Система производства электроэнергии, сжиженного и компримированного природного газа на газораспределительной станции Российский патент 2021 года по МПК F25J1/00 F17D1/04 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, более точно к системам производства сжиженного природного газа (СПГ) и компримированного природного газа (КПГ) в условиях газораспределительных станций (ГРС).

Изобретение может найти применение при организации энергонезависимого процесса сжижения и компримирования природного газа в условиях ГРС, а также при производстве электроэнергии в условиях ГРС, в том числе, и для направления произведенной электроэнергии в сеть.

Широко известны системы и установки, позволяющие на ГРС, используя технологические перепады давления транспортируемого природного газа по магистральному газопроводу, организовать производство сжиженного и компримированного газа. Также известны комбинированные системы и установки, предназначенные для получения электроэнергии на ГРС.

Так, известна установка для комбинированного электро- и хладоснабжения на газораспределительной станции, защищенная патентом РФ №2665752, МПК F17D 1/04, опубл. 04.09.2018. Известная установка смонтирована между газопроводом высокого давления и газопроводом низкого давления и содержит основную линию подачи природного газа на детандер, кинематически соединенный с электрогенератором, блок осушки, установленный перед детандером, и теплообменник, вход которого подключен к выходу детандера. Известная установка содержит основной подогреватель газа, подключенный в линии газопровода высокого давления перед блоком осушки, и дополнительную линию подачи природного газа, которая проходит от второго выхода основного подогревателя газа через регулятор давления и соединяется с основной линией подачи природного газа в газопроводе низкого давления, при этом, к выходу теплообменника подсоединен дополнительный подогреватель газа с регулятором для регулирования температуры газа, направляемого в газопровод низкого давления, а теплообменник соединен трубопроводами подвода и отвода хладоносителя с потребителем холода. Известная установка позволяет утилизировать потенциальную энергию природного газа на ГРС. Однако необходимость применения в известной установке основного подогревателя газа, подключенного в линии газопровода высокого давления перед блоком осушки, существенно снижает эффективность ее работы.

Также известна система производства электроэнергии при сжижении природного газа на газораспределительной станции, защищенная патентом РФ №2731263, МПК F17D 1/04, F25J 1/00 опубл. 31.08.2020. Известная система смонтирована на ГРС, подключена к блоку сжижения природного газа и включает соединенные трубопроводами подвода, отвода природного газа теплообменник-утилизатор, детандер-генератор, блок очистки в блоке сжижения с подогревателями газа и аппарат воздушного охлаждения. В известной системе поток природного газа, подаваемый по магистральному газопроводу, делится на две ветви: первая подключена на первый вход теплообменника-утилизатора и далее на вход детандер-генератора, после прохождения которого газ направляется потребителям газораспределительной станции, а вторая ветвь подключена на вход блока очистки в блоке сжижения, а выход блока очистки подсоединен ко второму входу теплообменника-утилизатора, второй выход которого подсоединен ко входу аппарата воздушного охлаждения, на выходе из которого газ направляется потребителям газораспределительной станции. В известной системе установлена электрическая связь с генератором детандер-генератора. Использование известной системы позволяет повысить энергетическую и экологическую эффективность работы ГРС. Однако, необходимость применения в известной системе энергоемких аппаратов воздушного охлаждения, необходимость затрат электроэнергии и топливного газа в подогревателях газа, снижают энергетическую эффективность работы известной системы.

Решение задачи повышения энергонезависимости процессов сжижения и компримирования природного газа на ГРС позволит существенно улучшить экономические показатели работы блока сжижения на ГРС и работы ГРС в целом.

Целью изобретения является повышение экономической эффективности работы ГРС за счет повышения энергоэффективности и энергонезависимости процессов сжижения и компримирования природного газа на ГРС, получения и распределения электрической энергии для нужд ГРС.

Техническим результатом изобретения является разработка энергоэффективной и энергонезависимой комбинированной системы производства электроэнергии, сжиженного и компримированного природного газа на ГРС.

Поставленная цель и требуемый технический результат достигаются за счет того, что система производства электроэнергии, сжиженного и компримированного природного газа подключена к газораспределительной станции, включаемой между магистральным газопроводом высокого давления и потребительским газопроводом, и имеет в своем составе один, но не ограничиваясь этим, детандер-генератор, три, но не ограничиваясь этим, подключенных между собой последовательно кожухотрубных теплообменных аппарата, блок управляющего контроллера и блок сжижения природного газа, подаваемого на газораспределительную станцию по магистральному газопроводу. Блок сжижения содержит компрессор высокого давления с возможностью компримирования природного газа и холодильную машину с компрессором. Во всех кожухотрубных теплообменных аппаратах нагреваемым теплоносителем является природный газ. Один из входов первого кожухотрубного теплообменного аппарата подключен к выходу компрессора высокого давления блока сжижения, один из входов второго кожухотрубного теплообменного аппарата подключен к выходу холодильной машины блока сжижения, один из входов третьего кожухотрубного теплообменного аппарата подключен к выходу компрессора холодильной машины блока сжижения. Один из выходов третьего кожухотрубного теплообменного аппарата подключен ко входу детандер-генератора, выход которого соединен трубопроводом отвода природного газа с потребительским газопроводом. Выходы блока сжижения соединены трубопроводами отвода сжиженного и компримированного газа с потребителями. Генератор детандер-генератора связан электрической связью с блоком управляющего контроллера, который, в свою очередь, связан электрической связью с блоком сжижения, с электропотребителями газораспределительной станции и с электросетью. Поток природного газа, подаваемый по магистральному газопроводу, делится на три потока: первый поток направляется в редуктор давления и, далее, в потребительский газопровод, второй поток направляется на вход блока сжижения для производства сжиженного и компримированного природного газа, третий поток природного газа в качестве нагреваемого теплоносителя последовательно направляется сквозь последовательно подключенные между собой первый, второй, третий кожухотрубные теплообменные аппараты и подается в детандер-генератор, после прохождения которого, поток природного газа по трубопроводу отвода направляется в потребительский газопровод. Охлаждаемыми теплоносителями в первом, втором, третьем кожухотрубных теплообменных аппаратах выступают, соответственно, горячий антифриз из системы охлаждения компрессора высокого давления блока сжижения, фреон холодильной машины блока сжижения, масло компрессора холодильной машины блока сжижения. Генератор детандер-генератора выполнен с инвертором напряжения, имеющим выходное напряжение промышленной частоты, для обеспечения возможности, посредством блока управляющего контроллера, возвращения остаточной электроэнергии, вырабатываемой детандер-генератором, в электросеть.

При осуществлении изобретения наличие как минимум трех кожухотрубных теплообменных аппаратов, нагреваемым теплоносителем в которых выступает природный газ, охлаждающих горячий антифриз, фреон и масло компрессора холодильной машины, одновременно выполняя функцию конденсатора холодильной машины, позволяет, с одной стороны, исключить использование штатного конденсатора и энергоемких аппаратов воздушного охлаждения в блоке сжижения, существенно повышая тем самым энергоэффективность процесса сжижения природного газа на ГРС, с другой стороны, обеспечить подогрев природного газа перед поступлением в детандер-генератор для исключения конденсации тяжелых компонентов на выходе из детандер-генератора. Использование в системе детандер-генератора позволяет наладить выработку и поставку электроэнергии для нужд блока сжижения и в целом ГРС, а исполнение генератора детандер-генератора с инвертором напряжения, имеющим выходное напряжение промышленной частоты, позволяет получить возможность возвращения остаточной электроэнергии, не использованной в системе, в электросеть. Также, использование в блоке сжижения компрессора высокого давления дает возможность получения компримированного природного газа вместе с получением сжиженного природного газа, повышая эффективность работы блока сжижения на ГРС.

Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее описание и прилагаемый чертеж. На чертеже показана конструктивная схема системы производства электроэнергии, сжиженного и компримированного природного газа на газораспределительной станции. Различные требуемые вспомогательные системы, такие как клапаны, смесители потоков, системы регулирования и датчики исключены из чертежа в целях упрощения и ясности представления.

Система производства электроэнергии, сжиженного и компримированного природного газа подключена к газораспределительной станции 1, включаемой между магистральным газопроводом высокого давления и потребительским газопроводом (на чертеже не обозначены) с редуктором 2 давления. Система имеет в своем составе один, но не ограничиваясь этим, детандер-генератор 3, кожухотрубные теплообменные аппараты 6, 7, 8, блок 4 управляющего контроллера и блок 5 сжижения с компрессором 11 высокого давления и холодильной машиной 9 с компрессором 10.

В одном конкретном исполнении, в соответствии с прилагаемым чертежом, система работает следующим образом.

Поток природного газа поступает на ГРС 1 из магистрального газопровода с температурой от 0°С до 10°С, давлением от 3,2 до 4,6 МПа и делится на три потока: первый поток поступает через редуктор 2 давления в потребительский газопровод и направляется потребителю с давлением 0,6 МПа и температурой не ниже 0°С; второй поток поступает на вход блока 5 сжижения, после прохождения которого компримированный газ (КПГ) с давлением 25 МПа и температурой от 0°С до плюс 20°С и сжиженный газ (СПГ) с давлением 0,4 МПа и температурой минус 141°С направляются потребителю; третий поток последовательно направляется сквозь последовательно подключенные между собой первый, второй, третий кожухотрубные теплообменные аппараты соответственно, 6, 7, 8 и подается в детандер-генератор 3 для выработки электроэнергии, после прохождения которого, поток природного газа по трубопроводу отвода направляется в потребительский газопровод. Последовательно подключенные между собой кожухотрубные теплообменные аппараты 6, 7, 8 служат, с одной стороны, для подогрева потока природного газа перед детандер-генератором 3, поскольку это необходимо для исключения конденсации тяжелых компонентов на выходе из детандер-генератора, с другой стороны, теплообменные аппараты 6, 7, 8 выполняют функцию охлаждения для блока сжижения 5: охлаждают горячий антифриз из системы охлаждения компрессора 11 высокого давления цикла сжижения, выполняют функцию конденсатора холодильной машины 9, охлаждая и конденсируя фреон, а также охлаждают масло компрессора 10 холодильной машины 9.

Первый кожухотрубный теплообменный аппарат 6 подключен к выходу компрессора 11 высокого давления блока сжижения 5 и охлаждает горячий антифриз, например, 65% раствор этиленгликоля, из системы охлаждения компрессора 11 высокого давления цикла сжижения. После первого кожухотрубного теплообменного аппарата 6 поток природного газа с температурой плюс 11,06°С и давлением 3,45 Мпа проходит во второй кожухотрубный теплообменный аппарат 7, подключенный к выходу холодильной машины 9 цикла сжижения, где нагревается до температуры плюс 19,61°С за счет охлаждения фреона холодильной машины 9. Теплообменный аппарат 7 в данном случае выполняет функции штатного конденсатора для холодильной машины 9, охлаждая и конденсируя ее фреон. Далее, в соответствии с последовательным подсоединением кожухотрубных теплообменных аппаратов, подогретый поток природного газа проходит в третий кожухотрубный теплообменный аппарат 8, подключенный к выходу компрессора 10 холодильной машины 9, где нагревается до температуры плюс 45,26°С за счет охлаждения масла компрессора 10.

Система производства электроэнергии, сжиженного и компримированного природного газа может иметь в своем составе несколько детандер-генераторов при необходимости обеспечения электроэнергией большего числа потребителей, например, при необходимости обеспечения электроэнергией нескольких блоков сжижения. Система может иметь в своем составе также более трех кожухотрубных теплообменных аппаратов, при необходимости увеличения выхода СПГ и КПГ с подключением в блоке 5 сжижения дополнительных компрессоров высокого давления.

Блок 4 управляющего контроллера аккумулирует и распределяет электроэнергию, получаемую от генератора детандер-генератора 3, с которым связан электрической связью. Также, блок 4 управляющего контроллера для распределения электроэнергии связан электрической связью с блоком 5 сжижения и со всеми электропотребителями газораспределительной станции 1. Кроме этого, блок 4 управляющего контроллера подключен к сети и имеет функцию возвращения остаточной электроэнергии, вырабатываемой детандер-генератором 3, в электросеть, поскольку генератор детандер-генератора 3 выполнен с инвертором напряжения, имеющим выходное напряжение промышленной частоты.

Такая компоновка системы производства электроэнергии, сжиженного и компримированного природного газа на ГРС улучшает энергоэффективность процессов сжижения и компримирования природного газа на ГРС, позволяя отказаться от применения в этих процессах используемых обычно энергоемких аппаратов воздушного охлаждения. Также, предусмотренная в системе возможность нагрева природного газа перед подачей в детандер-генератор, исключает конденсацию тяжелых компонентов на выходе из детандер-генератора, обеспечивая его безаварийную работу, повышая экономическую эффективность работы ГРС. Система обеспечивает энергонезависимость ГРС и энергонезависимость всех блоков, работающих в ее составе, кроме этого, дает возможность, посредством блока управляющего контроллера, возвращения остаточной электроэнергии, вырабатываемой детандер-генератором, в электросеть.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, более точно, к системам производства электроэнергии, сжиженного и компримированного природного газа в условиях ГРС. Система подключена к ГРС, включаемой между магистральным газопроводом высокого давления и потребительским газопроводом, и включает детандер-генератор, три последовательно установленных кожухотрубных теплообменных аппарата, блок управляющего контроллера и блок сжижения природного газа. Блок сжижения содержит компрессор высокого давления и холодильную машину с компрессором. Во всех кожухотрубных теплообменных аппаратах нагреваемым теплоносителем является природный газ. Первый теплообменный аппарат подключен к выходу компрессора высокого давления блока сжижения, второй - к выходу холодильной машины блока сжижения, а третий - к выходу компрессора холодильной машины блока сжижения. Выход третьего теплообменного аппарата подключен к входу детандер-генератора, выход которого соединен с потребительским газопроводом. Генератор связан электрической связью с блоком управляющего контроллера, который связан с блоком сжижения, с электропотребителями газораспределительной станции и с электросетью. Технический результат - повышение энергоэффективности и энергонезависимости. 1 ил.

Система производства электроэнергии, сжиженного и компримированного природного газа, подключенная к газораспределительной станции, включаемой между магистральным газопроводом высокого давления и потребительским газопроводом, имеющая в своем составе один, но не ограничиваясь этим, детандер-генератор, три, но не ограничиваясь этим, подключенных между собой последовательно кожухотрубных теплообменных аппарата, блок управляющего контроллера и блок сжижения природного газа, подаваемого на газораспределительную станцию по магистральному газопроводу, при этом блок сжижения содержит компрессор высокого давления с возможностью компримирования природного газа и холодильную машину с компрессором, помимо этого во всех кожухотрубных теплообменных аппаратах нагреваемым теплоносителем является природный газ, а один из входов первого кожухотрубного теплообменного аппарата подключен к выходу компрессора высокого давления блока сжижения, один из входов второго кожухотрубного теплообменного аппарата подключен к выходу холодильной машины блока сжижения, один из входов третьего кожухотрубного теплообменного аппарата подключен к выходу компрессора холодильной машины блока сжижения, при этом один из выходов третьего кожухотрубного теплообменного аппарата подключен ко входу детандер-генератора, выход которого соединен трубопроводом отвода природного газа с потребительским газопроводом, помимо этого выходы блока сжижения соединены трубопроводами отвода сжиженного и компримированного газа с потребителями, а генератор детандер-генератора связан электрической связью с блоком управляющего контроллера, который, в свою очередь, связан электрической связью с блоком сжижения, с электропотребителями газораспределительной станции и с электросетью, при этом поток природного газа, подаваемый по магистральному газопроводу, делится на три потока: первый поток направляется в редуктор давления и далее в потребительский газопровод, второй поток направляется на вход блока сжижения для производства сжиженного и компримированного природного газа, третий поток природного газа в качестве нагреваемого теплоносителя последовательно направляется сквозь последовательно подключенные между собой первый, второй, третий кожухотрубные теплообменные аппараты и подается в детандер-генератор, после прохождения которого поток природного газа по трубопроводу отвода направляется в потребительский газопровод, при этом охлаждаемыми теплоносителями в первом, втором, третьем кожухотрубных теплообменных аппаратах выступают, соответственно, горячий антифриз из системы охлаждения компрессора высокого давления блока сжижения, фреон холодильной машины блока сжижения, масло компрессора холодильной машины блока сжижения, помимо этого генератор детандер-генератора выполнен с инвертором напряжения, имеющим выходное напряжение промышленной частоты, для обеспечения возможности, посредством блока управляющего контроллера, возвращения остаточной электроэнергии, вырабатываемой детандер-генератором, в электросеть.