СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА ПОСЛЕ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ Российский патент 2000 года по МПК F25B9/04 F25B30/00 

Изобретение относится к транспортировке и использованию природного газа, в частности к последней стадии охлаждения газа после компрессорной станции (КС) для работы в летнее время в условиях Крайнего Севера при прохождении газопровода в зоне многолетнемерзлых пород.

Известен способ глубокого охлаждения природного газа после КС с помощью пропановых или пропан-бутановых парокомпрессионных холодильных установок, работающих по замкнутому циклу (А.В. Язик "Системы и средства охлаждения природного газа".- М.: Недра, 1986, с. 119-123).

Главные недостатки известного способа - сложность эксплуатации и управления, высокая стоимость оборудования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату с заявленным изобретением является известный способ охлаждения природного газа, согласно которому транспортируемый газ после КС поступает сначала в рекуперативный теплообменник прямого потока (РТО), где за счет теплообмена с газом обратного потока нагревается и подается в нагнетатель, в котором он нагревается при сжатии. Далее нагретый газ поступает в аппарат воздушного охлаждения (АВО), где охлаждается за счет теплообмена с атмосферным воздухом, и предварительно охлажденный в АВО газ далее доохлаждается в РТО за счет теплообмена с газом прямого потока, после чего газ направляется в детандер (расширительную машину) или через дроссельное устройство, где он охлаждается, далее поступает в газопровод, по которому движется до следующей КС. (см. Справочное пособие под ред. Н.И. Рябцева "Газовое оборудование, приборы и арматура" М.: Недра, 1985, с. 358-362).

Известный способ позволяет существенно улучшить процесс охлаждения и соответственно повысить технико-экономические показатели охлажденного газа, однако также сложен в эксплуатации, недостаточно эффективен в условиях многолетнемерзлых пород и требует значительных увеличений капитальных и эксплуатационных затрат и не позволяет получить необходимую температуру природного газа на выходе из коллектора системы охлаждения.

Техническим результатом предлагаемого способа по изобретению является большее снижение температуры газа в выходном коллекторе по сравнению с дроссельными методами, что достигается более простым способом по сравнению с использованием парокомпрессионных, детандерных и других холодильных машин.

Для достижения технического результата в способе охлаждения природного газа после КС, включающем последовательное воздушное охлаждение природного газа в АВО, охлаждение прямым потоком газа в РТО, заключительное глубокое охлаждение осуществляют в устройстве в виде кожухотрубного теплообменника, в котором часть газового потока в сверхзвуковых каналах разгоняется до числа Маха М=2-5 и, пройдя диффузоры, поступает через дожимной компрессор на вход КС, а другая часть газового потока из межтрубного пространства - (дозвукового канала) подается в газопровод.

При этом температура торможения на выходе сверхзвуковых каналов T₁ относится к температуре торможения на входе в сверхзвуковые каналы Т₀ Т₁/T₀= 0,85-1,2 для реального газа, что обусловлено нагревом сверхзвукового потока газа за счет подвода тепла от дозвукового потока газа и охлаждением за счет падения давления в потоке (см. чертеж ).

В качестве аппарата воздушного охлаждения (АВО) в способе используют известные АВО - АВЗ-75, 2АВГ-75С и др.

Используемое в данном способе энергоразделительное устройство отличается от известного устройства (RU 210 6581, 1998) тем, что в нем сверхзвуковое течение осуществляется не в одном канале, расположенном коаксиально внешней трубе, а в пучке с двумя трубными досками для профилированных сопел и диффузоров. Это позволяет резко увеличить поверхность теплообмена, практически не ухудшая теплообмен в межтрубном пространстве.

Не известны другие такие же изобретения, имеющие признаки, совпадающие со всеми признаками заявляемого способа по изобретению.

Сущность изобретения поясняется следующим.

Число Маха в сверхзвуковых каналах энергоразделительного устройства лежит в пределах М=2-5. При М < 2 эффект снижения температуры в дозвуковом потоке за счет восстановления температуры в сверхзвуковом потоке будет слишком мал. При М > 5 потребуются слишком большие перепады давлений на сверхзвуковых каналах, а это неоправданно увеличит мощность дожимного компрессора.

Отношение полных температур (температур торможения) на выходе сверхзвуковых каналов T₁ (после диффузоров) и входе в сверхзвуковые каналы Т₀ лежит в интервале T₁/T₀=0,85-1,2.

При T₁/T₀ < 0,85 слишком сильно будет падать давление газа в сверхзвуковом канале или слишком велика массовая доля сверхзвукового потока газа, что приведет к неоправданному увеличению мощности не только дожимного компрессора, но и возможно основного газоперекачивающего агрегата.

При T₁/T₀ > 1,2 эффективность теплопередачи в энергоразделяющем устройстве будет очень невысокой, что потребует искусственного развития поверхности, и, следовательно, значительного увеличения падения давления, что приведет к росту мощности дожимного компрессора и низкой эффективности работы энергоразделяющего устройства.

В нижеследующем примере представлено конкретное описание способа по изобретению.

Пример
КС, расположенная в северном районе - городе Надым, имеет производительность газа 4•10³ нм³/ч, диаметр трубы в линейной части газопровода Д_н•δ = 1420 • 17 мм. Средняя температура воздуха в июле (самом теплом месяце) 287.9К, давление и температура природного газа во входном коллекторе P= 5,22МПа; Т= 283,5К, давление и температура в выходном коллекторе КС P= 7,46МПа, Т=314,7К.

После КС газ поступает в АВО, где его температура снижается до 302,9К, затем в РТО, где его температура снижается до 292К.

После этого газ поступает в энергоразделяющее устройство, где происходит его разделение на дозвуковой и сверхзвуковой потоки. В сверхзвуковых каналах газ разгоняется до числа Маха М=4,0 и имеет температуру торможения на выходе из диффузоров за счет нагрева от дозвукового газового потока и охлаждения за счет эффекта Джоуля-Томсона 276К (T₁/T₀=0,945, где Т₀ и T₁ соответственно начальная и конечная температуры (входная и выходная)).

Затем поток, вышедший из диффузоров сверхзвуковых каналов, с помощью дожимного компрессора подается на вход КС.

Газ на выходе из дозвукового канала (межтрубного пространства) энергоразделяющего устройства имеет температуру 283К и затем подается в газопровод.

В результате мы получаем на выходе КС температуру газа такую же, какой она была на входе КС, и при этом предотвращается опасность растепления многолетнемерзлых пород, расположенных под первой после КС опорой газопровода.

Природный газ последовательно охлаждается в аппарате воздушного охлаждения, в рекуперативном теплообменнике, а затем в энергоразделительном устройстве, выполненном в виде кожухотрубного теплообменника, имеющего газоходы выхода холодного и нагретого газа, сверхзвуковые каналы с профилированными соплами и диффузорами, где газовый поток делится на два потока, один из которых проходит через сверхзвуковые каналы, разгоняется до числа Маха М = 2-5 и после этого с помощью дожимного компрессора поступает на компрессорную станцию, а другой - охлажденный поток из межтрубного пространства энергоразделительного аппарата поступает в газопровод. При этом отношение полной температуры на входе в сверхзвуковые каналы к полной температуре на выходе из сверхзвуковых каналов находится в интервале 0,85-1,2. Использование изобретения позволит снизить температуру в выходном коллекторе по сравнению с другими методами охлаждения. 1 ил.

Способ охлаждения природного газа после компрессорных станций, включающий охлаждение его атмосферным воздухом в аппаратах воздушного охлаждения, охлаждение прямым потоком в рекуперативном теплообменнике и глубокое охлаждение в холодильных аппаратах, отличающийся тем, что глубокое охлаждение осуществляют в энергоразделительном устройстве в виде кожухотрубного теплообменника, имеющего газоходы холодного и нагретого газа, пучок сверхзвуковых каналов с профилированными сверхзвуковыми соплами и диффузорами, при этом в энергоразделительном устройстве газ делится на два потока, один из которых в сверхзвуковых каналах разгоняется до числа Маха М = 2 - 5 и после этого газовый поток с помощью дожимного компрессора подают на вход компрессорной станции, а другой охлажденный поток газа из межтрубного пространства - дозвукового канала энергоразделительного устройства подают в газопровод, при этом отношение полной температуры на входе в сверхзвуковые каналы к полной температуре на выходе из сверхзвуковых каналов находится в интервале 0,85 - 1,2.