УСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ РАСШИРЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА Российский патент 2003 года по МПК F25B11/00 

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

Известны устройства (редукторы, вентили, краны и т.д.) для снижения давления природного газа, поступающего из скважины или из магистрального газопровода, путем дросселирования. [Политехнический словарь, М.: Советская энциклопедия, 1977, с. 153, 420]
Эти устройства для снижения давления природного газа не утилизируют энергию расширения природного 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.

Известна утилизационная энергетическая установка, вход которой соединен с выходом из скважины или с магистралью газопровода природного газа с повышенным давлением, а выход с магистралью природного газа с пониженным давлением или с потребителем газа. [RU 2117173 С1, МПК 6 F 02 С 1/02, 1966] Эта утилизационная энергетическая установка содержит детандер, например расширительную турбину, и кинематически связанный с детандером преобразователь механической энергии, например электрогенератор. Такая установка позволяет утилизировать энергию расширения природного газа при снижении его давления.

Однако эта установка не создает возможности утилизации холода, образующегося при расширении природного газа. Такая установка имеет сниженный КПД.

Известна установка для утилизации энергии расширения природного газа и использования образующегося при этом холода [RU 2013616 С1, МПК F 02 С 6/00, 1994] (прототип).

Однако эта установка имеет невысокий КПД, т.к. в ней происходит снижение давления природного газа и утилизация холода в один этап.

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

Поставленная задача решается тем, что в утилизационной энергетической установке, содержащей детандер, например расширительную турбину, вход которого соединен со скважиной или с магистралью природного газа с повышенным давлением, кинематически связанный с детандером преобразователь механической энергии, например электрогенератор, а также, по меньшей мере, один теплообменник-холодильник, входной патрубок которого со стороны хладагента соединен с выходом детандера, например с выходом расширительной турбины, а выходной патрубок с магистралью природного газа с пониженным давлением или с потребителем природного газа, согласно изобретению детандер, например расширительная турбина, выполнен из двух или более частей, расположенных по ходу снижения давления природного газа, причем в установке выполнено количество теплообменников-холодильников не менее количества частей детандера, а входной патрубок со стороны хладагента соответствующего теплообменника-холодильника соединен с выходом соответствующей части детандера, например расширительной турбины.

Кроме того, выход предыдущей части детандера соединен одновременно как со входом последующей части детандера, так и со входом соответствующего теплообменника-холодильника, а выходной патрубок хладагента одного или более теплообменников-холодильников соединен с магистралью природного газа с пониженным давлением или с потребителем природного газа.

В варианте исполнения выход предыдущей части детандера соединен только со входным патрубком хладагента теплообменника-холодильника, а выходной патрубок хладагента одного или более теплообменников-холодильников соединен со входом рабочего тела последующей части детандера, например расширительной турбины.

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.

Изобретение иллюстрируется описаниями примеров их лучшего осуществления.

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 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 входным патрубком со стороны хладагента теплообменника-холодильника 6. Выходной патрубок со стороны хладагента теплообменника-холодильника 6 соединен с магистралью 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 со стороны хладагента которого соединен с выходом газа из ЧНД 2 расширительной газовой турбины, а выходной патрубок со стороны хладагента теплообменника-холодильника 8 - с магистралью газа с пониженным давлением, подающей газ потребителю 9 газа.

Утилизационная энергетическая установка работает следующим образом. Природный газ из магистрали 3 с повышенным давлением газа 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 природного газа, поступившая в ЧНД 2 расширительной газовой турбины, дополнительно совершает работу, снижает давление и охлаждается. Из ЧНД 2 этот природный газ поступает во второй теплообменник-холодильник 8, где 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 11, 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 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 патрубком 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 природного 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 природной газ поступает потребителю 19 газ. 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.

Природный газ из магистрали 23 с повышенным давлением поступает в ТВД 22, природный газ поступает в теплообменник-холодильник 26, в котором холод утилизируется, а 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.

Описанные в примерах лучшего осуществления изобретения утилизационные энергетические установки могут быть расположены 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. Предлагаемые утилизационные энергетические установки весьма эффективны в местах соединения магистрального газопровода с установками подачи природного газа крупным потребителям (электростанциям, сетям бытового природного газа в населенных пунктах).

Изобретение предназначено для использования в системах снижения давления природного газа от высокого, например от давления скважины или магистрального газопровода, до давления, необходимого потребителю. Сущность изобретения: утилизационная энергетическая установка, вход которой соединен со скважиной или с магистралью газопровода повышенного давления, а выход - с магистралью газа с пониженным давлением или с потребителем газа, содержит детандер (например, расширительную газовую турбину), выполненный из двух или более частей, расположенных по ходу снижения давления, кинематически связанный с детандером преобразователь механической энергии (например, электрогенератор), а также два или более теплообменника. Изобретение обеспечивает повышение утилизации холода, создающегося при снижении давления газа, выработку больших количеств энергии и холода, а также повышение кпд установки. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Утилизационная энергетическая установка, содержащая детандер, например расширительную турбину, вход которого соединен со скважиной или с магистралью природного газа с повышенным давлением, кинематически связанный с детандером преобразователь механической энергии, например электрогенератор, а также по меньшей мере один теплообменник-холодильник, входной патрубок которого со стороны хладагента соединен с выходом детандера, например с выходом расширительной турбины, а выходной патрубок - с магистралью природного газа с пониженным давлением или с потребителем природного газа, отличающаяся тем, что детандер, например расширительная турбина, выполнен из двух или более частей, расположенных по ходу снижения давления природного газа, причем в установке выполнено количество теплообменников-холодильников не менее количества частей детандера, а входной патрубок со стороны хладагента соответствующего теплообменника-холодильника соединен с выходом соответствующей части детандера, например расширительной турбины. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что выход предыдущей части детандера соединен одновременно как со входом последующей части детандера, так и со входом соответствующего теплообменника-холодильника, а выходной патрубок хладагента одного или более теплообменников-холодильников соединен с магистралью природного газа с пониженным давлением или с потребителем природного газа. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что выход предыдущей части детандера соединен только со входным патрубком хладагента теплообменника-холодильника, а выходной патрубок хладагента одного или более теплообменников-холодильников соединен со входом рабочего тела последующей части детандера, например расширительной турбины.