СПОСОБ РЕДУЦИРОВАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА
NATURAL GAS REDUCTION METHOD

Изобретение относится к области газораспределения, в частности снижения давления природного газа с использованием редуцирующего устройства и может быть использовано на газораспределительных станциях магистральных газопроводов.
Из области газораспределения известно, что при транспортировке природного газа потребителям из магистрального газопровода высокого давления в трубопровод низкого давления на газораспределительной станции в редуцирующем устройстве происходит снижение давления природного газа, сопровождающееся охлаждением транспортируемого природного газа в процессе его расширения. Это приводит к наружному обмерзанию арматуры, к выпадению газогидратов на внутренней поверхности мест сужения, а также к выпучиванию грунтов, где проходит такой охлажденный газопровод.
Для избегания процессов, описанных ранее, транспортируемый природный газ подогревают.
Наиболее широко применяют общий предварительный подогрев природного газа перед его редуцированием [СТО Газпром 2-2.3-1081-2016 Газораспределительные станции. Общие технические требования. - СПб.: ООО «Газпром экспо», 2018, с. 18]. Подогрев газа осуществляется в подогревателях газа или теплообменных устройствах за счет энергии, получаемой при рекуперативной утилизации в замкнутом контуре тепла газообразных продуктов сгорания части подвергающегося редуцированию природного газа.
Основным недостатком данного способа является высокий уровень эксплуатационных расходов при его реализации, обусловленный необратимыми потерями природного газа, связанными с его сжиганием.
Существуют различные способы, направленные на редуцирование и подогрев природного газа, основанные на использовании вихревых труб и атмосферных теплообменников.
Известен способ редуцирования давления природного газа [патент РФ №2309322, F17D 1/04 (2006.01), опубл. 27.10.2007 Бюл. №30], включающий предварительное энергоразделение части потока редуцируемого газа в вихревой трубе на горячий и холодный потоки, подвод к сгенерированной низкотемпературной составляющей потока газа тепла от внешнего источника и последующее их смешение перед выдачей в потребительскую сеть низкого давления, с использованием в качестве внешнего источника тепла теплоты кристаллизации воды при ее замораживании.
Недостатком известного способа является нецелесообразность его использования в случае практической невозможности утилизации льда, получаемого в результате подобного рекуперативного теплообмена.
Известен способ редуцирования давления природного газа [патент РФ №2180420, F17D 1/04 (2000.01), опубл. 10.03.2002 Бюл. №7], включающий охлаждение части природного газа высокого давления до подачи на штатные регуляторы газораспределительной станции за счет рекуперативного теплообмена с потоком газа низкого давления, поступление его в вихревую трубу, разделение на два потока с различной температурой (холодный и горячий), при этом холодный поток нагревается за счет теплопритока из окружающей среды в одном из двух переключающихся атмосферных теплообменников и объединяется с потоком газа низкого давления после газораспределительной станции, далее он подогревается вследствие рекуперативного теплообмена с газом высокого давления и выводится в магистраль потребителя, объединяясь с горячим потоком.
Недостатком известного способа является неэффективность подогрева расширяющегося потока газа в условиях низких температур воздуха.
Известен способ регулируемого бесподогревного редуцирования магистрального природного газа и устройство для его осуществления [патент РФ №2162190, F17D 1/04 (2000.01), F25B 9/02 (2000.01), опубл. 20.01.2001 Бюл. №2], включающий регулируемое редуцирование природного газа в пучке сверхзвуковых каналов теплообменника с отводом и дальнейшей утилизацией образующегося холода либо с помощью части нерасширившегося газа, либо жидким теплоносителем.
Недостатком известного способа является его сложность из-за необходимости использования оборудования, работающего со сверхзвуковыми потоками газа, а также нецелесообразность его использования в случае практической невозможности утилизации образующегося холода.
Известен способ редуцирования давления природного газа [патент РФ №2472062, F17D 1/04 (2006.01), опубл. 10.01.2013 Бюл. №1], включающий дроссельное сопло, после которого соосно устанавливают стакан и направляют в него поток газа низкого давления, при этом диаметр и длину стакана подбирают в зависимости от объема газа низкого давления.
Недостатком известного способа является недостаточная эффективность нагрева из-за невозможности оперативного регулирования размеров и ориентации стакана в зависимости от случайно изменяющихся газодинамических параметров набегающего потока газа.
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и взятым за прототип является способ предотвращения гидратообразования в природном газе и устройство для его осуществления [патент РФ №2251644, F24H 3/00 (2000.01), F17D 1/05 (2000.01), опубл. 10.05.2005 Бюл. №13], включающий общий предварительный подогрев газа, например в кожухотрубном рекуперативном теплообменнике с непосредственным огневым подогревом, при этом экономию тепла на подогрев газа осуществляют за счет уменьшения перепада давления на регуляторе давления, установленном до регулятора давления газа, на выходе из теплообменника, увеличивая затраты потенциальной энергии давления газа при его движении в нагреваемых каналах теплообменника за счет перераспределения расхода нагреваемого газа по отдельным теплообменным трубам пропорционально теплонапряженности их стенок с учетом величины располагаемого давления газа на входе в теплообменник.
Недостатком известного способа является недостаточная эффективность экономии топливного газа, расходуемого на подогрев транспортируемого природного газа, ограниченная возможностью использования только внутренних конструктивных резервов теплообменника.
Задачей изобретения является создание способа редуцирования природного газа, исключающего указанные недостатки аналогов и прототипа, а также снижающего расход топливного газа, используемого для подогрева транспортируемого природного газа.
Техническим результатом изобретения является уменьшение перепада температур транспортируемого природного газа на устройстве для редуцирования газораспределительной станции.
Поставленная задача и технический результат в способе редуцирования природного газа, включающем общий предварительный подогрев природного газа в рекуперативном теплообменнике, уменьшение перепада давления на дополнительном регуляторе давления газа, установленном до основного регулятора давления газа, решается тем, что осуществляют каскадное понижение давления газа в газопроводе за счет установки нескольких линейных дополнительных регуляторов давления газа, распределенных по линейной части газопровода, первый из которых размещают на входе в газопровод, а последующие размещают вдоль газопровода с заданным шагом, определяемым из условия обеспечения температуры не ниже 0,1°С на выходе линейных дополнительных регуляторов давления газа, осуществляют нагрев газа в газопроводе после редуцирования в процессе его движения за счет теплообмена с грунтом, имеющим положительную температуру, газопровод оснащают цифровой системой, обеспечивающей автоматизированный контроль расхода, температуры и давления газа, температуры грунта, с помощью которой определяют и корректируют допустимые уровни снижения давления в каждом линейном регуляторе давления газа, выполняют автоматическое управление процессом редуцирования природного газа в газопроводе.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, 2, 3. На фиг. 1 показана схема газопровода с дополнительными линейными регуляторами давления газа, распределенными по линейной части газопровода. На фиг. 2 показаны диаграммы, характеризующие изменение давления и температуры в газопроводе высокого давления большой протяженности, обеспечивающем транспортировку газа к газораспределительной станции. На фиг. 3 показаны диаграммы, характеризующие изменение давления и температуры в газопроводе большой протяженности, оснащенном дополнительными линейными регуляторами давления газа.
Изобретение реализуется следующим образом.
Газопровод 1 (фиг. 1), подводящий газ высокого давления с положительной температурой к газораспределительной станции 2, заглубляется в грунт (на фиг. не показан), имеющий стабильно положительную температуру, как в летний, так и зимний периоды, оснащается линейными регуляторами давления газа 3, размещаемыми в определенном порядке вдоль газопровода 1 и управляемыми с помощью единой цифровой системы 4, включающей датчики контроля температуры грунта 5, датчики температуры газа 6, расходомеры 7, а также датчики давления 8.
Первый линейный регулятор давления газа 3 размещается на входе в газопровод 1, второй и все последующие линейные регуляторы давления газа 3 размещаются вдоль газопровода 1 с заданным шагом, определяемым по результатам тепловых расчетов.
На первом линейном регуляторе давления газа 3 понижают давление газа на величину, определяемую по условию:
1
1
2
i
где P, T - соответственно, давление и температура газа на входе в первый линейный регулятор давления газа 3 (фиг. 1), МПа; Р - допустимое давление газа на выходе первого линейного регулятора давления газа 3, МПа; D - коэффициент Джоуля-Томпсона для газа, транспортируемого по газопроводу 1, °С/МПа.
Далее, газ с пониженным давлением направляется к следующему линейному регулятору давления газа 3 газопровода 1, при этом температура газа, за счет теплообмена газопровода 1 с грунтом, повышается до температуры грунта.
На втором и последующих линейных регуляторах давления газа 3, давление газа понижается на величину, определяемую по условию:
j
гj
j
где P, T - соответственно, давление и температура газа на входе во второй и все последующие линейные регуляторы давления газа 3, МПа; P - допустимое давление газа на выходе второго и всех последующих линейных регуляторов давления газа 3, МПа.
В результате газ, проходящий по газопроводу 1, охлаждается при редуцировании на линейных регуляторах давления газа 3, с последующим нагревом за счет теплового взаимодействия газопровода 1 с окружающим его грунтом.
На входе в газораспределительную станцию 2, газ также имеет температуру, соответствующую температуре грунта, при этом за счет уменьшения разности давлений газа на входе и выходе газораспределительной станции 2, охлаждение газа будет менее интенсивным, чем в случае реализации стандартной технологии, предполагающей, что понижение давления газа осуществляется только на газораспределительной станции 2. В результате, расход топливного газа, используемого в подогревателях газа (на фиг. не показаны) газораспределительной станции 2 снижается.
Газопровод оснащают цифровой системой 4, обеспечивающей непрерывный контроль расхода, температуры и давления газа, а также температуры грунта в окрестности газопровода 1. При эксплуатации газопровода 1 цифровая система 4 определяет и корректирует допустимые уровни снижения давления в каждом линейном регуляторе давления газа 3, выполняет автоматическое управление процессом ступенчатого понижения давления газа.
Пример.
Газопровод 1 (фиг. 1) условным диаметром 500 мм обеспечивает транспорт газа к газораспределительной станции 2. Давление на входе в газопровод 1 составляет 5,4 МПа, давление на входе в газораспределительную станцию 2 составляет 5,1 МПа, протяженность газопровода 1 составляет 40 км, температура газа на входе в газопровод 1 составляет 20°С, температура грунта в зимний период составляет 2°С.
При реализации стандартной схемы транспортировки газа происходит снижение давления газа в газопроводе 1 от 5,4 МПа до 5,1 МПа. При этом, за счет теплообмена между газопроводом 1 значительной протяженности и грунтом газ охлаждается от 20°С до температуры грунта 2°С на входе в газораспределительную станцию 2 (фиг. 2).
При снижении давления газа на газораспределительной станции 2 от 5,1 МПа до 0,6 МПа, за счет эффекта дросселирования газ охлаждается от 2°С до минус 22°С (фиг. 2).
Дальнейшая транспортировка охлажденного до отрицательных температур газа по газопроводу 1 низкого давления связана с рисками образования газогидратов и перекрытия ими внутренней полости газопровода 1, морозным пучением грунтов на трассе газопровода 1, что снижает надежность эксплуатации газопровода 1.
Для предупреждения транспортирования газа с отрицательной температурой (ниже 0°С) на газораспределительной станции 2 выполняется подогрев транспортируемого газа с помощью подогревателей, работающих на природном газе, в результате, температура газа на выходе газораспределительной станции 2 составляет 2°С (на фиг. 2 не показано).
При внедрении заявленного способа редуцирования природного газа, газопровод 1 оснастили тремя линейными регуляторами давления газа 3. В результате, на первом линейном регуляторе давления газа 3 давление газа снизили от 5,4 МПа до 1,8 МПа (фиг. 3), при этом температура газа снизилась от 20°С до 0,1°С. На входе во второй линейный регулятор давления газа 3 (фиг. 1), температура газа за счет теплообмена между газопроводом 1 и грунтом, составила 2°С. Далее, давление газа во втором линейном регуляторе давления газа 3 было понижено от 1,8 МПа до 1,5 МПа, при этом температура газа на выходе составила 0,1°С. На входе в третий линейный регулятор давления газа 3, температура газа, за счет теплообмена между газопроводом 1 и грунтом, также составила 2°С. Далее, давление газа в третьем линейном регуляторе давления газа было понижено от 1,5 МПа до 1,2 МПа, при этом температура газа на выходе составила 0,1°С.
На входе в газораспределительную станцию 2, за счет теплообмена между газопроводом 1 и грунтом, газ имел температуру 2°С. На газораспределительной станции 2 давление снизили от 1,2 МПа до 0,6 МПа, при этом газ охладился до температуры минус 1,3°С (фиг. 3).
Эффект использования способа редуцирования природного газа в газопроводе 1 может быть рассчитан по известному выражению:
Q=С⋅m⋅ΔТ,
где Q - количество тепловой энергии, необходимой для нагрева газа, Дж; С - теплоемкость газа Дж/(кг×°С), m - масса газа, кг; ΔT - разность начальной и конечной температур газа при нагреве на газораспределительной станции 2, °С.
При реализации стандартной технологии транспорта газа по газопроводу 1, подводимой к газу на газораспределительной станции 2 тепловой энергии потребуется для нагрева от минус 22°С до 2°С, соответственно ΔT=24°С. При реализации заявленного способа редуцирования природного газа, газ должен быть нагрет от минус 1,3°С до 2°С, при этом ΔT=3,3°С. Соотношение энергопотребления процесса нагрева газа на газораспределительной станции 2 при стандартной технологии транспорта газа и при заявленном способе редуцирования природного газа будет соответствовать соотношению температур нагрева, 24°С/3,3°С=7,3. В результате реализации способа редуцирования природного газа, затраты энергоносителей на газораспределительной станции 2, затрачиваемых на нагрев газа, могут быть снижены в 7,3 раза.
Снижение расхода топливного газа, используемого для подогрева транспортируемого природного газа, а также уменьшение температурного перепада транспортируемого природного газа на редуцирующем устройстве газораспределительной станции достигается за счет ступенчатого снижения давления транспортируемого природного газа в газопроводе, взамен стандартной схемы однократного его снижения.