Система производства электроэнергии, сжиженного и компримированного природного газа на газораспределительной станции
SYSTEM FOR THE PRODUCTION OF ELECTRICITY, LIQUEFIED AND COMPRESSED NATURAL GAS AT GAS DISTRIBUTION STATION

Изобретение относится к области теплоэнергетики, более точно к системам производства сжиженного природного газа (СПГ) и компримированного природного газа (КПГ) в условиях газораспределительных станций (ГРС).
Изобретение может найти применение при организации энергонезависимого процесса сжижения и компримирования природного газа в условиях ГРС, а также при производстве электроэнергии в условиях ГРС, в том числе, и для направления произведенной электроэнергии в сеть.
Широко известны системы и установки, позволяющие на ГРС, используя технологические перепады давления транспортируемого природного газа по магистральному газопроводу, организовать производство сжиженного и компримированного газа. Также известны комбинированные системы и установки, предназначенные для получения электроэнергии на ГРС.
Так, известна установка для комбинированного электро- и хладоснабжения на газораспределительной станции, защищенная патентом РФ №2665752, МПК F17D 1/04, опубл. 04.09.2018. Известная установка смонтирована между газопроводом высокого давления и газопроводом низкого давления и содержит основную линию подачи природного газа на детандер, кинематически соединенный с электрогенератором, блок осушки, установленный перед детандером, и теплообменник, вход которого подключен к выходу детандера. Известная установка содержит основной подогреватель газа, подключенный в линии газопровода высокого давления перед блоком осушки, и дополнительную линию подачи природного газа, которая проходит от второго выхода основного подогревателя газа через регулятор давления и соединяется с основной линией подачи природного газа в газопроводе низкого давления, при этом, к выходу теплообменника подсоединен дополнительный подогреватель газа с регулятором для регулирования температуры газа, направляемого в газопровод низкого давления, а теплообменник соединен трубопроводами подвода и отвода хладоносителя с потребителем холода. Известная установка позволяет утилизировать потенциальную энергию природного газа на ГРС. Однако необходимость применения в известной установке основного подогревателя газа, подключенного в линии газопровода высокого давления перед блоком осушки, существенно снижает эффективность ее работы.
Также известна система производства электроэнергии при сжижении природного газа на газораспределительной станции, защищенная патентом РФ №2731263, МПК F17D 1/04, F25J 1/00 опубл. 31.08.2020. Известная система смонтирована на ГРС, подключена к блоку сжижения природного газа и включает соединенные трубопроводами подвода, отвода природного газа теплообменник-утилизатор, детандер-генератор, блок очистки в блоке сжижения с подогревателями газа и аппарат воздушного охлаждения. В известной системе поток природного газа, подаваемый по магистральному газопроводу, делится на две ветви: первая подключена на первый вход теплообменника-утилизатора и далее на вход детандер-генератора, после прохождения которого газ направляется потребителям газораспределительной станции, а вторая ветвь подключена на вход блока очистки в блоке сжижения, а выход блока очистки подсоединен ко второму входу теплообменника-утилизатора, второй выход которого подсоединен ко входу аппарата воздушного охлаждения, на выходе из которого газ направляется потребителям газораспределительной станции. В известной системе установлена электрическая связь с генератором детандер-генератора. Использование известной системы позволяет повысить энергетическую и экологическую эффективность работы ГРС. Однако, необходимость применения в известной системе энергоемких аппаратов воздушного охлаждения, необходимость затрат электроэнергии и топливного газа в подогревателях газа, снижают энергетическую эффективность работы известной системы.
Решение задачи повышения энергонезависимости процессов сжижения и компримирования природного газа на ГРС позволит существенно улучшить экономические показатели работы блока сжижения на ГРС и работы ГРС в целом.
Целью изобретения является повышение экономической эффективности работы ГРС за счет повышения энергоэффективности и энергонезависимости процессов сжижения и компримирования природного газа на ГРС, получения и распределения электрической энергии для нужд ГРС.
Техническим результатом изобретения является разработка энергоэффективной и энергонезависимой комбинированной системы производства электроэнергии, сжиженного и компримированного природного газа на ГРС.
Поставленная цель и требуемый технический результат достигаются за счет того, что система производства электроэнергии, сжиженного и компримированного природного газа подключена к газораспределительной станции, включаемой между магистральным газопроводом высокого давления и потребительским газопроводом, и имеет в своем составе один, но не ограничиваясь этим, детандер-генератор, три, но не ограничиваясь этим, подключенных между собой последовательно кожухотрубных теплообменных аппарата, блок управляющего контроллера и блок сжижения природного газа, подаваемого на газораспределительную станцию по магистральному газопроводу. Блок сжижения содержит компрессор высокого давления с возможностью компримирования природного газа и холодильную машину с компрессором. Во всех кожухотрубных теплообменных аппаратах нагреваемым теплоносителем является природный газ. Один из входов первого кожухотрубного теплообменного аппарата подключен к выходу компрессора высокого давления блока сжижения, один из входов второго кожухотрубного теплообменного аппарата подключен к выходу холодильной машины блока сжижения, один из входов третьего кожухотрубного теплообменного аппарата подключен к выходу компрессора холодильной машины блока сжижения. Один из выходов третьего кожухотрубного теплообменного аппарата подключен ко входу детандер-генератора, выход которого соединен трубопроводом отвода природного газа с потребительским газопроводом. Выходы блока сжижения соединены трубопроводами отвода сжиженного и компримированного газа с потребителями. Генератор детандер-генератора связан электрической связью с блоком управляющего контроллера, который, в свою очередь, связан электрической связью с блоком сжижения, с электропотребителями газораспределительной станции и с электросетью. Поток природного газа, подаваемый по магистральному газопроводу, делится на три потока: первый поток направляется в редуктор давления и, далее, в потребительский газопровод, второй поток направляется на вход блока сжижения для производства сжиженного и компримированного природного газа, третий поток природного газа в качестве нагреваемого теплоносителя последовательно направляется сквозь последовательно подключенные между собой первый, второй, третий кожухотрубные теплообменные аппараты и подается в детандер-генератор, после прохождения которого, поток природного газа по трубопроводу отвода направляется в потребительский газопровод. Охлаждаемыми теплоносителями в первом, втором, третьем кожухотрубных теплообменных аппаратах выступают, соответственно, горячий антифриз из системы охлаждения компрессора высокого давления блока сжижения, фреон холодильной машины блока сжижения, масло компрессора холодильной машины блока сжижения. Генератор детандер-генератора выполнен с инвертором напряжения, имеющим выходное напряжение промышленной частоты, для обеспечения возможности, посредством блока управляющего контроллера, возвращения остаточной электроэнергии, вырабатываемой детандер-генератором, в электросеть.
При осуществлении изобретения наличие как минимум трех кожухотрубных теплообменных аппаратов, нагреваемым теплоносителем в которых выступает природный газ, охлаждающих горячий антифриз, фреон и масло компрессора холодильной машины, одновременно выполняя функцию конденсатора холодильной машины, позволяет, с одной стороны, исключить использование штатного конденсатора и энергоемких аппаратов воздушного охлаждения в блоке сжижения, существенно повышая тем самым энергоэффективность процесса сжижения природного газа на ГРС, с другой стороны, обеспечить подогрев природного газа перед поступлением в детандер-генератор для исключения конденсации тяжелых компонентов на выходе из детандер-генератора. Использование в системе детандер-генератора позволяет наладить выработку и поставку электроэнергии для нужд блока сжижения и в целом ГРС, а исполнение генератора детандер-генератора с инвертором напряжения, имеющим выходное напряжение промышленной частоты, позволяет получить возможность возвращения остаточной электроэнергии, не использованной в системе, в электросеть. Также, использование в блоке сжижения компрессора высокого давления дает возможность получения компримированного природного газа вместе с получением сжиженного природного газа, повышая эффективность работы блока сжижения на ГРС.
Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее описание и прилагаемый чертеж. На чертеже показана конструктивная схема системы производства электроэнергии, сжиженного и компримированного природного газа на газораспределительной станции. Различные требуемые вспомогательные системы, такие как клапаны, смесители потоков, системы регулирования и датчики исключены из чертежа в целях упрощения и ясности представления.
Система производства электроэнергии, сжиженного и компримированного природного газа подключена к газораспределительной станции 1, включаемой между магистральным газопроводом высокого давления и потребительским газопроводом (на чертеже не обозначены) с редуктором 2 давления. Система имеет в своем составе один, но не ограничиваясь этим, детандер-генератор 3, кожухотрубные теплообменные аппараты 6, 7, 8, блок 4 управляющего контроллера и блок 5 сжижения с компрессором 11 высокого давления и холодильной машиной 9 с компрессором 10.
В одном конкретном исполнении, в соответствии с прилагаемым чертежом, система работает следующим образом.
Поток природного газа поступает на ГРС 1 из магистрального газопровода с температурой от 0°С до 10°С, давлением от 3,2 до 4,6 МПа и делится на три потока: первый поток поступает через редуктор 2 давления в потребительский газопровод и направляется потребителю с давлением 0,6 МПа и температурой не ниже 0°С; второй поток поступает на вход блока 5 сжижения, после прохождения которого компримированный газ (КПГ) с давлением 25 МПа и температурой от 0°С до плюс 20°С и сжиженный газ (СПГ) с давлением 0,4 МПа и температурой минус 141°С направляются потребителю; третий поток последовательно направляется сквозь последовательно подключенные между собой первый, второй, третий кожухотрубные теплообменные аппараты соответственно, 6, 7, 8 и подается в детандер-генератор 3 для выработки электроэнергии, после прохождения которого, поток природного газа по трубопроводу отвода направляется в потребительский газопровод. Последовательно подключенные между собой кожухотрубные теплообменные аппараты 6, 7, 8 служат, с одной стороны, для подогрева потока природного газа перед детандер-генератором 3, поскольку это необходимо для исключения конденсации тяжелых компонентов на выходе из детандер-генератора, с другой стороны, теплообменные аппараты 6, 7, 8 выполняют функцию охлаждения для блока сжижения 5: охлаждают горячий антифриз из системы охлаждения компрессора 11 высокого давления цикла сжижения, выполняют функцию конденсатора холодильной машины 9, охлаждая и конденсируя фреон, а также охлаждают масло компрессора 10 холодильной машины 9.
Первый кожухотрубный теплообменный аппарат 6 подключен к выходу компрессора 11 высокого давления блока сжижения 5 и охлаждает горячий антифриз, например, 65% раствор этиленгликоля, из системы охлаждения компрессора 11 высокого давления цикла сжижения. После первого кожухотрубного теплообменного аппарата 6 поток природного газа с температурой плюс 11,06°С и давлением 3,45 Мпа проходит во второй кожухотрубный теплообменный аппарат 7, подключенный к выходу холодильной машины 9 цикла сжижения, где нагревается до температуры плюс 19,61°С за счет охлаждения фреона холодильной машины 9. Теплообменный аппарат 7 в данном случае выполняет функции штатного конденсатора для холодильной машины 9, охлаждая и конденсируя ее фреон. Далее, в соответствии с последовательным подсоединением кожухотрубных теплообменных аппаратов, подогретый поток природного газа проходит в третий кожухотрубный теплообменный аппарат 8, подключенный к выходу компрессора 10 холодильной машины 9, где нагревается до температуры плюс 45,26°С за счет охлаждения масла компрессора 10.
Система производства электроэнергии, сжиженного и компримированного природного газа может иметь в своем составе несколько детандер-генераторов при необходимости обеспечения электроэнергией большего числа потребителей, например, при необходимости обеспечения электроэнергией нескольких блоков сжижения. Система может иметь в своем составе также более трех кожухотрубных теплообменных аппаратов, при необходимости увеличения выхода СПГ и КПГ с подключением в блоке 5 сжижения дополнительных компрессоров высокого давления.
Блок 4 управляющего контроллера аккумулирует и распределяет электроэнергию, получаемую от генератора детандер-генератора 3, с которым связан электрической связью. Также, блок 4 управляющего контроллера для распределения электроэнергии связан электрической связью с блоком 5 сжижения и со всеми электропотребителями газораспределительной станции 1. Кроме этого, блок 4 управляющего контроллера подключен к сети и имеет функцию возвращения остаточной электроэнергии, вырабатываемой детандер-генератором 3, в электросеть, поскольку генератор детандер-генератора 3 выполнен с инвертором напряжения, имеющим выходное напряжение промышленной частоты.
Такая компоновка системы производства электроэнергии, сжиженного и компримированного природного газа на ГРС улучшает энергоэффективность процессов сжижения и компримирования природного газа на ГРС, позволяя отказаться от применения в этих процессах используемых обычно энергоемких аппаратов воздушного охлаждения. Также, предусмотренная в системе возможность нагрева природного газа перед подачей в детандер-генератор, исключает конденсацию тяжелых компонентов на выходе из детандер-генератора, обеспечивая его безаварийную работу, повышая экономическую эффективность работы ГРС. Система обеспечивает энергонезависимость ГРС и энергонезависимость всех блоков, работающих в ее составе, кроме этого, дает возможность, посредством блока управляющего контроллера, возвращения остаточной электроэнергии, вырабатываемой детандер-генератором, в электросеть.