Диссертация (1172966), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Одними из наиболее эффективныхрасширительных устройств являются турбодетандеры. Они относятся к классумашиннепрерывногодействиясвращательнымдвижениемротора.Турбодетандер преобразует потенциальную энергию потока сжатого газа вкинетическую энергию вращения колеса турбины, а затем в механическуюработу, снимаемую с вала турбины. В турбодетандере поток газа расширяется,протекая через систему неподвижных сопловых каналов и вращающихся каналов,образованных лопатками рабочего колеса турбины (Рисунок 3.26).Турбодетандеры, в зависимости от конструкции турбинной ступени,определяющей направление движения потока расширяемого газа, бываютосевого, радиального (центростремительного) и радиально-осевого типа.
[99]Как правило, в производстве сжиженного природного газа на вал детандераподсоединяютодинизкомпрессоров,сжимающихпотокхладагентавхолодильном цикле, или электрогенераторы, производящие электроэнергию.Этим достигается снижение общего количества потребляемой в производствеСПГ энергии.Изоэнтропический КПД современных турбодетандеров достигает 85 %.Рисунок 3.26 – Конструкция газового турбодетандера(Источник: GE Energy)197Для стандартных турбодетандерных агрегатов на установках сжижениягазов допускается выпадение жидкой фазы не более 5 %.
Параметры холодильныхциклов подбираются таким образом, чтобы расширительные машины работали в«сухом» режиме, без образования жидкой фазы. Такое ограничение связано свысокими скоростями вращения рабочих колес детандеров. Например, в гелиевоможижителе частота вращения ротора может составлять 220 000 об/мин. [99] Притаких скоростях вращения наличие капель жидкости в потоке газа можетпривести к разрушению лопаток рабочего колеса.Поэтому перспективным направлением в развитии турбодетандернойтехники стало создание турбодетандеров, работающих с жидкостным или сдвухфазным потоком.
Термодинамический анализ показал, что созданиегазожидкостных детандеров может существенно повысить эффективностьустановок сжижения природного газа и упростить технологические схемы. ВРоссии парожидкостные турбодетандеры для ожижения гелия были созданы вНаучно-производственном«Гелиймаш»,установкеобъединениипарожидкостныеКГУ-1600ив«Гелиймаш».детандеры,ожижителяхПоиспользуемыегелия,позволилиданнымвНПОхолодильнойувеличить ихпроизводительность по сравнению с дроссельным режимом в 1,5 раза.Жидкостные детандеры уже применяются на установках сжиженияприродного газа за рубежом, в частности, на заводе Snohvit в Норвегии и назаводе Сахалин СПГ в России для расширения переохлажденного СПГ и одногоиз смесевых хладагентов. Они заменили традиционно используемые для этихцелейдроссельныевентили.Разработчикомипроизводителемэтихрасширительных машин является «Ebara International Corporation» (США).
Вотличие от газовых турбодетандеров с горизонтальным расположением вала,жидкостные турбодетандеры имеют вертикальную конструкцию с погружнойтурбинной ступенью (рисунок 3.27, а).Криогенная жидкость в них подаётся через патрубок, расположенный вверхней части кожуха агрегата. Пройдя кольцевой канал, опоясывающий рабочееколесо, она поступает на расширение. В зависимости от перепада давлений198хладагента детандер может иметь одну, две или три ступени расширения,представляющие собой осерадиальные колёса с покрывными дисками. [100, 101]В работе [102] утверждается, что из-за невозможности работать впарожидкостной области, жидкостным детандерам не удается реализовать весьперепад давления.
Процесс расширения разбивают на два этапа – детандирование(в однофазной области) и последующее дросселирование (в двухфазной области).Это снижает эффективность применения жидкостных детандеров.Для ликвидации указанного недостатка, приводящего к значительномусокращениюобластиэффективногопримененияжидкостныхдетандеров,компания «Ebara International Corporation» разработала парожидкостной детандер.Это было достигнуто благодаря применению уникальной концевой ступени срегулируемымшагомлопатокисферическойступицей,получившейкоммерческое название «exducer» (см.
рисунок 3.27, б).абРисунок 3.27 – Конструкции жидкостного (а) и парожидкостного (б)турбодетандеров: 1 – сопло; 2 – радиальное рабочее колесо; 3 – «exducer»;4 – конус уплотнения(Источник: Ebara International Corporation)199Применение парожидкостных детандеров позволяет проводить процессрасширения как хладагентов, так и СПГ в один этап. Замена дроссельныхвентилейпарожидкостнымидетандерамиспособствуетповышениюэффективности производства СПГ.3.3 Роль и значение подготовки газа для производства СПГПодготовка природного газа в комплексе производства СПГ занимает одноиз значимых положений и является важной технологической частью.
Результатыисследования особенностей подготовки газа при производстве СПГ приведены вработе [103] и изложены далее по тексту.Производствосжиженногоприродногогаза(СПГ)предъявляетопределенные требования к составу газа перед входом в блок сжижения. В блокесжиженияпроисходятпроцессыглубокогоохлаждения,конденсацииипереохлаждения газа, после чего газ дросселируют до давления хранения(избыточное давление в резервуарах СПГ составляет от 2,5 до 25 кПа) изакачивают в резервуары. [75] В блоке сжижения температура газа снижается сположительных значений до минус162 ºС.Сырьевой газ, поступающий на комплекс сжижения с месторождения или измагистрального газопровода, содержит в своем составе легкие углеводороды,влагу, кислые газы и другие компоненты. Для предотвращения эксплуатационныхпроблем в блоке сжижения (образование льда и газогидратов, коррозияоборудования) концентрация этих веществ на входе в блок сжижения должнабыть снижена до значений, представленных в таблице 3.5.
[7, 75, 104] Разница взначениях для резервуаров комплекса сжижения и резервуаров потребителяобъясняется выветриванием наиболее летучих компонентов СПГ во времяхранения,емкостей.транспортировкииоперацийзагрузки-разгрузкитранспортных200Таблица 3.5. Спецификации товарного СПГВ резервуарахкомплекса сжиженияСвойства, МДж/нм3 при 15 ºСВысшая теплотворнаяспособностьЧисло Воббе42 – 44В резервуарахпотребителя42 – 4551 – 5351 – 54Состав, мольн.
%CH484 – 9984 – 99C2H6<9<9C3H8< 2.4< 2.5C4+< 2.4< 2.5C5+< 0.1< 0.1N21.41.0Содержание неорганических примесей и меркаптанов, м3/нм3природного газаH2O< (0,5… 1)·10-6CO 2< 50·10-6H2S< (3,5…4)·10-6RSH< (2…3)·10-6Hg10 нг/нм3 природного газаИсточник: составлено автором по данным [7, 75, 104]Перед сжижением природный газ подвергается очистке и осушке. При этомтехнологическая схема подготовки газа может сильно варьироваться взависимостиотсоставасырьевогогаза,продуктовыхспецификацийиэкологических требований. Одна из известных типовых принципиальных схемподготовки газа на производстве СПГ представлена на рисунке 3.28.
[75]201Рисунок 3.28 – Типовая схема подготовки газа [75]3.3.1 Входная сепарацияПроцесс сепарации является одним из основных технологических процессовподготовкигазанагазовыхигазоконденсатныхместорожденияхприпроизводстве СПГ и для газопроводного транспорта. Сепарация является первойтехнологической стадией подготовки газа для обеспечения эффективной инадежной работы дожимной компрессорной станции (ДКС) при ее введении ипроцессовподготовкиипереработкигазаигазовогоконденсатавпроизводственном комплексе СПГ.Входные сепараторы предназначены для отделения от природного газакапель углеводородного конденсата и воды, а также твердых частиц, выносимыхиз пласта, скважины и газосборных сетей потоком флюида.202Сырой природный газ на входе в комплекс сжижения (крупнотоннажныйзавод или малотоннажная установка) подвергается фильтрации или очистке вциклонах для удаления взвешенных твердых частиц, которые могут представлятьсобой частицы продуктивных пластов, а также коррозии и эрозии внутреннихстенок трубопроводов.Далее поток газа проходит через сепараторы-каплеуловители, где газочищается от капельных жидкостей (конденсат С5+, вода, содержащая ингибиторгидратообразования).
Выделенную жидкость подвергают грубой очистке от воды,сероводорода и части меркаптанов в отпарной колонне. После отпарной колонныбóльшая часть меркаптанов, незначительная часть воды и ртути остается вжидкой фазе, поэтому за отпарной колонной следует осушка жидкихуглеводородов на молекулярных ситах, удаление ртути и меркаптанов.Очищенные жидкие углеводороды направляют на смешение с углеводородами С5+из установки фракционирования. Водную фазу, содержащую ингибиторгидратообразования, направляют в блок регенерации ингибитора.Каплеуловители могут быть емкостного типа (трехфазные сепараторы дляразделения газа, воды и углеводородных жидкостей) или трубчатого типа (рядпараллельныхгоризонтальныхтруб,соединенныхколлекторами).[105]Природный газ после каплеуловителей подвергается вторичной сепарации дляотделения остатка жидкостей, после чего его направляют на установку удалениякислых газов.3.3.2 Удаление кислых газовВажное место в подготовке природного газа при производстве сжиженногоприродного газа занимают абсорбционные процессы очистки газа от кислыхкомпонентов.
Содержание сероводорода, меркаптанов, общей серы и диоксидауглерода, высокое содержание их в воздухе опасно для человека и окружающейсреды, и, кроме того, наличие влаги, кислых и сернистых компонентов в газеусиливает коррозию оборудования и ускоряет образование газовых гидратов.203Выбор процесса удаления кислых компонентов из газа оказываетзначительное влияние на экономику всего проекта сжижения газа, особенно еслисырьевой газ содержит кислые компоненты в больших концентрациях.
Так,например, при содержании СО2 в сырьевом газе около 2 % мол. стоимостьустановки удаления кислых газов может составлять около 6 % от стоимости всегооборудования, а при содержании СО2 14 % мол. доля установки удаления кислыхгазов в общей стоимости оборудования составит 15 %. [104] Кроме того, удалениекислых компонентов газа является также энергоемким процессом, влияющим наэнергоэффективность комплекса сжижения природного газа.Для удаления кислых газов существует ряд технологий:• регенеративная абсорбция физическими и химическими сорбентами;• регенеративная адсорбция;• отделение кислых газов на мембранах;• нерегенеративные методы.Выбор оптимальной технологии зависит от ряда факторов, таких какконцентрация кислых компонентов газа в сырье, расход сырья, технологическоедавление, экологические требования и др. Для достижения спецификацийтоварного СПГ не все технологии могут применяться в чистом виде (см.
таблицу3.6). В некоторых случаях предпочтительнее применять комбинацию несколькихметодов.204Таблица 3.6 – Ограниченность технологий удаления кислых газов [106]ТехнологиигазовудалениякислыхРегенеративнаяабсорбцияФизическиерастворителиАминовыерастворителиСмешанныерастворителиРегенеративная адсорбцияМембранное разделениеНерегенеративное ЖидкиепоглощениепоглотителиТвердыепоглотителиОчистка от СО2 и H2SСтепеньДостижениеочисткиспецификациитоварногоСПГОсновнаяНетмассаПолнаяДаОчистка от меркаптановСтепеньДостижениеочисткиспецификациитоварногоСПГПолнаяДаЧастичнаяНетПолнаяДаПолнаяДаГлубокаяОсновнаямассаГлубокаяДаНетГлубокаяЧастичнаяДаНетДаГлубокаяДаГлубокаяДаГлубокаяДаАбсорбционные процессы очистки природного газа от кислых компонентовостаютсяэкономическинаиболееэффективнымидлякрупнотоннажногопроизводства СПГ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
