Установка частичного сжижения природного газа, расположенная на ГРС Российский патент 2023 года по МПК F25J1/00 F17D1/00 F25B9/04 

Изобретение относится к установкам для сжижения природного газа (СПГ) и касается установок частичного сжижения природного газа, расположенных на газораспределительных станциях (ГРС). Применение таких установок с отбором газа высокого давления из магистрального газопровода или его отводов и дросселированием на установке по сжижению газа для получения низких температур делает возможным обратный поток низкого давления из установки направлять в полость низкого давления за ГРС, а не нагнетать обратно в магистральный газопровод посредством дополнительной компрессорной установкой.

Известен способ частичного сжижения газа на установке, расположенной на ГРС, реализуемый посредством отбора газа из магистрального газопровода в установку сжижения газа, снабженную регуляторами давления газа и дожимающими компрессорными устройствами, чтобы обеспечить уровни давления и расхода газа для отвода газа в сеть в зимнее и летнее время (Патент RU 26266615, F25J 1/00, 31.07.2017 г.). Недостаток этого способа-в сложности его реализации.

Известны эффективные и простые способы охлаждения и сжижения газа с использованием вихревых трубок, например, по ступенчатой схеме, где рабочим потоком вихревой трубки каждой последующей ступени является холодный поток предыдущей ступени (А.П. Меркулов «Вихревой эффект и его применение в технике». Издательство «Машиностроение» Москва, 1969, стр. 111-112). Этот способ охлаждения и сжижения газа взят за прототип. В этом способе давление горячего газа после первой вихревой трубки выше давления горячего газа на выходе из второй вихревой трубки, давление горячего газа после второй вихревой трубки выше давления газа на выходе из третьей вихревой трубки и т.д.

В рассматриваемом способе для установки частичного сжижения газа, расположенной на ГРС, с применением вихревых трубок не решен вопрос отвода горячего газа в сеть за ГРС от каждой вихревой трубки, где после каждой из них свой уровень давления горячего газа, как показано выше, поскольку в сети поддерживается заданный уровень давления газа за ГРС.

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в согласовании параметров вихревых трубок с параметрами ГРС при применении вихревых трубок в установках частичного сжижения газа, расположенных на ГРС.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении эффективности и упрощении конструкции установки частичного сжижения газа, расположенной на ГРС.

Указанный технический результат достигается тем, что, в известной установке частичного сжижения газа, расположенной на ГРС, включающей в себя распределительный узел с подводом газа из магистрального газопровода, узел очистки газа, подогреватель газа, регулятор давления газа на выходе из ГРС, и содержащей блок последовательно расположенных вихревых трубок, где рабочим потоком каждой последующей ступени является холодный поток предыдущей ступени, согласно технического решению, блок вихревых трубок установки состоит из двух последовательно соединенных вихревых трубок, выполненных со сверхзвуковыми завихрителями (сопла Лаваля) на входе, при этом на выходе горячего газа из вихревых трубок установлен эжектор, вход в сопло активного газа которого соединен с выходом горячего газа из первой вихревой трубки, а сопло пассивного газа соединено с выходом горячего газа из второй вихревой трубки, причем выход из сопел активного и пассивного газа через камеру смешения и диффузор эжектора соединен с выходом из ГРС после регулятора давления газа в сеть;

Отбор газа на установку произведен из полости за узлом очистки газа ГРС;

Содержит второй дополнительный блок вихревых трубок, соединенный параллельно с первым блоком вихревых трубок, для чего установка снабжена трубопроводом отбора газа из магистрального газопровода через кран на входе в первую вихревую трубку второго блока вихревых трубок, трубопроводом отбора холодного потока из второй вихревой трубки второго блока вихревых трубок через кран на входе в общую емкость сбора сжиженного газа и трубопроводом отвода газа из диффузора эжектора второго блока вихревых трубок через кран на выход из регулятора давления газа ГРС;

Выход горячих газов из вихревых трубок снабжен диффузором в составе конического фланца, к внутренней стенке которого приварен завихритель в составе полого кольца с радиальными сверлениями с приваренными к этому кольцу профильными лопатками завихрителя, а выход из завихрителя организован конфузором, прикрепленным к коническому фланцу диффузора, при этом торец завихрителя со стороны выхода закрыт фланцем.

На фиг. 1 представлена схема установки частичного сжижения природного газа, расположенная на ГРС, на фиг. 2 - параллельное подключение второго блока вихревых трубок; на фиг. 3 - конструктивная схема установки диффузора на выходе горячих газов из вихревых трубок.

Установка в составе ГРС, состоящей из распределительного узла 1 с подводом газа 2 из магистрального газопровода, узла очистки газа 3, подогреватели газа 4 и регулятора давления газа 5, включает в себя блок вихревых трубок 6, газовый эжектор 7 и емкость 8 для сжиженного газа. Отбор газа на блок вихревых трубок 6 произведен через кран 9 из подвода 2. Возможен отбор газа из узла очистки газа 3 в составе ГРС через кран 10 (показано пунктирный линией 11). Каждая из вихревых трубок 12 и 13 блока 6 содержит одно и более сверхзвуковое сопло (Лаваля) 14 в составе вихревой камеры 15. Холодный поток из первой 12 вихревой трубки каналом 16 соединен с вихревой камерой 17 второй 13 вихревой трубки, а холодный поток (СПГ) из нее каналом 18 соединен с емкостью 8 сжиженного газа.

В свою очередь, выход 19 горячего газа из первой вихревой трубки 12 соединен со входом в сопло активного газа 20 газового эжектора 7 по каналу 21, а выход 22 горячего газа второй вихревой трубки 23 соединен каналом 23 со входом в сопло пассивного газа 24. Суммарный поток газа через камеру 25 смешения и диффузор 26 эжектора 7 направлен по каналу 27 через кран 28 на выход 29 из регулятора давления газа 5 ГРС и далее в сеть по каналу 30.

Для увеличения производительности установки частичного сжижения газа можно использовать два и более блоков вихревых трубок. При использовании двух блоков первый блок вихревых трубок (фиг. 2) подсоединен к подводу газа 2 через кран 9, а второй блок 31 подсоединен к подводу 2 через кран 32. Выход горячего газа из эжектора 7 первого блока вихревых трубок 6 через кран 28 и из эжектора 33 второго блока вихревых трубок 31 через кран 34 соединен с выходом 29 регулятора давления газа 5 ГРС.

Выходы же холодного газа из обоих блоков соединен с емкостью 8 для сжиженного газа через краны 35 и 36 соответственно.

В практике проектирования и эксплуатации ГРС величины давления газа в магистральных газопроводах и отводах от них на входе в ГРС имеет ряд значений: 2,2; 3,0; 9,0; 10,0; 12,0 МПа.

Для давлений выше 3,0 МПа, т.е. для ряда 9,0; 10,0; 12,0 МПа реализуемой степени расширения газа на блоке из двух вихревых трубок достаточно для снижения температуры газа до его жидкого состояния. Для давления 3,0 МПа и ниже реализуемой степени расширения газа на двух вихревых трубках (с учетом уровня противодавления газа на выходе горячего газа из эжектора, обусловленного работой регулятора давления газа за ГРС) недостаточен для образования СПГ.

Для этого случая на выходе горячего газа из вихревых трубок устанавливают диффузоры с лопатками закрутки потока горячего газа, тем самым увеличивая эффект Хирша на вихревой трубке.

Согласно фиг. 3 на выходе 37 горячего газа из вихревой трубки 12 установлен диффузор 38, состоящий из конического фланца 39, к внутренней стенке которого приварен завихритель 40 в составе полого кольца 41, с радиальными сверлениями 42 и приваренными к кольцу 41 профильными лопатками 43, и конического конфузора 44. Конический конфузор 44 фланцами 45 крепится к коническому фланцу 39. Левый торец 46 завихрителя 40 закрыт фланцем 47, образуя из конического фланца 39, профильных лопаток 43 тракт для закрутки горячего газа.

Установка работает следующим образом. В режиме «сжижение газа» открытием крана 9 газ из подвода 2 из магистрального газопровода направляется в вихревую камеру 15 на сверхзвуковое сопло Лаваля 14 первой вихревой трубки 12, из которой холодный поток газа по каналу 16 поступает в вихревую камеру 17 второй вихревой трубки 13, а горячий поток газа по каналу 21 поступает в сопло активного газа 20 эжектора 7. При этом охлажденный на второй вихревой трубке 13 до жидкого состояния газ по каналу 18 поступает в емкость 8.

Горячий поток газа, поступающий в сопло 20 эжектора 7, компримирует горячий поток газа из второй вихревой трубки 13, а общий уровень давления смешанного из двух трубок потока горячего газа за диффузором 26 снижается до уровня, заданного регулятором давления 5 ГРС. Согласование уровня этих давлений достигается подбором параметров эжектора 7 для заданного уровня противодавления для эжектора, каковым является давление газа за регулятором давления на выходе из ГРС, заданного в сети потребления газа.

Для упрощения установки и снижения в целом стоимости установки для частичного сжижения газа можно выполнять отбор газа не из магистрали, а из полости за блоком узла очистки газа 3 собственно ГРС через кран 10.

При необходимости увеличения производительности установки для частичного сжижения газа подключают второй блок вихревых трубок 31 открытием кранов 32 и 34. Дополнительное количество сжиженного газа из второго блока вихревых трубок 31 через кран 36 поступает в общую емкость 8 сжиженного газа. Горячий поток газов при этом из вихревых трубок блока 31 через эжектор 33 и кран 34 поступает в канал 29 после регулятора давления газа 5 ГРС.

Установка диффузора на выходе 37 горячего газа из вихревой трубки (фиг. 3), когда газ расширяется, и его поток проходит через завихритель 40, позволяет получить дополнительную подкрутку, что увеличивает эффект Хирша и дает дополнительное охлаждение холодному потоку. Это создает возможность получить сжиженный газ на установках для частичного сжижения газа на ГРС, к которым от магистрального газопровода или отводах от него подается газ с относительно низким давлением (<3,0 МПа).

В установке частичного сжижения природного газа, расположенной на ГРС, применен способ охлаждения газа, основанный на эффекте Хирша в вихревых трубах. Особенностью установки является использование вихревых трубок со сверхзвуковым течением газа в соплах Лаваля завихрителя. При этом две последовательно соединенные вихревые трубки составляют блок. Потоки горячего газа после каждой вихревой трубки, имеющие разные давления, объединены в единый поток в камере смешения и диффузоре газового эжектора. Параметры эжектора подбираются из условия равенства давления за эжектором давлению газа, поддерживаемого регулятором давления ГРС в сети. Отбор газа на блок вихревых трубок осуществляется из магистрального газопровода на входе в ГРС. Техническим результатом является повышение эффективности и упрощение конструкции установки сжижения газа. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Установка частичного сжижения природного газа, расположенная на газораспределительной станции (ГРС), включающей в себя распределительный узел с подводом газа из магистрального газопровода, узел очистки газа, подогреватель газа, регулятор давления газа на выходе из ГРС, и содержащая блок последовательно расположенных вихревых трубок, где рабочим потоком каждой последующей ступени является холодный поток предыдущей ступени, отличающаяся тем, что блок вихревых трубок установки состоит из двух последовательно соединенных вихревых трубок, выполненных со сверхзвуковыми завихрителями (сопла Лаваля) на входе, при этом на выходе горячего потока газа из вихревых трубок установлен эжектор, вход в сопло активного газа которого соединен с выходом горячего газа из первой вихревой трубки, а сопло пассивного газа соединено с выходом горячего газа из второй вихревой трубки, причем выход из сопел активного и пассивного газа через камеру смешения и диффузор эжектора через кран соединен с выходом из ГРС после регулятора давления газа в сеть.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что отбор газа на установку произведен из полости за узлом очистки газа ГРС.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что к блоку вихревых трубок параллельно подключен второй такой же блок вихревых трубок, для чего установка снабжена дополнительным трубопроводом отбора газа из магистрального газопровода через кран на входе в первую вихревую трубку второго блока вихревых трубок, дополнительным трубопроводом отбора холодного потока (сжиженного) газа из второй вихревой трубки второго блока вихревых трубок через кран на входе в общую емкость сбора сжиженного газа и трубопроводом отвода газа из диффузора второго блока вихревых трубок через кран на выход из регуляторов давления газа ГРС.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что выход горячего газа из вихревых трубок снабжен диффузором в составе конического фланца, к внутренней стенке которого приварен завихритель в составе полого кольца с радиальными сверлениями с приваренными к этому кольцу профильными лопатками завихрителя, а выход из завихрителя образован конфузором, прикрепленным к коническому фланцу завихрителя, при этом торец завихрителя со стороны выхода закрыт фланцем.