Система зрідження природного газу із вмістом гелію

37334 Винахід відноситься до галузі кріогенної техніки і може бути використаний при зрідженні природного газу із вмістом гелію з одержанням зрідженого природного газу (ЗПГ) та гелієвого концентрату. Відома система Капиці для зрідження газу, яка містить змішувач, компресор, працюючий від зовнішнього джерела енергії, регенератор, турбодетандер, дросель та сепаратор рідини, причому зріджуваний газ потрапляє на перший вхід змішувача, другий вхід якого з'єднаний з другим виходом регенератора, а вихід - з входом компресора, вихід компресора з'єднаний з першим входом регенератора, другий вхід якого підключений до другого виходу теплообмінника, перший вихід регенератора з'єднаний з входом детандера та з першим входом теплообмінника, вихід детандера з'єднаний з другим входом теплообмінника, з'єднаним також з виходом сепаратора, перший вихід теплообмінника з'єднаний з входом дроселя, вихід яко-го з'єднаний з входом сепаратора рідини (Р.Ф.Баррон. Кріогенні системи. - М.: Енергоатоміздат, 1989. - С. 83, 84, м. 3.20). Загальними ознаками запропонованої системи та аналога є: а) конструктивні вузли: перший компресор, працюючий від зовнішнього джерела енергії, регенератор, перший теплообмінник, перший детандер, перший сепаратор рідини, дросель; б) сполучення: першого виходу регенератора з входом першого детандера, другого виходу регенератора з другим входом першого теплообмінника, другого входу першого теплообмінника з виходом першого сепаратора рідини, першого входу сепаратора рідини з виходом дроселя, привода від зовнішнього джерела енергії з першим компресором. Недоліком системи Капиці є її низька ефективність, пов'язана з тим, що: - значна доля газу розширюється у дроселі без здійснення роботи, таким чином, неефективно використовується перепад тиску газу в системі, що створюється компресором з приводом від зовнішнього джерела енергії, тобто зростають відносні енерговитрати на зрідження одного кілограма газу; - виключається зниження ефективності системи зрідження природного газу через безперервно зростаючу концентрацію гелію в циркулюючому газі за рахунок відбирання гелієвого концентрату з газу зворотного потоку. Вказаний технічний результат досягається тим, що в систему зрідження природного газу із вмістом гелію, що містить перший, другий та третій компресори, регенератор, перший, другий, третій та четвертий теплообмінники, перший та другий детандери, дросель, перший та другий сепаратори рідини, ежекторзмішувач, зовнішній привод першого компресора, вхід системи, перший, другий та третій входи підключення до системи повітряного охолодження, перший, другий та третій виходи підключення до системи повітряного охолодження, причому вхід системи з'єднаний з першим входом ежектора-змішувача, вихід якого з'єднаний з першим входом регенератора, перший вихід якого з'єднаний з входом першого детандера, вихід якого з'єднаний з першим входом першого теплообмінника, перший вихід якого з'єднаний з входом другого сепаратора рідини, перший вихід якого з'єднаний з входом другого детандера, а другий - з входом дроселя, виходи дроселя та другого детандера з'єднані з першим та другим входами першого сепаратора рідини, відповідно, перший вихід першого сепаратора рідини через перший теплообмінник та регенератор з'єднаний з входом першого компресора, який через другий теплообмінник з'єднаний з входом другого компресора, який через третій теплообмінник - з входом третього компресора, вихід якого - з входом четвертого теплообмінника, додатково введені регульований роз'єднувач потоків, вентиль відведення гелієвого концентрату, вихід в систему очищення гелію, вентиль відведення ЗПГ, вихід системи у сховище ЗПГ, причому вихід четвертого теплообмінника з'єднаний з входом регульованого роз'єднувача потоків, перший вихід якого з'єднаний з другим входом ежектора-змішувача, а другий - через вентиль відведення гелієвого концентрату з'єднаний з виходом в систему очищення гелію, другий вихід першого сепаратора рідини через вентиль відведення ЗПГ з'єднаний з виходом системи у сховище ЗПГ. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак винаходу і технічним результатом, якого можна досягти. Введення нових ознак, згідно з формулою винаходу, - регульованого роз'єднувача потоків, перший вихід якого з'єднаний з другим входом ежектора-змішувача, другий через вентиль відведення гелієвого концентрату з'єднаний з виходом у систему очищення гелію, а вхід - з виходом четвертого теплообмінника, а також вентиля відведення ЗПГ, вхід якого з'єднаний з другим виходом першого сепаратора рідини, а вихід - з виходом системи у сховище ЗПГ - дає змогу здійснювати регулюєме відбирання з системи газу зворотного потоку з підвищеною в сотні разів концентрацією гелію, що досягається за рахунок рециркуляції газу в системі та відведення ЗПГ, що практично не має домішок гелію. На кресленні зображена функціональна схема системи зрідження природного газу із вмістом гелію. Система зрідження газу вміщує перший 1, другий 2 та третій 3 компресори, регенератор 4, перший 5, другий 6, третій 7 та четвертий 8 теплообмінники, перший 9 та другий 10 детандери, дросель 11, перший 12 та другий 13 сепаратори рідини, ежектор-змішувач 14, зовнішній привод першого компресора 15, вхід 16 системи, перший 17, другий 18 та третій 19 входи підключення до системи повітряного охолодження, перший 20, другий 21 та третій 22 виходи підключення до системи повітряного охолодження, регульований роз'єднувач потоків 23, вентиль 24 відведення гелієвого концентрату, вихід 25 в систему очищення гелію, вентиль 26 відведення ЗПГ, вихід 27 системи у сховище ЗПГ. Вхід 16 системи з'єднаний з першим входом ежектора-змішувача 14, другий вхід якого з'єднаний з першим виходом регульованого роз'єднувача потоків 23, а вихід - з першим входом регенератора 4. Перший вихід регенератора 4 з'єднаний з входом першого детандера 9, вихід якого з’єдна- ний з першим входом першого теплообмінника 5. Перший вихід першого теплообмінника 5 з'єднаний з входом другого сепаратора рідини 13, перший вихід якого з'єднаний з входом другого детандера 10, а другий - з входом дроселя 11, Вихід дроселя 11 та другого детандера 10 з'єднані з першим та другим входами першого 37334 сепаратора рідини 12, відповідно. Перший вихід першого сепаратора рідини 12 через перший теплообмінник 5 та регенератор 4 з'єднаний з входом першого компресора 1, який через другий теплообмінник 6 з'єднаний з входом другого компресора 2, а другий компресор 2 через третій теплообмінник 7 - з входом третього компресора 3, вихід якого - з входом четвертого теплообмінника 8. Вихід четвертого теплообмінника 8 з'єднаний з входом регульованого роз'єднувача потоків 23, другий вихід якого через вентиль 24 відведення гелієвого концентрату з'єднаний з виходом 25 в систему очищення гелію (на схемі не показана). Другий вихід першого сепаратора рідини 12 через вентиль 26 відведення ЗПГ з'єднаний з виходом 27 у сховище ЗПГ (на схемі не показано). Перший компресор 1 з'єднаний з зовнішнім приводом 15, а другий 2 та третій 3 компресори з'єднані спільним валом з відповідними детандерами 10 та 9. Входи 11, 18, 19 та виходи 20, 21, 22 є входами та виходами підключення, відповідно,, четвертого, третього та другого теплообмінників до системи охолодження оточуючим повітрям (на схемі не показана). Пояснимо призначення елементів системи. Перший 1, другий 2 та третій 3 компресори та другий 6, третій 7 та четвертий 8 теплообмінники призначені для доведення тиску зворотного потоку циркулюючого газу до розмірів, що забезпечують мінімальні відносні енерговитрати на зрідження газу та охолодження його після стиснення до температури, близької до оточуючої. Регенератор 4 та перший теплообмінник 5 призначені для охолодження газу прямого потоку газом зворотного потоку. Перший детандер 9 призначений для охолодження газу в спільному потоці, завдяки його розширенню до проміжного тиску. Другий детандер 10 та дросель 11 призначені для охолодження циркулюючого газу та зрідження частини газу, завдяки його розширенню до тиску в зворотному потоці. Перший 12 та другий 13 сепаратори рідини та вентиль 26 відведення ЗПГ призначені для вилучення рідини з охолодженого циркулюючого газу та відводу її у сховище ЗПГ. Регульований роз'єднувач потоків 23 та вентиль 24 відведення гелієвого концентрату забезпечує регульований відбір частини газу зворотного потоку з підвищеним вмістом гелію в систему очищення гелію. Система для зрідження природного газу із вмістом гелію з вилученням гелієвого концентрату працює наступним образом. Зріджений природний газ із вмістом гелію змішується у ежекторі-змішувачеві 14 з циркулюючим газом, тиск якого був спочатку доведений до розмірів, що забезпечують мінімальні відносні енерговитрати на зрідження газу, з допомогою першого 1, другого 2 та третього 3 компресорів та охолодженого до температури, близької до температури навколишнього середовища, з допомогою другого 6, третього 7 та четвертого 8 теплообмінників. Спільний потік циркулюючого газу з підвищеним тиском (за рахунок використання надмірного тиску зрідженого газу) після ежектора-змішувача 14, проходячи через регенератор 4, перший детандер 9 та перший теплообмінник 5, охолоджується до температури кипіння при проміжному тиску, після чого в другому сепараторі рідини 13 розділяється на два потоки: сухий насичений пар надходить до входу другого детандера 10, а зріджений газ - до входу дроселя 11. В другому детандері 10 та дроселі 11 відбувається зниження тиску циркулюючого газу до тиску, близького до атмосферного, та охолодження його до відповідної температури кипіння, після чого циркулюючий газ надходить до першого сепаратора рідини 12, звідки сухий насичений пар, проходячи зворотнім потоком через перший теплообмінник 5 та регенератор 4, охолоджує прямий потік циркулюючого газу, а зріджений газ з першого сепаратора рідини 12 через вентиль 26 надходить у сховище ЗПГ. Оскільки гелій, який міститься у вихідному газі, не зріджується, то концентрація його в газі зворотного потоку вище, ніж у газі прямого потоку, і підвищується з кожним циклом. Таким чином, за рахунок циркуляції природного газу в системі, безперервного її підживлення зрідженим газом, що містить гелій, та безперервного відведення з системи ЗПГ, що практично не вміщує розчинений гелій, концентрація гелію в циркулюючому газі може бути доведена до бажаного розміру (10-30% від об'єму циркулюючого в системі газу), після чого частина газу зворотного потоку з виходу четвертого теплообмінника 8 через регульований роз'єднувач потоків 23 та вентиль 24 відбирається в систему очищення гелію. Пояснимо роботу системи зрідження природного газу із вмістом гелію на конкретному прикладі. Одним з гелійвмісних родовищ України є Юльївське НГКР, розташоване на території Харківської області. Концентрація гелію в газі Юльївського родовища складає до 0,10%. Рівень добування газу з родовища перевищує 1 млн.м3/добу. При роботі запропонованої системи зрідження на подібному родовищі гелій, який знаходиться у складі газу живлення, практично не потрапляє в рідку фазу та накопичується в циркуляційному контурі, причому його концентрація в циркулюючому газі постійно зростає. 3 часом концентрація гелію в циркулюючому газі може бути збільшена у десятки та навіть у сотні разів, в порівнянні з газом живлення. Край рівня накопичування гелію регулюється завдяки постійному відбиранню збагаченої гелієм суміші з циркуляційного контуру. Коли кількість гелію, що потрапляє до системи з газом живлення, зрівнюється з кількістю гелію, що відбирається з системи через регульоване відведення, подальший зріст концентрації гелію в циркулюючому газі зупиняється. Наприклад, при витратах газу живлення 100 тис.м3/добу (продуктивність системи) з концентрацією гелію на рівні 0,1% в циркуляційний контур за добу потрапляє 100 м3 гелію. При підтримуванні стаціонарного відбору газової суміші з контуру на рівні 1000 м3/добу (1% від продуктивності системи), у суміші, що відбирається, концентрація гелію складає 10%. 37334 Фактично це означає, що із зрідженого газу в системі здобувається гелієвий концентрат з концентрацією гелію в 100 разів вище, ніж в газі живлення. При об'ємі циркулюючого газу у внутрішніх полостях обладнання циркуляційного контуру (приведеному до нормальних умов) на рівні 200 м3 підвищення концентрації гелію в циркулюючому газі у 100 разів потребує не більш ніж 5 годин після пуску системи. Відбір гелієвого концентрату при тиску 1-2 МПа дозволяє, тільки завдяки виморожуванню з нього домішок киплячим при атмосферному тиску азотом, підвищити концентрацію гелію в паровій фазі до 90%. Використання низкотемпературної адсорбції дозволяє знизити концентрацію домішок в гелії до вимог ДСТ. 37334 Фіг.