Установка частичного сжижения природного газа, расположенная на ГРС Российский патент 2025 года по МПК F25J1/00 

Изобретение относится к установкам для сжижения природного газа (СПГ) и касается установок частичного сжижения природного газа, расположенных на газораспределительных станциях (ГРС).

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 с дожимающими компрессорными устройствами, чтобы обеспечить уровни давления и расхода газа для отвода газа в сеть в зимнее и летнее время (патент RU 2626615, F25J 1/00, 31.07.2017 г.) Недостаток этого способа - в сложности его реализации.

Известны эффективные 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). Недостатком охлаждения по этому описанию является нерешенность вопроса отвода горячего газа после вихревых трубок в сеть за ГРС.

Известна установка частичного сжижения природного газа, расположенная за ГРС, в которой для подвода природного газа из газовой магистрали к ГРС и установке для сжижения газа осуществлен через распределительный узел, причем отбор газа из этого узла для установки для сжижения газа осуществлен на вихревые трубки через сверхзвуковые сопла Лаваля для увеличения конечного эффекта сжижения газа после вихревых трубок (патент RU №2790214, F25J 1/00. 24.11.2022).

К недостатку этого устройства также можно отнести повышенную сложность устройства с одновременным применением сверхзвукового сопла (Лаваля) и вихревых трубок, а также эжекторов для выравнивания давления газа после установки для сжижения газа с давлением после ГРС.

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в достижении эффекта сжижения газа непосредственно за сверхзвуковым соплом с обеспечением отделения жидкой фракции газа от газа.

Технический результат от использования изобретения заключается в упрощении конструкции установки за счет применения эффективного сверхзвукового кольцевого сопла и системы отделения и сбора жидкой фракции газа.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной установке частичного сжижения природного газа, расположенной за ГРС, включающей в себя распределительный узел с подводом газа из магистрального газопровода, узел очистки газа, подогреватель газа и регулятор давления газа на выходе из ГРС, содержащая сверхзвуковое сопло, вход в которое сообщен с подводом газа из распределительного узла, согласно техническому решению, распределительный узел размещен после узла очистки газа, а сопло выполнено в виде кольцевого сопла внешнего расширения с завихрителем потока газа на входе в сопло, при этом цилиндрическая обечайка сопла соединена через камеру Эйфеля со сверхзвуковым диффузором, соединенного с выходом из ГРС после регулятора давления газа, причем входная часть сверхзвукового диффузора снабжена цилиндрической обечайкой, образующей с диффузором кольцевую щель для приема холодного (сжиженного) газа из внешней границы струи газа за завихрителем, при этом кольцевая щель снабжена сборником, нижняя часть которого сообщена с емкостью сбора сжиженного газа, а верхняя часть сообщена с полостью камеры Эйфеля для возврата газа в сверхзвуковой диффузор и далее на выход из ГРС;

конфигурация установки удовлетворяет условиям где d₁ - диаметр входной части сверхзвукового диффузора, d₂ - диаметр цилиндрической обечайки сопла, L - расстояние от среза цилиндрической обечайки сопла до торца кольцевой щели.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема установки для частичного сжижения газа в составе ГРС; на фиг. 2 - расчетная модель траектории движения частиц сжиженного газа.

Установка для частичного сжижения газа в составе ГРС 1, состоящей из распределительного узла 2 с подводом газа 3 из магистрального газопровода, узла очистки газа 4, подогревателя газа 5 и регулятора давления газа 6, включает в себя кольцевое сопло внешнего расширения 7 с завихрителем 8 на входе в сопло. Цилиндрическая обечайка 9 сопла 7 соединена с камерой Эйфеля 10. К этой камере Эйфеля 10 крепится сверхзвуковой диффузор 11, выход 12 которого соединен с выходом 13 из ГРС 1 после регулятора давления газа 6.

Камера Эйфеля 10 исключает взаимодействие струи со стенками, как в случае с соплом Лаваля и, как следствие, ее нагрев в результате трения, что позволяет обеспечить перед сверхзвуковым диффузором 11 оптимальный режим отбора холодного (сжиженного) газа.

Входная часть 14 сверхзвукового диффузора 11 снабжена цилиндрической обечайкой 15, образуя кольцевую щель 16 для приема холодного (сжиженного) газа из внешней границы 17 закрученной струи газа. Кольцевая щель 16 снабжена сборником 18, нижняя часть 19 которого сообщена с емкостью 20 сбора сжиженного газа, а верхняя часть 21 сообщена с полостью 22 камеры Эйфеля 10.

Модель течения газа (фиг. 2) получена из условия, когда капли сжиженного за соплом газа, увлекаемые центробежными силами, успевают достичь входа в кольцевую щель 16 и не испариться при движении через нее. Размеры модели для этих условий для получения, например, 215 кг/час сжиженного газа при давлении на входе в ГРС 1, равного 4 МПа и расходе газа через установку 2000 нм³/ч, составляет величины d₁=24мм, d₂=20 мм, L=60 мм, где d₁ - диаметр входной части 14 сверхзвукового диффузора 11, d₂ - диаметр цилиндрической обечайки 9 сопла 7, L - расстояние от среза 23 цилиндрической обечайки 9 до торца 24 кольцевой щели 16.

Используя относительные размеры можно менять уровни расходов газа через установку в целом и, соответственно, сжиженного газа.

На входе 25 в кольцевое сопло внешнего расширения 7 после распределительного узла 2 установлен кран 26.

Установка работает следующим образом.

При подаче газа через распределительное устройство 2 и открытый кран 26 на кольцевое сопло внешнего расширения 7 происходит его закрутка на завихрителе 8 и расширение после критического сечения. На выходе из цилиндрической обечайки 9 сопла 7 образуется внешняя граница струи газа 17, где достигается минимальная температура газа и сепарируются жидкие конденсированные частички газа за счет центробежных сил в результате закрутки.

Сверхзвуковая закрученная струя, вытекающая из сопла внешнего расширения 7 не ограниченная стенками диффузора (как, например, у сопла Лаваля) является свободной границей, что обеспечивает наименьшую температуру, достаточную для сжижения газа.

Поток сжиженного газа из внешней границы 17 попадает в кольцевую щель 16, откуда сливается через нижнюю часть 19 сборника 18 и попадает в емкость 20 сбора сжиженного газа. Газообразная составляющая попадает из сборника 18 через верхнюю часть 21 в полость 22 камеры Эйфеля для возврата его в сверхзвуковой диффузор 11 и далее на выход 13 из ГРС после регулятора давления 6. Задаваясь размерами d₁, d₂ и L из условий можно менять уровни расходов газа через установку в целом и, соответственно, сжиженного газа.

В установке частичного сжижения природного газа, расположенной на ГРС (газораспределительной станции), подвод природного газа осуществляется из магистрального газопровода через распределительный узел ГРС. При этом для охлаждения газа до сжиженного состояния использовано кольцевое сопло внешнего расширения таким образом, что установка завихрителя в зоне критического сечения сопла создает внешнюю границу струи газа, охлаждаемого до жидкого состояния. Цилиндрическая обечайка сопла крепится к камере Эйфеля, к которой, в свою очередь, крепится сверхзвуковой диффузор осесимметрично относительно сопла. Входная часть сверхзвукового диффузора снабжена обечайкой, образующей с диффузором кольцевую щель на уровне внешней границы струи газа за соплом для приема частичек сжиженного газа. Сверхзвуковая закрученная струя, вытекающая из сопла внешнего расширения, не ограниченная стенками диффузора, является свободной границей, что обеспечивает наименьшую температуру газа, достаточную для его сжижения. Кольцевая щель снабжена сборником, нижняя часть которого соединена с емкостью сбора сжиженного газа, а верхняя соединена с полостью камеры Эйфеля для возврата газа в сверхзвуковой диффузор и далее на выход из ГРС совместно с основным потоком газа. Технический результат заключается в упрощении конструкции установки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Установка частичного сжижения природного газа, расположенная на ГРС (газораспределительной станции), включающей в себя распределительный узел с подводом газа из магистрального газопровода, узел очистки газа, подогреватель газа и регулятор давления газа на выходе из ГРС, содержащая сверхзвуковое сопло, вход в которое сообщен с подводом газа из распределительного узла, отличающаяся тем, что распределительное устройство размещено после узла очистки газа, а сопло выполнено в виде кольцевого сопла внешнего расширения с завихрителем потока газа на входе в сопло, при этом цилиндрическая обечайка сопла соединена через камеру Эйфеля со сверхзвуковым диффузором, соединенным с выходом из ГРС после регулятора давления газа, причем входная часть сверхзвукового диффузора снабжена цилиндрической обечайкой, образующей с диффузором кольцевую щель для приема холодного сжиженного газа из внешней границы струи газа за завихрителем, при этом кольцевая щель снабжена сборником, нижняя часть которого сообщена с емкостью сбора сжиженного газа, а верхняя часть сообщена с полостью камеры Эйфеля для возврата газа в сверхзвуковой диффузор и далее на выход из ГРС после регулятора давления газа.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что ее конфигурация удовлетворяет условиям где d₁ - диаметр входной части сверхзвукового диффузора, d₂ - диаметр цилиндрической обечайки сопла, L - расстояние от среза цилиндрической обечайки сопла до торца кольцевой щели.