Общий сравнительный анализ наиболее распространенных схем сжижения показывает, что классические каскадные установки, наиболее оптимальные с точки зрения затрат энергии, объединяют в единую систему отдельные циркуляционные контуры (как замкнутые, так и разомкнутые), в которых вырабатывается холод на ступенчато понижающихся температурных уровнях.
Классический каскадный цикл на чистых холодильных агентах был применен на первом заводе сжижения газа, построенном в Алжире в 1964—1965 гг. Выбор цикла был продиктован его сравнительной простотой и хорошей изученностью, позволяющей рассчитать все элементы холодильной установки с высокой степенью точности. Цикл представляет собой совокупность трех индивидуальных циркуляционных контуров, вырабатывающих холод на различных ступенчато понижающихся температурных уровнях. В каждом контуре используется чистый однокомпонентный холодильный агент с хорошо известными термодинамическими свойствами, что облегчает выполнение технологических расчетов оборудования контура.
Принципиальная схема установки сжижения с классическим каскадным циклом представлена на рисунке:
Из рисунка видно, что в верхнем пропановом каскаде имеются три ступени дросселирования хладагента, обеспечивающие выработку холода на трех температурных уровнях в интервале +(10… 15)…—37 °С. Холод пропанового контура используется для охлаждения природного газа и конденсации содержащихся в нем тяжелых углеводородов, охлаждения и конденсации холодильных агентов контуров К-1 и К-2. Во втором контуре обычно используется этилен, обеспечивающий возможность выработки холода в температурном интервале —(35..100) °С. Кипение холодильного агента в контуре К-2 реализуется на трех-четырех температурных уровнях. Холод этиленового контура используется для охлаждения и сжижения компонентов природного газа и охлаждения холодильного агента контура К-3.
В контуре К-3, как правило, используется как хладагент природный газ после отделения тяжелых углеводородов в газофракционирующем блоке установки сжижения. Этот газ состоит в основном из метана с небольшой примесью этана и азота. Холодильный агент контура К-3 обеспечивает выработку холода на трех температурных уровнях —(100… 160) °С и используется для полного сжижения и охлаждения высокого давления до температуры —(150 .160) °С. с указанной температурой и давлением около 5 МПа выводится из последнего теплообменника, дросселируется до давления, близкого к атмосферному, и направляется в хранилище. Автоматика таких хранилищ может включать в себя частотомеры Ф 5043.
Пары низконапорного газа, образующиеся при дросселировании , отводятся и используются в качестве топлива в энергетических установках завода сжижения.
Характерной особенностью циклов, использованных на заводах сжижения в г. Арзеве (Алжир) и г. Кенае (Аляска), является то, что пары холодильного агента направляются на всасывание компрессора без рекуперации холода, т. е. с низкой температурой, соответствующей условиям кипения в теплообменниках. Это потребовало разработки специальных компрессоров для сжатия холодильного агента.
Следует отметить сложность конструктивного исполнения блока компрессоров холодильных контуров, отличие компрессоров друг от друга по мощности и хладагенту, а также наличие у каждого компрессора двух-трех промежуточных ступеней.
Мощности между компрессорными агрегатами метанового, эта-нового и пропанового контуров распределяются в отношении 1 : 1,5 : 2,5, где за единицу принята мощность компрессора метанового контура.
В целом установки сжижения с классическим каскадным циклом характеризуются достаточно хорошими термодинамическими показателями, однако реализация указанного цикла сопряжена с необходимостью разработки большого числа многопоточных теплообменных аппаратов, разнотипных компрессоров и приготовления холодильных агентов высокой чистоты — пропана и этилена (составная часть хладагента). Наличие множества теплообменного оборудования и трех типов компрессоров приводит к существенному росту трубопроводных коммуникаций, что, в свою очередь, увеличивает стоимость завода. По данным фирмы «Эйр-Ликид», стоимость сети межцеховых коммуникаций составляет 25 % общей стоимости завода. Кроме того, из-за отсутствия этилена в составе природного газа требуется организовывать производство этилена на месте или доставлять его из других районов.
Анализ технологических схем каскадных установок сжижения природного газа показывает, что снижение энергетических затрат такого цикла достигается увеличением числа каскадов и ступеней сжатия, а также дросселирования хладагентов в каждом каскаде. Это, в свою очередь, приводит к усложнению установки, увеличению числа компрессоров и теплообменников. Такие каскадные установки сжижения природного газа имеют удельное энергопотребление 0,6…0,7 кВт-ч/кг. В установке в г. Арзеве доля сжижения природного газа составляет 0,93. Как указывалось, несжиженный природный газ используют на собственные нужды завода и расположенных вблизи потребителей.
В силу изложенных причин применение классического каскадного цикла было ограничено использованием его только на первых двух заводах сжижения газа в Арзеве и Кенае и на нескольких установках в США для покрытия «пиковых» нагрузок газопотребления средней производительности.
Дальнейшие усилия исследователей и проектантов заводов по производству СПГ были направлены на разработку технологий, позволяющих уменьшить типаж компрессорного оборудования, сократить число теплообменных аппаратов, а также протяженность и металлоемкость технологических трубопроводов.
Выполнение указанных требований было сопряжено с заменой трех типов холодильных агентов на один, состоящий из соответствующей смеси газов и способный обеспечить выработку холода в широком диапазоне температур от +(20…30) °С до —(160…170) °С. В этом случае представилось возможным заменить три типа компрессоров на один при соответствующем уменьшении числа теплообменных аппаратов, что облегчило их выбор, обслуживание, ремонт и протяженность межцеховых коммуникаций.
Решение, удовлетворяющее перечисленным требованиям, впервые было найдено советским ученым профессором А.П. Клименко, который задолго до строительства завода сжижения газа в Алжире разработал технологию сжижения газа на основе однопоточной схемы холодильного цикла на смесях хладагентов (1956). Эта схема нашла широкое применение за рубежом. Цикл совмещает термодинамические преимущества многоступенчатого каскадного цикла и простоту регенеративного дроссельного цикла.
Сущность холодильных циклов на смеси заключается в том, что многокомпонентное рабочее тело — М РТ (от бутанов до метана с азотом) холодильной установки кипит в широком интервале температур — от Т0 (нижней температуры за дросселем) до температуры окружающей среды. Такой интервал кипения рабочего тела в теплообменных аппаратах может обеспечить оптимальное охлаждение технологического потока (природного газа) с минимальными потерями. Вследствие большого числа степеней свободы (отличающиеся качественный и количественный составы МРТ, различные давления в прямом и обратном потоках цикла) практически для любых начальных условий (начального давления сжижаемого газа и его состава) можно подобрать оптимальный режим работы дроссельной регенеративной системы (ДРС), обеспечивающий высокую эффективность процесса сжижения.
Однако при высокой энергетической эффективности установки, выполненной по такой схеме, возникает необходимость в увеличении поверхности теплообменных аппаратов. Значительное снижение поверхности теплообмена может быть достигнуто путем последовательного охлаждения, сепарации и двухступенчатого дросселирования потока смеси. В этом случае величины энергопотребления можно довести до 0,45…0,5 кВт ч/кг СПГ.
Принципиальная схема однопоточного цикла на смешанном холодильном агенте представлена на рисунке ниже. Она предполагает циркуляцию многокомпонентного холодильного агента, состоящего из бутанов, пропана, этана и азота, в замкнутом контуре с помощью одного компрессора.
Холодильный агент после сжатия в компрессоре до некоторого оптимального давления (около 4 МПа), определяемого составом холодильного агента и температурой воды, охлаждается и частично конденсируется в водяных холодильниках. Образовавшаяся газожидкостная смесь подается в сепаратор, из которого жидкая фаза, состоящая в основном из бутана, пропана, этана и азота, направляется для выработки холода, обеспечивающего охлаждение и частичную конденсацию паровой части холодильного агента (из сепаратора ступени I) и природного газа. Образовавшаяся в трубках теплообменника двухфазная смесь холодильного агента направляется в сепаратор ступени II для последующего разделения на паровую и жидкую фазы.
Жидкость из сепаратора второй ступени, состоящая в основном из этана, метана и азота, используется для выработки холода на более низком холодильном уровне с целью конденсации паровой части холодильного агента (из сепаратора ступени II) и сжижения природного газа.
Паровая фаза холодильного агента из сепаратора ступени II представляет собой азотометановую смесь, которая после конденсации и охлаждения используется для выработки холода на температурном уровне — (120… 130)…—170 °С (ступень III).
Разделение холодильного агента в сепараторах ступеней I и II производится при рабочем давлении (около 4 МПа), а кипение холодильного агента в межтрубном пространстве теплообменника осуществляется при низком давлении (около 0,3 МПа). Количество ступеней разделения холодильного агента определяется рядом причин, важнейшей из которых является степень совершенства термодинамического цикла. Для природного газа с относительно небольшим содержанием тяжелых углеводородов при хорошем подборе состава холодильного агента представляется возможным ограничиться даже одной или двумя ступенями разделения холодильного агента. На схеме цикла видно, что теплота испарения холодильного агента низкого давления используется как для конденсации паровой части холодильного агента высокого давления, так и для сжижения природного газа. При такой схеме исключаются затраты на доставку и хранение хладагентов, так как они получаются здесь же прямо из природного газа.
Преимущества технологии, основанной на использовании однопоточных холодильных циклов, оказались столь значительными, что все последующие заводы сжижения природного газа были реализованы на различных модификациях этого цикла.
Очередной ступенью совершенствования технологии сжижения газа явился предложенный французской фирмой «Текнип» процесс «Теаларк с двумя ступенями давления».
Отличительной особенностью процесса является наличие двух групп теплообменных аппаратов, одна из которых используется для получения хладагентов, а другая — для охлаждения и сжижения природного газа. В первой группе теплообменников, составляющих систему промежуточного давления, хладагенты испаряются при дав-лении около 0,6 МПа, во второй — при 0,15 МПа. Образовавшиеся пары из обеих ступеней испарения хладагентов направляются (в соответствии с рабочим давлением) в ступени I или II всасывания компрессора холодильного цикла. Такое решение упрощает про цедуру приготовления хладагентов требуемых составов, поддержания заданного технологического режима и способствует росту термодинамической эффективности цикла.
С использованием процесса «Теаларк с двумя ступенями давления» был построен завод по сжижению газа в г. Скикде (Алжир, 1972—1973), опыт эксплуатации которого подтвердил высокую эффективность процесса, его хорошую управляемость и обоснованность выбора принципа поддержания оптимального режима работы блока сжижения газа. Наличие промежуточной ступени рабочего давления способствовало повышению термодинамической эффективности холодильного цикла. Однако сама схема с точки зрения применяемого оборудования и эксплуатации представляется достаточно сложной.
Решение, обеспечивающее повышение термодинамической эффективности цикла на многокомпонентном хладагенте, было предложено американской фирмой «Эйр-Продактс». Оно заключалось в введении дополнительного пропанового контура, обеспечивающего предварительное охлаждение многокомпонентного хладагента и природного газа.