СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ РАСШИРЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА Российский патент 2003 года по МПК F02C1/02 

Изобретение предназначено для использования в системах снижения давления газа от высокого, например от давления скважины или магистрального газопровода, до давления, необходимого потребителю.

Известны способы снижения давления газа, поступающего из скважины или из магистрального газопровода, путем дросселирования с помощью редукторов, вентилей, кранов и т.д. [Политехнический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1977, стр. 153, 420].

Эти способы не утилизируют энергию расширения газа и образующийся при этом холод. При этом требуются сложные устройства и затраты дополнительной энергии для предотвращения засорения редукторов влагой и льдом, образующимися при их работе.

Известен способ утилизации энергии расширения природного газа при снижении его давления от магистрального или от давления скважины до необходимого давления путем преобразования энергии расширения природного газа в механическую энергию. [RU 2117173 С1, МПК 6 F 02 C 1/02, 1996]. Этот способ осуществляют в утилизационной энергетической установке, вход которой соединен с выходом из скважины или с магистралью газопровода газа с повышенным давлением, а выход - с магистралью газа с пониженным давлением или с потребителем газа. Эта утилизационная энергетическая установка содержит детандер, например расширительную турбину, и кинематически связанный с детандером преобразователь механической энергии, например электрогенератор. Такой способ позволяет утилизировать энергию расширения газа при снижении его давления.

Однако этот способ не создает возможности утилизации холода, образующегося при расширении газа. Такой способ имеет сниженный кпд.

Известен способ утилизации энергии расширения природного газа при снижении его давления от высокого до необходимого путем преобразования энергии расширения природного газа в механическую энергию с одновременным использованием охлажденного при снижении давления природного газа в качестве хладагента для получения холода [SU 844797 А1] (прототип).

Однако этот способ предусматривает снижение давления природного газа в один этап и потому имеет сниженный общий кпд.

В основу настоящего изобретения положена задача повышения утилизации холода, создающегося при снижении давления природного газа; выработки больших количеств энергии и холода, а также повышения общего кпд способа утилизации энергии расширения природного газа.

Поставленная задача в предлагаемом способе решается тем, что в известном способе утилизации энергии природного газа при снижении его давления от высокого, например магистрального, до необходимого путем преобразования энергии расширения природного газа в механическую энергию с использованием охлажденного при снижении давления природного газа в качестве хладагента новым является снижение давления природного газа в два или более последовательных этапов и одновременное использование, по меньшей мере, части природного газа после первого и/или после соответствующего последующего этапа снижения давления природного газа в качестве хладагента для получения и использования холода. При этом другую часть природного газа после первого и/или после соответствующего последующего этапа снижения давления природного газа или весь природный газ, использованный в качестве хладагента, используют для последующего этапа преобразования энергии расширения природного газа в механическую энергию.

Благодаря поэтапному снижению давления природного газа и использованию в качестве хладагента всего природного газа или части природного газа после первого и/или после соответствующего последующего этапа снижения давления природного газа повышается общий кпд способа.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 представлена схема утилизационной энергетической установки, включающей расширительную газовую турбину, имеющую часть высокого давления и часть низкого давления, два теплообменника-холодильника и электрогенератор.

На фиг. 2 представлена схема утилизационной энергетической установки, включающей расширительную газовую турбину, имеющую часть высокого давления, часть среднего давления и часть низкого давления, три теплообменника-холодильника и электрогенератор.

На фиг. 3 представлена схема утилизационной энергетической установки, включающей расширительные газовые турбины высокого давления, среднего давления и низкого давления, три теплообменника-холодильника и три электрогенератора.

Изобретенный способ иллюстрируется описаниями примеров его лучшего осуществления, причем примеры осуществления способа утилизации энергии расширения природного газа описаны при изложении работы примеров осуществления установки, в которой реализован изобретенный способ.

Пример 1 (фиг. 1).

Утилизационная энергетическая установка содержит расширительную газовую турбину, состоящую из соосно расположенных части 1 высокого давления (ЧВД 1) и части 2 низкого давления (ЧНД 2). Вход ЧВД 1 соединен с магистралью 3 природного газа с повышенным давлением. Эта магистраль 3 может являться магистральным газопроводом природного газа высокого или среднего давления, газопроводом газораспределительной станции, тепловой электростанции, котельной, скважины в месте добычи природного газа и т.д. (Эти объекты на чертежах не показаны). С единым валом ЧВД 1 и ЧНД 2 кинематически или непосредственно связан вал электрогенератора 4, подающего электрический ток потребителю 5 электрической энергии. Выход ЧВД 1 соединен как со входом ЧНД 2, так и со входом теплообменника-холодильника 6. Выходной патрубок хладагента теплообменника-холодильника 6 соединен с магистралью природного газа с пониженным давлением, по которой газ подают потребителю 7.

На выходе газа из ЧНД 2 расширительной газовой турбины установлен теплообменник-холодильник 8, входной патрубок хладагента которого соединен с выходом природного газа из ЧНД 2 расширительной газовой турбины, а выходной патрубок теплообменника-холодильника 8 - с магистралью природного газа с пониженным давлением, подающей природный газ потребителю 9 газа.

Утилизационная энергетическая установка работает следующим образом. Природный газ из магистрали 3 с повышенным давлением поступает в ЧВД 1, вращая последнюю, расширяясь и охлаждаясь. Часть этого природного газа поступает в ЧНД 2, а другая часть - на входной патрубок со стороны хладагента теплообменника-холодильника 6. Частично охлажденный и частично снизивший давление природный газ проходит через теплообменник-холодильник 6. Затем природный газ с необходимым давлением поступает к потребителю 7 газа.

Другая часть газа, поступившая в ЧНД 2 расширительной газовой турбины, дополнительно совершает работу, снижает давление и охлаждается. Из ЧНД 2 этот газ поступает во второй теплообменник-холодильник 8, где природный газ нагревается, а холод от газа отбирается. Затем природный газ с пониженным давлением поступает потребителю 9 газа. Расширительная газовая турбина, включающая ЧВД 1 и ЧНД 2, вращает электрогенератор 4. Электрический ток поступает потребителю 5 электрического тока.

Холод может быть использован для морозильных камер, ледовых катков и т. п. , а также для сжижения природного газа, добываемого из скважин. Полезная работа, совершаемая газом при расширении, может быть использована в том числе для сжижения газа и энергоснабжения отдельно стоящей скважины природного газа.

Пример 2 (фиг. 2).

Утилизационная энергетическая установка включает расширительную газовую турбину, содержащую расположенные на одном валу часть 10 высокого давления (ЧВД 10), часть 11 среднего давления (ЧСД 11) и часть 12 низкого давления (ЧНД 12). Вход ЧВД 10 соединен с магистралью 13 газа с повышенным давлением. Выход ЧВД 10 соединен как со входом ЧСД 1, так и со входным патрубком со стороны хладагента теплообменника-холодильника 16. Выход газа из теплообменника-холодильника 16 соединен с потребителем 17 газа с пониженным давлением. Выход ЧСД 11 соединен как со входом ЧНД 12, так и со входным патрубком со стороны хладагента теплообменника-холодильника 18. Выход газа из теплообменника-холодильника 18 соединен с потребителем 19 газа с пониженным давлением. Выход ЧНД 12 соединен со входным патрубком со стороны хладагента теплообменника-холодильника 20. Выход газа из теплообменника-холодильника 20 соединен с потребителем 21 газа с пониженным давлением.

Утилизационная энергетическая установка работает следующим образом. Природный газ из магистрали 13 с повышенным давлением газа поступает в ЧВД 10, вращая последнюю, расширяясь и охлаждаясь. Часть этого природного газа поступает в ЧСД 11, вращая последнюю, расширяясь и охлаждаясь, а другая часть поступает на входной патрубок со стороны хладагента теплообменника-холодильника 16, из которого природный газ поступает к потребителю 17 природного газа с пониженным давлением. Давление, необходимое потребителю 17 природного газа, может быть выше, чем давление, необходимое остальным потребителям 19 и 21 газа. Другая часть потока природного газа совершает работу в ЧСД 11, дополнительно снижает давление и охлаждается. Далее поток природного газа разветвляется. Одна часть этого потока поступает на входной патрубок со стороны хладагента теплообменника-холодильника 18, из которого природный газ поступает потребителю 19 газа. Остальной поток природного газа поступает на вход ЧНД 12, вращая последнюю, расширяясь и охлаждаясь. Затем природный газ поступает в теплообменник-холодильник 20, из которого поступает к потребителю 21 природного газа с пониженным давлением. Расширительная газовая турбина вращает электрогенератор 14, вырабатывающий ток для потребителя 15 электрической энергии.

Холод может быть использован для морозильных камер, ледовых катков и т. п. , а также для сжижения природного газа, добываемого из скважин. Полезная работа, совершаемая газом при расширении, может быть использована в том числе для сжижения газа и энергоснабжения отдельно стоящей скважины природного газа.

Пример 3 (фиг. 3).

Утилизационная энергетическая установка включает расширительную газовую турбину 22 высокого давления (ТВД 22), вход которой соединен с магистралью 23 газа с повышенным давлением. Вал ТВД 22 кинематически или непосредственно связан с электрогенератором 24, который электрически соединен с потребителем 25 электрической энергии. Выход ТВД 22 соединен со входным патрубком со стороны хладагента, иначе говоря, со входом по газу теплообменника-холодильника 26. Выход по газу теплообменника-холодильника 26 соединен со входом расширительной газовой турбины 27 среднего давления (ТСД 27). Вал ТСД 27 кинематически или непосредственно связан с электрогенератором 28, который электрически соединен с потребителем 29 электрической энергии. Выход ТСД 27 соединен со входным патрубком со стороны хладагента, иначе говоря, со входом по газу теплообменника-холодильника 30. Выход по газу теплообменника-холодильника 30 соединен со входом газовой расширительной турбины 31 низкого давления (ТНД 31). Вал ТНД 31 кинематически или непосредственно связан с электрогенератором 32, который электрически соединен с потребителем 33 электрической энергии. Выход ТНД 31 соединен со входом по газу теплообменника-холодильника 34. Выход по газу теплообменника-холодильника 34 соединен с потребителем 35 газа низкого давления.

Утилизационная энергетическая установка работает следующим образом. Газ из магистрали 23 с повышенным давлением поступает в ТВД 22, вращая последнюю, расширяясь и охлаждаясь. Из ТВД 22 природный газ поступает в теплообменник-холодильник 26, в котором холод утилизируется, а природный газ нагревается и расширяется. Далее природный газ поступает в ТСД 27, вращая последнюю, расширяясь и охлаждаясь. Затем природный газ поступает в теплообменник-холодильник 30, в котором холод утилизируется, а природный газ нагревается и расширяется. Из теплообменника-холодильника 30 нагревшийся и расширившийся природный газ поступает в ТНД 31, вращая последнюю, расширяясь и охлаждаясь. Из ТНД 31 природный газ поступает в теплообменник-холодильник 34, в котором холод утилизируется, а природный газ нагревается и расширяется. Затем природный газ поступает к потребителю 35 природного газа с пониженным давлением. ТВД 22, ТСД 27 и ТНД 31 вращают соответственно электрогенераторы 24, 28 и 32, которые подают ток соответственно потребителям 25, 29, 33 электрической энергии. Электрогенераторы 24, 28 и 32 могут быть подключены к единой электрической сети.

Благодаря поэтапному охлаждению природного газа в ТВД 22, ТСД 27 и ТНД 31 и поэтапному нагреванию в теплообменниках-холодильниках 26 и 30 происходит повышение общего кпд утилизационной энергетической установки.

Изобретение может быть использовано для решения широкого круга практических задач получения дополнительной энергии и недорогого холода. Изобретение может применяться при выходе природного газа с повышенным давлением непосредственно из скважин для добычи газа, а также при снижении давления природного газа от магистрального давления до давления, необходимого потребителю и т.д.

В приведенных примерах лучшего осуществления изобретения в качестве детандера использована расширительная газовая турбина. Однако вместо расширительной газовой турбины может быть использован детандер любого типа, в частности поршневой или роторный детандер, в том числе состоящий из частей высокого и низкого давления или из частей высокого, среднего и низкого давления.

Вместо и/или одновременно с электрогенератором могут быть использованы турбины, насосы, вентиляторы, лебедки, иные преобразователи механической энергии.

Описанный в примерах лучшего осуществления изобретения способ утилизации энергии расширения природного газа может быть осуществлен непосредственно у скважин природного газа, если давление природного газа при выходе из скважины превышает давление, необходимое для магистрального газопровода. При этом холод может быть использован для сжижения природного газа, добываемого из скважин. Полезная работа, совершаемая газом при расширении, может быть использована в том числе для сжижения газа и энергоснабжения отдельно стоящей скважины природного газа. Осуществление предлагаемого способа весьма эффективно в местах соединения магистрального газопровода с установками подачи природного газа крупным потребителям (электростанциям, сетям бытового природного газа в населенных пунктах).

Способ утилизации энергии расширения природного газа при снижении его давления от высокого до необходимого производят путем преобразования энергии расширения природного газа в механическую энергию с использованием охлажденного при снижении давления природного газа в качестве хладагента для получения холода. Снижение давления природного газа осуществляют в два или более последовательных этапов одновременно с преобразованием энергии расширения природного газа в механическую энергию на каждом из этих этапов. По меньшей мере часть природного газа после первого и/или после соответствующего последующего этапа снижения давления природного газа используют в качестве хладагента для получения холода. Другую часть природного газа после первого и/или после соответствующего последующего этапа снижения давления природного газа или весь природный газ, использованный в качестве хладагента, используют для последующего этапа преобразования энергии расширения природного газа в механическую энергию. Изобретение позволяет повысить общий кпд. 3 ил.

Способ утилизации энергии расширения природного газа при снижении его давления от высокого до необходимого путем преобразования энергии расширения природного газа в механическую энергию с использованием охлажденного при снижении давления природного газа в качестве хладагента для получения холода, отличающийся тем, что снижение давления природного газа осуществляют в два или более последовательных этапов одновременно с преобразованием энергии расширения природного газа в механическую энергию на каждом из этих этапов, причем по меньшей мере часть природного газа после первого и/или после соответствующего последующего этапа снижения давления природного газа используют в качестве хладагента для получения холода, а другую часть природного газа после первого и/или после соответствующего последующего этапа снижения давления природного газа или весь природный газ, использованный в качестве хладагента, используют для последующего этапа преобразования энергии расширения природного газа в механическую энергию.