УСТАНОВКА ДЛЯ СЖИЖЕНИЯ ГАЗА
GAS LIQUEFACTION UNIT

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в газовой и криогенной промышленности.
В современной промышленности развиваются несколько направлений создания установок для сжижения природного газа.
Известны установки для сжижения газов, применяющих внешний хладагент: установка для сжижения природного газа, патент РФ №2159400, класс F25J 1/02, 2000 г., в которой применена теплоиспользующая криогенная газовая машина Вюлемье-Такониса, линия по производству СПГ с применением двойного смешанного хладагента (Double Mixed Refrigerant - DMR) по технологии компании «Шелл» (Сахалинский завод СПГ, Internet).
Недостатком устройств, применяющих внешний хладагент, является использование внешнего источника энергии и неиспользование потенциальной энергии сжатого газа.
Известны способы сжижения газа и устройства для их осуществления, использующие эффект температурной стратификации газа в вихревых трубах: установка сжижения природного газа, SU патент 2044973, класс F25J 1/00, 1995 г., установка сжижения природного газа, патент РФ №2103620, класс F25B 9/02, 1998 г., содержащие размещенные в криостате вихревые охладители с теплообменником, известен способ температурной стратификации газа и устройство для его осуществления, патент РФ №2106581, класс F25B 9/02, 1998 г., содержащее корпус, выполненный в виде трубы с коаксиально установленной в ней внутренней трубой меньшего диаметра со сверхзвуковым соплом и сверхзвуковым диффузором с расположенной между трубами спиралевидной направляющей вставкой.
Недостатком известных устройств является низкий коэффициент сжижения газа и неиспользование потенциальной энергии сжатого газа для выработки электроэнергии.
Известны утилизационная энергетическая установка, патент РФ №2117173, класс F02C 001/02, 1996 г., установка сжижения природного газа, патент РФ №2103620, класс F25B 9/02, 1998 г., турбодетандерная установка, патент РФ №2317430, класс F02C 7/28, 2008 г., основным элементом которых является турбодетандер Капицы (Большая Советская Энциклопедия), принятый за прототип как наиболее близкое техническое решение заявляемому изобретению.
Реактивный одноступенчатый турбодетандер Капицы содержит корпус с улиткой, соединенной с магистралью высокого давления газа, направляющие сопла, расположенные в корпусе, ротор с лопатками, выходной вал которого кинематически соединен с, например, электрогенератором, и выходной диффузор, соединенный с магистралью подвода газа потребителю.
Недостатком данного технического решения является низкий коэффициент сжижения газа, обусловленный тем, что при расширении газа на лопатках ротора реализуется недостаточная степень охлаждения газа, и значительным капельным уносом жидкости с уходящим потоком газа. Кроме того, в данном техническом решении реализуется недостаточная степень использования потенциальной энергии сжатого газа.
Технической задачей данного изобретения является увеличение коэффициента сжижения газа.
Поставленная задача решается тем, что установка для сжижения газа, включающая корпус, вход которого соединен с магистралью высокого давления газа, а первый выход с магистралью подвода газа потребителю, и ротор, выходной вал которого кинематически связан с электрогенератором, причем ротор расположен соосно с магистралью подачи газа высокого давления и выполнен полым с отверстиями, каждое из которых сочленено со сверхзвуковым соплом, в котором диффузор расположен перпендикулярно оси конфузора, а корпус выполнен в виде усеченной пирамиды, меньшее основание которого соединено с магистралью высокого давления газа, большее основание первым выходом в верхней части соединено с магистралью подачи газа потребителю, а в нижней части вторым выходом соединено с магистралью подачи сжиженного газа в накопительную емкость.
Установка для сжижения газа на фиг.1 содержит корпус 1, магистраль 2 подачи газа высокого давления, полый ротор 3, вращающийся в подшипниках 4 и соединенный валом с электрогенератором 5, отверстия 6 в роторе 3, с которыми сочленены сверхзвуковые сопла, каждое из которых состоит из конфузора 7 и диффузора 8, расположенного перпендикулярно конфузору 7 и сочлененного с ним, трубопровод 9 подвода газа потребителю и трубопровод 10 подачи сжиженного газа в накопительную емкость. На фиг.2 показан разрез А-А ротора 3 с отверстиями 6, с которыми сочленены сверхзвуковые сопла.
Установка для сжижения газа работает следующим образом.
В полости корпуса 1, по форме выполненный в виде усеченной пирамиды, расположен полый ротор 3. Газ из магистрали 2 подачи газа высокого давления поступает в полый ротор 3 и через отверстия 6 в сверхзвуковые сопла, представляющие собой сопла Лаваля, модернизированные по принципу сегнерова колеса. Как известно, сопло Лаваля - техническое приспособление, которое служит для ускорения газового потока, проходящего по нему, до скоростей, превышающих скорость звука. Сопло представляет собой канал, суженный в середине. В простейшем случае такое сопло может состоять из пары усеченных конусов, т.е. конфузора и диффузора, сопряженных узкими концами. На выходе из сопла газ приобретает сверхзвуковую скорость истечения, при этом температура газа уменьшается до величины, достаточной для сжижения газа. Сжиженный газ стекает в нижнюю часть корпуса 1 и по трубопроводу 10 поступает в накопительную емкость (на чертеже не показана). Не сжиженный газ по трубопроводу 9 поступает потребителю. Кроме эффекта снижения температуры и, соответственно, сжижения газа, сопло Лаваля создает реактивную тягу, удельный импульс которой зависит от соотношения площади среза сопла на выходе диффузора 8 к площади критического сечения в месте сочленения конфузора 7 и диффузора 8, а также от перепада давления на входе и выходе сопла. Величина реактивной тяги в модернизированном сопле Лаваля увеличивается за счет перпендикулярного изменения направления истечения газа из конфузора 7 в диффузор 8 (эффект сегнерова колеса). Для реализации эффекта сегнерова колеса сопла на роторе 3 должны располагаться симметрично относительно оси ротора, т.е. два, четыре, восемь и т.д. сопел. Суммарная величина реактивной тяги приводит во вращение полый ротор 3, вращающийся в подшипниках 4. На одном валу с ротором 3 расположен электрогенератор 5, вырабатывающий электроэнергию для потребителей.
Предлагаемая установка для сжижения газа может найти эффективное применение на крупных газораспределительных станциях (ГРС), на которых давление газа с 3-3,5 МПа в магистрали подачи газа высокого давления дросселируется до 0,6-1,2 МПа в магистрали подачи газа потребителю. Если весь объем газа пропускать через установку, то величина перепада давления обеспечивает эффекты сжижения газа и вращения ротора с выработкой электроэнергии в противодавленческом режиме работы, при этом коэффициент сжижения газа может достигать величины 0,3-0,4, что значительно выше коэффициента сжижения в одноступенчатом турбодетандере классического типа. Если охлаждать корпус 1 с помощью внешнего хладагента, то коэффициент сжижения газа будет близок к единице, при этом трубопровод 9 подачи газа потребителю не требуется.
Если же по условиям эксплуатации ГРС требуется получение небольшого количества сжиженного газа, то из магистрали подачи газа высокого давления осуществляется отвод в установку сжижения необходимого количества газа по вспомогательному трубопроводу, при этом давление в полости корпуса 1 будет равным атмосферному, т.е. увеличивается перепад давления на соплах, за счет чего увеличивается коэффициент сжижения газа до величины, близкой к единице. С такой же эффективностью можно сжижать газ из скважин.