Устройство для хранения и подачи природного газа потребителю

Полезная модель относится к устройствам для снабжения природным газом различных потребителей, в том числе транспортных средств. В этой связи следует отметить, что на современном этапе развития энергетики одной из центральных проблем является проблема рационального использования, транспортировки и хранения природного газа. Природный газ относится к доминирующим энергетическим источникам XXI века и уже сегодня занимает лидирующее положение в топливном балансе РФ. Газ является наиболее экологически чистым энергоносителем из всех природных ископаемых топлив. Учитывая этот фактор, проекты, направленные на разработку альтернативных высокоэффективных систем получения тепла и хранения природного газа, имеют приоритетное значение Существующие в настоящее время системы хранения газа в сжатом до 20-30 МПа или сжиженном при температурах ниже -82,4°С состояниях являются дорогостоящими, металлоемкими, требующими повышенных мер безопасности.
Альтернативным указанным способам хранения природного газа является способ его хранения в "связанном", адсорбированном состоянии. При этом способе хранения в качестве сорбентов могут использоваться различные микропористые адсорбенты. На сегодня, оптимальным сочетанием структурно-энергетических и эксплуатационных характеристик обладают микропористые углеродные материалы: активированный уголь и активированное угольное волокно (АУВ).
В нижеприведенной таблице приведены основные характеристики способов хранения природного газа.
Из анализа информации, приведенной в таблице, наглядно видны преимущества способа хранения газа в адсорбированном виде.
Однако при использовании адсорбированного природного газа необходимо учитывать особенности, связанные с таким способом хранения природного газа. При заправке емкости с адсорбентом природным газом (сорбции) происходит процесс выделения тепла т.е. процесс протекает экзотермически, а при выпуске газа из емкости (десорбции) происходит понижение температуры т.е процесс имеет эндотермический характер. Таким образом, при заправке емкости для хранения требуется отвод тепла, а при выдаче газа потребителю - подвод тепла. Эти особенности процесса должны учитываться при проектировании и изготовлении емкостей для хранения природного газа и устройств для выдачи природного газа из таких емкостей.
Известно устройство для хранения и подачи природного газа содержащее корпус с патрубками, в корпусе установлены твердый сорбент, способный поглощать газ, коллекторная система, обеспечивающая поверхность соприкосновения сорбента с газом и соединенная с патрубками подачи и отбора газа, а также теплообменник с полостью, соединенной с патрубками подвода и отвода рабочей среды. При этом теплообменник размещен между корпусом и сорбентом, а коллекторная система - внутри сорбента и выполнена в виде пористых прослоек, которые установлены с обеспечением пневматического соединения между собой (патент RU 2382268, МПК F17C 9/00, F17C 11/00, опубл. 20.02.2010).
К недостаткам известной конструкции можно отнести следующее:
- Наличие теплообменного аппарата внутри корпуса устройства уменьшает полезный объем, занимаемый адсорбентом.
- Неравномерный нагрев адсорбента внутри корпуса.
- Сложность конструкции, что обусловлено, в первую очередь, размещением теплообменника внутри его корпуса, а также наличием перегородок разной формы
- Наружное по отношению к адсорбенту исполнение теплообменного аппарата характеризуется значительными потерями теплоты в окружающее пространство ввиду активного теплообмена с корпусом адсорбера.
- Отсутствие единого типоразмера и формы для прессованного адсорбента;
- Низкая пожаровзрывобезопасность из-за сложной конструкции теплообменного аппарата, в котором применено много соединений, что потенциально уменьшает герметичность теплообменника.
- Нестандартная, неунифицированная конструкция корпуса устройства (многослойный корпус с намоткой синтетической нити), т.е. корпус не может быть изготовлен из стандартных баллонов.
Технической задачей настоящей полезной модели является устранение недостатков известной конструкции, а техническим результатом - создание надежного, простого по конструкции устройства, в котором широко применяются унифицированные конструктивные элементы.
Решение поставленной задачи и достижение названного технического результата обеспечивается тем, что в известном устройстве для хранения и подачи природного газа потребителю, содержащем адсорбер, имеющий корпус с патрубками подвода и отвода газа, в котором размещен сорбент, способный поглощать природный газ, а также теплообменник, обеспечивающий теплообмен природного газа с промежуточным теплоносителем, патрубки подвода и отвода газа соединены между собой замкнутой гидравлической линией, образующей циркуляционный контур, в котором размещены запорные клапана, причем в этом контуре установлены последовательно по направлению течения газа теплообменник и нагнетатель динамического действия, производительность которого изменяется в соответствии с расходом газа, поступающего из устройства потребителю. В качестве нагнетателя динамического действия возможно применение, например, вихревого компрессора или осевого, радиального, осерадиального компрессора, частота вращения вала двигателя которого находится в диапазоне от 0 до 10000 об/мин и изменяется в соответствии с расходом газа поступающего потребителю. Давления в адсорбере может поддерживаться в диапазоне от 0,1 до 30 МПа. Корпус адсорбера может быть выполнен стальным, алюминиевым, металлокомпозитным или неметаллическим, например, из полимерного или полимерно-композитного материала. Теплообменник выполняется противоточным, например, в форме трубы с развитой площадью поверхности, имеющей оребрение с поперечно-винтовой накаткой ребер. Природный газ, проходящий через теплообменник, нагревают посредством промежуточного теплоносителя до значения, находящегося в диапазоне температур от 273К до 373К. В качестве сорбента применяется микропористый адсорбент, например, активированный уголь, а в качестве промежуточного теплоносителя применен, например, этиленгликоль
Конструкция устройства поясняется на фигуре.
Устройство содержит адсорбер 1, в корпусе которого выполнены входной патрубок 2 и выходной патрубок 3. Корпус адсорбера 1 заполнен адсорбентом 4, в качестве которого может использоваться, например, активированный уголь в блочном или рассыпном виде. Гидравлически входной патрубок 2 и выходной патрубок 3 связаны посредством линии 5, в которой установлены запорные клапаны 6, 7 и 8. В линии 5 между клапанами 6 и 7 установлен теплообменник 9, а между клапанами 7 и 8 размещен нагнетатель динамического действия 10. Линия 11, которая подключена к линии 5 и применяется для вакуумирования адсорбера 1 и всей системы перед подачей в него газа, снабжена запорным вентилем 12.
К линии 5 также подключена линия 13 для заправки газом адсорбера 1. В этой линии установлен запорный вентиль 14. Для подачи газа потребителю служит подключенная к линии 5 линия 15, снабженная запорным вентилем 16.
Допускается неразъемность конструкции устройства, поэтому клапаны, предназначенные для отсечения, технического обслуживания, ремонта нагнетателя динамического действия 10 и теплообменника 9, могут отсутствовать.
Устройство функционирует следующим образом:
Для очистки системы от примесей перед заправкой природным газом необходимо вакуумирование устройства подачи природного газа потребителю. Вакуумирование осуществляют при закрытых вентилях 14 и 16, клапаны 6, 7 и 8 открыты. Вентиль 12, установленный в линии вакуумирования открывают. Названная линия подключена к вакуумному посту. Давление остаточного газа в устройстве может находиться в диапазоне от 1 до 1000 Па. При этом с точки зрения энергетических расходов, связанных с потреблением энергии вакуум-насосами и степенью наличия примесей в полостях устройства, оптимальная величина давления в установке после ее вакуумирования составляет 10 Па.
Следующей операцией является заправка адсорбера с сорбентом 4 природным газом. Предварительно клапаны 6, 7, 8 и вентили 12, 16 закрывают, а вентиль 14, установленный в линии заправки открывают. Газ поступает в адсорбер через вентиль 14 либо из емкости высокого давления, либо от компрессора, получающего газ из газовой магистрали. Давление в адсорбере может иметь значение в диапазоне от 0,1 до 30 МПа. С точки зрения энергетических затрат на заправку газа и обеспечения пожаровзрывоопасности оптимальная величина давления находится в диапазоне 3,5-7,0 МПа. Для предотвращения нештатной ситуации адсорбер снабжен предохранительным клапаном. Корпус адсорбера может быть стальным, алюминиевым, металлокомпозитным или неметаллическим, например, из полимерного или полимерно-композитного материала.
Для выдачи газа из заправленного адсорбера потребителю вентиль 14 закрывают (вентиль 12 был закрыт ранее) и открывают клапана 6, 7 и 8. Газ потребителю подают в диапазоне абсолютных давлений от 0,01 МПа до 1,0 МПа, оптимальным является давление 0,1 МПа. Поток газа из адсорбера 1 за клапаном 6 разделяется. Первая часть газа поступает через вентиль 16 потребителю, вторая часть газа, образующая циркуляционный поток, поступает в теплообменный аппарат 9, где подогревается промежуточным теплоносителем, например, этиленгликолем до температуры, находящейся в диапазоне от 273К до 373К, оптимальной является температура 363К. Теплообменный аппарат 9 может быть выполнен в различных конструктивных вариантах. Например, в форме трубы с развитой площадью поверхности, имеющей оребрение с поперечно-винтовой накаткой ребер.
Газ циркуляционного потока, подогретый в теплообменнике 9, пройдя через клапан 7, поступает на сторону всасывания нагнетателя 10 динамического действия. В качестве нагнетателя может применяться, например, вихревой компрессор или осевой, радиальный, осерадиальный компрессор, частота вращения вала двигателя которого находится в диапазоне от 0 до 40000 об/мин и изменяется в соответствии с изменением давления в устройстве.
Применение в устройстве теплообменника и нагнетателя объясняется тем, что при выдаче потребителю газа идет процесс понижения температуры в адсорбере, что отрицательно влияет на количество и расход поступающего потребителю газа. Подогрев циркуляционной части газа в теплообменнике 9 с последующей подачей подогретого газа посредством нагнетателя 10 обратно в адсорбер 1 обеспечивает поддержание в адсорбере заданного температурного режима.
По мере поступления газа потребителю, давление в адсорбере 1 с адсорбентом 4 постепенно уменьшается до остаточного абсолютного давления 0,1-1,0 МПа, оптимальным является давление 0,1 МПа.
Число оборотов нагнетателя увеличивают с понижением давления в устройстве по мере выдачи газа. Увеличение числа оборотов обуславливается снижением гидропотерь и массового расхода газа в циркуляционном контуре устройства, что негативно сказывается на режиме работы нагнетателя, выводит его из номинальных режимов работы. Снижающийся расход газа также негативно сказывается на интенсивности теплообмена в теплообменнике 9. Таким образом, число оборотов нагнетателя увеличивают для обеспечения эффективных режимов работы нагнетателя и теплообменника. Регулирование числа оборотов достигается с помощью контроля потребляемой нагнетателем мощности (активной мощности при потреблении переменного тока): при снижении потребляемой мощности нагнетателем число оборотов нагнетателя увеличивают, восстанавливая потребляемую мощность до заданного уровня.
Проведенные испытания установки подтвердили ее промышленную применимость.