КОМБИНИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СЖИЖЕНИЯ ГАЗОВ И ИХ ХРАНЕНИЯ НА ОСНОВЕ КРИОГЕННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ СТИРЛИНГА Российский патент 2000 года по МПК F25J1/02 

Изобретение относится к области криогенной техники, криогенных газовых холодильных машин, работающих по обратному циклу Стирлинга, а также сжижения газов и их хранения, в основном природного газа.

Известно, что сжиженный природный газ рассматривается как перспективное жидкое топливо, а температура кипения сжиженных природных газов соответствует температуре -162^oC (113K) (Нефтегазовая вертикаль. Анал. журнал 9 - 10 (24 - 25), М., 1998, стр. 123). Однако существует проблема высокоэффективного получения и хранения сжиженного природного газа, как криогенной жидкости.

Известны устройства простейших газотурбинных установок, состоящих из камеры сгорания топлива, турбины, компрессора и узла нагрузки (электрогенератора) (Манушин Э.А., Михальцев В.Е., Чернобровкин А.П. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. М., "Машиностроение", 1977, стр. 13 - 14). Однако для получения полезной механической энергии (работы) в данных установках необходимо сжигать топливо.

Известны технические решения газовых турбин, в которых энергия сжатого газа при расширении преобразуется в работу одновременно с понижением температуры газа (Чечеткин А. В, Занемонец Н.А. Теплотехника: Учеб. для хим. - технол. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1986. - стр. 307).

Известны технические решения для газификации сжиженных газов перед их раздачей потребителям с применением насосов высокого давления (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М., 1961, стр. 287-288).

Известно устройство сосуда Дьюара для жидкого азота с вакуумно-порошковой изоляцией (Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., - М.: Энергоиздат, 1981, стр. 202).

Известно, что ввиду внешних теплопритоков в емкостях с криогенными жидкостями образуется выпар (пары сжиженных газов), количество которого зависит от многих факторов: формы емкостей; типов теплоизоляции и т.д. (Р.Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр.250). Однако выброс выпара за пределы емкости для хранения сжиженных газов приводит либо к потери ценного продукта, либо к загрязению окружающей среды.

Известно конструктивное решение стационарного резервуара (теплоизолированной емкости) для хранения сжиженного газа (кислорода) с вакуумно-перлитовой изоляцией (Р.Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова, М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 254).

Недостатком данного технического решения является то, что несмотря на достаточно хорошую изоляцию в резервуаре возникают потери сжиженного газа на испарение за счет внешних теплопритоков.

Известно, что причиной низкого КПД реальных ожижителей газов является несовершенство применяемых холодильных циклов и способов сохранения холода (Р.Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. , М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 15).

Известно, что для сжижения газов используются различные циклы, например, с дросселированием или детандерные, однако в области криогенных температур (60 - 160 K) наиболее высокоэффективным циклом является цикл с холодильной машиной, работающей по циклу Стирлинга. Эффективность криогенных машин Стирлинга практически в 2 раза выше по сравнению с другими установками, применяемыми для сжижения газов (Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность. 1982, стр. 185 - 186).

Известно устройство газовой холодильной машины "Филипса", работающей по обратному циклу Стирлинга, предназначенной для сжижения воздуха (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М., 1961, стр. 35). Однако, данная холодильная машина для сжижения природного газа ранее не применялась.

Известна установка для сжижения газов и их хранения, содержащая линию подачи газообразного природного газа, соединяющую магистральный трубопровод с холодильной машиной, линию слива сжиженного газа, соединяющую холодильную машину с теплоизолированной емкостью, и линию выпара сжиженного газа (патент US N 3914949, F 25 J 1/02, 1975). Однако, в целях повышения эффективности установки в целом, целесообразно применить в качестве холодильной машины высокоэффективную холодильную машину, работающую по циклу Стирлинга.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности систем и снижении материальных затрат при сжижении газов, а также решение экологических проблем, связанных с хранением сжиженных газов.

Для достижения этого технического результата, комбинированная установка для сжижения газов и их хранения, содержащая линию подачи газообразного природного газа, соединяющую магистральный трубопровод с холодильной машиной, выполненной в виде машины Стирлинга, линию слива сжиженного газа, соединяющую холодильную машину с теплоизолированной емкостью, и линию выпара сжиженного газа, снабжена в линии подачи газообразного природного газа регулирующим клапаном, расширительной газовой турбиной на одном валу с электрогенератором, расширительной емкостью, в линии слива сжиженного газа сосудом Дьюара, насосом высокого давления и обратным клапаном, в линии выпара сжиженного газа заборным устройством в газосодержащей части емкости, предохранительным клапаном, компрессором, связанным с расширительной турбиной валом через муфту сцепления, обратным клапаном, ресиверной емкостью, заправочными клапанами и баллонами для сжатого газа.

Введение в состав комбинированной установки для сжижения газов и их хранения холодильной машины в виде машины Стирлинга, расширительной турбины, электрогенератора, расширительной емкости в линии подачи газа, сосуда Дьюара, насоса высокого давления в линии слива сжиженного газа, компрессора, связанного с турбиной валом через муфту сцепления, ресиверной емкости и баллонов для сжатого газа в линии выпара, позволяет получить новое свойство, заключающееся в высокоэффективном сжижении природного газа в конденсаторе холодильной машины с последующим сливом в емкость для хранения сжиженных газов за счет теплообмена с рабочим телом криогенной холодильной машины Стирлинга, а также снижение затрат мощности холодильной машины за счет предварительного охлаждения газа при расширении в газовой турбине с одновременным получением дополнительной электрической энергии и отсутствие выброса в окружающую среду выпара сжиженных газов из теплоизолированной емкости при их хранении.

На чертеже изображена комбинированная установка для сжижения газов и их хранения.

В состав установки входит холодильная машина Стирлинга 1, линия подачи газообразного природного газа 2 из магистрального трубопровода 3, линия слива сжиженного газа 4, линия выпара сжиженного газа 5 и теплоизолированная емкость 6. Линия подачи природного газа 2 включает в себя регулирующий клапан 7, расширительную газовую турбину 8 с электрогенератором 9, расположенным на одном валу с турбиной 8, расширительную емкость 10 и соединяет магистральный трубопровод 3 с конденсатором (не показан) холодильной машины 1. Линия слива сжиженного газа 4 состоит из сосуда Дьюара 11, насоса высокого давления 12, обратного клапана 13 и соединяет конденсатор холодильной машины 1 с теплоизолированной емкостью 6 для хранения сжиженного газа. Линия выпара сжиженного газа 5 состоит из заборного устройства 14 в газосодержащей части емкости 6, предохранительного клапана 15, компрессора 16, связанного с валом турбины 8 через муфту сцепления 17, обратного клапана 18, ресиверной емкости 19, заправочных клапанов 20 и баллонов сжатого газа 21.

Комбинированная установка для сжижения газов и их хранения работает следующим образом.

Природный газ повышенного давления из магистрального трубопровода 3 по линии подачи 2 поступает в холодильную машину Стирлинга 1 для сжижения. Сжижение газа обуславливает постоянный перепад давления между трубопроводом 3 и холодильной машиной 1. Для регулирования подачи природного газа предусмотрен регулирующий клапан 7. Проходя через газовую турбину 8, газ расширяется, охлаждается и приводит во вращение вал турбины 8, на одном конце которого расположен электрогенератор 9, обеспечивающий получение электроэнергии, а на другом конце через муфту сцепления 17 - компрессор 16. Муфта 17, в основное время работы установки, отсоединяет компрессор 16 от турбины 8. Газ, предварительно охлажденный при прохождении турбины 8, поступает в расширительную емкость 10, а затем в конденсатор (не показан) холодильной машины 1 для сжижения. Сжиженный газ по линии слива 4 самотеком сливается в сосуд Дьюара 11, а затем насосом высокого давления 12 через обратный клапан 13 подается в теплоизолированную емкость 6. Обратный клапан 13 предотвращают движение рабочей среды в линии 4 в обратном направлении при отключении насоса 12.

За счет внешних теплопритоков в верхней части емкости 6 образуется выпар сжиженных газов. При достижении определенного давления срабатывает предохранительный клапан 15, что служит сигналом для подсоединения компрессора 16 к валу турбины 8 с помощью муфты сцепления 17. В результате этого по линии выпара 5 газообразный выпар через заборное устройство 14, предохранительный клапан 15 поступает в компрессор 16, где сжимается до высокого давления, и поступает через обратный клапан 18 в ресивер 19. Из ресивера 19 по мере его наполнения сжатый природный газ через заправочные клапана 20 подается в баллоны 21 для последующей раздачи потребителям.

Источники информации:
1. Нефтегазовая вертикаль. / Аналитический журнал/ 9 - 10 (24 - 25), М., 1998, стр. 123.

2. Манушин Э.А., Михальцев В.Е., Чернобровкин А.П. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. М., "Машиностроение", 1977, стр. 13-14.

3. Чечеткин А. В., Занемонец Н.А. Теплотехника: Учеб. для хим.-технол. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1986, стр. 307.

4. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература". М., 1961, стр. 287 - 288.

5. Соколов Е. Я. , Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., - М.: Энергоиздат, 1981, стр. 202.

6. Р. Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова, М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 250.

7. Р. Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова., М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 254.

8. Р. Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова., М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 15.

9. Усюкин И. П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185 - 186.

10. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова. /Изд.: "Иностр. литература", М., 1961, стр. 35.

11. Патент US N 3914949, F 25 J 1/02, 1975 - прототип.

В комбинированной установке для сжижения газов и их хранения холодильная машина выполнена в виде машины Стирлинга. Линия подачи газообразного природного газа соединяет магистральный трубопровод с холодильной машиной и снабжена регулирующим клапаном, расширительной газовой турбиной на одном валу с электрогенератором и расширительной емкостью. Линия слива сжиженного газа соединяет холодильную машину с теплоизолированной емкостью и снабжена сосудом Дьюара, насосом высокого давления и обратным клапаном. Линия выпара сжиженного газа включает заборное устройство, предохранительный клапан, компрессор, обратный клапан, ресиверную емкость, заправочные клапаны и баллоны для сжатого газа. Компрессор связан с расширительной турбиной валом через муфту сцепления. Использование изобретения позволит повысить эффективность систем. 1 ил.

Комбинированная установка для сжижения газов и их хранения, содержащая линию подачи газообразного природного газа, соединяющую магистральный трубопровод с холодильной машиной, линию слива сжиженного газа, соединяющую холодильную машину с теплоизолированной емкостью, и линию выпара сжиженного газа, отличающаяся тем, что холодильная машина выполнена в виде машины Стирлинга, линия подачи газообразного природного газа снабжена регулирующим клапаном, расширительной газовой турбиной на одном валу с электрогенератором, расширительной емкостью, линия слива сжиженного газа снабжена сосудом Дьюара, насосом высокого давления и обратным клапаном, линия выпара сжиженного газа снабжена заборным устройством в газосодержащей части емкости, предохранительным клапаном, компрессором, связанным с расширительной турбиной валом через муфту сцепления, обратным клапаном, ресиверной емкостью, заправочными клапанами и баллонами для сжатого газа.