СПОСОБ СНАБЖЕНИЯ ПРИРОДНЫМ ГАЗОМ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F04D25/00 F02C6/00 

Изобретение относится к средствам транспортирования и раздачи потребителям природного газа.

Добываемый природный газ транспортируют на большие расстояния по магистральным газопроводам, давление в которых составляет величину 3-5 Мн/м² При раздаче газа потребителям его давление снижают до 0,3 Мн/м² с помощью соответствующих редукционных установок. Кроме того, часть потребителей снабжают газом в баллонах, для чего газ сжимают до заданного давления 20 Мн/м², заполняют им баллоны и передают последние потребителям, например устанавливают на автотранспорте.

Известны различные технические решения, в которых используют энергию, освобождающуюся при расширении отобранного из магистрального газопровода газа. Например, в [1] описана газотурбинная установка для привода компрессоров на магистральных газопроводах, запуск которой производится пусковой турбиной, работающей за счет расширения газа, поступающего из газопровода.

Однако при использовании такой турбины для сжатия природного газа эффективность установки в целом недостаточно высока.

Известны также технические решения, в которых энергию сжатого газа, отбираемого из магистрального газопровода, используют для сжатия газа в газотурбинной энергетической установке. Например, в [2] с помощью турбодетандера, на котором срабатывают давление отбираемого из магистрального трубопровода газа, приводят во вращение компрессор, сжимающий газ в газотурбинной установке.

Известны также технические решения, в которых получают сжиженный природный газ за счет его сжатия и охлаждения. Например, в [3] при сжатии и охлаждении природного газа из него выводят легкоконденсируемые компоненты, причем для охлаждения используют газ, температура которого понижена за счет дросселирования.

Однако природный газ, полученный из газовых месторождений, и природный газ нефтяных месторождений после отбензинивания содержит в основном метан и их критическая температура составляет величину около 190 К. Давление в баллонах, которые поставляют потребителям, составляет 20 МПа, в связи с чем заполнять их приходится газовой фазой.

Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому является способ снабжения природным газом и устройство для его осуществления [4] принятое за прототип.

Указанный способ заключается в отборе газа из магистрального газопровода, расширении части отобранного газа в турбине до давления равного давлению в газопроводе системы потребления и в сжатии другой части отобранного газа в компрессоре, приводимом турбиной, сжижении газа с использованием эффекта дросселирования части сжиженного газа и заполнении им баллонов.

Установка [4] содержит магистральный газопровод, турбину в качестве редуктирующего устройства, подключенную на входе к линии отбора газа, а на выходе сообщенную с газопроводом системы потребления, а также устройство для заполнения баллонов, имеющее компрессор, соединенный с турбиной и установленный на линии отбора газа, расположенные за компрессором охладитель, переохладитель, дроссельное устройство и расходную емкость с арматурой для подключения баллонов.

Принятые за прототип способ и установка обеспечивают снабжение природным газом различных потребителей, в том числе и автономных, газ которым поставляют в баллонах, однако имеют существенный недостаток, заключающийся в увеличенных затратах на заполнение баллонов газом из-за нерационального использования энергии в технологических операциях, а также из-за увеличенных габаритов и капитальных затрат на устройство для заполнения баллонов.

Целью изобретения является уменьшение затрат на заполнение баллонов газом, для чего необходимо оптимизировать использование энергии и модернизировать оборудование устройства для заполнения баллонов.

Для этого при осуществлении способа снабжения природным газом, заключающегося в отборе газа из магистрального газопровода, расширении части отобранного газа в турбине до давления равного давлению в газопроводе системы потребления и в сжатии другой части отобранного газа в компрессоре, приводимом турбиной, сжижении газа с использованием эффекта дросселирования части сжиженного газа и заполнении им баллонов, перед сжатием газ предварительно охлаждают, используя в качестве хладагента сжиженный газ, затем повышают давление сжиженного газа до значения, равного давлению, необходимому для заполнения баллонов, при этом дросселирование части сжиженного газа, которую используют для охлаждения сжимаемого газа, производят до давления, равного давлению в газопроводе системы потребления.

Для осуществления такого способа в установке, содержащей магистральный газопровод, турбину в качестве редуктирующего устройства, подключенную на входе к линии отбора газа, а на выходе сообщенную с газопроводом системы потребления, а также устройство для заполнения баллонов, имеющее компрессор, соединенный с турбиной и установленный на линии отбора газа, расположенные за компрессором охладитель, переохладитель, дроссельное устройство и расходную емкость с арматурой для подключения баллонов, дополнительно установлен размещенный перед компрессором теплообменник, по охлаждающей стороне на входе подключенный к выходу из турбины, а на выходе к газопроводу системы потребления, насос, соединенный с турбиной и сообщенный на входе с выходом переохладителя, а на выходе с входом по охлаждающей стороне охладителя, при этом дроссельное устройство установлено на линии отбора сжиженного газа после охладителя, а переохладитель по охлаждающей стороне на входе сообщен с выходом из дроссельного устройства, а на выходе с входом охлаждающего газа в теплообменник.

Отличительной особенностью изобретения является то, что перед сжатием газ, отбираемый для заполнения баллонов, предварительно охлаждают, используя в качестве хладагента сжиженный газ, что позволяет регенерировать получаемую в цикле заполнения баллонов пониженную температуру. При этом газ ожижают при более низком давлении, так как критическое давление для метана, основного компонента природного газа, заметно ниже давления, при котором заполняют баллоны (4,7 МПа << 22 МПа). Затем повышают давление сжиженного газа до значения, равного давлению, необходимому для заполнения баллонов, при этом осуществляют сжатие ожиженного газа. В связи с тем, что сжатие жидкости требует значительно меньшего изменения объема, для достижения заданной для заполнения баллонов величины давления энергетически более выгодно сжимать жидкость. Для этого в предлагаемом способе используют дросселирование части сжиженного газа, которую используют для охлаждения сжимаемого газа, при этом дросселирование производят до давления, равного давлению в газопроводе системы потребления, что позволяет использовать получаемую пониженную температуру для предварительного охлаждения отбираемого для заполнения баллонов газа. Таким образом отличительные особенности предлагаемого способа позволяют получить энергетически более выгодный, чем известные цикл сжатия газа, предназначенного для заполнения баллонов.

Соответственно отличительные особенности предлагаемой установки, а именно то, что она дополнительно содержит размещенный перед компрессором теплообменник, по охлаждающей стороне на входе подключенный к выходу из турбины, а на выходе к газопроводу системы потребления, насос, соединенный с турбиной и сообщенный на входе с выходом переохладителя, а на выходе с входом по охлаждающей стороне охладителя, при этом дроссельное устройство установлено на линии отбора сжиженного газа после охладителя, а переохладитель по охлаждающей стороне на входе сообщен с выходом из дроссельного устройства, а на выходе с входом охлаждающего газа в теплообменник, позволяют обеспечить выполнение технологических операций предлагаемого способа.

Использование в приводе, с которым соединены компрессор и насос, турбины, редуцирующей давление газа от величины в магистральном газопроводе до величины давления в газопроводе системы потребления, утилизирует энергию сжатого газа, а включение охлаждающей стороны дополнительного теплообменника между выходом из турбины и газопроводом системы потребления позволяет полезно использовать понижение температуры расширяющегося в турбине газа.

Установка дросселя на линии отбора части сжиженного газа после охладителя и использование получаемого при этом потока переохлажденного газа для захолаживания потока основного газа, отбираемого на заполнение баллонов, позволяет понизить температуру последнего ниже критической, получить на входе в насос, установленный после переохладителя, переохлажденную жидкость, тем самым обеспечить надежную работу насоса и достижение заданного давления 22-23 МПа. При этом сжатая насосом жидкость проходит через охлаждающую сторону собственно охладителя, установленного за компрессором, что позволяет полезно использовать отбираемое после сжатия газа тепло для достижения параметров газа в расходной емкости. Так как критическое давление для метана около 4,7 МПа, а заданное для заполнения баллонов давление составляет 22 МПа, то, сжимая в насосе до заданного давления уже жидкость, получают выигрыш в работе.

Таким образом, отличительные особенности предлагаемого способа и устройства для осуществления этого способа позволяют снизить затраты на заполнение газом заданного давления (20 МПа) баллонов для автономных потребителей. Причем затраты снижаются как за счет более экономного расходования энергии, так и за счет уменьшения габаритов оборудования газозаправочной станции при переходе на турбинное и криогенное оборудование, имеющее более высокую производительность на единицу массы газа.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема установки, поясняющая предлагаемый способ; на фиг.2 Т-S-диаграмма, на которой изображены происходящие при осуществлении способа процессы (диаграмма изображена с искажением масштаба в отдельных зонах).

Буквами русского алфавита а,б,л на фиг.1 и 2 отмечены характерные точки в установке, соответствующие состоянию газа: а в магистральном газопроводе, л в газопроводе системы потребления и т.п.

Установка содержит магистральный газопровод 1, турбину (турбодетандер) 2, газопровод 3 системы потребления, а также устройство для заполнения баллонов 4 сжатым до заданного давления газом. Это устройство содержит установленные на линии отбора газа от магистрального газопровода 1 компрессор 5, охладитель 6 и расходную емкость 7 с арматурой 8 для подключения баллонов 4, а также привод 9, в котором использована турбина 2 и который соединен с компрессором 5 и насосом 10. Установка содержит также переохладитель 11, дополнительный теплообменник 12, дроссельное устройство 13. При этом насос 10 установлен между выходом из переохладителя 11 по охлаждающей стороне и входом в охлаждающую сторону собственно охладителя 6. Дополнительный теплообменник 12 по охлаждаемой стороне установлен перед компрессором 5, а через его охлаждающую сторону пропущен газ от выхода из турбины 2, а также газ от выхода из охлаждающей стороны переохладителя 11, в которую для охлаждения отбирают часть сжиженного газа после охладителя 6 и дросселируют этот отобранный газ в дроссельном устройстве 13.

Способ снабжения природным газом осуществляют следующим образом.

В магистральном газопроводе 1 газ обычно находится при давлении 3,6-5,5 МПа. Для примера рассмотрим отбор расхода G 1 кг/с газа из магистрального газопровода при давлении P_a 3,6 МПа и температуре Т_а 290 К (точка "а" на фиг. 1 и 2). В газопроводе 3 системы потребления газ находится при давлении Р_л 1,2 МПа. Расширяясь в турбине 2 от давления Р_а 3,6 МПа до давления Р_л 1,2 МПа (линия а-к на фиг.2), газ совершает работу, что позволяет при G 1 кг/с получить в турбине 2 мощность около N_турб 100 кВт, при этом температура газа н выходе из турбины 2 составляет величину Т_к 225 К.

Отобрав из магистрального газопровода 1 дополнительно газ в количестве Gб 0,55 кг/с, который предназначен для заправки в баллоны 4, направляют этот поток по охлаждаемой стороне дополнительного теплообменника 12 (линия а-б на фиг. 2). Затем этот газ сжимают в компрессоре 5 до закритического давления (линия б-в), при этом затрачивается мощность около N_комп 90 кВт, параметры газа достигают величины Рв 4,9 МПа, T_в 260 К.

В охладителе 6 сжатый до закритического давления газ охлаждают до температуры ниже критической (линия в-г) за счет отвода тепла в поток, направляемый для заправки баллонов, при этом газ ожижается. Сжиженный газ в переохладителе 11 переохлаждают (линия г-д) и направляют на вход в насос 10. Переохлаждение позволяет обеспечить надежную работу насоса 10, который сжимает жидкость до давления ≈Р_е 23,0 МПа (линия д-е), затрачивая на это мощность N_нас 6 кВт. Таким образом, с учетом потерь в приводе мощности турбины оказывается достаточно для достижения заданного давления.

N_турб 100 кВт > N_комп + N_нас (90 + 6) кВт.

Затем сжиженный газ пропускают через охладитель 6 и направляют в расходную емкость 7 (линия е-к), при этом полезно используется низкая температура сжиженного газа. Подключая с помощью арматуры 8 баллоны 4, заправляют последние газом заданных параметров Р_ж 22 МПа, Т_ж 250 К и передают баллоны потребителям.

Переохлаждение ожиженного газа в переохладителе 11 осуществляют за счет отбора в точке "г" его части (G_охл 0,05 кг/с), дросселирование с помощью дроссельного устройства 13 (линия г-и) и снятия тепла по охлаждающей стороне переохладителя 11 (линия и-к). Использованный в переохладителе для охлаждения газ смешивают с потоком газа, отработанного в турбине 2, и пропускают смесь по охлаждающей стороне дополнительного теплообменника 12 (точка "к" на фиг.2 показывает параметры смеси газа на входе в теплообменник 12), направляя затем газ в газопровод 3 системы потребления (точка "л" на фиг.2).

Таким образом осуществляется снабжение потребителей природным газом от магистрального газопровода через городскую сеть с давлением 1,2 МПа и баллонами, заполненными газом при давлении 22 МПа. На существующих в настоящее время газозаправочных станциях баллоны заполняют с помощью поршневых компрессоров, при этом для сжатия 0,55 кг/с газа от давления 4,0 22 МПа необходимо затрачивать мощность ≈ 700 кВт.

Изобретение позволяет уменьшить затраты на заполнение газом баллонов (700 100 кВт) и при этом использовать менее габаритное оборудование, что также снижает расходы на сооружение и эксплуатацию газозаправочной станции.

Использование: в технике транспортирования природного газа. Сущность изобретения: для уменьшения затрат на заполнение природным газом баллонов 4 предусматривается перепад давления между магистральным газопроводом 1 и газопроводом 3 системы потребления для вращения турбины 2, которая с помощью привода 9 соединена с компрессором 5 и насосом 10. Отобранный для заполнения баллонов газ, охлажденный в дополнительном теплообменнике 12, сжимают в компрессоре 5 до закритического давления, а в охладителе 5 охлаждают до температуры ниже критической. Полученную жидкость переохлаждают в переохладителе 11 и дожимают до заданного давления. За счет использования получаемой при этом низкой температуры в рекуперативных теплообменниках 6, 11 и 12 достигается оптимизация затрат энергии на сжатие газа, заправляемого в баллон 4 из расходной емкости 7. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ снабжения природным газом, заключающийся в отборе газа из магистрального газопровода, расширении части отобранного газа в турбине до давления, равного давлению в газопроводе системы потребителя, и в сжатии другой части отобранного газа в компрессоре, приводимом турбиной, сжижении газа с использованием эффекта дросселирования части сжиженного газа и заполнении им баллонов, отличающийся тем, что перед сжатием газа его предварительно охлаждают, используя в качестве хладагента расширенный газ на выходе из турбины, а после сжатия газа до величины закритического давления его охлаждают, используя в качестве хладагента расширенный газ на выходе из турбины, а после сжатия газа до величины закритического давления его охлаждают до температуры ниже критической, используя в качестве хладагента сжиженный газ, затем сжимают сжиженный газ до давления, равного давлению, необходимому для заполнения баллонов, при этом дросселирование части сжиженного газа, которую используют для охлаждения сжимаемого газа, производят до давления, равного давлению в газопроводе системы потребления. 2. Установка для снабжения природным газом, содержащая магистральный газопровод, турбину в качестве редуктирующего устройства, подключенную на входе к линии отбора газа, а на выходе сообщенную с газопроводом системы потребления, а также устройство для заполнения баллонов, имеющее компрессор, соединенный с турбиной и установленный на линии отбора газа, установленные за компрессором охладитель, переохладитель, дроссельное устройство и расходную емкость с арматурой для подключения баллонов, отличающаяся тем, что установка дополнительно содержит установленный перед компрессором теплообменник, по охлаждающей стороне на входе подключенный к выходу из турбины, а на выходе к газопроводу системы потребления, насос, соединенный с турбиной и сообщенный на входе с выходом переохладитель, а на выходе с входом по охлаждающей стороне охладителя, при этом дроссельное устройство по линии установлено на линии отбора сжиженного газа после охладителя, а переохладитель по охлаждающей стороне на входе сообщен с выходом из дроссельного устройства, а на выходе с входом охлаждающего воздуха в теплообменник.