RU2096699C1 - Method of low-temperature treatment of natural gas - Google Patents

Abstract

FIELD: low-temperature treatment of natural gas at gasworks. SUBSTANCE: gas flow is subjected to preliminary cooling and separation into gas and liquid phases; then gas and liquid are removed; after separation, gas flow is fed for expansion accompanied by reduction of temperature at generation of energy and is directed for heating in recuperative heat exchange, with starting gas; after heating, gas flow is divided into two flows: one flow is directed for compression at delivery of energy obtained during expansion; after compression, part of gas is discharged and is directed for mixing with flow of gas fed for expansion after separation; preliminary cooling of starting gas is effected in recuperative heat exchange with gas fed after expansion. EFFECT: enhanced efficiency. 4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области низкотемпературной обработки природного газа и может быть использовано при переработке газа и его подготовке к транспорту на объектах нефтяной и газовой промышленности. The invention relates to the field of low-temperature processing of natural gas and can be used in the processing of gas and its preparation for transport at the facilities of the oil and gas industry.

Известен способ низкотемпературной обработки природного газа, включающий его предварительное охлаждение, сепарацию и расширение отсепарированного потока газа с понижением его температуры. При этом в качестве расширительного устройства используют пульсационный охладитель газа [1]
Недостатками известного способа являются отсутствие возможности компримирования расширенного потока газа, а также снижение холодопроизводительности и увеличение температуры сепарации при уменьшении расхода обрабатываемого газа.A known method of low-temperature processing of natural gas, including its preliminary cooling, separation and expansion of the separated gas stream with lowering its temperature. In this case, a pulsating gas cooler is used as an expansion device [1]
The disadvantages of this method are the inability to compress the expanded gas flow, as well as a decrease in cooling capacity and an increase in the separation temperature while reducing the flow rate of the treated gas.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результаты к заявляемому способу является способ низкотемпературной обработки природного газа, включающий предварительное охлаждение исходного газа, сепарацию на газовую и жидкостную фазу, отвод газа и жидкости после сепарации, подачу газа после сепарации на расширение с понижением температуры и получением энергии, которую тратят на компримирование, затем нагревание газа после расширения в рекуперативном теплообменнике с одновременным охлаждением исходного газа [2]
Недостатком известного способа является снижение холодопроизводительности и увеличение температуры сепарации при уменьшении расхода обрабатываемого газа.The closest in technical essence and the achieved results to the claimed method is a method of low-temperature processing of natural gas, including pre-cooling of the source gas, separation into a gas and liquid phase, gas and liquid removal after separation, gas supply after separation to expand with decreasing temperature and energy spent on compression, then heating the gas after expansion in a recuperative heat exchanger while cooling the source gas [2]
The disadvantage of this method is the decrease in cooling capacity and an increase in the separation temperature while reducing the flow rate of the treated gas.

Настоящее изобретение направлено на стабилизацию холодопроизводительности и температуры сепарации процесса низкотемпературной обработки природного газа. The present invention is directed to stabilizing the cooling capacity and the separation temperature of the low-temperature processing of natural gas.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе низкотемпературной обработки природного газа, включающем предварительное охлаждение исходного газа, сепарацию на газовую и жидкостную фазу, отвод газа и жидкости после сепарации, подачу газа после сепарации на расширение с понижением температуры и получением энергии и нагрев в рекуперативном теплообмене с исходным газом, согласно изобретению после нагревания поток газа делят на два потока, один из которых отводят на компримирование с подводом энергии, полученной при расширении, часть газа после компримирования отводят и подают на смешение с потоком газа, поступающим после сепарации на расширение, при этом предварительное охлаждение исходного газа ведут в рекуперативном теплообмене с газом, поступающим после расширения. The specified technical result is achieved by the fact that in the known method of low-temperature processing of natural gas, including preliminary cooling of the source gas, separation into a gas and liquid phase, gas and liquid removal after separation, gas supply after separation to expand with decreasing temperature and generating energy and heating recuperative heat exchange with the source gas, according to the invention, after heating, the gas stream is divided into two streams, one of which is diverted to compression with the supply of energy obtained upon expansion, the gas after compression is withdrawn and fed to the mixing with the gas stream entering separator after the expansion, the pre-cooling the feed gas is carried out in the regenerative heat exchange with the gas supplied, after expansion.

Кроме того, часть газа после компримирования отводят на охлаждение внешним теплоносителем и подают на смешение с потоком газа, поступающим после сепарации на расширение. In addition, part of the gas after compression is diverted to cooling by an external coolant and is fed into the mixture with the gas stream coming after separation for expansion.

При этом после расширения поток газа направляют на вторичную сепарацию. In this case, after expansion, the gas stream is directed to the secondary separation.

Кроме того, процессы расширения и компримирования ведут в волновом обменнике давления. In addition, expansion and compression processes are conducted in a pressure wave exchanger.

Таким образом, реализация данного технического решения позволяет поддерживать номинальный расход газа через расширительно-компрессионный агрегат и заданный перепад температур при расширении газа, т.е. в конечном итоге достигается сохранение холодопроизводительности и температуры сепарации установки низкотемпературной обработки природного газа. Thus, the implementation of this technical solution allows you to maintain the nominal gas flow rate through the expansion and compression unit and a given temperature difference during gas expansion, i.e. ultimately, the cooling capacity and separation temperature of the low-temperature natural gas processing unit are maintained.

На фиг.1 изображена схема установки, реализующей способ низкотемпературной обработки природного газа; на фиг.2 изображен вариант схемы установки для реализации способа низкотемпературной обработки природного газа, в которой часть газа после компримирования отводят на охлаждение внешним теплоносителем и подают на смешение с потоком газа, поступающим после сепарации на расширение; на фиг. 3 изображен вариант схемы установки для реализации способа низкотемпературной обработки природного газа, в которой часть газа после компримирования последовательно охлаждают внешним теплоносителем и газом, прошедшим расширение, а затем подают на смешение с потоком газа, поступающим после сепарации на расширение; на фиг.4 изображен вариант схемы установки для реализации способа низкотемпературной обработки природного газа, в которой после расширения поток газа направляют на вторичную сепарацию, а процессы расширения и компримирования ведут в волновом обменнике давления. При этом часть газа после компримирования охлаждают теплоносителем и газом, прошедшим расширение; на фиг.5 изображена схема установки с обозначением технологических точек, поясняющая пример реализации способа. Figure 1 shows a diagram of an installation that implements a method of low-temperature processing of natural gas; figure 2 shows a variant of the installation scheme for implementing the method of low-temperature processing of natural gas, in which part of the gas after compression is diverted to cooling by an external heat carrier and fed to the mixture with the gas stream coming after separation for expansion; in FIG. Figure 3 shows a variant of the installation scheme for implementing the method of low-temperature processing of natural gas, in which part of the gas after compression is successively cooled by an external heat carrier and gas that has undergone expansion, and then it is mixed with the gas stream coming after separation for expansion; figure 4 shows a variant of the installation scheme for implementing the method of low-temperature processing of natural gas, in which, after expansion, the gas stream is sent to the secondary separation, and the expansion and compression processes are carried out in a pressure wave exchanger. In this case, part of the gas after compression is cooled by the heat carrier and the gas that has undergone expansion; figure 5 shows a diagram of the installation with the designation of technological points, illustrating an example implementation of the method.

Основными элементами установок, реализующих способ низкотемпературной обработки природного газа (фиг.1-4), являются теплообменники 1, 2 и 3, газожидкостные сепараторы 4 и 5, расширительно-компрессионный агрегат 6, включающий расширительную часть 6' и компрессионную 6''. The main elements of plants that implement the method of low-temperature processing of natural gas (Figs. 1-4) are heat exchangers 1, 2 and 3, gas-liquid separators 4 and 5, expansion and compression unit 6, including an expansion part 6 'and compression 6' '.

Предлагаемый способ низкотемпературной обработки природного газа осуществляют следующим образом (фиг.1). Подлежащий низкотемпературной обработке газ направляют в рекуперативный теплообменник 1, где происходит его предварительное охлаждение, сопровождающееся конденсацией тяжелых углеводородов и паров воды. Далее газожидкостной поток направляют в сепаратор 4, где происходит сепарация на газовую и жидкостную фазы. Жидкостную фазу отводят на дальнейшую переработку или в резервуары товарной продукции, а отсепарированный от жидкости газ подают в турбину 6 турбокомпрессорного агрегата 6, в которой он расширяется с понижением температуры. Процесс расширения газа сопровождается отводов энергии (в данном варианте реализации - механической работы). После расширения газ подают в теплообменник 1, где он нагревается в процессе рекуперативного теплообмена с исходным газом, охлаждая его при этом. Нагретый поток газа делят на два потока, один из которых отводят потребителю, а второй направляют в компрессор 6" турбокомпрессорного агрегата, где происходит сжатие газа за счет энергии (в данном случае механической работы), полученной при расширении. The proposed method for low-temperature processing of natural gas is as follows (figure 1). The gas to be treated at low temperature is sent to a recuperative heat exchanger 1, where it is pre-cooled, accompanied by condensation of heavy hydrocarbons and water vapor. Next, the gas-liquid stream is sent to the separator 4, where there is a separation into gas and liquid phases. The liquid phase is diverted for further processing or to tanks for commercial products, and gas separated from the liquid is supplied to the turbine 6 of the turbocompressor unit 6, in which it expands with decreasing temperature. The process of gas expansion is accompanied by energy diversions (in this embodiment, mechanical work). After expansion, the gas is supplied to the heat exchanger 1, where it is heated in the process of regenerative heat exchange with the source gas, while cooling it. The heated gas stream is divided into two streams, one of which is diverted to the consumer, and the second is sent to the compressor 6 "of the turbocompressor unit, where gas is compressed due to energy (in this case, mechanical work) obtained by expansion.

По мере снижения расхода, поступающего на установку газа, происходит нарушение технологического режима эксплуатации снижается холодопроизводительность и повышается температура сепарации. Поэтому для поддержания проектного режима эксплуатации часть газа после компримирования отводят и подают на смешение с потоком газа, поступающим после сепарации на расширение, что позволяет поддерживать номинальный режим работы турбины. As the flow rate entering the gas installation decreases, the technological mode of operation is violated, cooling capacity decreases and the separation temperature rises. Therefore, to maintain the design mode of operation, part of the gas after compression is diverted and fed to the mixture with the gas stream coming after separation for expansion, which allows maintaining the nominal operating mode of the turbine.

В тех случаях, когда температура сжатого газа высока и может происходить увеличение температуры сепарации, используют внешний теплоноситель, посредством которого, например, через теплообменник 2 отводят из процесса теплоту сжатого потока (фиг.2). In cases where the temperature of the compressed gas is high and an increase in the separation temperature can occur, an external heat carrier is used, through which, for example, the heat of the compressed stream is removed from the process through the heat exchanger 2 (Fig. 2).

Охлаждение сторонним источником холода может осуществляться в комбинации с использованием холода расширенного потока посредством теплообменника 3 (фиг. 3). В зависимости от конкретных условий, а именно при высокой недорекуперации холода в теплообменниках 1 и 3, целесообразно использовать холод расширенных потоков, отходящих к потребителю посредством дополнительных теплообменников (на фиг. не показаны). Cooling by an external source of cold can be carried out in combination with the use of cold from an expanded flow by means of a heat exchanger 3 (Fig. 3). Depending on the specific conditions, namely, when there is a high under-recovery of cold in heat exchangers 1 and 3, it is advisable to use the cold of expanded streams leaving the consumer through additional heat exchangers (not shown in Fig.).

В тех случаях, когда имеет место конденсация жидкости после расширения и охлаждения газа, то поток расширенного газа направляют на вторичную сепарацию в сепаратор 5 (фиг.4). In cases where there is condensation of the liquid after expansion and cooling of the gas, the flow of expanded gas is directed to the secondary separation in the separator 5 (figure 4).

Аналогичным образом осуществляется работа установки низкотемпературной обработки природного газа с использованием в качестве расширительно-компрессионного агрегата волнового обменника давления (фиг.4). Так же как и в турбокомпрессионном агрегате, охлаждение газа в процессе расширения сопровождается получением и отводом энергии, используемой для компримирования газа. Но в отличие от турбокомпрессорного агрегата процесс расширения газа в волновом обменнике давления сопровождается получением не механической работы, а волновой энергии, передача которой к компримируемому газу осуществляется в процессе непосредственного контакта между расширяемым и компримируемым газами. В сравнении с турбокомпрессорным агрегатом волновой обменник давления характеризуется повышенной эксплуатационной надежностью, простотой технического обслуживания и контроля параметров, что в ряде случаев делает предпочтительным его применение в установках низкотемпературной обработки газа. In a similar way, the installation of a low-temperature processing of natural gas is carried out using a pressure wave exchanger as an expansion-compression unit (Fig. 4). As in a turbocompression unit, gas cooling during expansion is accompanied by receipt and removal of energy used to compress the gas. But unlike a turbocompressor unit, the process of gas expansion in a wave pressure exchanger is accompanied not by mechanical work, but by wave energy, which is transferred to the compressed gas in the process of direct contact between the expandable and compressed gases. Compared with a turbocompressor unit, the wave pressure exchanger is characterized by increased operational reliability, ease of maintenance and parameter control, which in some cases makes it preferable to use it in low-temperature gas processing plants.

Пример. На установку низкотемпературной обработки газа (фиг.5) направляют углеводородный газ. Расчетный режим работы установки:
расход обрабатываемого газа 60 тыс. м³/час
давление газа на входе 2,0 МПа
температура газа на входе 303 K
температура сепарации газа 273 K.Example. At the installation of low-temperature gas processing (figure 5) direct hydrocarbon gas. Estimated installation mode:
gas consumption 60 thousand m ³ / h
inlet gas pressure 2.0 MPa
inlet gas temperature 303 K
gas separation temperature 273 K.

Охлаждение скомпримированного газа, возвращаемого на расширение, при снижении расхода обрабатываемого сырья, осуществляют внешними источниками - аппаратами пульсационного охлаждения и (в зимний период) аппаратами воздушного охлаждения. The cooling of the compressed gas returned to the expansion, while reducing the consumption of processed raw materials, is carried out by external sources - pulsating cooling apparatuses and (in winter) air cooling apparatuses.

Технологические параметры установки для трех режимов приведены в таблице, соответствующие точки обозначены на фиг.5. Режим N 1 характеризует ближайший аналог при номинальном расходе обрабатываемого газа. Режим N 2 характеризует ближайший аналог при сниженном расходе обрабатываемого газа. Режим N 3 характеризует работу установки, согласно изобретению, при сниженном расходе обрабатываемого газа. Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что в предлагаемом способе сепарации газа от жидкости достигается стабилизация холодопроизводительности и температуры сепарации, в то время как при использовании ближайшего аналога уменьшение расхода газа на 20% от расчетного приводит к снижению холодопроизводительности генератора холода на 25% и повышению температуры сепарации на 3 K. The technological parameters of the installation for the three modes are shown in the table, the corresponding points are indicated in figure 5. Mode N 1 characterizes the closest analogue at a nominal flow rate of the treated gas. Mode N 2 characterizes the closest analogue at a reduced flow rate of the treated gas. Mode N 3 characterizes the operation of the installation, according to the invention, at a reduced flow rate of the treated gas. An analysis of the data shown in the table shows that in the proposed method of gas-liquid separation, stabilization of the cooling capacity and separation temperature is achieved, while using the closest analogue, a 20% decrease in gas consumption from the calculated one leads to a 25% decrease in the cold generator’s cooling capacity and increase the separation temperature by 3 K.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет стабилизировать холодопроизводительность и температуру сепарации и, тем самым, обеспечить требуемый режим обработки газа. Благодаря этому достигается стабильность и надежность работы газотранспортных систем и одновременно устраняются вынужденные простои оборудования и связанные с этим потери газа и материальных средств. Thus, the use of the invention allows to stabilize the cooling capacity and the temperature of separation and, thereby, to ensure the required mode of gas treatment. Thanks to this, stability and reliability of gas transmission systems are achieved and at the same time, equipment downtime and the associated loss of gas and material resources are eliminated.

Claims (4)

1. Способ низкотемпературной обработки природного газа, включающий предварительное охлаждение исходного газа, сепарацию на газовую и жидкостную фазу, отвод газа и жидкости после сепарации, подачу газа после сепарации на расширение с понижением температуры и получением энергии, которую тратят на компримирование, затем нагревание газа после расширения в рекуперативном теплообменнике с одновременным охлаждением исходного газа, отличающийся тем, что после нагревания часть газа подают на компримирование, после чего часть газа отводят и подают на смешение с потоком газа, поступающим после сепарации на расширение. 1. The method of low-temperature processing of natural gas, including pre-cooling the source gas, separation into a gas and liquid phase, the removal of gas and liquid after separation, the gas supply after separation for expansion with lowering temperature and obtaining the energy that is spent on compression, then heating the gas after expansion in a recuperative heat exchanger with simultaneous cooling of the source gas, characterized in that after heating part of the gas is supplied for compression, after which part of the gas is removed and ayut for mixing with the gas stream entering separator after the expansion. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть газа после компримирования отводят на охлаждение внешним теплоносителем и подают на смешение с потоком газа, поступающим после сепарации на расширение. 2. The method according to claim 1, characterized in that part of the gas after compression is diverted to cooling by an external coolant and fed to the mixture with the gas stream coming after separation for expansion. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что после расширения поток газа направляют на вторичную сепарацию. 3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that after expansion, the gas stream is sent to the secondary separation. 4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что процессы расширения и компримирования ведут в волновом обменнике давления. 4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that the expansion and compression processes are conducted in a pressure wave exchanger.

Images