Адсорбционная система обратимого аккумулирования паров сжиженного природного газа
ADSORPTION SYSTEM OF REVERSIBLE ACCUMULATION OF VAPORS OF LIQUEFIED NATURAL GAS

3
3
3
Изобретение относится к области хранения природного газа в комбинированном: сжиженном и адсорбированном состоянии. Использование природного газа в качестве ключевого энергоресурса заложено в энергетической стратегии большинства развивающихся стран в средне- и долгосрочной перспективе. Ввиду того, что природный газ в нормальных условиях находится в газообразном состоянии, требуются специальные технологии его хранения и транспортировки для повышения удельной объемной энергоемкости. Хранение природного газа в сжиженном состоянии (СПГ) при криогенных температурах позволяет увеличить удельную объемную емкость системы хранения до 600 м(НТД)/м (НТД - нормальные температура 293 К и давление 101325 Па), а в энергетическом отношении - до 5,58 МВт/м. Ввиду выдающихся энергетических характеристик использование СПГ активно продвигается для газомоторного транспорта, систем общей и автономной газификации.
При хранении СПГ в изотермических резервуарах-хранилищах внутри этих емкостей образуется избыток газовой фазы за счет влияния внешних теплопритоков, что может привести к аварии. В настоящее время для защиты систем хранения от повышения давления предусматривают две независимые автоматические системы: закрытую систему газо-сброса через регулировочные клапаны для сжигания на факеле и систему газо-сброса через предохранительные клапаны на свечу рассеивания непосредственно в атмосферу [СП 240.1311500.2015. Хранилища сжиженного природного газа. Требования пожарной безопасности. М.: МЧС России. 2015. 29 с.].
Указанные методы обеспечения безопасности резервуаров СПГ приводят к возникновению невозвратных потерь ценного энергоресурса и снижению энергоэффективности систем хранения СПГ. Кроме того, сброс природного газа, даже в случае его сжигания на свече, приводит к увеличению парниковых газов в атмосфере, и оказывает негативное влияние на экологическую обстановку. Для сохранения и последующего полезного использования избыточного объема паров, образующихся в процессе хранения СПГ, представляется эффективным решение по его аккумулированию в адсорбированном виде - АПГ. Тем самым избыточный объем газа не будет сброшен в окружающую среду или сожжен на факеле, а будет аккумулирован внутри адсорбционного резервуара, и далее может быть полезно использован в энергетических установках разного назначения.
Известен патент CN103133864A, в котором предлагается использование комбинированной системы подачи газа потребителю, в частности, двигатель внутреннего сгорания, содержащей две системы хранения газа - адсорбционный аккумулятор (АПГ) и криогенную емкость для хранения СПГ. В описанной схеме адсорбционный аккумулятор природного газа содержит установленную внутри теплообменную трубку, по которой осуществляется подвод тепловой энергии к адсорбенту для интенсификации процесса десорбции газа. Изобретение реализуется следующим способом. При перемещении на короткие расстояния или в затрудненных дорожных условиях, когда требуемые расходы природного газа не велики, газ поступает в двигатель из адсорбционной системы хранения. В случае перемещения на большие расстояния, когда требуется большой запас топлива, используется природный газ из системы хранения СПГ. В процессе работы двигателя, при изменениях режимов его работы имеется возможность переключаться между системами хранения природного газа. Такая комбинированная система имеет преимущества, связанные с простотой конструкции, простотой в ее эксплуатации, и относительно низкой стоимостью. К недостаткам настоящего изобретения относится отсутствие решений по улавливанию паров СПГ, а также необходимость подведения энергии для осуществления процесса десорбции газа, что снижает энергоэффективность использования адсорбционного бака-накопителя.
В группе работ [Liquid natural gas regasification combined with adsorbed natural gas filling system, Exergy of LNG regasification - possible utilization method. Case study of LNG - ANG coupling] представлена схема, совместного использования систем СПГ и АПГ, где адсорбционный накопитель, заполненный адсорбентом с установленным внутри испарителем, используется в качестве блока регазификации сжиженного природного газа. Суть функционирования схемы заключается в следующем. Поток СПГ подается на блок регазификации, представляющий собой теплообменный аппарат, установленный в слое адсорбента. При газификации СПГ холод фазового перехода охлаждает адсорбент. В то же время при адсорбции природного газа выделяется теплота адсорбции, способствующая испарению СПГ в теплообменнике. Газифицированный поток газа направляется потребителю, а часть этого потока направляется непосредственно в сам адсорбционный аккумулятор. Авторами отмечается, что в таком процессе значительно повышается эффективность системы регазификации СПГ. Аналогичная схема системы регазификации упоминается в работах [Study of metal-organic framework MIL-101(Cr) for natural gas (methane) storage and compare with other MOFs (metal-organic frameworks)] и [Extraordinarily large and stable methane delivery of MIL-53(Al) under LNG-ANG conditions], где в качестве адсорбента предложено использовать металлорганические каркасные структуры. К недостаткам предлагаемой в указанных работах схемы следует отнести тот факт, что она не решает проблемы необходимости утилизации паров СПГ, образующихся внутри криогенного резервуара в результате поступления внешних теплопритоков и, соответственно, проблемы выброса парниковых газов.
Наиболее близким по сути и достигаемому результату является патент CN102536519A, в котором приводится описание автомобильной бортовой системы питания автомобиля на основе сжиженного природного газа (СПГ), где используется адсорбционный бак-накопитель, заполненный активным углем, для улавливания паров сжиженного природного газа,
Предлагаемая топливная система на сжиженном природном газе включает резервуар для хранения сжиженного природного газа, в котором нижний выход резервуара для хранения сжиженного природного газа соединен с входом испарителя через регулирующий клапан, выход испарителя соединен с входом редуктора давления, выход редуктора давления соединен с впускным газовым каналом двигателя, выхлопной газовый канал двигателя соединен с входом блока очистки выхлопных газов, выход блока очистки выхлопных газов соединен с входом внешней полости (рубашкой) адсорбера с активированным углем, верхний выход резервуара для хранения сжиженного природного газа соединен с входом внутренней полости адсорбера через клапан, а выход внутренней полости адсорбера соединен с впускным газовым каналом двигателя через клапан подачи газа. Основная идея изобретения состоит в том, что адсорбционная способность адсорбента в виде активированного угля по отношению к природному газу значительно увеличивается при низкой температуре; когда автомобиль на сжиженном природном газе останавливается, активированный уголь используется для адсорбции низкотемпературного природного газа, образующегося из-за медленного испарения топлива; когда автомобиль движется, высокопотенциальная  теплота выхлопных газов двигателя используется для десорбции природного газа из активированного угля, после чего газ подается в двигатель. Таким образом, автомобильная топливная система на сжиженном природном газе имеет преимущества надежной работы, энергосбережения и экологичности. К недостатку настоящего изобретения относится сравнительно низкая эффективность аккумулирования адсорбционной системы хранения из-за выделяемой теплоты адсорбции, которая будет компенсировать охлаждение адсорбента низкотемпературными парами СПГ, ввиду чего без дополнительного охлаждения система и адсорбент не будут значительно охлаждаться и, следовательно, не будет расти ее адсорбционная эффективность. Кроме того, такая система обладает рядом технических сложностей, связанных с реализацией циклической работы в режиме «накопление-выдача» по причине возникновения значительных температурных градиентов в адсорбционном баке-накопителе: в рамках одного цикла накопление паров газа должно происходить в условиях криогенных температур (минус 160°С), а выдача - при температуре продуктов сгорания топлива (не ниже плюс 100°С).
Целью настоящего изобретения является создание эффективной системы обратимого аккумулирования паров сжиженного природного газа, образующихся в резервуаре в результате внешних теплопритоков при помощи адсорбционного аккумулятора циклического действия, заполненного адсорбционно-активным к природному газу материалом.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности адсорбционного аккумулирования паров сжиженного природного газа, за счет понижения температуры адсорбционного аккумулятора, что в свою очередь приводит к повышению энергоэффективности работы системы в целом и снижению выбросов парниковых газов.
Заявляемая цель и технический результат достигается при использовании следующих технических решений.
Предложена адсорбционная система обратимого аккумулирования паров сжиженного природного газа, включающая в себя - резервуар сжиженного природного газа, криогенный насос отбора сжиженного природного газа, адсорбер-накопитель паров сжиженного природного газа, заполненный адсорбентом, блок регазификации сжиженного природного газа, магистрали утилизации паров сжиженного природного газа, выдачи газа потребителю, отбора природного газа из адсорбера-накопителя отличающаяся тем, что адсорбер-накопитель паров сжиженного природного газа, заполненный адсорбентом, соединен с резервуаром сжиженного природного газа через магистраль утилизации паров сжиженного природного газа и обратный клапан магистрали утилизации паров сжиженного природного газа, с потребителем через магистраль отбора природного газа из адсорбера-накопителя и содержит внутренний теплообменник, соединенный с магистралью выдачи газа потребителю через первый и второй отсечные клапаны теплообменника адсорбера-накопителя, внутренний теплообменник адсорбера накопителя размещен в магистрали выдачи газа потребителю после криогенного насоса отбора сжиженного природного газа и перед блоком регазификации сжиженного природного газа, магистраль отбора природного газа из адсорбера-накопителя содержит фильтр, магистраль выдачи газа потребителю содержит байпасную магистраль с отсечным клапаном в обход адсорбера-накопителя и отсечных клапанов подачи сжиженного природного газа в теплообменник адсорбера-накопителя.
Резервуар сжиженного природного газа содержит узел заправки и узел аварийного газосброса.
Адсорбер-накопитель паров сжиженного природного газа содержит теплоизолирующую обечайку с нагревательным элементом.
Также заявленная система может содержать второй адсорбер-накопитель, заполненный адсорбентом, содержащий внутренний теплообменник, соединенный с магистралью выдачи газа потребителю через третий и четвертый отсечные клапаны теплообменника данного адсорбера-накопителя и установленный параллельно внутреннему теплообменнику первого адсорбера-накопителя после криогенного насоса отбора сжиженного природного газа и перед блоком регазификации сжиженного природного газа, при этом второй адсорбент-накопитель паров сжиженного природного газа соединен с резервуаром сжиженного природного газа через магистраль утилизации паров сжиженного природного газа и обратный клапан магистрали утилизации паров сжиженного природного газа, магистраль утилизации паров сжиженного природного газа содержит запорные клапаны перед каждым адсорбером-накопителем.
Сущность заявленного изобретения в дальнейшем поясняется детальным описанием и иллюстрациями, на которых изображено следующее:
на фиг. 1 - блок-схема адсорбционной системы обратимого аккумулирования паров сжиженного природного газа, где:
А - магистраль утилизации паров сжиженного природного газа;
В - магистраль выдачи газа потребителю;
С - магистраль байпасного обхода адсорбера-накопителя;
D - магистраль отбора природного газа из адсорбера-накопителя;
1 - резервуар сжиженного природного газа;
2 - узел заправки резервуара сжиженного природного газа;
3 - обратный клапан магистрали утилизации паров сжиженного природного газа;
4 - криогенный насос отбора сжиженного природного газа;
5 - адсорбер-накопитель паров сжиженного природного газа;
6 - адсорбент;
7, 15 - первый и второй отсечные клапаны теплообменника адсорбера-накопителя;
8 - внутренний теплообменник адсорбера-накопителя;
9 - блок регазификации сжиженного природного газа;
10 - фильтр;
11 - отсечной клапан магистрали утилизации паров природного газа;
12 - отсечной клапан байпасной магистрали обхода адсорбера-накопителя;
13 - отсечной клапан магистрали выдачи газа потребителю;
14 - узел аварийного газо-сброса из резервуара сжиженного природного газа;
на фиг. 2 - блок-схема адсорбционной системы обратимого аккумулирования паров сжиженного природного газа с теплоизолирующей обечайкой, где:
16 - теплоизолирующую обечайку с нагревательным элементом;
на фиг. 3 - блок-схема адсорбционной системы обратимого аккумулирования паров сжиженного природного газа со вторым адсорбером-накопителем паров сжиженного природного газа, где:
17, 23 - третий и четвертый отсечные клапаны теплообменника адсорбера-накопителя;
18 - второй адсорбер-накопитель паров сжиженного природного газа;
19 - внутренний теплообменник второго адсорбера-накопителя;
20 - адсорбент второго адсорбера-накопителя;
21, 22 - первый и второй запорные клапаны.
Система обратимого аккумулирования паров сжиженного природного газа, фиг. 1, включающая в себя резервуар сжиженного природного газа (1), узел заправки (2) резервуара сжиженного природного газа, магистраль утилизации паров сжиженного природного газа А из резервуара сжиженного природного газа (1), снабженную обратным клапаном (3), криогенный насос отбора сжиженного природного газа (4), адсорбер-накопитель паров сжиженного природного газа (5), заполненный адсорбентом (6), отсечной клапан (7) подачи сжиженного природного газа в теплообменник внутри адсорбера-накопителя (8), блок регазификации сжиженного природного газа (9), магистраль отбора природного газа из адсорбера-накопителя D, снабженную фильтром (10) и отсечным клапаном (11), магистраль байпасного обхода адсорбера-накопителя C с отсечным клапаном (12), магистраль выдачи газа потребителю B с отсечным клапаном (13), узел аварийного газо-сброса (14).
Принцип работы системы заключается в следующем. В процессе эксплуатации системы обратимого аккумулирования паров сжиженного природного газа, Фиг. 1, в составе системы хранения и выдачи СПГ выполняется следующая технологическая последовательность и режимы.
Режим аккумулирования
Резервуар сжиженного природного газа 1 заправляют сжиженным природным газом при помощи узла заправки резервуара СПГ 2. При необходимости выдачи природного газа потребителю при закрытом клапане 12 при помощи насоса 4 осуществляется отбор СПГ из резервуара, который подается через клапан 7 в теплообменник 8 внутри адсорбера-накопителя 5 с адсорбентом 6, при этом происходит охлаждение последнего. После адсорбера-накопителя СПГ поступает в блок регазификации СПГ 9, где испаряется и через клапан 13 подается потребителю по магистрали выдачи газа потребителю В. В случаях, когда забор природного газа из резервуара СПГ не осуществляется из-за внешних теплопритоков, повышается давление паров СПГ внутри резервуара СПГ, которые отводятся из него по магистрали утилизации паров А через обратный клапан 3 в адсорбер-накопитель паров СПГ 5, при этом клапан 11 закрыт. Из-за охлаждения адсорбента 6 внутри адсорбера-накопителя 5, происходит активная сорбция паров СПГ, что определяет повышение эффективности адсорбционного аккумулирования паров сжиженного природного газа за счет понижения температуры адсорбционного аккумулятора, что в свою очередь приводит к повышению энергоэффективности работы системы в целом и снижению выбросов парниковых газов. В случае, когда адсорбер-накопитель паров СПГ заполнен, давление внутри резервуара СПГ повышается до предельного. В этом случае происходит технологический сброс избытка паров в атмосферу при помощи узла 14.
Режим выдачи газа
По окончании цикла аккумулирования паров СПГ, по мере опустошения резервуара СПГ 1 ниже предельного уровня, подача СПГ в теплообменник 8 адсорбера 5 прекращается путем закрытия клапанов 7 и 15, при этом открывается клапан 12 магистрали байпасного обхода адсорбера-накопителя для прямой подачи оставшегося в резервуаре 1 СПГ в блок регазификации СПГ 9. По мере повышения температуры внутри адсорбера-накопителя 5, внутри него повышается давление, происходит десорбция адсорбированного газа из адсорбента 6, который направляется через фильтр 10 магистрали отбора природного газа D путем открытия клапана 11 потребителю (магистраль В).
Адсорбер-накопитель паров сжиженного природного газа дополнительно может содержать съемную теплоизолирующую обечайку с нагревательным элементом (16) (см. фиг. 2).
Принцип работы системы заключается в следующем. В процессе режима аккумулирования, теплоизолирующая обечайка будет препятствовать теплообмену с окружающей средой и более длительное время сохранять адсорбер-накопитель паров СПГ охлажденным, что позволит улучшить эффективность аккумулирования паров природного газа и увеличить время цикла «адсорбция - опорожнение» адсорбера-накопителя паров СПГ. Такие системы могут использоваться при неравномерной выдаче природного газа потребителю со сравнительно малыми расходами. В режиме опорожнения адсорбер-накопитель паров СПГ подогревается при использовании нагревательного элемента в обечайке. Это позволяет повысить эффективность выдачи газа адсорбера-накопителя паров СПГ и обеспечить лучшие условия для заправки адсорбера в следующем цикле работы.
Система обратимого аккумулирования паров сжиженного природного газа может быть дополнена вторым адсорбером-накопителем (18), заполненным адсорбентом (20), содержащим внутренний теплообменник (19), соединенным с магистралью выдачи газа потребителю В через отсечные клапаны теплообменника адсорбера-накопителя (17) (23), параллельно первому внутреннему теплообменнику адсорбера-накопителя (5), а магистраль утилизации паров сжиженного природного газа содержит запорные клапаны (21) и (22) перед каждым адсорбером-накопителем (см. фиг. 3).
Предложенная система обратимого аккумулирования паров сжиженного природного газа отличается повышенной надежностью. Пока первый адсорбер-накопитель паров СПГ (5) работает в режиме аккумулирования паров СПГ, второй адсорбер-накопитель (18) переводится в режим опорожнения, после которого переводится в режим ожидания. Следует отметить, что в процессе выдачи природного газа потребителю из второго адсорбера-накопителя паров СПГ (18), запорный вентиль (21) на первом адсорбере-накопителе паров СПГ (5) закрывается. После наполнения первого адсорбера-накопителя (5) парами СПГ, он переводится в режим опорожнения, а второй адсорбер-накопитель паров СПГ (18) в режим аккумулирования.