Proces kriogene ekspanzije u LNG-u

Osnovni mehanizam za tečnost LNG-a

Proizvodnja tečnog prirodnog gasa zavisi od jedne osnovne operacije: izvlačenje toplote iz metana dok ne postane tečnost na otprilike -162°C. Proces kriogena ekspanzije je motor koji to omogućava. To nije samo jedan komad opreme ili samostalni korak, to je termodinamička strategija koja se provodi kroz cijeli vlak tečnosti.

U najlakšem slučaju, proces uzima struju gasa pod visokim pritiskom i širi je preko ograničenja ili kroz turboekspandera. Ekspanzija spušta temperaturu, a taj hladni tok služi kao rashladno sredstvo za sljedeću fazu. Kaskada ekspanzija i razmene toplote postupno hladi gas do dolaska u stanje tečnosti.

Jedinica za odbacivanje dušika (NRU) je kritična primjena ovog principa. Kada prirodni gas sadrži prekomjeran azot koji nema toplotnu vrijednost i zauzima prostor u teretu za LNG NRU ga odvaja pomoću kriogene destilacije - Šta? Proces koristi ekspanziju i kondenzaciju za odvajanje azota iz LNG-a bez upotrebe hemikalija - Šta? Konfiguracija varira u zavisnosti od nitrogena, od jednostavnog kontrolisanog bljeska do sofisticiranijih postavki stripera ili tornja za destilaciju .

To je važno jer specifikacije za gasovod i izvozni ugovori za LNG imaju stroge granice za sadržaj dušika. Bez efikasnog NRU, LNG ili ne ispunjava specifikacije ili proizvođač isporučuje manje energije po kubnom metru nego što bi mogao. U svakom slučaju, ekonomija će biti pogođena.

Turboekspanderi protiv Džul-Thomsonova ventila: Praktična zamjena

Kriogeni ekspanzija se može postići pomoću dva primarna mehanizma: Džul-Thomson ventila i turboekspandera. Oba smanjuju pritisak i temperaturu gasa, ali to rade drugačije, i izbor između njih ima stvarne implikacije na performanse postrojenja.

Džul-Thomson ventil je jednostavan, jeftin i nema pokretne dijelove. Gas se širi kroz ventil, a temperatura pada zbog Joule-Thomson efekta. Utakmica je u tome što je ekspanzija izentalpična, nema posla koji se izvlači iz pada pritiska. Sva energija ide u hlađenje gasa, ali efikasnost je ograničena.

Turboekspander, nasuprot tome, izvlači rad iz dišavanja gasa. Ekspanzija je bliža izentropskom, što znači da se više energije pritiska pretvara u korisni rad (obično pogon kompresora na istom osovu), dok se i dalje postiže pad temperature. Izentropska efikasnost ovih jedinica obično pada u rasponu od 60-70% u zavisnosti od konstrukcije i uslova rada. Taj izvadeni rad može da kompenzuje deo parazitskih opterećenja drugih kompresora u vlaku.

Kompromis je složenost i troškovi. Turboekspander je precizna mašina sa tesnim rastojećima, brzim ležajevima i specijalizovanim pečatima. Zahtijeva održavanje koje JT ventil jednostavno ne može. Za manje postrojenja ili aplikacije gdje je pad pritiska skroman, JT ventil često pobjeđuje na ukupnim troškovima vlasništva. U slučaju vozova sa osnovnim opterećenjem tečnim gasom, gde se povećanje efikasnosti direktno pretvara u veću proizvodnju, turbo-ekspander se vremenom isplati.

Gdje se kriogena ekspanzija pojavljuje u vlaku za LNG

Princip kriogena širenja pojavljuje se na više mjesta u tipičnom vlaku za tečno proizvodnju tečnog prirodnog gasa. Razumijevanje gdje i zašto pomaže da se razjasni zašto ukupni proces funkcioniše na način na koji to radi.

Glavni kriogeni izmenjivač toplote (MCHE) je srce većine pogona za LNG sa osnovnim opterećenjem. Hladno sredstvo obično mješoviti hladno sredstvo ili čisti azot se komprimira, hladi, a zatim se proširuje na kriogene temperature prije nego što uđe na hladnu stranu MCHE-a. Hladno rashladno sredstvo apsorbira toplotu iz plinova na toploj strani, uzrokujući tečnost metana. Korak širenja se događa u turboekspanderu za petlju rashladnog sredstva, a hladno prošireni tok zatim se vraća kroz razmjenjivač.

U aplikacijama odbacivanja dušika, ekspanzija stvara niske temperature potrebne za destilaciju. Uvodni gas je delimično tečen, a tečna frakcija sada obogaćena metanom ide na dno destilacijske kolone dok se para bogata dušikom diže prema vrhu. Reflux koji pokreće ovo odvajanje dolazi od proširenog i tečnog dušika, koji se zatim preparava kako bi se obezbedilo dodatno hlađenje.

Neke manje LNG elektrane koriste ciklus ekspandera sa potpunim dušikom, gdje dušik služi i kao rashladno sredstvo i kao radna tečnost. Dušik se komprimira, hladi protiv ulazne hrane, proširuje se kroz turboekspandator, a zatim se koristi za tečnost metana u jednostavnom toplotnom razmjenjivaču. Ciklus je jednostavan i dobro radi za manje kapacitete gdje složenost sistema mješovitih hladnjaka nije opravdana.

Realni pogled na izazove odbacivanja dušika

Jedinica za odbacivanje dušika zvuči jednostavno u teoriji. U praksi, to je jedan od temperamentnijih dijelova LNG postrojenja.

Tokom projekta u zapadnoj Kanadi prije nekoliko godina, jedan operater je uključio u rad novu NRU koja je dizajnirana da upravlja gasom za hranjenje sa oko 8% azota. Osnova projekta je bila čvrsta, oprema je bila pravilno definisana, a izvođač EPC-a je imao solidno iskustvo sa kriogenskom destilacijom. Ali, stvarni sastav hrane je bio više varijabilan nego što su modeli rezervoara gore predviđali. Sadržaj dušika se povećao na gotovo 11% tokom određenih faza proizvodnje.

NRU se bori da se drži. Dodatni nitrogenski teret je gurnuo destilacijsku kolonu u ono što operateri nazivaju "poplavom" protok pare postao je dovoljno visok da tečnost nije mogla pravilno da se ispušta kroz pladnje. Rezultat je bila loša separacija, sa previše metana koji izlazi iz vazdušnog otvora i previše azota koji ostaje u donjem proizvodu. U ovom slučaju, proizvodnja je bila ograničena na oko 0,5% u odnosu na početnu proizvodnju.

Popravak je uključivao dodavanje drugog turbo-ekspandera u hladnjaču i preusmjeravanje nekih od refluksnih kolona. To je funkcioniralo, ali je koštalo operatera nekoliko mjeseci izgubljene proizvodnje i kapitalnih troškova koji nisu bili u izvornom budžetu.

Lekcija je da su procesi kriogene ekspanzije osjetljivi na varijabilnost hrane. Izvršitelj koji to razume će izgraditi fleksibilnost u dizajn preoblikujući određenu opremu, dodajući mogućnost prekida i uključivši obilaznice koje omogućavaju operativna podešavanja. Izvršitelj koji postupa sa procesom kao sa fiksnim receptom će isporučiti biljku koja na papiru odlično radi, ali se bori u stvarnom svijetu.

Razmatranja efikasnosti i šta tačno znače brojevi

U industriji LNG-a se mnogo govori o efikasnosti procesa, ali brojevi ne znače uvijek ono što ljudi misle.

Proces kriogene ekspanzije može postići značajno poboljšanje efikasnosti tečnosti kada je pravilno optimizovan. Istraživanja su pokazala da optimizovani dizajn turboekspandera može povećati izentropnu efikasnost za otprilike 5% u odnosu na konvencionalne pristupe srednje linije. U kontekstu vozova sa osnovnim teretom za LNG, to se pretvara u mjerljive dobitke proizvodnje. Prema nekim procenama, povećanje proizvodnje LNG-a za 5-7% rezultira poboljšanjem performansi ekspanzera.

Ali ti brojevi dolaze sa upozorenjima. Povećanje efikasnosti u velikoj meri zavisi od specifičnih uslova rada pritiska na ulazu, sastava gasa, temperature okoline i konfiguracije ostatka voza. 5% poboljšanje isentropne efikasnosti ekspandera ne znači 5% povećanje ukupne proizvodnje postrojenja. Stvarni uticaj je manji i varira od jedne instalacije do druge.

Drugo je pouzdanost. Turbo-ekspander koji padne uzima hladnjaču sa sobom. U pogonu za LNG sa jednim vozom, to znači da se cela proizvodnja zaustavlja. Zbog toga mnogi operatori nose rezervne rotorske sklopove i imaju sporazume o razmjeni sa proizvođačem. Troškovi tog redundantnosti moraju biti uključeni u ekonomiju životnog ciklusa, a ne samo u poređenje prvog troška između JT ventila i turbo-ekspandera.

Zašto je izbor procesa bitan za dugoročne operacije

Prihvat kriogena ekspanzije izabran tokom faze projektovanja oblikuje iskustvo rada za narednih 20 do 30 godina. Postrojenje dizajnirano oko jednostavnih JT ventila biće jeftinije za izgradnju i lakše za održavanje, ali će potrošiti više energije po toni proizvedene tečne prirodne energije. U skladu sa tim, u skladu sa člankom 3. stavkom 1.

Ne postoji univerzalno tačan odgovor. U skladu sa člankom 3. stavkom 1. ovog Pravilnika, za potrebe upravljanja gasom, upravljački subjekti mogu da se odluče o tome da li će se koristiti za proizvodnju gasova.

Ono što je važno je da izvođač EPC-a razume kompromise i da ih može jasno objasniti. Izvršitelj koji gura turbo-ekspandere za svaki projekat jer zvuče naprednije čini vlasniku lošu uslugu. Isto tako, izvođač koji je na svakom projektu isključio JT ventile jer su jednostavniji ostavlja novac na stolu koji bi mogao biti zaradio kroz bolju efikasnost.

Najbolji pristup je dizajn koji odgovara složenosti procesa specifičnim okolnostima projekta. Za projekte u kojima je sastav hrane dobro poznat i stabilan, jednostavnija šema proširenja može biti savršeno adekvatna. Za projekte sa promenljivim napajanjem ili gdje su troškovi energije visoki, dodatna ulaganja u turbo-ekspandere i sofisticiranije cikluse hlađenja obično se isplaćuju.

Kriogena ekspanzija nije tehnologija za sve. To je alat za opcije koje treba da se podudaraju sa aplikacijom. Ugovornici koji to shvataju i koji imaju praktično iskustvo da naprave pravu odluku, oni su oni sa kojima vrijedi raditi. Greenfir donosi tu vrstu praktične inženjerske procene kriogenih gasnih procesa, podržan ASME-ovom U-štampom i dizajnerskim centrom sa dubokim korijenima u domaćoj industriji kriogenih opreme. .