2.

Капитальные вложения

Капитальные вложения ограничиваются,

выбирая:

• циклы

фазовыми переходами;

• наиболее простые

немногочисленные

ма-

шины.

4.5.2.3.3.

Простота

гибкость эксплуатации

Простые

немногочисленные машины облегча-

ют эксплуатацию,

тем

более

что

обслуживающие

системы просты

немногочисленны.

тому

же,

хороший процесс должен

обладать

гибкостью,

чтобы

работать

условиях изменяюще-

гося

дебита

состава сжижаемого природного

газа.

Под

гибкостью следует понимать одновре-

менно техническую способность функционировать

в изменяющихся условиях

простоту

для

операто-

ров изменять режим работы.

Первый

из

трех критериев, естественно, проти-

воречит двум остальным

и в

соответствии

с мощ-

ностью установки сжижения

и ее

местоположени-

ем должен

быть

найден компромисс.

Циклы

со

смешанным хладоагентом позволяют

часто наилучшим образом найти компромиссное

решение,

ЭВМ

позволяют

настоящее время

точ-

но рассчитать теплообменники

сами процессы.

4.5.2.4.

Основные применяемые

циклы

4.5.2.4.1.

Газовые циклы

турбодетандером

Такие циклы (см. рис. стр.

454) на

чистом азоте

(в закрытом цикле)

или на

метане, производимом

процессе

фракционирования сырого газа, исполь-

зуются только

на

станциях сглаживания пиковых

нагрузок.

Их

преимущество состоит

простоте схе-

мы

работы.

Однако

их

термодинамический

КПД

невелик,

капвложения повышены (турбина, система

газовых коммуникаций большого проходного сече-

ния

т.д.).

456

СПГ

4.5.2.4.2.

Классические газовые циклы

Такие циклы с использованием пропана, этиле-

на и метана

были

разработаны для

двух

первых за-

водов сжижения для экспорта сжиженного газа в

Арэеве (завод Кэмел

GL4Z)

Алжире

и в Кенаи

(КепаТ) на Аляске. И[ преимущество состоит в том,

что они позволяют должным образом следовать

поведению энтальпийной кривой сжижаемого при-

родного

газа посредством достаточного количе-

ства ступеней для каждого цикла.

В то же время их недостатки заключаются в

следующем:

— повышенные капитальные вложения (много

теплообменников и обвязки);

— недостаточная гибкость, так как они плохо

адаптируются к изменениям качества природ-

ного

газа, поскольку каждый теплообменник

характеризуется двумя предопределенными

параметрами (температура и

тепловая

нагруз-

ка),

к тому же потоки

флюидов

на различных

ступенях одного и того же компрессора строго

фиксированы (см. рисунки ниже).

Сжижение

природного

газа

по классической каскадной схеме

Температура

Пропав

;

Этилен

ЭнтальпияН

Классический каскад. Изменение

качества

природного

газа.

Классический каскад.

Энтальпийная

диаграмма.

Завод

рассчитан

(ступени

В) для

одного

из

природных

газов

(энтальпийная

кривая

А).

Если

обрабатываемый

природный

газ

меняет

свой

состав

(кривая С) и если не

изменяют

рабочие

давления

машин (то

есть

температуры

ступений),

завод

произведет

холод

соответствии

со

ступенями

D, у

которых

ступени

на своей максимальной

высоте

равны

ступеням

В. Завод не

сможет,

таким

образом,

ожижить

весь

газ, а

только

долю

RS/RTот

номинала.

457

СПГ

4.5.2.4.3.

Смешанные циклы

Такие циклы

начале

были

реализованы широ-

ко

и в

различных вариантах на заводах сжижения

для экспорта

процессах

одним циклом,

даль-

нейшем

- в

процессах

двумя циклами;

цикле

наименьшим холодом использовался пропан

или

смешанный трехкомпонентный флюид,

цикле

низкой

температурой использовался трехкомпо-

нентный смешанный флюид.

Развитие процессов, использующих эти циклы,

связано главным образом

необходимостью адап-

тации

специфическим условиям проектируемых

заводов (состав сжижаемого газа

производи-

тельность завода)

и с

прогрессом

области вычис-

спг

-150°С

Г7Ч

sore

-и-

Вод.

+ЗУС

МП*

Вода

Вод.

ОХЛАДИТЕЛЬ

(частично*

оклаждим*)

Сношенный цикл

одним

давлением.

СПГ

-ао-с

Природный

-и-

•н-

IV3

я=н

+J5-C

ОХЛАДИТЕЛЬ

(частично»^

ГУ

0.6

МП»

0.15

МП*

Вод.

3.5

МП.

Смешанный

цикл

двумя

давлениями(Гиал).

458

СПГ

лительной

техники и конструкций компрессоров и

теплообменников.

Эта

эволюция

показана на схемах процесса на

рисунках с.

458,459

460,

где также указаны на-

звания

проектных

организации,

разработавших эти

процессы.

Преимущества смешанных

циклов

заключаются

в следующем:

— хорошее приближение к рабочей температуре

теплообменников;

— небольшое

число

компрессоров и теплообмен-

ников;

— простота работы;

— возможность адаптации к изменениям в соста-

ве

газа,

измениям расхода,

давления

и состава

хладоагента.

Смешанный

"интегральный"цикл

одним

да i без

промежуточной

закачки (ПРИТЧАРД).

СПГ

ОЖИЖИТЕЛЬ

-40*C0JMn«

П0-»

+35-С

Смешанный

цикл

предварительным

охлаждением с пропаном (АРС

Эр

Продактс

энд Кемикалс Инк.).

459

СПГ

спг

-150*С

Природный

-№С4,2МПа

е-*т

ВОД»

ОЗМПа

Смешанный

цикл

со

смешанным

предварительным

охлаждением

(Гиал).

Смешанный

цикл

предварительным

охлаждением

пропаном

интегральным

пластинчатым

теплообменником

(Эрликид).

460

СПГ

4.5.2.5.

Очистка и фракционирование

В общем

случав

в установке сжижения блок

фракционирования предусмотрен для:

— очистки природного газа перед сжижением;

— производства

флюидов

холодильных

циклов;

— по коммерческим соображениям (продажа про-

изводимых на газофракционирующеи установ-

ке

продуктов);

— энергетических нужд завода.

4.5.2.5.1.

Осушка

Влага, содержащаяся в природном газе при тем-

пературах и

давлениях,

создаваемых в процессе

сжижения,

образовывала бы гидраты с углеводо-

родами и происходило бы образование гидратных

пробок

в дроссельных устройствах, если бы газ не

осушался до уровня примерно I v.p.m. (одна часть

на миллион по объему).

4.5.2.5.2. Очистка от углекислого газа

По тем же причинам диоксид углерода СО

об-

разует углеродный лед. СО

плохо растворим в уг-

леводородах (слега растворим в бутане), поэтому

необходимо

удалять

СО

до уровня v.p.m. (не-

сколько десятков v.p.m., если извлекают пропан-

бутан).

4.5.2.5.3. Извлечение сероводорода

Сероводород и другие кислые газы должны

быть

также удалены.

4.5.2.5.4.

Другие компоненты

Следы

ртути, даже минимальные, опасны для

теплообменников и должны

быть

тщательно

удале-

ны.

Наконец,

тяжелые

углеводороды С^. могут так-

же вызвать образование пробок, поэтому конден-

сат должен

быть

выделен

в процессе охлаждения.

Эти различные темы, касающиеся очистки газа,

освещены в разделе. 2.4. Добыча природного газа.

Что касается насыщенных углеводородов (алка-

ны от С

до С

), они при необходимости могут

быть

выделены

сепарацией и ректификацией для вос-

полнения циклового газа (компенсация потерь и

продувок).

Как об этом уже говорилось, если ком-

поненты С2-Сг-С

-С

входят в состав природного

газа

значительных

количествах, их

выделяют

для продажи по хорошим ценам.

Все,

что

выделяется

сверх потребностей (напри-

мер,

этан, если продают только пропан и бутан),

или подается в поток сжижаемого газа или исполь-

зуется на мес. - ^ля производства энергии.

Кстати,

инертные

газы,

азот и гелий, которые

могут

в небольших количествах находиться в при-

родных газах, их сжижение вместе с метаном стоит

дорого

с точки зрения затрат

энергии;

их транспорт

метановозами стоит дорого из-за занимаемого ими

объема, их присутствие в составе СПГ при

регази-

фикации уменьшает теплотворную способность.

Следовательно,

желательно

их

выделить

перед

сжижением.

Газ сепарации после однократной конденсации

содержит весь гелий и весь или почти весь азот в

смести

с метаном. Этот газ сепарации считают

сбросным,

достаточно бедным газом и используют

преимущественно для производства

энергии,

необ-

ходимой заводу.

Если

гелия достаточно много, можно предусмо-

треть его выделение, производя сепарацию в две

ступени и таким образом,

чтобы

смесь Не + N

выделялась

бы в одной ступени сепарации.

Примечание.

Нет норм на состав СПГ. Существуют только

особые спецификации у потребителя сырья, кото-

рые, например, на заводах сжижения для экспорта

газа

связаны с контрактами на постановку (в част-

ности,

с теплотворной способностью).

Следовательно, остаточные

газы,

используе-

мые для производства

энергии,

разные по составу

в разных местах.

4.5.3.

Оборудование

установок сжижения

4.5.3.1. Теплообменники

4.5.3.1.1.

Теплообменники с горячим

источником в окружающей среде

Теплообменники - холодильники холодильного

цикла, в которых реализуется теплообмен с

горя-

чим источником в окружающей среде, бывают раз-

личного типа соответственно с природой этого ис-

точника - водой или воздухом:

— если используется вода, это теплообменники

классического типа с трубным пучком (вода

циркулирует по трубкам пучка);

— если используется воздух, это батареи воздуш-

ных холодильников (АВО).

Использование морской воды в качестве горяче-

го

источника широко распространено на располо-

женных на берегу моря заводах сжижения газа на

экспорт.

Особые меры защиты должны

быть

приня-

ты для теплообменников против коррозии или мор-

ских

отложений (специальные покрытия, катодная

защита, хлорирование морской воды и т.д.), также

как

и для устройств водозабора

4.5.3.1.2.

Криогенные теплообменники

Эти аппараты, в которых совершается теплооб-

мен между сжижаемым природным газом и (или)

хладоагентами, изготавливаются из криогенных

металлов, в основном из алюминия и его сплавов

(см.

§4.3.1.2.1).

целью

обеспечения значительной экономии

для заводов сжижения газа на экспорт и упроще-

ния обвязки

были

разработаны специальные боль-

шие теплообменники многоходовые с большой по-

верхностью теплообмена, которые делятся на два

вида: "теплообменники с навитыми трубками и

"пластинчатые теплообменники". Конструкции

обоих типов требуют умения в изготовлении и

особых материалов.

4.5.3.1.2.1.

"Навитые

теплообменники"

Они являются разновидностью кожухотрубча-

тых теплообменников. Аппарат вертикального ти-

па,

несколько

тысяч

тонких трубок (6 -10 мм диа-

метром) навиты геликоидально по перекрестной

сетке.

Можно сконструировать теплообменник для

нескольких флюидов, чередующихся по трубкам

различных пучков в одной сетке. Перекрестные

сетки

дают эффект отражающихся перегородок

461

СПГ

Флюид

Верхний сепаратор

Навивка

Нижний сепаратор

Флюид

Навитой

теплообменник.

Конструктивные

элементы навивного теплообменника.

для двухфазного флюида низкого давления, кото-

рый охлаждает пучок испарением

процессе цир-

куляции

вертикальном направлении

каландре.

Каландр

выполнен

из нержавеющей стали, навив-

ные пучки

из

алюминия. Навивка дает гибкость,

необходимую для компенсации термических удли-

нений

укорочений. По причине сложности конст-

рукции

размеров изготовление таких теплооб-

менников требует

длительных

сроков

дорого,

их транспортировка затруднительна.

4.5.3.1.2.2.

Теплообменники алюминиевые

пластинчатые, паянные

погружением

в баню

Эти

теплообменники, используемые

также

других областях, таких,

как

фракционирование

воздуха, выделение этилена

др., сконструирова-

ны

виде сэндвичей,

которых начинка находится

в форме плоских полнотелых листов, гофрирован-

ных листов

поперечных перегородок.

4.5.3.1.2.2.1.

Описание

При каждом ходе флюид циркулирует между дву-

мя плоскими листами

двумя перегородками

про-

странстве, заполненном гофрированным листом:

циркуляция флюида происходит по обе стороны го-

фрированного листа, параллельно образующим.

Пластинчатый

теплообменник

общий

вид

одного хода

между двумя плоскими перегородками.

—[~Тг~

Пластинчатый

теплообменник

- вид

одною хода между

двумя

пластинами.

Пластинчатый

теплообменник

общий

вид.

Таким

образом, каждая полнотелая пластина

перегородка

разделяет два флюида

таким обра-

зом

является поверхностью теплообмена между

двумя флюидами. Гофрированный лист

выполняет

роль, аналогичную лопаткам или пчелиным ячей-

кам

других типах теплообменников,

то

же вре-

мя

он

служит опорным элементом, помогающим

пространству, ограниченному двумя пластинами

двумя перегородками переносить нагрузки

от

цир-

кулирующих флюидов. Пакет из полнотелых плос-

ких листов, гофрированных листов

поперечных

перегородок

сварен:

все

образующие вершины

волны

листа приварены

полнотелым горизон-

тальным

листам.

462

СПГ

Пластинчатый

тшиюобшшкшк

-разрез.

Теплообменник собирают сложением

секций,

со-

бранных вышеописанным способом. Для каждой

секции

в поперечных перегородках устраивают про-

ход для флюида, который движется через секцию.

Секции

чередуются в зависимости от числа

флюидов,

например:

АВАВАВ

- для

двух

флюидов;

ABCDABCD

- для

четырех

флюидов;

ABCDEABDEABCDEABDE

- для пяти флюидов,

один из которых с небольшим расходом.

лллллг

•-1ЛЛ/

ТААЛЛП

\/\/\/\/\п

°-/\Л/\

WVW

Ш А \

\/VM

1/\

Д/1

/\/\/

Пример чередования

ABAC

проходов

пластинчатом

теплообменнике.

Выбирая расположение отверстий в поперечных

перегородках

и головок присоединенных коллек-

торов,

а также ориентацию гофрированных листов

ходах,

можно сконструировать теплообменники с

противотоком,

с перекрестным

током,

многофлю-

идные и т.д.

Можно

соединить в один блок теплообменники,

которые,

если бы они

были

кожухотрубчатого ти-

па,

были

бы соединенными последовательно мно-

гочисленными теплообменниками, это приводит к

значительной экономии в трубопроводах обвязки и

теплоизоляции.

Пластинчатый

теплообменник

противоточный,

перекрестным

током,

многолоточный.

463