Новые технологии использования природного газа

т\\\\\\\ч

Научные разработки и исследования

Новые технологии

использования природного газа

Ф

едеральная служба по интеллектуальной собственности (Роспатент) Российской Федерации в январе 2012 г. выдала ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королева» патент № 2440918 на изобретение «Система заправки газом баллонов высокого давления космического объекта и способ ее эксплуатации». Авторы полезной модели - Н.Н. Тупицин, Р.Э. Катков, А.М. Егоров, О.В. Киселева, В.И. Федоров, М.В. Рожков.

Изобретения относятся к двигательным установкам космических объектов с криогенным топливом. Система (рис. 1) включает криогенный топливный бак 1, бак 6 с высококипящим компонентом, баллоны высокого давления 10, разъемное соединение 16, зарядный клапан 9, пусковой клапан 13, редуктор 12 и датчик 11 давления газа в баллонах 10, а также потребителей 14 газа. С помощью теплообменника 5 испаряют криогенный компонент при его теплообмене с баком 6. В трубопровод 15 последовательно включены насос 2 и клапан 3 подачи криогенного компонента из бака 1 в теплообменник 5, а также обратный клапан 4. Выход теплообменника 5 сообщен с входом в баллоны 10. Датчик 11 электрически связан с клапаном 3 и насосом 2.

В процессе подготовки космического объекта к пуску производится зарядка баллонов 10 в два этапа. Сначала их предварительно заряжают от наземной системы стартового комплекса через разъем 16 и клапан 9 до промежуточного давления. Этим исключают недопустимый прогрев баллонов 10 и газа в них. На втором этапе при заправленных топливных

баках 1 и 6 дозаправляют баллоны 10 до конечного давления путем подачи криогенного топлива насосом 2 из бака 1 в теплообменник 5. Температура баллонов 10 и газа в них усредняется, исключается их перегрев. В полете ведут подзарядку баллонов 10, подавая насосом 2 криогенный компонент из бака 1 в теплообменник 5.

Техническим результатом изобретений являются обеспечение работы систем космического объекта в полете при минимальном объеме и массе газа в баллонах высокого давления, расширение функциональных возможностей космического объекта, упрощение и удешевление наземной системы зарядки баллонов высокого давления газом.

Рис. 1

60

Введением предлагаемой системы и способа ее эксплуатации обеспечивается следующее:

• работа потребителей газа при минимальном объеме и массе газа и баллонов высокого давления;

• расширение функциональных возможностей космического объекта в течение всего времени его полета за счет использования газа для работы большего числа потребителей (например, для наддува баков, управления клапанами двигательной установки, работы системы ориентации и стабилизации космического объекта и т.д.), при этом количество газа, необходимого для работы потребителей, при необходимости обеспечивается испарением криогенного компонента, взятого из основного топливного бака космического объекта;

• значительное упрощение и удешевление наземной системы и технологии зарядки баллонов высокого давления газом на стартовом комплексе.

Кроме того, увеличивается время пребывания космического объекта в космических условиях за счет использования криогенного топлива для подзарядки баллонов высокого давления в полете.

Описание и формула изобретения опубликованы в открытом реестре Роспатента. Срок действия патента - 20 лет. * * *

Федеральная служба по интеллектуальной собственности (Роспатент) Российской Федерации в июле 2012 г. выдала ОАО «Научно-производственное объединение «ГЕЛИЙМАШ» патент № 118717 на полезную модель «Бак криогенный топливный транспортного средства, работающего на сжиженном природном газе». Авторы полезной модели -Ю.В. Колгушкин, О.М. Попов, И.Н. Протасова и В.Н. Удут.

В предложенном криогенном топливном баке транспортного средства, работающего на сжиженном природном газе, состоящем из двух сосудов, расположенных один внутри другого, теплоизоляции

в межстенном пространстве сосудов, компенсационной емкости, расположенной во внутреннем сосуде, трубопроводов заправки и выдачи топлива, предохранительной и регулирующей арматуры, трубопровод заправки топлива снабжен устройством для струйного ввода топлива в бак, а полость компенсационной емкости соединена с верхней частью объема внутреннего сосуда. Установка на трубопроводе заправки топлива устройства для его струйного ввода в бак и соединение полости компенсационной емкости с объемом внутреннего сосуда бака соединительной трубкой и сливной трубкой с обратным клапаном обеспечивают возможность бездренажной заправки бака топливом и строго определенного объема парового пространства в компенсационной емкости к концу заправки бака.

Устройство работает следующим образом (рис. 2).

Топливо от внешнего реципиента (на рис. 2 не показан) через горловину 23 по трубопроводу 11 поступает в устройство ввода 9 и через отверстия 10 струйно вводится в сосуд 3, при этом вентили 15, 21 и 27 закрыты. Струйный ввод топлива в бак позволяет значительно увеличить поверхность контакта вводимой жидкости и пара, заполняющего сосуд. В результате контакта пар

Газосброс в атмосферу

Д 14 15 16

Газ в двигатель ->

А \23

Метан из реципиента

Рис. 2

яшшшшш

конденсируется, давление в сосуде падает и производится бездренажная заправка бака топливом.

Заправка продолжается до 100 % наполнения сосуда. При этом объем компенсационной емкости остается заполненный паром и используется для возможного термического расширения жидкости.

После окончания заправки вентиль 21 открывается. Если в сосуде 3 после заправки давление ниже рабочего, то открывается регулятор давления 22, жидкая фаза топлива поступает за счет гидростатического давления в испаритель наддува 19, где испаряется, и газ наддува поступает в верхнюю часть сосуда 3, поднимая в нем давление до рабочего значения. Система готова к работе. Плавно, чтобы не закрылся скоростной клапан 16, открывается вентиль 15, и через открытый клапан 16 топливо поступает в двигатель транспортного средства. Причем если давление в сосуде 3 выше верхней границы заданного рабочего давления, то открывается регулятор давления 14, и топливо в двигатель поступает по трубопроводу 13 из газовой полости сосуда 3, понижая в нем давление до рабочего. После снижения давления до рабочего регулятор давления 14 закрывается, и в двигатель начинает поступать жидкая фаза топлива по трубопроводу 12 из нижней части сосуда 3. Процедура наддува (подъем давления в баке до заданного рабочего значения) происходит автоматически, благодаря регулятору давления 22. Вентили 15 и 21 при работе двигателя открыты. Закрываются они только при длительной остановке транспортного средства и при заправке криогенного бака 1 топливом.

Целью предлагаемого технического решения является обеспечение струйного ввода топлива в бак и строго определенного объема парового пространства в компенсационной емкости в конце заправки.

Описание и формула полезной модели опубликованы в открытом реестре Роспатента. Срок действия патента -10 лет.

* * *

Федеральная Служба по интеллектуальной собственности (Роспатент) Российской Федерации в ноябре 2013 г. выдала ООО «Газпром ВНИИГАЗ» патент на изобретение № 2499208 «Способ частичного сжижения природного газа». Авторы изобретения - С.П. Горбачев, С.В. Люгай, И.С. Медведков.

Изобретение относится к области сжижения газов и их смесей, в частности к частичному сжижению природного газа на газораспределительных станциях. Способ включает разделение потока природного газа высокого давления на технологический и продукционный потоки. Продукционный поток подвергают осушке и очистке от С02, последовательно охлаждают в предварительном, основном и дополнительном теплообменниках, дросселируют и разделяют образованную парожидкостную смесь на паровую и жидкостную фазы с последующим направлением в обратный поток несконденсировавшегося природного газа. Технологический поток газа осушают, охлаждают, после чего расширяют в дроссельном вентиле первой ступени, затем дополнительно охлаждают и расширяют в дроссельном вентиле второй ступени и смешивают с нагретым в дополнительном теплообменнике обратным потоком несконденсировавшегося природного газа. Температуру газа перед дроссельным вентилем второй ступени выбирают минимально допустимой, при которой не происходит кристаллизация С02 после прохождения газа через дроссельный вентиль второй ступени.

Изобретение позволяет повысить производительность и надежность процесса сжижения природного газа, имеющего в исходном составе большое содержание диоксида углерода, а также уменьшить долю высококипящих компонентов в СПГ.

62

Поток газа высокого давления отбирают из источника высокого давления и разделяют на технологический (84 %) и продукционный (16 %) потоки. Технологический поток направляют на адсорбционный блок осушки потока газа и прямым потоком пропускают через предварительный трехпоточный теплообменник, где его охлаждают обратным потоком до температуры 252 К, а затем направляют через дроссельный вентиль, в котором газ расширяют до промежуточного давления 2,5 МПа, после чего охлаждают в основном теплообменнике до температуры 182 К. Далее его расширяют в дросселе до давления трубопровода газа низкого давления с понижением температуры до 155 К (исходя из максимальной растворимости С02 в газе при давлении 0,6 МПа). Температура за дросселем определяет температуру перед ним, и в качестве обратного потока газ пропускают через основной и предварительный теплообменники, охлаждая прямые потоки.

Продукционный поток пропускают через блок осушки и блок очистки и прямым потоком направляют последовательно через предварительный трехпоточный теплообменник, основной трехпоточный теплообменник и дополнительный теплообменник, где его охлаждают обратным потоком и расширяют, пропуская через дроссельный вентиль. После дросселирования газ направляют в сборник-сепаратор, затем жидкую фазу через трубопровод слива жидкости направляют в емкость для отправки потребителю, а несжиженную часть газа возвращают через линию обратного потока и теплообменники в трубопровод газа низкого давления.

Дополнительный теплообменник нагревает обратный поток до температуры, достаточной для того, чтобы при смешении технологического потока, имеющего температуру, близкую к температуре вымерзания углекислого газа, и обратного потока, имеющего наиболее низкую

температуру в установке, исключить выпадение С02 из смеси, поскольку присутствует повышенный риск этого выпадения.

Чтобы исключить выпадение твердых частиц С02 при расширении газа в дроссельном вентиле второй ступени, температура газа должна быть выше температуры кристаллизации С02 в одной и более фазах, образующихся при расширении. Для этого температуру газа перед дроссельным вентилем второй ступени выбирают минимально допустимой, при которой не происходит кристаллизация С02. При дросселировании с заданным перепадом давления согласно эффекту Джоуля-Томпсона температура за дросселем зависит от температуры перед дросселем через соотношение

т2=т1-а ^гМ

где Т2 - температура за дроссельным вентилем второй ступени; Т1 - температура перед дросселем; ак - дифференциальный температурный эффект дросселирования (для метана «0,5-0,7 К/бар); р1 - давление перед дросселем (задано); р2 - давление за дросселем (задано).

Чтобы температура за дроссельным вентилем второй ступени (Т2) была больше температуры кристаллизации при р2 (Ткр) при заданном перепаде давления температура перед дроссельным вентилем второй ступени (Т1) должна удовлетворять условию

т1=ткр+а (р1-р2).

Схема простого дросселирования предполагает расширение потока сырьевого природного газа в дросселе продукционного потока полностью. При этих параметрах тяжелые углеводороды и углекислый газ, присутствующие в исходном продукте, практически полностью сжижаются и растворяются в жидком метане. Доля их в СПГ естественным образом увеличивается. С разделением сырьевого потока на продукционный и технологический баланс установки практически не меняется (коэффициент сжижения остается практически неизменным).

яшшшшш

Однако за счет разделения величина продукционного потока уменьшается. Тогда применимы следующие равенства:

кп=° (1-Ф1); кп=Сц (1-ф2); к ~ к •

1-ф2~ (1-ф1)/Г; 1> у >0;

Ф2<Ф1.

Здесь кп, кп - коэффициенты сжижения простого и двухпоточного дроссельных циклов соответственно; О - массовый расход сырьевого газа; у - массовая доля продукционного потока; ф1 и ф2 - массовое паросодержание в продукционном потоке простого дроссельного и двухпоточного циклов соответственно.

Со снижением паросодержания уменьшается доля высококипящих компонентов в СПГ, следовательно, качество сжиженного природного газа повышается.

Описание и формула изобретения опубликованы в открытом реестре Роспатента. Срок действия патента - 20 лет. * * *

Федеральная Служба по интеллектуальной собственности (Роспатент) Российской Федерации в январе 2014 г. выдала ЗАО «МАЙММА Груп» патент № 136769 на полезную модель «Передвижной газозаправщик». Авторы полезной модели - С.П. Семенищев, П.Г. Килин, В.К. Попов, В.П. Глухов.

Полезная модель относится к передвижным газозаправщикам, предназначенным для заправки транспортных средств газом с давлением 20 МПа, а также использования в качестве резервных источников газа для магистральных газопроводов бытового потребления газа с давлением 0,6...1,0 МПа и бытовых потребителей газа с давлением 2,0.3,0 кПа.

Передвижной газозаправщик содержит газобаллонную установку с сосудами высокого давления, вход которой соединен с устройством заправки установки газом давлением 25 МПа, выход газобаллонной установки соединен с устройством заправки потребителя

транспортных средств газом давлением 20 МПа. Газозаправщик также содержит дополнительное устройство, которое включает напорные линии выдачи газа давлением 0,6.1,0 МПа и 2,0.3,0 кПа соответственно.

Одна из напорных линий содержит регулятор давления на 0,6.1,0 МПа, вход которого соединен через запорный кран с выходом регулятора давления на 20 МПа. Выход регулятора соединен с манометром, предохранительным клапаном и запорным краном на выходе напорной линии выдачи газа давлением 0,6.1,0 МПа.

Вторая напорная линия выдачи газа содержит регулятор на давление 2,0.3,0 кПа, вход которого соединен через запорный элемент с выходом регулятора на давление 0,6.1,0 МПа. Выход регулятора соединен с предохранительным клапаном, манометром и запорным краном на выходе напорной линии выдачи газа давлением 2,0.3,0 кПа. Расширяются функциональные возможности газозаправщика.

Работа передвижного газозаправщика осуществляется в следующей последовательности (рис. 3).

Заправка газозаправщика природным газом с давлением не менее 25 МПа производится на АГНКС. Через заправочное устройство 2 газ поступает

25 МПа

20 МПа

0,6-1 МПа

2,0-3,0 кПа

Рис. 3

2

64

в газобаллонную установку 1. Все запорные краны 7, 15, 19, 21, 25 находятся в закрытом положении. После заправки газом газобаллонной установки 1 газозаправщик перемещается к месту выдачи газа потребителям. При заправке газом транспортных средств открывают запорный кран 7, при этом газ, пройдя редуктор 6, через систему трубопроводов под давлением 20 МПа поступает в баллон (баллоны) транспортного средства.

При подключении газозаправщика к бытовым потребителям газа с давлением 2,0...3,0 кПа закрывают запорный кран 7 в устройстве 3 заправки потребителя транспортных средств, открывают запорные краны 15 и 21 в устройстве 4 выдачи газа. Затем после присоединения напорной линии 13 к газовой системе бытового потребителя (дача, коттедж, дом и т.п.) открывают запорный кран 25 и осуществляют подачу газа требуемого давления.

При подключении газозаправщика к магистральному газопроводу бытового потребления газа давлением 0,6.1,0 МПа (проведение ремонтных работ на каком-то участке трубопровода) запорные краны 7, 21 и 25 закрывают. После присоединения к ремонтируемому газопроводу открывают запорный кран 19 и осуществляют подачу газа требуемого давления.

Полезная модель может быть реализована на передвижном газозаправщике ПАГЗ 1140-25. Где 1140 - объем перевозимого КПГ в нормальных кубических метрах, отнесенный к нормальным условиям (0,1 МПа и 20 °С), 25 - давление заправки в МПа. Газобаллонная установка 1 газозаправщика оснащена 21 баллонами БА 185.24,5.406/2005 ТУ 2296-009-13055988-2005, смонтированными в двух функциональных секциях на 6 и 15 баллонов.

Передвижной газозаправщик может быть использован как для заправки баллонов транспортных средств газом с давлением 20 МПа, так и для выдачи газа давлением 2,0.3,0 кПа и 0,6.1,0 МПа

различным потребителям, что расширяет его функциональные возможности.

Описание и формула полезной модели опубликованы в открытом реестре Роспатента. Срок действия патента - 10 лет. * * *

Федеральная Служба по интеллектуальной собственности (Роспатент) Российской Федерации в апреле 2014 г. выдала ООО «Газпром ВНИИГАЗ» патент на полезную модель № 139123 «Система поддержания теплового режима транспортного средства». Авторы полезной модели - С.В. Люгай, А.Н. Капитонов, А.А. Евсти-феев, С.А. Мошков, М.Л. Балашов.

Формула полезной модели

1. Система поддержания теплового режима транспортного средства содержит предпусковой подогреватель двигателя транспортного средства. Предпусковой подогреватель включает камеру сгорания с входным газовым патрубком, теплообменную систему с циркуляционным насосом для охлаждающей жидкости двигателя транспортного средства, отличающуюся тем, что к входному газовому патрубку камеры сгорания предпускового подогревателя двигателя транспортного средства подключен газовый шланг, соединенный через распределительный газопровод с магистральным газопроводом низкого давления, при этом система управления предпускового подогревателя, а также связанные с ней исполнительные механизмы подключены к источнику электроэнергии, расположенному вне транспортного средства.

2. Система поддержания теплового режима транспортного средства отличается тем, что распределительный газопровод снабжен скоростным клапаном.

3. Система поддержания теплового режима транспортного средства отличается также тем, что газовый шланг подключен к входному газовому патрубку камеры сгорания предпускового подогревателя через заправочный штуцер, снабженный обратным клапаном.