СПОСОБ РАБОТЫ ПОДОГРЕВАТЕЛЯ ГАЗА С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК F24H3/00 

Способ работы и устройство для подогрева газа относится к объектам транспорта природного газа, а точнее к способам подогрева природного газа высокого давления в подогревателях с промежуточным теплоносителем на газораспределительных станциях (ГРС) магистральных газопроводов.

Известен применяемый на ГРС низковольтный электрический трехфазный нагреватель природного газа прямого действия (Патент РФ №135088). Преимуществом электрических подогревателей является отсутствие выброса в атмосферу загрязняющих веществ. Их недостатки связаны с высокими эксплуатационными затратами и высокой стоимости электроэнергии поставляемой из внешних электрических сетей, а также с отсутствием в этих нагревателях системы регулирования обеспечивающей эффективную работу подогревателей при переменных расходах газа подводимого на ГРС.

На отечественных ГРС наиболее распространены подогреватели газа с промежуточным теплоносителем, например подогреватель газа ПТПГ-30, которые снабжены запальной и основной газовыми горелками, а также системой автоматики с блоком управления, используемой для регулирования температуры газа высокого давления и давления топливного газа. (http://specmarket.ru/goods_PTPG-30.htm). Недостатками этих подогревателей газа является их пониженная экономичность, определяемая большим расходом топливного газа сжигаемого в горелках, а также их невысокая экологичность связанная с выбросом в атмосферу большого количества вредных веществ.

В статье (Цыбизов Ю.И., Елисеев Ю.С., Федорченко Д.Г. Использование синтез-газа для обеспечения экологической безопасности. // «Авиадвигатели XXI века», 24-27 ноября 2015 г., Москва, ЦИАМ имени П.И. Баранова, 2015 г., С. 461-462) приведены результаты исследований по повышению экономичности и экологичности газотурбинных двигателей за счет сжигания в их горелках бедной топливо-воздушной смеси. При этом в поток воздуха и топливного природного газа подаваемых в горелки, добавлялась смесь газов, полученная в каталитическом генераторе синтез-газа, состоящая из 32-35% водорода (Н₂), 16-18% окиси углерода (СО) и 52-47% азота (N₂). Проведенные экспериментальные исследования показали, что при сжигании в горелке бедной топливно-воздушной смеси происходит уменьшение расхода потребляемого топливного газа (за счет большей теплотворной способности водорода) и улучшение экологических показателей продуктов сгорания со снижением эмиссии NOx и СО. Недостатком этого способа является то, что он не применяется в подогревателях газа высокого давления на ГРС магистральных газопроводов.

В статье Н.М. Соловьева, Н.В. Хворостяна «Подогреватели газа с промежуточным теплоносителем, опыт применения». (Вестник Газпроммаша. Саратов. Выпуск 1) проведен анализ работы подогревателей газа с промежуточным теплоносителем. Способ работы этих подогревателей заключается в следующем. Газ высокого давления 6,5-7,5 МПа из магистрального газопровода нагревают на ГРС в подогревателе газа с промежуточным теплоносителем, снабженном теплогенератором, унифицированной газовой горелкой и теплообменником подогрева газа. Подогретый газ расширяют в дросселе до 1,2-1,4 МПа, большую часть расширенного газа подают в выходной газопровод ГРС, а его меньшую часть - топливный газ, сжигают в унифицированной газовой горелке, используя теплоту ее продуктов сгорания для подогрева газа в подогревателе газа высокого давления.

Проведенный в этой статье анализ работы подогревателей газа с промежуточным теплоносителем на ряде ГРС в различных районах России, показал, что фактический расход газа в магистральных газопроводах отличается от номинального расхода более чем на 25 процентов, а не на проектные 70 процентов. При этом для подогрева газа высокого давления обычно используют менее половины номинальной тепловой мощности подогревателей. Из-за суточных и сезонных колебании расходов в магистральных газопроводах, расход газа высокого давления подаваемого на большинство из работающих ГРС, обычно составляет не более 50% от номинального расхода. Газовые горелки подогревателей газа работают при этом на нестабильных режимах с пульсацией факела, при пониженной тепловой экономичности этих подогревателей с высоким уровнем выбросов в атмосферу экологически вредных веществ.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению является описанный выше способ работы подогревателя газа с промежуточным теплоносителем, который принят в качестве прототипа к изобретению. Недостатками прототипа являются низкая экономичность и экологичность подогревателей газа с промежуточным теплоносителем, особенно при работе ГРС в режимах с расходами газа ниже номинальных.

Целью предлагаемого изобретения является разработка способа работы и устройства подогревателей газа высокого давления ГРС с повышением тепловой экономичности и экологичности подогревателя газа высокого давления.

Поставленная цель достигается за счет того, что в предлагаемом способе газ высокого давления 6,5-7,5 МПа из магистрального газопровода нагревают до 80-100°С в подогревателе газа с промежуточным теплоносителем, снабженном унифицированной газовой горелкой и расширяют в дросселе до давления 1,2-1,4 МПа, большую часть расширенного газа подают в выходной газопровод газораспределительной станции, а его меньшую часть используют в качестве топливного газа с его сжиганием в смеси с воздухом в унифицированной газовой горелке подогревателя с промежуточным теплоносителем, температуру подогрева газа высокого давления и давление расширенного газа регулируют с учетом расхода газа высокого давления газораспределительной станции, при чем дополнительно применяют унифицированную горелку, имеющую зоны диффузионного и основного горения, а также дополнительный автономный каталитический риформер топлива (генератор синтез-газа); как при номинальном, так и при уменьшенном расходе газа высокого давления через газораспределительную станцию, в зону диффузионного горения подают топливный газ, расширенный в дросселе, а в основную зону горения подают смесь газов из дополнительного автономного каталитического риформера топлива (генератора синтез-газа), состоящую из 32-35% водорода (Н₂), 16-18% окиси углерода (СО) и 52-47% азота (N₂)), при этом в основной зоне горения производят сжигание бедной топливо-воздушной смеси, с помощью регулирующего устройства в генераторе синтез-газа поддерживают требуемое соотношение вырабатываемых Н₂ и СО.

Предлагаемый способ работы подогревателя газа с промежуточным теплоносителем может быть реализован в устройстве, содержащем магистральный газопровод, подогреватель газа с промежуточным теплоносителем, унифицированную газовую горелку, дроссель, трубопровод топливного газа, воздуховод с вентилятором, регулирующие клапаны, регулирующее устройство и импульсные линии; магистральный газопровод связан через регулирующий клапан на магистральном газопроводе с входом подогревателя газа с промежуточным теплоносителем, выходной газопровод связан трубопроводом топливного газа через регулирующий клапан с входом унифицированной газовой горелки, воздуховод с вентилятором связан через регулирующий клапан с унифицированной газовой горелкой, выход которой связан с подогревателем газа; регулирующее устройство связано импульсными линиями с регулирующим клапаном на магистральном газопроводе, с регулирующим клапаном на воздуховоде с вентилятором, с регулирующим клапаном на трубопроводе топливного газа, при чем оно дополнительно снабжено смесителем, горелкой, автономным каталитическим риформером топлива (генератором синтез-газа) с никелевым катализатором и с охлаждающей рубашкой, трубопроводом подвода топливного газа в смеситель, воздуховодом и газопроводом синтез-газа; трубопровод топливного газа связан со смесителем трубопроводом подвода топливного газа в смеситель, воздуховод с вентилятором связан со смесителем воздуховодом через регулирующий клапан на воздуховоде и охлаждающую рубашку дополнительного автономного каталитического риформера топлива (генератора синтез-газа); смеситель через горелку, никелевый катализатор дополнительного автономного каталитического риформера топлива (генератор синтез-газа) и газопровод синтез-газа связан с унифицированной газовой горелкой.

На Фиг. 1 изображена схема устройства для подогрева газа, работающего в соответствии с предлагаемым способом, где 1 - магистральный газопровод, 2 - подогреватель газа с промежуточным теплоносителем, 3 - дроссель, 4 - трубопровод топливного газа, 5 - регулирующее устройство, 6 - унифицированная газовая горелка, 7 - воздуховод с вентилятором, 8 - смеситель, 9 - горелка, 10 - дополнительный автономный каталитический риформер топлива (генератор синтез-газа), 11 - никелевый катализатор, 12 - газопровод синтез-газа, 13 - импульсные линии, 14 - трубопровод подвода топливного газа в смеситель 8, 15 - выходной газопровод, 16 - регулирующий клапан на трубопроводе топливного газа 4, 17 - регулирующий клапан на магистральном газопроводе 1, 18 - регулирующий клапан на воздуховоде с вентилятором 7, 19 - воздуховод, 20 - регулирующий клапан на трубопроводе подвода топливного газа в смеситель 14, 21 - регулирующий клапан на воздуховоде 19.

Магистральный газопровод 1 связан через регулирующий клапан 17 с входом подогревателя газа с промежуточным теплоносителем 2, выходной газопровод 15 связан трубопроводом топливного газа 4 через регулирующий клапан 16 с входом унифицированной газовой горелки 6, воздуховод с вентилятором 7 связан через регулирующий клапан 18 с унифицированной газовой горелкой 6, выход которой связан с подогревателем газа 2; регулирующее устройство 5 связано импульсными линиями 13 с регулирующим клапаном 17 на магистральном газопроводе 1, с регулирующим клапаном 18 на воздуховоде с вентилятором 7, с регулирующим клапаном 16 на трубопроводе топливного газа 4. Трубопровод топливного газа 4 связан со смесителем 8 трубопроводом 14 подвода топливного газа в смеситель 8 через регулирующий клапан 20. Воздуховод с вентилятором 7 связан со смесителем 8 воздуховодом 19 через регулирующий клапан 21 и охлаждающую рубашку дополнительного автономного каталитического риформера топлива (генератора синтез-газа) 10. Смеситель 8 через горелку 9, никелевый катализатор 11 дополнительного автономного каталитического риформера топлива (генератора синтез-газа) 10 и газопровод синтез-газа 12 связан с унифицированной газовой горелкой 6.

Предлагаемый способ работы подогревателя газа с промежуточным теплоносителем осуществляют следующим образом. Газ из магистрального газопровода 1 с давлением 6,5-7,5 МПа подают в подогреватель газа с промежуточным теплоносителем 2, где его нагревают до 80-100°С за счет теплоты продуктов сгорания топливного газа унифицированной газовой горелки 6. В нее из трубопровода топливного газа 4 подают топливный газ, расширенный в дросселе 3 до давления 1,2-1,4 МПа, а также воздух из воздуховода с вентилятором 7. В охлаждающей обечайке дополнительного автономного каталитического риформера топлива (генератора синтез-газа) 10 нагревают атмосферный воздух, подаваемый воздуховодом с вентилятором 7, и смешивают его в смесителе 8 с топливным газом (метаном), подводимым в смеситель 8 из трубопровода 14 подвода топливного газа в смеситель 8. Полученную смесь газов сжигают в горелке 9, ее продукты сгорания направляют в дополнительный автономный каталитический риформер топлива (генератор синтез-газа) 10. Смесь газов из дополнительного автономного каталитического риформера топлива (генератора синтез-газа) 10, состоящую из 32-35% водорода (Н₂), 16-18% окиси углерода (СО) и 52-47% азота (N₂) направляют в унифицированную газовую горелку 6 и сжигают в ней полученную бедную топливо-воздушную смесь, состоящую из смеси водорода с окисью углерода и азота, топливного газа и воздуха. Для получения в ней требуемого соотношения газа и воздуха, их соотношение в смесителе 8 изменяют с помощью регулирующего устройства 5 с учетом изменения расхода газа высокого давления через подогреватель газа с промежуточным теплоносителем 2.

Реализация этого способа обеспечивает повышение экономичности работы подогревателя газа с уменьшением расхода в нем топливного газа (за счет высокой теплотворной способности водорода), а также повышение его экологичности при сгорания в основной зоне горелки бедной смеси и уменьшения образования эмиссии NOx и СО.

Способ работы подогревателя газа с промежуточным теплоносителем газораспределительной станции, согласно которому газ из магистрального газопровода нагревают до 80-100°С в подогревателе газа с промежуточным теплоносителем с унифицированной газовой горелкой, расширяют в дросселе, большую часть этого газа подают в выходной газопровод, а его меньшую часть используют в качестве топливного газа в унифицированной газовой горелке, температуру подогрева газа высокого давления и давление расширенного газа регулируют с учетом расхода газа высокого давления газораспределительной станции; в подогревателе применяют унифицированную горелку и дополнительный автономный каталитический риформер топлива (генератор синтез-газа); как при номинальном, так и при уменьшенном расходе газа, в зоне диффузионного горения горелки сжигают топливный газ, а в ее основную зону подают из генератора синтез-газа 32-35% водорода (Н₂), 16-18% СО и 52-47% азота, при этом в основной зоне горения производят сжигание бедной топливо-воздушной смеси, а регулирующим устройством поддерживают в генераторе синтез-газа требуемое соотношение вырабатываемых Н₂ и СО. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы подогревателя газа с промежуточным теплоносителем, согласно которому газ высокого давления 6,5-7,5 МПа из магистрального газопровода нагревают до 80-100°С в подогревателе газа с промежуточным теплоносителем, снабженном унифицированной газовой горелкой, и расширяют в дросселе до давления 1,2-1,4 МПа, большую часть расширенного газа подают в выходной газопровод газораспределительной станции, а его меньшую часть используют в качестве топливного газа с его сжиганием в смеси с воздухом в унифицированной газовой горелке подогревателя с промежуточным теплоносителем, температуру подогрева газа высокого давления и давление расширенного газа регулируют с учетом расхода газа высокого давления газораспределительной станции, отличающийся тем, что дополнительно применяют унифицированную горелку, имеющую зоны диффузионного и основного горения, а также дополнительный автономный каталитический риформер топлива (генератор синтез-газа); как при номинальном, так и при уменьшенном расходе газа высокого давления через газораспределительную станцию, в зону диффузионного горения подают топливный газ, расширенный в дросселе, а в основную зону горения подают смесь газов из дополнительного автономного каталитического риформера топлива (генератора синтез-газа), состоящую из 32-35% водорода (Н₂), 16-18% окиси углерода (СО) и 52-47% азота (N₂), при этом в основной зоне горения производят сжигание бедной топливо-воздушной смеси, с помощью регулирующего устройства в генераторе синтез-газа поддерживают требуемое соотношение вырабатываемых Н₂ и СО.

2. Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее магистральный газопровод, подогреватель газа с промежуточным теплоносителем, унифицированную газовую горелку, дроссель, трубопровод топливного газа, воздуховод с вентилятором, регулирующие клапаны, регулирующее устройство и импульсные линии; магистральный газопровод связан через регулирующий клапан на магистральном газопроводе с входом подогревателя газа с промежуточным теплоносителем, выходной газопровод связан трубопроводом топливного газа через регулирующий клапан с входом унифицированной газовой горелки, воздуховод с вентилятором связан через регулирующий клапан с унифицированной газовой горелкой, выход которой связан с подогревателем газа; регулирующее устройство связано импульсными линиями с регулирующим клапаном на магистральном газопроводе, с регулирующим клапаном на воздуховоде с вентилятором, с регулирующим клапаном на трубопроводе топливного газа, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено смесителем, горелкой, автономным каталитическим риформером топлива (генератором синтез-газа) с никелевым катализатором и с охлаждающей рубашкой, трубопроводом подвода топливного газа в смеситель, воздуховодом и газопроводом синтез-газа; трубопровод топливного газа связан со смесителем трубопроводом подвода топливного газа в смеситель, воздуховод с вентилятором связан со смесителем воздуховодом через регулирующий клапан на воздуховоде и охлаждающую рубашку дополнительного автономного каталитического риформера топлива (генератора синтез-газа); смеситель через горелку, никелевый катализатор дополнительного автономного каталитического риформера топлива (генератора синтез-газа) и газопровод синтез-газа связан с унифицированной газовой горелкой.