فرآیند کسکیو در مایع‌سازی گاز طبیعی
مکانیک سرمایش چند مرحله‌ای
در فرآیند کسکد، گاز طبیعی مایع (LNG) در چندین مرحله سرمایش تولید می‌شود که به ترتیب روی عوامل خنک‌کننده مختلفی مانند پروپان، اتیلن و متان اعمال می‌شود. این عوامل خنک‌کننده دمای‌های سردتری را فراهم می‌کنند که معمولاً از دمای محیط به تدریج به -160 درجه سانتی‌گراد می‌رسند. با جداسازی عملکردهای انتقال گرما، این روش از دست‌دهی‌های ترمودینامیکی ناشی از تغییرات بزرگ دما را به حداقل می‌رساند. پیکربندی سه مرحله‌ای آن بار کمپرسور را نسبت به سیستم تک‌مرحله‌ای 40٪ کاهش داده و فشار را برای عملیات ایمن، کمتر از 50 بار حفظ می‌کند. این چرخه سرمایشی با جداسازی مرحله‌ای همچنین کنترل بهتری بر روی گذار فاز گازی فراهم می‌کند که در پایدار کردن محتوای متان LNG اهمیت دارد.
ارزیابی عملکرد انرژی
سیستم‌های کسکد مدرن به بازدهی انرژی نزدیک به 35 کیلووات در تن LNG ، که 22٪ بهبود نسبت به طراحی‌های نسل اولی است. عوامل کلیدی عبارتند از:
- الگوریتم‌های جبران دمای محیط که 12٪ از نوسانات انرژی می‌کاهند
- بازطراحی با توربو اکسپندر که نشت متان را به کمتر از 0.8٪ کاهش می‌دهد
- رویه‌های نگهداری پیش‌بینانه، آمادگی سالانه را تا 93٪ افزایش می‌دهند
تجهیزات قطبی معمولاً به دلیل بار سرمایشی پایه‌ی پایین‌تر، عملکردی 9٪ بهتر از تجهیزات مناطق گرمسیری دارند، همان‌گونه که در تحقیقات ترمودینامیکی سال 2021 نشان داده شد .
مطالعه موردی: تأسیسات بونتانگ، اندونزی
کارخانه گاز مایع (LNG) بونتانگ یک نمونه معمولی از فرآیند کاسکادی است که برای اقلیم‌های گرمسیری و مرطوب تطبیق داده شده است. ظرفیت تولید 22.5 میلیون تن در سال آن مبتنی بر یک سیستم سه مرحله‌ای است که در آن از خنک‌کننده اولیه با کمک آمونیاک استفاده می‌شود و به این ترتیب وابستگی به خنک‌کننده آب دریایی 34٪ کاهش یافته است. این تأسیسات با دمای متوسط ورودی 32 درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند، اما با استفاده از مبدل‌های حرارتی هوا-پره‌ای مقاوم در برابر باران و طوفان، مصرف انرژی ویژه‌ی این کارخانه 37 کیلووات/تن با تنظیم پویای مبرد است. پس از بازسازی – کاهش 15٪ در حجم گاز مشعل از داده‌های مرجع قبلی.
تکنولوژی مبرد ترکیبی تک‌مرحله‌ای (SMR)
چرخه ساده‌شده برای تولید گاز مایع (LNG) در فراساحل
45 SMR - یک مبرد مخلوط تکی، SMR فرآیند مایع‌سازی را برای کاربردهای دریایی ساده‌سازی می‌کند، تمامی مبردها را در یک مخلوط مایع ترکیب می‌کند و پانویس فضای مورد نیاز را تا 40٪ کاهش می‌دهد. این چرخه ساده‌سازی شده به‌ویژه برای واحدهای شناور تولید LNG که فضا بسیار محدود است، مناسب است. پیکربندی‌های مدرن SMR به مصرف ویژه انرژی 0.35 کیلووات‌در ساعت بر کیلوگرم LNG می‌رسند، در عین حال که با ترکیبات بهینه مبرد، صرفه‌جویی جدی در مصرف انرژی مشاهده شده است.
بهینه‌سازی فرآیند محور از هوش مصنوعی
مدل‌های پیشرفته یادگیری ماشین چرخه‌های SMR را به‌صورت زنده بهینه می‌کنند، نسبت مبردها را بر اساس شرایط متغیر گاز ورودی تنظیم می‌کنند. این سیستم‌ها چندین متغیر فرآیندی را تحلیل می‌کنند و بهبود 22 تا 35٪ در کارایی را نسبت به کنترل‌های دستی به‌دست می‌آورند. پیاده‌سازی سال 2023 در یک واحد شناور LNG در جنوب شرق آسیا با الگوریتم‌های نگهداری پیش‌بینی‌کننده، هزینه مایع‌سازی را به میزان 18 دلار بر تن کاهش داد.
سیستم‌های ترکیبی خنک‌کننده C3MR
اصول اولیه خنک‌کننده پروپان
ویژگی‌های ترمودینامیکی گاز پروپان در سیستم‌های C3MR برای خنک‌کاری اولیه گاز طبیعی قبل از چرخه اصلی مخلوط کننده مبرد استفاده می‌شود. در این مرحله از پیش-سردسازی، دمای گازها تا حدود 35- درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد، که این امر موجب کاهش مصرف انرژی در مراحل بعدی می‌شود. پروپان دارای منحنی جوش پیش‌پذیری است که کنترل بسیار خوبی از دما را فراهم می‌کند و این امر استرس حرارتی روی تجهیزات بعدی را به حداقل می‌رساند.
بهره‌وری حرارتی در مقابل SMR
سیستم‌های C3MR نسبت به روش‌های SMR به 22% بهره‌وری حرارتی بیشتری دارند. در محیط‌های قطبی، این رویکرد چندمرحله‌ای مصرف انرژی کم‌فشار را تا 30 تا 40 درصد نسبت به واحدهای SMR تک‌چرخه‌ای کاهش می‌دهد. طراحی ترکیبی همچنین بهره‌وری اکسرژی 0.92 تا 0.95 را در شرایط متغیر حفظ می‌کند.
پروژه گسترش میدان شمالی قطر
پروژه گسترش میدان شمالی قطر از فناوری C3MR برای افزودن ظرفیت 48 میلیون تن در سال تا 2027 استفاده می‌کند. داده‌های پروژه کاهش 17٪ای در مصرف انرژی ویژه را نسبت به واحدهای قدیمی‌تر مبتنی بر SMR نشان می‌دهند، همچنین در آزمایش‌های میدانی، تداوم 98٪ای چرخه مایع‌سازی به دست آمده است.
نوآوری‌های مبرد ترکیبی دوگانه
پیکربندی مبرد دوگانه موازی
سیستم‌های مبرد ترکیبی دوگانه (DMR) از دو مدار مبرد مستقل که به‌صورت موازی کار می‌کنند، استفاده می‌کنند و کنترل دقیق دما را ممکن می‌سازند. این پیکربندی باعث بهبود 15٪ای در کارایی انرژی نسبت به طراحی‌های تک‌حلقه‌ای سنتی می‌شود، در عین حال که تنش تجهیزات را در شرایط نوسان بار کاهش می‌دهد.
ویژگی‌های سازگاری با اقلیم قطبی
فناوری DMR در شرایط اقلیمی بسیار سرد برجسته عمل می‌کند، طراحی‌های بهینه‌شده برای مناطق قطبی قادرند حتی در شرایط پایدار -40 درجه سانتی‌گراد، ظرفیت مایع‌سازی 92٪ را حفظ کنند. این سیستم‌ها در محیط‌های مشابه 28٪ عملکرد بهتری نسبت به واحدهای SMR دارند.
روند پیاده‌سازی کارخانه‌های ماژولار
ماهیت کم‌حجم سیستم‌های DMR باعث کاهش ۴۰ درصدی فضای مورد نیاز برای کارخانه‌های LNG مدولار شده است. واحدهای نصب‌شده روی اسکید از پیش ساخته‌شده امکان استقرار سریع را فراهم می‌کنند و به ۸۰ درصد سرعت بیشتری نسبت به سیستم‌های سنتی به حالت کارکرد کامل می‌رسند، همان‌طور که در تحقیق در مورد مدولاریزه کردن .
کاربردهای انبساط نیتروژن
مزایای ایمنی در واحدهای کوچک LNG
خواص بی‌اثری نیتروژن ایمنی را در واحدهای کوچک LNG افزایش می‌دهد و خطر احتراق را در هنگام کار با گاز کاهش می‌دهد. ثبات شیمیایی آن از واکنش‌های غیرقابل پیش‌بینی با هیدروکربن‌ها جلوگیری می‌کند، در حالی که سیستم‌های پوشش نیتروژن خطر انفجار را ۴۰ درصد نسبت به روش‌های متداول کاهش می‌دهند.
راهبردهای یکپارچه‌سازی بازیابی کربن
انبساط نیتروژن با سیستم‌های بازیابی کربن ترکیب می‌شود تا انتشارات را کاهش دهد و کنترل دقیق از مخلوط گازهای خروجی را ممکن می‌سازد. دستاوردهای اخیر به میزان بازیابی کربن ۹۲ درصدی بدون هزینه‌های قابل توجه انرژی دست یافته‌اند.
عملیات واحدهای کاهش اوج بار
قدرت خنک‌کنندگی سریع نیتروژن در کاربردهای کاهش اوج بحرانی است، جایی که کارخانه‌های LNG باید به سرعت خروجی خود را تنظیم کنند. توربین‌های گسترشی قادرند ظرفیت مایع‌سازی را در عرض 90 ثانیه تا 30٪ افزایش دهند، در عین حال که اتلافات گاز حاصل از تبخیر را تا 18٪ نسبت به گزینه‌های مکانیکی کاهش می‌دهند.
سوالات متداول
فرآیند کاسکاد در مایع‌سازی گاز طبیعی (LNG) چیست؟
فرآیند کاسکاد در مایع‌سازی گاز طبیعی شامل یک فرآیند تبرید چندمرحله‌ای است که از سرمازا‌های مختلف برای خنک‌کردن تدریجی گاز طبیعی استفاده می‌کند و بار کمپرسور را کاهش داده و بهره‌وری انرژی را بهینه می‌کند.
تکنولوژی تک سرمازای مخلوط (SMR) در مقایسه با سایر فرآیندهای LNG چه تفاوتی دارد؟
تکنولوژی SMR با استفاده از یک سرمازای مخلوط واحد، فرآیند مایع‌سازی را ساده می‌کند و به همین دلیل به دلیل کاهش فضای مورد نیاز و عملیات ساده‌تر، برای کاربردهای دریایی مناسب است.
مزایای استفاده از سیستم‌های دو سرمازای مخلوط چیست؟
سیستم‌های مخلوط دوگانهٔ مبرد با بهره‌گیری از عملکرد موازی مدارهای مبرد، بهره‌وری انرژی را تا ۱۵٪ افزایش می‌دهند و کنترل دقیق دما را فراهم می‌کنند و این امر آن‌ها را برای اقلیم‌های سخت مناسب می‌سازد.
چرا از نیتروژن در کاربردهای کوچک‌مقیاس LNG استفاده می‌شود؟
نیتروژن به دلیل خاصیت بی‌اثرش که دارد، مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ زیرا این خاصیت با کاهش خطرات احتراق و به حداقل رساندن خطر انفجار در فرآیندهای دست‌کاری و مایع‌سازی گاز، ایمنی را افزایش می‌دهد.