УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ПОДОГРЕВА ГАЗА В ТРУБОПРОВОДЕ Российский патент 2002 года по МПК F02C1/02 

Настоящее изобретение касается устройства и способа для подогрева газа перед снижением высокого давления и после него.

Многие горючие газы в естественном состоянии или при техническом использовании хранятся под высоким давлением. Например, природный газ, добываемый из подземных месторождений, находится под высоким давлением так же, как газы в подземных газохранилищах или больших напорных резервуарах. Газы, давление которых уменьшается, например, при добыче, подаче из хранилища или в газовой турбине, сильно охлаждаются вследствие расширения. Это создает определенные технические проблемы, поскольку, например, могут обледеневать подводящие трубопроводы, или изменяются физические характеристики газов, или снижается воспламеняемость. Для устранения этих технических недостатков и компенсации охлаждения газ нагревается до или после уменьшения давления. Обычно этот нагрев производится до уменьшения давления, т.е. при высоком давлении газа.

В качестве известных устройств для подогрева, в частности в установках подземных хранилищ природного газа, применяются в основном две различных системы - устройства подогрева газа или газовые нагреватели. Оба типа устройств обычно содержат три составные части: генератор тепловой энергии, теплообменник и систему теплоносителя. Они различаются только по форме выполнения или по типу пространственной конструкции. В устройстве подогрева газ, находящийся под давлением в хранилище, пропускают через теплообменник. В теплообменнике газ нагревают, а соответствующую теплонесущую среду, например смесь воды и этиленгликоля, охлаждают в противотоке параллельного трубопровода. Затем среду теплоносителя вновь нагревают в замкнутом цикле и повторно направляют назад в теплообменник. Регулирование температуры газа осуществляется в большинстве случаев посредством регулирования объема потока теплоносителя, пропускаемого через теплообменник, причем количество подаваемого теплоносителя зависит от снижения температуры газа после уменьшения давления. Контроль за температурой газа возможен также посредством регулирования объема потока газа. В устройствах для подогрева производственные затраты помимо затрат на генератор тепловой энергии, теплообменник и систему теплоносителя включают затраты на здание котельной для генератора тепловой энергии, а также на оборудование для обеспечения безопасности и регулирующее устройство как для котельного агрегата, так и для системы теплоносителя. Подача тепла может осуществляться посредством сжигания жидкого или газообразного топлива, использования электрической энергии или применения газовых теплонасосов.

Газовые нагреватели представляют собой устройства для подогрева, в которых выработка тепловой энергии и ее передача потоку газа, поступающему из хранилища, происходит на одном этапе. Нагреватели представляют собой горизонтальные резервуары, оборудованные в нижней части жаровыми трубами, а в верхней части пучками труб, при этом промежуточное пространство заполнено средой теплоносителя. Газ из хранилища и природный газ, необходимый для нагрева водяной бани, протекают навстречу друг другу в газовом нагревателе, при этом среда теплоносителя нагревается жаровыми трубами. При этом температура газа регулируется непосредственно на генераторе тепловой энергии посредством регулирования потока топлива в соответствии с необходимым расходом тепла. В отличие от устройств для подогрева газа нагреватели природного газа монтируют полностью под открытым небом, и производственные затраты помимо трех вышеуказанных составных частей включают также затраты на оборудование для обеспечения безопасности и на регулирующее устройство как для горючего газа, так и для газа из хранилища.

В отличие от представленной здесь основной концепции из публикации WO 94/11626 (Кюк и другие) известен способ нагрева газа в теплообменнике перед расширением подобно тому, как это описано в обоих вышеописанных устройствах. Однако в этом случае подогрев производят с помощью отработавших газов маленьких теплоэлектростанций блочного типа, причем используют газовый двигатель внутреннего сгорания и генератор. Отработавший газ двигателя внутреннего сгорания нагревает в теплообменнике газ, поступающий из хранилища, до его расширения. С помощью теплоэлектростанции посредством генератора производится электрическая энергия, которая может подаваться в сеть.

Из патента ЕР 0453007 (Фервей) известен первоначальный вариант вышеуказанной системы. В этом случае также используется двигатель внутреннего сгорания, преимущественно газовый двигатель, при этом помимо отработавших газов для нагрева используется отходящее тепло двигателя и необходимый для горения воздух. Воздух перед использованием в двигателе охлаждают в противотоке в теплообменнике. Соответственно применяется несколько теплообменников, при этом предлагается применять один теплообменник до и другой, по возможности, после расширения газа, поступающего из хранилища. В этом случае двигатель внутреннего сгорания также приводит в действие генератор, производящий электрическую энергию.

Патент US 125168 (Нортон и другие) касается устройства для нагрева потока жидкости. При этом отдельные потоки природного газа и воздуха под контролем сжимают, передают в инжекционную область и область смешивания при расширении одного и сжатии другого газа, затем направляют в устройство сгорания и посредством теплообменника используют отработавшие газы для нагревания жидкости. Эта система может быть также использована для нагрева газа, поступающего из хранилища.

Во всех вышеуказанных способах поток газа, поступающий из хранилища, нагревают только в теплообменнике или при использовании теплонесущей среды. Сначала газ до снижения давления, т.е. еще под высоким давлением, нагревают в теплообменнике. Недостаток предложенных устройств с установкой для сжигания состоит в том, что они требуют получения разрешения на использование, а также высокого уровня техники безопасности. Энергию получают или из горючего газа, или газового котла, который топится природным газом. Очевидным недостатком описываемых установок является то, что они не отвечают требованиям экологических нормативов, поскольку ни одна из описанных установок не может использовать теплоту сгорания сжигаемого топлива на 100%. Соответственно низким является коэффициент полезного действия применяемых до настоящего времени установок, то есть для достижения желаемого эффекта необходимо соответственно использовать значительное количество энергии.

Таким образом, в настоящее время существует потребность в устройстве или способе, в котором по экологическим и техническим показателям достигается высокое использование теплоты сгорания и не используется установка для сжигания, для применения которой требуется разрешение. Соответственно устройство должно отвечать требованиям экологических нормативов и экономичного энергообеспечения.

Согласно изобретению предлагается использовать устройство в соответствии с п.1 формулы изобретения.

Ряд опытов неожиданно показал, что возможно осуществлять сжигание под контролем части потока находящегося под высоким давлением горючего газа в закрытом резервуаре и обеспечивать тем самым непрерывный нагрев газа.

Горючий газ подается под высоким давлением из хранилища. Он протекает по трубопроводу до участка, куда подают кислород в чистом или разбавленном виде. Подача может производиться через газовый распределитель, соединенный с запальным устройством и устройством для контроля за процессом горения, или через горелку. Сжигание производят под контролем, при этом расход кислорода или подлежащего подаче кислородсодержащего газа контролируют посредством измерения температуры. При нагреве газа путем непосредственного сжигания в трубопроводе возникает в том числе вода, часть которой может находиться в жидком состоянии. Перед снижением давления газа ее отделяют в сепараторе. Затем давление подогретого насыщенного водяным паром газа снижают до более низкого значения, расширяя его с помощью подходящего устройства, например дроссельного клапана или газовой турбины. Далее установлен термочувствительный датчик, а затем в большинстве случаев еще один водоотделитель, за которым установлена сама по себе известная сушильная установка, например, в виде этиленгликолевой установки мокрой газоочистки.

В настоящем изобретении в отдельных случаях оказывается выгодным проводить сжигание при использовании чистого кислорода или любой смеси из кислорода и воздуха вместо чистого воздуха. Во избежание высоких температур сжигание можно поддерживать также путем использования подходящего катализатора.

Изобретение поясняется описанием способа с привлечением упрощенной технологической схемы (фиг.1).

Горючий газ, в качестве которого в описываемом варианте использован метан, подают из хранилища под давлением, например, 180 бар (18000 кПа). Возможные твердые или жидкие примеси улавливают в сепараторе 6. Температура газа составляет в большинстве случаев в зависимости от условий хранения от 10 до 30^oС. В таком состоянии газ поступает к участку 11 в трубопроводе, куда подают кислород 3 в чистом или разбавленном виде. Подачу производят или через газовый распределитель, соединенный с запальным устройством и устройством для контроля за процессом горения, а также окислительным катализатором, или через горелку, в которой по сравнению с обычными горелками изменено направление потоков природного газа и кислородсодержащего газа. Количество подаваемого кислорода контролируют посредством измерения температуры. Датчик 8 температуры находится в трубопроводе 1 за участком 9, где осуществляют снижение давления, до или после третьего водоотделителя 6b. При нагреве газа путем непосредственного сжигания в трубопроводе среди прочего образуется вода, часть которой может находиться в жидком состоянии. Перед снижением давления газа ее отделяют в водоотделителе 6а. Затем давление подогретого насыщенного водяным паром газа снижают, например, со 180 бар (18000 кПа) до какого-то более низкого значения с помощью подходящего устройства, например газовой турбины. К устройству для снижения давления подключены в любой последовательности датчик 8 температуры и еще один водоотделитель 6b, за которым, как правило, следует сушильная установка 12.

Способ подробнее поясняется на следующих числовых примерах, причем в качестве горючего газа принимается природный газ.

Подаваемый из подземного хранилища природный газ до снижения давления должен быть нагрет так, чтобы температура природного газа после снижения давления до 40 бар (4000 кПа) составляла около 5^oС.

Исходные параметры представлены в таблице.

Термодинамический анализ показывает, что до снижения давления природный газ должен быть нагрет от 20 до 46^oС. Для этого к каждому килограмму природного газа следует добавить 0,0067 кг кислорода, который затем вступит в реакцию с природным газом с образованием Н₂О и СО₂. При других условиях должны соответственно достигаться другие температуры и добавляться другое количество кислорода.

Далее изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов его выполнения со ссылками на чертежи, на которых
фиг. 2 изображает вариант выполнения, в котором сжигание проводят на катализаторе,
фиг. 3 изображает вариант выполнения, в котором сжигание газа проводят в горелке.

В варианте выполнения, показанном на фиг.2, часть газа, чаще природного газа, проходящего по трубопроводу 1, направляют через центральную трубу 2. На входе в центральную трубу 2 по трубопроводу 3 подается кислород. На участке 4 смешивания кислород и газ смешиваются. Для этого участок 4 может содержать встроенные элементы, способствующие процессу смешивания. Сжигание газа происходит на катализаторе 5. В некоторых случаях целесообразно располагать катализатор 5 так, чтобы газ сгорал не весь или неполностью. В этом случае необходимо присоединить дополнительный участок смешивания и дополнительный катализатор. Это пояснено на фиг.2, где показаны элементы 4', 5'. Для того чтобы пропустить газ в достаточном количестве через центральную трубу 2, которая оказывает потоку газа повышенное сопротивление из-за наличия встроенных элементов 4, 5, в поперечном сечении трубопровода 1 в области центральной трубы 2 встраивают элемент аэродинамического сопротивления 60, который в простом случае представляет собой кольцо из жести.

В варианте выполнения, показанном на фиг.3, сжигание природного газа происходит в горелке 7. Горелка 7 размещена в центральной трубе 20, которая находится в трубе 10, через которую подают газ, чаще всего природный газ. Горелка 7 может быть выполнена как простая диффузионная горелка или горелка предварительного смешения. В последнем случае она содержит не показанные на фиг. 3, однако известные по горелке Бунзена устройства, которые позволяют смешивать газ и кислород. Также не показаны на фиг.3 запальное приспособление и устройство для контроля за процессом горения, которые обычно используются при работе горелки. Кислород подается через трубопровод 30. Для улучшения горения целесообразно в центральной трубе 20 разместить еще один катализатор 50'. Аэродинамическое сопротивление 60 служит для направления достаточного потока газа через центральную трубу 20.

Изобретение касается устройства и способа для подогрева газа перед снижением высокого давления и после него. Способ нагрева находящегося под высоким давлением горючего газа перед снижением его давления заключается в том, что нагрев производят сжиганием части газа непосредственно в содержащем газ резервуаре. Нагретый газ затем расширяют. Изобретение позволяет по экологическим и техническим показателям достичь высокого использования теплоты сгорания без привлечения дополнительного устройства для сжигания. 2 с. и 20 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Устройство для нагрева находящегося под высоким давлением горючего газа перед снижением его давления, отличающееся тем, что в устройстве предусмотрен резервуар для нагрева содержащегося в нем газа путем непосредственного сжигания части этого газа, а также устройство для расширения нагретого газа. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержащий газ резервуар представляет собой трубопровод. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что сжигание происходит в среде кислородсодержащего газа. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что кислородсодержащий газ представляет собой чистый кислород. 5. Устройство по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что оно содержит трубопровод для подачи кислорода или кислородсодержащего газа в другой трубопровод для горючего газа, причем трубопровод для подачи кислорода или кислородсодержащего газа установлен с возможностью проникновения в трубопровод для горючего газа, причем трубопровод для подачи кислорода или кислородсодержащего газа выполнен с изгибом таким образом, что плоскость поперечного сечения с отверстием располагается перпендикулярно к направлению потока газа, подаваемого по трубопроводу для горючего газа, с обеспечением смешивания кислородсодержащего газа с подлежащим сжиганию газом, вступающим в реакцию замещения с ним. 6. Устройство по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что находящийся под высоким давлением горючий газ является природным газом. 7. Устройство по одному из пп.1-6, отличающееся тем, что для сжигания предусмотрен катализатор. 8. Устройство по одному из пп.1-7, отличающееся тем, что для высушивания газа и отвода образующейся при горении воды предусмотрены водоотделители, установленные как перед зоной расширения газа, так и после нее. 9. Устройство по одному из пп.1-8, отличающееся тем, что для сжигания предусмотрен газовый распределитель с запальным устройством и при необходимости катализатором. 10. Устройство по одному из пп.1-9, отличающееся тем, что для сжигания предусмотрена горелка, в которой изменены на противоположные направления подачи горючего газа и кислородсодержащего газа. 11. Устройство по одному из пп.1-10, отличающееся тем, что в трубопроводе для горючего газа установлен элемент аэродинамического сопротивления. 12. Способ нагрева находящегося под высоким давлением горючего газа перед снижением его давления, отличающийся тем, что нагрев производят сжиганием части газа непосредственно в содержащем газ резервуаре, причем нагретый газ расширяется. 13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что в качестве содержащего газ резервуара используют трубопровод. 14. Способ по п.12 или 13, отличающийся тем, что для сжигания используют кислородсодержащий газ. 15. Способ по п.14, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего газа используют чистый кислород. 16. Способ по одному из пп.12-15, отличающийся тем, что кислород или кислородсодержащий газ вводят через трубопровод в подводящий горючий газ трубопровод, кислородсодержащий газ смешивают с горючим газом, и смесь подают к месту реакции. 17. Способ по одному из пп.12-16, отличающийся тем, что в качестве находящегося под высоким давлением горючего газа используют природный газ. 18. Способ по одному из пп.12-17, отличающийся тем, что для сжигания используют катализатор. 19. Способ по одному из пп.12-18, отличающийся тем, что для высушивания газа и отвода образующейся при горении воды используют водоотделители, установленные как перед зоной расширения газа, так и после нее. 20. Способ по одному из пп.12-19, отличающийся тем, что для сжигания используют газовый распределитель с запальным устройством и при необходимости с катализатором. 21. Способ по одному из пп.12-20, отличающийся тем, что для сжигания используют горелку, в которой направления потоков горючего газа и кислородсодержащего газа изменяют на противоположные. 22. Способ по одному из пп.12-21, отличающийся тем, что в трубопроводе для горючего газа используют элемент аэродинамического сопротивления.