СПОСОБ РАБОТЫ УЗЛА РЕДУЦИРОВАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА И УЗЕЛ РЕДУЦИРОВАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА Российский патент 1997 года по МПК F25J3/06 

Изобретение относится к средствам транспортирования и использования газа и может найти применение на газораспределительных станциях и в блоках подготовки топливного газа энергетических установок, использующих природных газ.

Известен способ работы узла редуцирования природного газа, включающий отбор газа из магистрального трубопровода высокого давления, его обеспыливание и подачу на регулятор давления, где происходит дросселирование сжатого газа и автоматическое поддержание конечного более низкого постоянного давления в точке отбора импульса из магистрали потребителя независимо от интенсивности потребления.

Недостатком такого способа является возможность образования кристаллогидратов углеводородов, входящих в состав дросселируемого газа. При этом возникает опасность отложения кристаллогидратов в дроссельных органах регуляторов, что приводит к сбою их работы и возникновению аварийной ситуации в системе распределения газа. Кроме того, значительное охлаждение газа при дросселировании (перепад температур входа и выхода на ГРС достигает 30 К.) вызывает промерзание головного участка магистрали потребления, что снижает его эксплуатационную надежность.

Цель изобретения повышение эксплуатационной надежности узлов редуцирования природного газа.

Поставленная цель реализуется способом, заключающимся в том, что отбирают обеспыленный газ высокого давления, дросселируют в регуляторе давления и отводят в магистраль потребителя с автоматическим поддержанием заданного значения пониженного давления, в котором согласно изобретению, газ высокого давления охлаждают путем теплообмена с обратным потоком газа до температуры, отличающейся от температуры конденсации газа при давлении в магистрали потребителя на величину температурного дроссель-эффекта, отделяют образовавшиеся при снижении температуры кристаллогидраты, полученный двухфазный поток сепарируют, удаляют жидкую фазу, а газ обратным потоком с заданным пониженным давлением направляют для теплообмена с прямым потоком газа высокого давления и далее в магистраль с температурой меньшей на 5-7^oK температуры отбираемого газа высокого давления, при этом жидкую (криогенную) фазу природного газа после сепарации двухфазного потока сливают для дальнейшего использования.

Предлагаемый способ позволяет осуществить дросселирование газа близкое к изотермическому, при этом исключить выпадение кристаллогидратов в дроссельном органе регулятора давления (между клапаном и его седлом) и попутно, без дополнительных затрат, получить сжиженный природный газ.

Описанный принцип работы узла редуцирования природного газа дает возможность осуществить дополнительное глубокое осушение потока газа высокого давления перед его дросселированием. Это осушение происходит в результате связывания свободной влаги, образовавшейся в потоке в результате его охлаждения, гидратообразователем (метаном и другими фракциями).

Так как кристаллогидраты, ввиду своей крупнозернистой структуры, легко улавливаются фильтрами (например из стекловолокна или керамики), то поток газа высокого давления после прохождения фильтров содержит влагу только в виде насыщенного пара, парциальное давление которого соответствует температуре потока (173^oK).

При дросселировании потока с таким влагосодержанием дальнейшее выпадение кристаллогидратов и обмерзание элементов дросселирующего органа регулятора давления практически исключено.

Для обеспечения непрерывности процесса редуцирования путем периодического вывода накапливающихся перед дросселем кристаллогидратов, одновременно с отделением кристаллогидратов производят разложение накопившихся (кристаллов), выведенных из прямого потока газа, Для этого часть потока обратного газа, подогретого до температуры больше 273^oK, отбирают из промежуточного сечения теплообменного аппарата и подают на продувку и нагрев накопившихся гидратов. Далее этот поток вместе с газообразными продуктами разложения гидратов возвращают в указанное сечение для дальнейшего теплообмена с прямым потоком газа высокого давления.

Периодический вывод накопившихся перед дросселем гидратов и возврат в поток продуктов их разложения не только обеспечивает непрерывность процесса дросселирования, но и исключает потерю гидратообразователя, т.е. природного газа при работе узла редуцирования по предлагаемому способу. Кроме того, некоторое охлаждение части обратного потока при нагреве и разложении гидратов и возвращение его для охлаждения прямого потока аналогично уменьшению потери холодопроизводительности цикла ("вредных" теплопритоков в установку) и способствует более эффективному получению жидкой фазы природного газа.

Возможность разложения накопившихся гидратов относительно теплым обратным потоком объясняется тем, что физическое существование гидрата природного газа характеризуется двумя величинами давлением и температурой. При этом гидраты могут существовать только при определенных сочетаниях указанных величин. На фиг. 1 в графическом виде представлена зона существования гидратов (зона гидратообразования).

Из графика видно, что при давлении природного газа 1 МПа (давление газа после узла редуцирования) гидраты при температуре большей 273^oK не образуются, а образованные при других условиях разлагаются.

В сравнении с прототипом, т.е. со способом редуцирования газа на газораспределительных станциях, данное изобретение имеет преимущество, заключающееся в том, что газ после редуцирования имеет температуру, отличающуюся от температуры входа на 5-7^oK.

Способ может быть реализован в устройстве, аналогичном устройству для получения сжиженных газов по циклу Линде, выбранный авторами в качестве прототипа устройства.

Данное устройство содержит теплообменник, обеспечивающий теплообмен между прямым и обратным потоками дросселируемого и сжижаемого газа, дроссельный вентиль, установленный в канале прямого потока на выходе из теплообменного аппарата и отделитель жидкой фазы, присоединенный к дроссельному вентилю.

Для надежной работы устройств этой схемы требуется предварительное глубокое осушение рабочего газа до точки росы 200-210^oK. При работе с газом, имеющим большее влагосодержание, возможно забивание проходного сечения дроссельного вентиля кристаллами воды, образовавшимися при охлаждении прямого потока, и нарушение нормальной работы установки. В эксплуатируемых магистральных газопроводах точка росы природного газа задается в пределах 268-263^oK. Следовательно, применение устройства Линде для дросселирования природного газа не обеспечит надежную работу узла редуцирования на газораспределительных станциях.

Цель изобретения создание устройства для реализации нового способа редуцирования газа и обеспечение его надежной и непрерывной работы.

На фиг. 1 изображена графическая зависимость параметров, определяющих зону гидратообразования в природном газе; на фиг. 2 пневмогидравлическая схема устройства для реализации заявляемого способа.

В состав устройства входит магистраль подвода газа высокого давления и магистраль отвода газа пониженного давления 2. Магистраль высокого давления связана с каналом 3 прямого потока газа двухсекционного теплообменного аппарата 4, каналы 5 обратного потока которого соединены с каналами прямого потока через блок фильтров 6 и 7, регулятор давления 8 и сепаратор 9 жидкой фазы редуцируемого газа. Каждый фильтр дополнительно снабжен входными 10, 11 и выходными 12, 13 трубопроводами, которые через входную 14 и выходную 15 соединительные линии сообщены с патрубкам 16, связывающим каналы обратного потока секций теплообменного аппарата. Между местами врезки соединительных линий 14 и 15 в патрубке 16 установлен подпорный дроссель 17, который обеспечивает отбор необходимого расхода газа обратного потока газа для продувки фильтров 6 и 7 через дополнительные трубопроводы 10, 11, 12, 13. В состав устройства входит также криогенный резервуар-накопитель 18, заливной штуцер 19 которого состыкован со сливным патрубком 20 сепаратора жидкой фазы. Трубопровод 21 выдачи криопродукта из резервуара 18 сообщен дополнительной магистралью 22 с полостями фильтров 6 и 7. Дренажный трубопровод 23 с запорным вентилем 24 криогенного резервуара соединен с магистралью 2 пониженного давления после дополнительного настраиваемого дросселя 25, предназначенного для обеспечения превышения давления в сепараторе по отношению к полости криогенного резервуара, что необходимо для слива жидкой фазы. Точка 26 отбора импульса для управления регулятора расхода также расположена за дросселем 25. Обратный клапан 27 предотвращает передавливание криопродукта в сепаратор при закрытии дренажного вентиля 24. Запорная арматура устройства, включающая вентили 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, служит для обеспечения сменной работы фильтров 6 и 7. Вентили 38, 39, 40 предназначены для продувки устройства в пусковой период.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Природный газ из магистрали 1 с давлением 7- 4 МПа и температурой 283- 303^oK поступает в каналы 3 прямого потока газа. За счет теплообмена с обратным потоком температура газа высокого давления снижается до 183- 153^oK. Уровень температуры зависит от начального давления газа. При более высоком начальном давлении газа уровень температуры выше. Такая зависимость заложена в тепловой расчет теплообменного аппарата. Природный газ является гидратообразователем, поэтому при охлаждении газа высокого давления, содержащим пары воды, образуются кристаллогидраты, Кристаллогидраты задерживаются в одном из фильтров 6 или 7 и отделяются от потока газа высокого давления.

Освобожденный от гидратов газ дросселируется в регуляторе давления 8, который автоматически поддерживает давление в точке отбора импульса 26 равное 0,9- 1 МПа. При дросселировании газа в результате проявления эффекта Джоуля-Томпсона температура газа снижается до значениясоответствующего конденсации. При работе устройства в жидкую фазу переходит до 3-5% общего расхода газа в зависимости от начального давления. Двухфазный поток из регулятора давления 8 поступает в сепаратор 9 жидкой фазы. Из сепаратора сжиженный газ через сливной патрубок 20 и обратный клапан 27 выводится в криогенный резервуар накопитель 19, где он хранится при давлении равном давлению в магистрали 2, т. е. при 0,9- 1 МПа. Выдача сжиженного газа из резервуара 19 производится через трубопровод 21 при открытии вентиля 41.

Газ пониженного давления из сепаратора 9 подается в каналы 5 обратного потока теплообменного аппарата 4, где он путем теплообмена охлаждает прямой поток, а сам нагревается. Нагрев происходит до температуры, отличающейся от температуры входа потока высокого давления на 5- 7^oК. Из теплообменного аппарата газ выходит в магистраль 2 пониженного давления и далее поступает потребителю.

После заполнения фильтра, например 7, кристаллогидратом (момент заполнения фильтра устанавливается опытным путем) открытием вентилей 29, 35 включается в работу фильтр 6, а фильтр 7 выводится из потока закрытием вентилей 30, 36. Затем указанный фильтр подключается к патрубку 16 обратного потока через соединительную линию 14, входной трубопровод 11, выходной трубопровод 13 и соединительную линию 15 путем открытия вентилей 31 и 37. В результате, часть обратного потока имеющего температуру и давление, соответствующие условиям разложения гидратов (Р 1 МПа, Т 273^oK фиг. 1) поступает в полость фильтра, где нагревает и разлагает кристаллогидраты. Продукты распада гидрата смешиваются с продувочным газом и поступают в основную часть обратного потока за дросселем 17 и далее на теплообмен с прямым потоком газа. Продувка продолжается до полного освобождения фильтра от гидрата и продуктов его разложения. После окончания продувки выходной трубопровод 11 фильтра 7 вентилем 31 отсоединяется от патрубка 16 и присоединяется через вентиль 33, магистраль 22 к трубопроводу 21 выдачи криопродукта. В резервуаре 18 повышают давление путем закрытия дренажного вентиля 24 и сжиженный газ поступает в полость фильтра 7, где газифицируется, охлаждая нагретый при продувке фильтр. Газ выходит из фильтра через выходной трубопровод 13, вентиль 37 и магистраль 15 и поступает в патрубок 16 обратного потока теплообменного аппарата. Охлаждение фильтра продолжается до достижения его элементами температуры, равной температуре прямого потока газа на выходе из теплообменного аппарата (183-154^oK). Охлажденный фильтр отключается от вспомогательных магистралей вентилями 33 и 37, а давление в резервуаре 18 снижают открытием вентиля 24. Подготовленный к работе фильтр 7 соединяют с каналами прямого потока вентилем 30 и с регулятором 8 вентилем 36, а фильтр 6 отключают от рабочей магистрали вентилями 29 и 35 и выполняют описанные выше операции с помощью вентилей 28, 34, 32.

Периодическое, попеременное освобождение фильтров от кристаллогидратов обеспечивает непрерывность работы устройства.

Использование: в средствах транспортирования и использования газа, преимущественно для газораспределительных станций и блоков подготовки топливного газа энергетических установок. Сущность изобретения: при редуцировании природного газа, поступающего из магистрали высокого давления необходимо исключить выпадение кристаллогидратов природного газа в дросселирующих органах регуляторов давления. Способ включает охлаждение прямого потока природного газа, отделение выпавших при охлаждении кристаллогидратов и последующее дросселирование газа с образованием жидкой фазы и ее сепарацией. Новым в способе является глубокое осущение газа непосредственно перед его дросселированием путем связывания выпадающей свободной влаги в кристаллогидраты и их отделение от потока газа высокого давления. Отделенные кристаллогидраты продувают частью обратного потока газа, выведенного для этого из промежуточного сечения теплообменного аппарата с температурой большей 273 К, а продукты разложения гидратов смешивают с продувочным потоком и направляют на дальнейший теплообмен с прямым потоком газа высокого давления. Узел редуцирования природного газа, предназначенный для реализации способа ,содержит фильтры, попеременно присоединяемые к потоку газа высокого давления после выхода его из теплообменного аппарата перед дросселирующим устройством. Фильтры связаны дополнительными магистралями через запорную арматуру с каналами обратного потока теплообменного аппарата. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ работы узла редуцирования природного газа, включающий отбор газа высокого давления, подачу газа в регулятор давления, его дросселирование и отвод в магистраль потребителя с автоматическим поддержанием заданного значения пониженного давления, отличающийся тем, что отобранный газ высокого давления перед дросселированием охлаждают путем теплообмена с обратным потоком газа до температуры, значение которой отличается от температуры конденсации газа при давлении в магистрали потребителя на величину температурного дроссель-эффекта, отделяют образовавшиеся при снижении температуры кристаллогидраты, а полученный двухфазный поток сепарируют, удаляют жидкую фазу, а газ обратным потоком с заданным пониженным давлением направляют для теплообмена с прямым потоком высокого давления и далее в магистраль потребителя. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что из промежуточного сечения теплообменного аппарата отбирают часть обратного потока газа, подогретого до температуры, большей 273К, подают на продувку и нагрев кристаллогидратов, а затем вместе с газообразными продуктами разложения кристаллогидратов возвращают для дальнейшего теплообмена с прямым потоком газа высокого давления. 3. Узел редуцирования природного газа, содержащий магистрали подвода газа высокого давления и отвода газа пониженного давления, двухсекционный рекуперативный теплообменный аппарат, канал прямого потока которого на входе соединен с магистралью высокого давления, а на выходе с каналами обратного потока через регулятор давления и сепаратор двухфазного потока, причем выход каналов обратного потока соединен с магистралью пониженного давления, отличающийся тем, что устройство снабжено блоком фильтров с запорной арматурой, криогенным резервуаром-накопителем с заливным штуцером, трубопроводом выдачи криопродукта и дренажным трубопроводом, а также патрубком с подпорным дросселем, дополнительной магистралью, при этом блок фильтров присоединен к каналу прямого потока перед входом в регулятор давления, а каждый фильтр дополнительно сообщен входным и выходным трубопроводами с каналами обратного потока двухсекционного теплообменника через соединяющий каналы секций патрубок, в последнем между отводами трубопроводов к фильтрам установлен подпорный дроссель, кроме того, сливной патрубок сепаратора для жидкой фазы соединен с заливным штуцером криогенного резервуара-накопителя, трубопровод выдачи криопродукта которого дополнительной магистралью через запорную арматуру сообщен с полостью каждого фильтра из блока, а дренажный трубопровод криогенного резервуара соединен с магистралью пониженного давления после дополнительного настраиваемого дросселя, установленного на выходе обратного потока из теплообменного аппарата.