СИСТЕМА СТРАВЛИВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE RELIEF SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системам для использования вторичной энергии, образующейся при стравливании давления в трубопроводах природного газа.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как правило, природный газ выходит из газовых скважин под давлением в несколько сотен бар. Его регулируют таким образом, чтобы можно было транспортировать по газораспределительным сетям. Это давление поддерживают при помощи компрессоров. Вследствие этого транспортная система обладает значительной потенциальной энергией, которая теряется по мере того, как давление внутри распределительной системы постепенно снижают, чтобы потребители могли получать соответствующее их требованиям давление.
В большинстве стран используют сходные системы транспортировки газа по территории с последующим региональным распределением. В Великобритании существуют три основные группы ступеней понижения давления, понижающие давление от 60-80 бар до бытовых значений, измеряющихся в миллибарах. По имеющимся оценкам, в энергетической системе Великобритании имеется до 1 ГВт доступной механической энергии от расширения газа. Эта энергия большей частью теряется на станциях понижения давления, и нет никаких сомнений, что энергия может и должна быть возвращена.
Вследствие этого было бы целесообразно улавливать механическую (кинетическую) энергию, выделяющуюся в результате снижения давления газа и потери им потенциальной энергии.
Действующая технология стравливания давления предполагает использование для снижения давления простого дросселирующего отверстия. Оно может иметь вид регулирующего клапана с системой управления, который обычно называют клапаном Джоуля-Томсона. В газораспределительных сетях существуют разные наименования для стравливания давления. В Великобритании системы с более высоким давлением называют узлами стравливания давления (англ. PRS, pressure reduction station) или газоперекачивающими регуляторными станциями (англ. TRS, transmission regulator station). В США их называют станциями понижения давления (англ. PLS, pressure letdown stations).
По мере того как газ перемещается через редукционные клапаны Джоуля-Томсона, происходит падение температуры, обусловленное изоэнтальпийным адиабатическим расширением газа. При отсутствии регулирования холодный газ, находящийся под давлением, может привести к конденсации и замерзанию гидратов, что может повлечь за собой повреждение оборудования и блокировку трубопроводов. Как показано на Фиг. 1, при таком охлаждении в настоящее время возникает необходимость в использовании стадии предварительного нагрева.
2
Как правило, технология предварительного нагрева является относительно примитивной. Она представляет собой процесс сгорания, в результате которого нагревается жидкость в резервуаре. Для получения энергии газ проходит через теплообменное устройство в резервуаре. Необходимый предварительный нагрев зависит от исходного давления, изменения давления и состава газа. Например, в случае характерного для Великобритании состава природного газа и входного давления 30 бар температура будет понижаться приблизительно на 0,6°С на каждый бар падения давления. Следовательно, при давлении на выходе 5 бар будет получено падение температуры на 15°С, что при отсутствии регулирования приведет к температуре на выходе -5°С. Количество энергии, необходимое для нагрева газа, относительно невелико по сравнению с химической энергией, перемещающейся при течении по трубопроводу. Тем не менее, при наличии на территории Великобритании более чем 14000 PRS это представляет собой значительный расход газа и высвобождение СO, что является нежелательным.
Турбодетандеры используются на протяжении многих лет для регенерации энергии из расширяющихся потоков газа. Они бывают очень разными по размерам и эффективностям. В большинстве из них используется высокооборотная турбина, менее распространен способ, реализующий систему прямого вытеснения, как в случае структуры винтового детандера. С точки зрения функциональности, оба они обладают одинаковой эффективностью (как правило, изоэнтропийное КПД составляет от 30 до 85%) и воздействием на температуру и давление. Все конструкции могут быть соединены с электрическим генератором для преобразования расширения газа в электрическую энергию. Электрическую энергию, получаемую из генератора, затем обычно переводят в надлежащее состояние для применения или экспорта. По своей природе турбодетандеры способствуют изоэнтропийному адиабатическому расширению, при котором температура газа снижается приблизительно в 5 раз больше, чем при использовании редукционных клапанов Джоуля-Томсона.
По-видимому, существует несколько причин, по которым технология с использованием турбодетандеров или винтовых детандеров не была широко реализована для газораспределительных сетей.
- Электрическая энергия, вырабатываемая турбодетандером, составляет приблизительно 85% потребности предварительного нагрева (хотя следует отметить, что стоимость 1 МВт⋅ч вырабатываемой электроэнергии больше, чем для потребляемого газа).
- Увеличенное потребление газа, необходимое для предварительного нагрева, приводит к повышению углеродного следа распределительной системы, в то время как существует значительное стимулирование снижения углеродного следа.
- Для обеспечения экспорта электрической энергии по низкой цене необходимо, чтобы PRS располагались в непосредственной близости от электрической подстанции с достаточной генерирующей мощностью, чтобы принять входную электроэнергию от генератора турбодетандера, что существенно сокращает количество доступных мест.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение решает проблему использования потенциальной энергии, образующейся на стадиях расширения газа (стравливания давления) в газопроводе или в криогенной промышленности. Использование турбо- или винтовых детандеров лишь отчасти разрешает эту проблему, поскольку электроэнергия производится с перерывами и зачастую географически не совпадает с электрической сетью. Вследствие этого возникают сложности с экспортом или хранением электроэнергии, а также ее недостаточно, чтобы перекрыть дополнительное тепло, требующееся для предварительного нагрева. Предлагаемые решения направлены на устранение этих недостатков.
Настоящее изобретение включает в себя соединение электролизера, работающего в режиме следования за нагрузкой, с устройством, которое извлекает энергию со стадии расширения газа, таким как турбодетандер. Электролизер может быть электролизером с протонообменными мембранами (англ. РЕМ, proton exchange membrane) или щелочным электролизером, и будет преобразовывать электроэнергию в водород. Полученный водород можно использовать самыми разными способами, и вследствие этого нет зависимости от необходимости использования неравномерно поступающей электроэнергии, при этом энергия может храниться в течение неограниченного времени в камере высокого давления. Полезным преимуществом электролизера также является то, что он генерирует вторичное тепло, которое может использоваться на стадии предварительного нагрева. Это имеет существенные преимущества с точки зрения сокращения выброса парниковых газов.
Согласно первому аспекту система для стравливания давления и отвода энергии из трубопроводов природного газа или для применения в криогенной промышленности включает в себя электролизер, генерирующий водород, нагревательное устройство, выполненное с возможностью нагревания природного газа в трубопроводе, и устройство, выполненное с возможностью отвода энергии расширения природного газа, где отведенную энергию используют для питания электролизера.
Согласно второму аспекту система, такая как определена выше, может применяться для отвода энергии расширения газа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На Фиг. 1 представлена система стравливания давления предшествующего уровня техники.
На Фиг. 2 и 3 представлены две предпочтительные системы стравливания давления согласно изобретению.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 2 изображен предпочтительный вариант осуществления, который подразумевает соединение РЕМ электролизера и теплового насоса с устройством, извлекающим электрическую энергию со стадии расширения газа, таким как турбодетандер, объединенный с электрогенератором. В идеальном случае РЕМ электролизер будет генерировать водород под давлением и обладает способностью нагружаться после этого от 0% до 100% номинальной мощности. Энергия, необходимая для предварительного нагрева газа, может поступать из различных источников, включая горение. Предпочтительно, если ее получают из комбинации вторичного тепла электролизера и тепловой энергии теплового насоса. Электролизер преобразует электрическую энергию в газообразный водород под давлением, который предпочтительно вводят в распределительную сеть природного газа.
Полученный водород может использоваться различными способами. Вследствие этого подобная схема не страдает от недостатков, связанных с экспортированием в электрическую сеть, например, когда производительность недостаточна для удовлетворения спроса.
Альтернативный вариант осуществления, изображенный на Фиг. 3, предполагает использование технологии криогенной промышленности (где турбодетандеры обычно используют для охлаждения газов) и подачу выходной мощности турбодетандера непосредственно в крупногабаритный теплообменник с комнатной температурой, специально предназначенный для того, чтобы свести к минимуму образование гидратов, для повышения температуры газа приблизительно до температуры окружающей среды. В дальнейшем газ может быть окончательно нагрет за счет использования вторичного тепла электролизера и/или теплового насоса, как было описано ранее.
Эти способы обладают значительными преимуществами, в том числе:
- В варианте осуществления, изображенном на Фиг. 2, газ не расходуется, что позволяет снизить затраты и углеродный след по сравнению с существующими клапанами Джоуля-Томсона.
- Поскольку полученный водород является "зеленым", его присутствие будет способствовать декарбонизации газораспределительной сети всех газопотребляющих процессов и позволит изобретению претендовать на ряд стимулов по сокращению выброса парниковых газов.
- Не требуется соединение с внешней электрической подстанцией, что позволяет увеличить количество доступных локаций и снизить затраты.
Система согласно изобретению включает в себя нагреватель/нагревательное устройство, повышающие температуру газа. Подходящие нагревательные устройства известны специалистам в данной области. Термин "нагревательное устройство" следует толковать широко, при этом он означает любой способ, при помощи которого температура газа может быть повышена. Например, нагревательное устройство может быть любым устройством, позволяющим нагревать природный газ в трубопроводе, к примеру теплообменным устройством, нагревающим газ при помощи окружающего воздуха или воды.
Согласно предпочтительному варианту осуществления нагревательное устройство представляет собой теплообменник, через одну половину которого течет природный газ, а текучий теплоноситель находится на другой половине. Текучий теплоноситель может нагреваться за счет горения природного газа или другого топлива. Текучий теплоноситель может быть нагрет при помощи системы комбинированной выработки тепла и электроэнергии (ТЭЦ, теплоэлектроцентраль, англ. СНР, combined heat and power). Нагревательное устройство может быть воздушным теплообменником. Текучий теплоноситель может быть нагрет при помощи теплового насоса. Текучий теплоноситель может быть нагрет при помощи вторичного тепла электролизера. Нагревание может осуществляться при помощи электронагревателя. Предпочтительно, текучий теплоноситель может быть нагрет при помощи теплового насоса и вторичного тепла электролизера.
2
При использовании теплового насоса предпочтительно, чтобы он работал при как можно более высокой температуре на выходе. Могут применяться различные технологии тепловых насосов и среды. Предпочтительным вариантом осуществления является тепловой насос, работающий на сверхкритическом СO, позволяющий получать температуру до 80-90°С. Другим вариантом осуществления нагревательного устройства является тепловой насос, работающий на докритическом аммиаке. Различные источники тепла/нагревательные устройства могут включать, не ограничиваясь перечнем, воздух, грунт и воду. Вода и воздух являются предпочтительными источниками тепла благодаря меньшему воздействию на окружающую среду и более низким затратам на капитальные расходы.
Устройства для отвода энергии расширения газа известны специалистам в данной области техники. Согласно настоящему изобретению устройством для отвода энергии расширения газа предпочтительно является турбина либо устройство прямого вытеснения, такое как винтовой детандер. Более предпочтительно, устройство представляет собой турбину, например является турбодетандером. Устройство отводит кинетическую энергию газа по мере его расширения во время снижения давления. Это устройство предпочтительно механически соединено с генератором постоянного или переменного тока, вырабатывающим электроэнергию. Предпочтительно, выходная мощность является постоянным током (англ. direct current, DC), и в этом случае подобная схема позволяет снизить затраты за счет устранения энергопреобразующего оборудования для переменного тока/постоянного тока (англ. alternating current / direct current, AC-DC) для электролизера. Поскольку узлы понижения давления подвергаются суточным и сезонным колебаниям расхода и давления, все оборудование, присоединенное к генератору, должно быть в состоянии принимать изменяющуюся во времени входную мощность.
Выходная электрическая мощность генератора может быть использована для питания теплового насоса и электролизера. Согласно предпочтительному варианту осуществления питание должно динамически распределяться между двумя устройствами, поскольку давление на входе и выходе турбодетандера меняется, чтобы обеспечить максимальную выработку водорода, образуя при этом достаточное количество тепла для предварительного подогрева газа.
Система согласно изобретению использует электролизер, генерирующий водород, предпочтительно электролизер для разложения воды. Специалист в данной области сможет выбрать подходящий электролизер для использования в системе согласно изобретению. Электролизеры для разложения воды производятся на протяжении многих лет; однако лишь недавно стали возможны электролизеры с многократно повторяющимися циклами, использующие от 0 до 100% диапазона мощности без повреждений.
Электролизер может быть электролизером с протонообменной мембраной (РЕМ), твердооксидным электролизером или щелочным электролизером, основанным на твердом полимерном либо жидком электролите. Предпочтительно, электролизер является РЕМ электролизером. Предпочтительно, протонообменная мембрана (РЕМ) является анионной. Мембрана может быть выполнена из гидрофильного сшитого полимера. Согласно одному из вариантов осуществления мембрана выполнена из перфорированного полимера.
2
Устройство с РЕМ способно быстро реагировать на флуктуацию электрической энергии на входе без значительных негативных последствий для производительности или продолжительности срока службы. В частности, в изобретении используют гидрофильные ионные РЕМ мембраны, такие как мембраны, описанные в патентном документе WO 03/023890, который полностью включен в настоящий документ посредством ссылки. Они могут работать в широком диапазоне значений тока, предпочтительно от 0,1 до 3 А/см, что значительно выше, чем для жидкостных щелочных электролизеров. Увеличенная плотность тока приводит к потребности в меньшем электролизере, а потому целесообразна с точки зрения экологического воздействия и затрат.
Кислород, образующийся при электролизе, может сбрасываться в атмосферу, использоваться или храниться. Его можно использовать для улучшения параметров горения во вспомогательном оборудовании. Кислород может использоваться в реакции горения для нагрева газа в трубопроводе и/или подаваться в нагревательное устройство для использования в указанном устройстве. Кислород может быть предварительно нагрет перед сжиганием или передачей в нагревательное устройство.
Электролизер для использования в изобретении должен генерировать водород при давлении выше 1 бар. Водород на выходе из электролизера может быть сжат при помощи компрессора. Предпочтительно, электролизер должен генерировать водород при давлении, позволяющем осуществлять прямой ввод в трубопровод природного газа без необходимости использования компрессора.
Для накапливания водорода в буфере на выходе из электролизера может потребоваться приспособление для хранения водорода. Можно использовать различные способы хранения, включая сжатый газ и гидрид металла. Предпочтительным вариантом осуществления является сжатый газ.
Газ может быть нагрет до или после того, как он поступает в устройство для отвода энергии.
Газ может быть нагрет при помощи:
a) теплового насоса;
b) вторичного тепла электролизера;
c) вторичного тепла из устройства для отвода энергии расширения газа;
d) энергии, выделяющейся при сгорании природного газа;
e) энергии, полученной на установке с комбинированной выработкой электроэнергии и тепла; и/или
f) при помощи комбинации двух или более из указанных выше способов.
В Великобритании должно быть продемонстрировано смешение и разбавление водорода внутри газопровода. Это можно обеспечить при помощи перемешивающего устройства перед вводом в газопровод, такого как статический смеситель. В качестве альтернативы разбавление можно получить за счет использования турбулентности в газопроводе. Водород можно вводить со стороны высокого давления перед устройством, которое отводит энергию расширения газа, в этом случае снижение давления будет создавать необходимую для перемешивания турбулентность. Предпочтительно, газообразный водород вводят со стороны низкого давления после устройства, отводящего энергию расширения газа, при этом турбулентность, образующаяся после устройства, обеспечивает перемешивание двух газов. Могут потребоваться измерения до и после узла понижения давления для проверки соответствия требованиям законодательства. Такие измерения могут включать в себя, не ограничиваясь перечнем, измерение расхода, давления, определение числа Воббе, удельной теплоты сгорания и содержания водорода.
Вместо возвращения газообразного водорода в распределительную сеть природного газа его можно отводить для использования в других областях, где может быть получена более высокая цена за газ. Например, он может храниться для использования в транспорте (в качестве топлива), или же он может быть использован в качестве реагента для химической реакции, такой как синтез аммиака, получение метана, синтез жидкого топлива и/или для использования вместе с кислородом.
Ниже будут более подробно рассмотрены два предпочтительных варианта осуществления, таких как изображены на Фиг. 2 и 3.
Вариант осуществления 1
Эта технология заменяет существующие статические системы с расширительным клапаном (Джоуля-Томсона) комплектом оборудования с интегрированным предварительным подогревом газа, системой возврата энергии, тепловым насосом и водородным электролизером. Система будет предварительно подогревать природный газ, отводить энергию во время снижения давления и использовать эту энергию для питания теплового насоса и электролизера. Тепло из электролизера и теплового насоса будет обеспечивать энергию для предварительного нагрева, а электролизер будет генерировать газообразный водород с низким содержанием углерода. Его можно сразу же вводить в газораспределительную сеть, снижая тем самым углеродный след газа. Схематическое изображение системы согласно изобретению представлено на Фиг. 2 в качестве "предлагаемой системы".
Вариант осуществления 2
Эта технология заменяет существующие статические системы с расширительным клапаном (Джоуля-Томсона) комплектом оборудования с системой возврата энергии, криогенным теплообменником, тепловым насосом и водородным электролизером.
Система отводит энергию во время снижения давления и затем использует эту энергию для питания теплового насоса (нагревательного устройства) и электролизера. Затем криогенно охлажденный природный газ поступает в теплообменник, где нагревается при помощи атмосферного воздуха. Тепло из электролизера и теплового насоса будет обеспечивать дополнительную энергию, необходимую для газа, переходящего в газовую систему. Электролизер будет генерировать "зеленый" газообразный водород. Его можно сразу же подавать в газораспределительную сеть, снижая тем самым углеродный след газа. Схематическое изображение системы согласно изобретению представлено на Фиг. 3 в качестве "предлагаемой системы".
После расширения газ поступает в воздушный теплообменник. Он может быть специально разработан для криогенных газов и передавать тепло из воздуха. Как правило, предусматриваются две параллельные системы, работающие циклически, чтобы размораживать лед, накапливающийся в системе. Это будет обеспечивать большую часть тепла. Возможны ситуации, например, в холодные дни, когда потребуется дополнительное нагревание. Предпочтительно, это будет осуществляться за счет различных источников, в том числе при помощи воздушного, грунтового или водного теплового насоса, электрообогрева, вторичного тепла с ТЭЦ или традиционных процессов горения. Более предпочтителен обогрев при помощи воздуха или проточной воды, или с помощью теплового насоса.
Электроэнергию на выходе из генератора следует использовать для питания электролизера. Вторичное тепло от электролизера предпочтительно используют для дополнительного нагревания природного газа через теплообменник. Если этого недостаточно, тепловой насос также может быть запитан от генератора, при этом его выходную мощность используют для дополнительного подогрева природного газа через теплообменник. Согласно предпочтительному варианту осуществления мощность генератора предпочтительно динамически распределяют между двумя устройствами, поскольку давление на входе и выходе турбодетандера меняется, чтобы обеспечить максимальное выделение водорода, вырабатывая при этом достаточное количество тепла для газа.
Для накопления водорода в буфере на выходе из электролизера может потребоваться приспособление для хранения водорода. Можно использовать различные способы хранения, включая сжатый газ и гидрид металла. Предпочтительным вариантом осуществления является сжатый газ.
Согласно еще одному аспекту изобретения электролизер, вырабатывающий водород и кислород, подходит для присоединения к трубопроводу природного газа и выполнен с возможностью питания за счет энергии, получаемой от расширения природного газа в трубопроводе.
Изобретение проиллюстрировано следующим примером.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример 1
3
Этот пример представляет собой среднегабаритный узел понижения давления, через который транспортируют природный газ. Количество газа составляет 15840 м/ч при температуре на входе 10°С. Давление на входе составляет 70 бар, а давление на выходе - 30 бар.
2
В характерной существующей системе с использованием технологии Джоуля-Томсона газ был бы нагрет на 24°С, чтобы он мог достичь редукционного клапана при температуре 34°С. Редукционный клапан будет понижать температуру на 24°С, и на выходе из клапана газ будет иметь температуру 10°С. Количество тепла, необходимое для нагрева этого газа на 24°С, составляет 160 кВт. Учитывая потери энергии в теплообменнике и горелке, потребуется 197 кВт (химических) метана. Исходя из оптовых цен по 0,02/кВтч, получаем годовые операционные расходы ОрЕх 35000 и образование 342 т СO.
Эту систему заменяют системой согласно изобретению (с таким же расходом, входным давлением и выходным давлением). При характерном для Великобритании составе газа и выходном давлении 30 бар модель согласно изобретению показывает, что образование гидратов может начаться при температуре 8,8°С. Таким образом, в целях безопасности, температуру на выходе следует поддерживать на 5°С выше этого уровня; следовательно, температура газа на выходе составит 13,8°С.
Поступающий газ предварительно нагревают на 69,2°С для получения температуры на входе в турбодетандер 79,2°С. На это требуется 461 кВт тепла для газа, что с учетом потерь в теплообменнике будет соответствовать 512 кВт подводимого тепла.
Затем газ поступает в турбодетандер, где 262 кВт энергии отводят в виде электроэнергии. После этого газ охлаждают обратно до температуры 13,8°С.
2
Воздушный тепловой насос, работающий на сверхкритическом СO (англ. ASHP, air source heat pump), потребляет 262 кВт и производит 485 кВт тепла. Электролизер потребляет 89 кВт и производит 27 кВт тепла, при условии эффективности 70% (общее количество произведенного тепла = 512 кВт).
3
3
2
2
Электролизер генерирует 195 м/день O и 390 м/день Н, что эквивалентно 0,1% расхода газа и является допустимым в Великобритании пределом концентрации водорода в сети газоснабжения.
Такая система дает 106000 ежегодных платежей RHI (англ. Renewable Heat Incentives - поощрения за использование возобновляемого тепла), 96000 в год платежей ROC ((англ. Renewable Obligation Certificates - Сертификат по выполнению обязательств по источникам возобновляемой энергии) и 10000 от продажи водорода, что обеспечивает общую прибыль 214000 в год; это в сравнении с потерей 35000 в год при использовании традиционной технологии Джоуля-Томсона. Все вместе составляет экономию в 248000 в год (все цены приведены по данным на сентябрь 2013). За счет введения в газопровод водорода, не содержащего углерод, и разбавления природного газа сохраняется 108 т в год углерода. Таким образом, в сопоставлении с существующей технологией Джоуля-Томсона, сохраняется 450 т углерода в год.