Базовые заводы и способы сжижения природного газа - Часть 3

Завод СПГ в Кенай (Аляска)

Проектирование СПГ-завода в Кенай осуществлялось компаниями США Phillips Petroleum и Bechtel Corporation. Стоимость комплекса примерно 50 млн. дол. Установка сжижения спроектирована технологическим отделом фирмы Phillips Petroleum.

Использование классического каскадного цикла (ККЦ) вызвано тремя причинами:

  1. Высоким содержанием метана в поступающем на завод газе (в этом случае применение классического каскада является предпочтительным);
  2. Отсутствием к моменту проектирования завода опыта эксплуатации других циклов и необходимого оборудования;
  3. Наличием у специалистов фирмы опыта проектирования заводов по производству этилена, на которых применен классический каскадный цикл.
Сравнение свойств газов, поступающих на базовые заводы сжижения и в газораспределительные сети
Характеристики газа Заводы СПГ Газораспределительная сеть
Кенай Арзев Скигда Марса эль Брега г. Лак (Франция) г. Бостон (США)
Состав,% мол:
N2 0,4 0,71 1,25 0,3 (0,20-1,28) 0,49
C1 99,6 86,98 92,55 67,7 97,4 (90,70-95,55) 97,05
C2 9,35 5,37 19,8 2,2 (3,17-7,68) 2,2
C3 2,33 0,59 8,7 0,07 (1,01) 0,21
iC4 0,27 0,10 3,2 0,03 (0,41) 0,03
nC4 0,36 0,14 3,2 0,01
C5+ 0,6 0,01
Относительная молекулярная масса 16,09 18,36 17,18 22,89 16,42 (16,64-17,60)
Температура кипения при давлении 760 мм рт. ст., °C –162 –163,4 –164,4 –159,5 –162,8 (–164,5±161,5)
Плотность жидкого газа, кг/м3 428 474 455,5 537 445,9 (457,5-446)
Объем газа при испарении 1 м3 жидкости, м3 636 618 634 555 647 (621-641)
Высша теплота сгорания:
      ккал/м3 8879 9920 9290 12224 9053 (9016-9638) 9096
      ккал/кг 13204 12934 12930 12676 13190 (12960-13088)
      ккал/м3 жидкого газа 5651000 6140000 5889000 6800000 5881000 (5780000-5988000)
Относительная плотность 0,555 0,637 0,595 0,792 0,570

В скобках указаны пределы совместимости с сетью.

Схема завода СПГ в Кенай (Аляска)

Схема завода СПГ в Кенай (Аляска): I – газ, поступающий с месторождения; II – газ, направляемый на собственные нужды; III – возврат паров СПГ при погрузке; А – пропановая ступень; В – этиленовая ступень; С – метановая ступень.

Завод эксплуатируется с 1969 года. Принципиальная схема цикла сжижения соответствует представленной на рисунке выше. Пропановый компрессор и компрессоры для сжатия природного газа поставлены фирмой Elliott. Этиленовые компрессоры изготовлены фирмой Cooper Clark (США). Привод компрессоров – газовые турбины фирмы General Electric (США). Следует указать, что это единственный завод, на котором для привода компрессоров использованы газовые турбины. Причины их применения будут рассмотрены ниже.

Завод состоит из двух линий с производительностью по 2-2,5 млн. м3/сут. Различное вспомогательное оборудование блоков тесно взаимосвязано. Обвязкой предусмотрена взаимная замена отдельного оборудования.

Высокое содержание метана в поступающем газе позволяет использовать его после очистки в метановом контуре охлаждения. Пропан также получают из перерабатываемого газа. Этилен на заводе в Кенай из газа не выделяется. Практика эксплуатации показала, что его потери незначительны и частого пополнения утечек не требуется. За годы работы завод ни разу не снижал расчетных показателей, что является наилучшей характеристикой надежности технологии.

В связи с высокой чистотой поступающего газа очистка от СО2 не производится. Для осушки газа использованы молекулярные сита. Пунктиром на схеме показан путь газа при регенерации. После осушки газ через фильтры 2 поступает в теплообменники 3-5. Дросселирование одноступенчатое, из сборника 6 СПГ насосами 7 направляется в хранилище 8. Пары из хранилища и из сборника 6 используются для охлаждения газа в теплообменнике 5 и затем направляются в компрессор 12. Хладагенты после сжатия охлаждаются водой и воздухом в аппаратах АВО. Конденсация этилена и метана осуществляется в теплообменниках 13 и 14, а сепарирование хладагентов в аппаратах 15-17. Большинство теплообменников пластинчато-ребристые, сварные из алюминия. Каждая нитка включает четыре теплообменных блока, доставленных с заводов-изготовителей в готовом к монтажу виде, т. е. с заранее смонтированной арматурой, емкостями, теплоизоляцией. Для соединения блоков и отдельных трубопроводов широко использовались сильфонные компенсаторы.

Оптимизированная технологическая схема процесса сжижения изложена в Патенте США № 3548606. Природный газ, предварительно очищенный от влаги и углекислоты, подается в теплообменники при давлении 41 бар и после охлаждения и дросселирования направляется в резервуары. В каждом контуре предусмотрено трехкратное расширение хладагентов с подачей обратных потоков после теплообменников на соответствующие ступени многоступенчатых центробежных компрессоров. Давление нагнетания пропановой ступени компрессора составляет 15,2 бар, дросселирование осуществляется до давлений 5,5; 3,15 и 1,37 бар. На этиленовой ступени давление снижается с 20,5 до 5,5; 2,05 и 1,72 бар, в последнем контуре – с давления 37,2 бар до давлений 14,8; 5,8 и 2,05 бар.

Теплообменники блока сжижения витые, имеют всего два типоразмера (по диаметру сердечников). По трубкам пропускаются хладагенты, в межтрубном пространстве движется природный газ.

Фирма Phillips имеет ряд патентов, в основном защищающих различные модификации классического каскадного цикла.

Схема регулирования уровня хладагентовПоскольку трудность регулирования рабочего режима установки с классическим каскадом считается одним из основных недостатков этого цикла, рассмотрим устройство для автоматического контроля уровня хладагента более подробно.

Уровень жидкого хладагента в теплообменнике 1 контролируется электрическим прибором 2, в который подаются сигнал 3, задающий уровень, и сигнал из теплообменника о фактическом уровне жидкости. Помимо контроля уровня, прибор 2 суммирует поступающие в него сигналы и направляет просуммированный сигнал 4 в качестве задающего уровень в прибор 5, размещенный на теплообменнике 6. При изменении тепловой нагрузки в теплообменнике 1 и соответственно уровня жидкости изменяется сигнал 4, и прибор 5 дает команду на открытие или закрытие регулирующего вентиля 7. Изменение уровня жидкости в теплообменнике 6 приведет к перераспределению тепловых нагрузок, восстановлению их заданного соотношения и соответственно заданных уровней. Ряд аналогичных устройств может быть соединен в цепочку, регулирующую уровни в нескольких теплообменниках.

В дальнейшем для установки сжижения природного газа был предложен многопоточный пластинчато-ребристый теплообменник, в котором прямой поток газа или жидкости охлаждается несколькими обратными потоками на различных температурных уровнях. Направление потоков перекрестно-противоточное, причем перпендикулярно основному потоку направляются потоки с малой разностью температур. Наружная поверхность теплообменника теплоизолирована.

Источник: К.Ю. Чириков, Т.С. Рябова, В.П. Ворошилов - «Производство сжиженного природного газа: способы и оборудование» (научно-технический обзор, серия: Переработка газа и газового конденсата; Москва, ВНИИЭГазпром, 1976)