СИСТЕМА ГАЗОСНАБЖЕНИЯ С ПИКОВЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ГАЗОПОТРЕБЛЕНИЯ
GAS SUPPLY SYSTEM WITH PEAK GAS CONSUMPTION CONTROL

Изобретение относится к топливно-энергетическому комплексу и может быть использовано в системах энергогазоснабжения различных потребителей топливно-энергетических ресурсов, преимущественно в системах газоснабжения природным газом.
Многие месторождения природного газа расположены в отдаленных областях, находящихся на больших расстояниях от рынков сбыта газа и центров его потребления, а известные системы для энергоснабжения потребителей зачастую не надежны и не обеспечивают стабильной, экономичной и безопасной эксплуатации транспортной инфраструктуры систем энергоснабжения, являются жестко централизованными и не допускают возможностей гибкого реагирования самих потребителей энергоресурсов на неустойчивую, а иногда и чрезвычайно изменчивую ситуацию на энергетических рынках. Поэтому актуальной является задача транспорта больших объемов газа на дальние расстояния (например, с шельфовых источников в Центр страны и Западную Европу) при одновременном обеспечении и регулировании требуемых параметров газопотребления.
Известен способ регулирования работы трубопроводной системы газоснабжения, включающий добычу газа метана газовыми скважинами на месторождениях природного газа, сбор, очистку, предварительную переработку газа, с помощью газопромыслового оборудования, подачу газа в магистральные газовые трубопроводы, доставку газа с помощью компрессорных станций к местам аккумулирования, хранения и потребления. При этом регулирование режима работы системы в соответствии с изменением объема и графика потребления газа осуществляется за счет «пикового» регулирования газопотребления - компенсации неравномерности потребления газа резервированием, аккумулированием газа в хранилищах (см. Нефтегазовое строительство, Беляев В.Я. и др. /Под общей ред. проф. И.И.Мазура и В.Д.Шапиро, Москва, изд. ОМЕГА-Л, 2005, стр.211-225) [1].
Однако известная система газоснабжения имеет ограниченную зону действия, обеспечивает возможность поставки газа потребителям (регионам и центрам), находящимся только в маршрутных коридорах и направлениях, по которым проходят трассы магистральных газопроводов высокого давления, а регулирование работы трубопроводных систем газоснабжения с помощью системы газгольдеров и подземных хранилищ газа является достаточно дорогостоящим (особенно при хранении в виде СПГ), связано с возможными потерями газа при его хранении и не обеспечивает возможностей какого-либо выбора самим потребителем альтернативного источника газа.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является система резервирования природного газа, в которой доставляемый потребителям по трубопроводу газ в периоды его избытка у потребителей перерабатывают в гидраты метана и в том или ином виде помещают в хранилище природного газа, а поставку газа потребителям (например, тепловым электростанциям) в период времени, когда включается большое количество потребителей (период «пика» потребления) осуществляют в традиционном газообразном состоянии, для чего в самих местах аккумулирования и хранения природного газа предварительно осуществляют регазификацию гидратов метана. При этом обеспечивается регулирование режима работы системы в соответствии с изменением объема и графика потребления газа, т.е. «пиковое» регулирование газопотребления (см. SU 1816874 A1, F01K 13/00, 23.05.1993) [2].
Однако известная система газоснабжения также имеет ограниченную зону действия, обеспечивает возможность поставки газа потребителям (регионам и центрам), находящимся только в маршрутных коридорах и направлениях, по которым проходят трассы магистральных газопроводов высокого давления.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение зоны действия (включая дальние межконтинентальные расстояния) системы газоснабжения и повышение надежности газоснабжения за счет внедрения (создания) комбинированной системы доставки газа потребителям, включающей системы трубопроводного транспорта и морской транспортировки с пиковым регулированием газопотребления.
Это достигается тем, что система газоснабжения с пиковым регулированием газопотребления, включающая газопромысловое оборудование для добычи, сбора, очистки, предварительной переработки и подготовки к дальнему магистральному транспорту природного газа, магистральный трубопровод с компрессорными станциями и другим вспомогательным оборудованием, газораспределительные станции в местах аккумулирования, хранения и потребления природного газа, синтезаторы для выработки-производства и установки регазификации кристаллогидратов природного газа метана, термобарические хранилища (камеры хранения), например, в виде типовых промышленных зданий и сооружений холодильных комбинатов, дополнительно снабжена.береговыми магистральными газораспределительными станциями с размещенными на них синтезаторами для синтеза твердых природных газов в форме водных кристаллогидратов метана и термобарическими хранилищами (камерами хранения), а также береговыми автономными газораспределительными станциями, газораспределительные станции дополнительно снабжены, по меньшей мере, одной установкой регазификации кристаллогидратов метана, к одному из выходов которой подсоединены газораспределительные сети потребителей газа, причем подачу газа высокого давления на синтезаторы кристаллогидратов газа из магистрального газопровода осуществляют через турбодетандеры, к выходу которых подключены цепи питания синтезаторов кристаллогидратов, а другой выход установок регазификации кристаллогидратов через установку регенерации отработанной воды соединен с одним из входов синтезатора кристаллогидратов метана, причем кристаллогидраты метана с мест производства и хранения на береговых магистральных газораспределительных станциях, находящихся на побережье морей и снабженных отпускными терминалами кристаллогидратов газа, транспортируют на береговые автономные газораспределительные станции морскими сухогрузными судами, оснащенными холодильными установками и камерами, при этом один из выходов синтезатора кристаллогидратов газа или камеры хранения береговой магистральной газораспределительной станции соединен со входом отпускного терминала, выход которого в процессе погрузки связан с камерами хранения морского судна.
Это достигается также и тем, что часть береговых газораспределительных станций выполнена автономными, снабжена приемными терминалами, камерами хранения и установками регазификации кристаллогидратов газа.
а
б
Предлагаемая система газоснабжения представлена на фиг.1-2. На фиг.1 показаны: 1 - газовые скважины и газосборные сети; 2 - промысловый пункт сбора и подготовки газа (УКПГ); 3 - магистральный газопровод высокого давления; 3, 3 - отводы магистрального газопровода; 4 - головные сооружения магистрального газопровода;
а
б
а
б
а
б
а
а
б
а
5, 5 - компрессорные станции магистрального газопровода; 6 - магистральные газораспределительные станции (ГРС); 6 - береговые магистральные газораспределительные станции; 7, 7 - типовые промышленные холодильные комбинаты континентальных и береговых газораспределительных станций соответственно; 8 - автономные береговые газораспределительные станции; 9 - морские сухогрузные суда рефрижераторы. Все газораспределительные станции системы, а именно: магистральные 6, магистральные береговые 6 и автономные береговые (то есть не имеющие непосредственной трубопроводной связи с магистральным газопроводом) газораспределительные станции 8 имеют выходы на газораспределительные станции потребителей, показанные на фиг.1 исходящими из них стрелками.
а
а
б
На фиг.2 изображены: 3 - магистральный газопровод с газопроводом-отводом 3; 6 - магистральные газораспределительные станции (ГРС): или береговые - 6; 10 - блок очистки газа; 11 - подогреватели газа; 12 - турбодетандеры; 13 - вентильно-переключающее устройство; 14 - трубопровод подачи газа на газорегулирующий пункт потребителей (ГРП); 15 - синтезатор кристаллогидратов газа (метана); 16 - водяной питающий бак (резервуар); 17 - водяной подпиточный трубопровод; 18 - упаковочная машина; 7 - термобарическое хранилище (камера) гидратов газа в виде типового промышленного холодильного комбината; 19 - установка регазификации (разложения) газогидратов и 20 - установка регенерации (очистки) питательной воды.
а
а
б
а
б
а
б
а
а
б
Система газоснабжения с пиковым регулированием газопотребления включает в себя газопромысловое оборудование для добычи, сбора и подготовки газа 1 и 2, магистральный газопровод 3 с головными сооружениями 4 и компрессорными станциями 5. К магистральному газопроводу 3 через газопроводы-отводы 3 подсоединены газораспределительные станции 6 (фиг.1). На газораспределительных станциях 6 имеются блоки очистки газа 10 (фиг.2), к которым через подогреватели газа 11 подсоединены турбодетандеры 12, снижающие высокое давление газа из магистрального трубопровода 3 и вырабатывающие за счет этого электрическую энергию. К турбодетандерам 12 через вентильно-переключающее устройство 13 подсоединен трубопровод 14 для подачи газа на газорегулирующий пункт (на ГРП и далее потребителям), а также один из входов синтезатора гидратов метана 15, другой вход которого подсоединен к питающему водяному баку 16 с подпиточным трубопроводом 17. На выходе синтезатора 15 установлена упаковочная машина 18, а на выходе последней имеется термобарическое хранилище (камера) 7, один из выходов которого соединен со входом установки регазификации (разложения) газогидратов 19, а другой выход хранилища 7 обеспечивает выдачу кристаллогидратов за пределы газораспределительной станции. Один из выходов установки регазификации 19 соединен через установку регенерации (очистки) воды 20 с питающим водяным баком 16, а другой (газовый) выход установки регазификации 19 подключен к трубопроводу 14, идущему на газорегулирующий пункт потребителей ГРП. В зависимости от стоящих перед системой газоснабжения задач различаются магистральные газораспределительные станции 6 и береговые магистральные газораспределительные станции 6, а также - типовые промышленные холодильные комбинаты 7, 7, размещенные соответственно на континентальных и береговых ГРС. Система также содержит автономные береговые, то есть не имеющие непосредственной (трубопроводной) связи с магистральным газопроводом, газораспределительные станции 8, а также морские сухогрузные суда 9 для перевозки кристаллогидратов газа. Береговые магистральные 6 и береговые автономные газораспределительные станции 8 имеют отпускные и приемные терминалы соответственно для погрузки и выгрузки кристаллогидратов при морских перевозках сухогрузными судами 9, а также промышленные холодильные комбинаты для их хранения 7 и 7 соответственно.
б
б
б
Система газоснабжения может быть осуществлена следующим образом. Пусть требуется обеспечить компенсацию неравномерности потребления газа в конкретном регионе при одновременном максимальном исключении потерь газа в процессе хранения и при отсутствии свободных емкостей для хранения газа в газгольдерах на газораспределительной станции в месте потребления газа. При этом потребители находятся вдали от маршрутных коридоров, по которым проходят трассы магистральных газопроводов высокого давления. Для этого природный газ, поступающий по магистральному газопроводу 3, через газопровод-отвод 3 подают на береговую магистральную газораспределительную станцию (ГРС) 6. Далее, с помощью вентильно-переключающего устройства невостребованное в данный момент времени количество газа направляют на один из входов синтезатора кристаллогидратов газа 15 (см. фиг.2), установленного на данной ГРС, на другой из входов которого одновременно подают воду из водяного бака 16 (см. фиг.2), подпитываемого по мере необходимости через подпиточный трубопровод 17. Полученные в синтезаторе 15 кристаллогидраты газа после той или иной подготовки, например путем простейшего брикетирования или упаковки в обычные герметичные пакеты, в упаковочной машине 18, направляют (складируют) в термобарическое хранилище (камеру) 7, в котором давление и температуру поддерживают на уровнях, достаточных для устойчивого достаточно длительного хранения в твердом виде (без разложения) полученных кристаллогидратов метана.
б
а
При этом кристаллогидраты метана с мест производства и хранения на береговых магистральных газораспределительных станциях 6 с отпускными терминалами транспортируют на береговые автономные газораспределительные станции 8 морскими сухогрузными судами 9, оснащенными холодильными установками и камерами. При этом один из выходов синтезатора кристаллогидратов газа 15 или камеры хранения 7 соединен со входом отпускного терминала береговой газораспределительной станции, выход которого в процессе погрузки связан с камерами хранения морского судна 9.
а
а
а
а
а
В случае же, если потребители находятся вблизи трассы магистральных газопроводов высокого давления, природный газ, поступающий по магистральному газопроводу 3 через газопровод-отвод 3, подают, как и обычно, на магистральную газораспределительную станцию 6, в которой также имеется блок очистки газа 10 (см. фиг.2) и подогреватели газа 11. После очистки и подогрева газ высокого давления подают на турбодетандеры 12, снижающие давление поступающего из магистрального трубопровода газа и вырабатывающие за счет этого электрическую энергию. Далее, с помощью вентильно-переключающего устройства 13 часть газа в объеме, необходимом для работы (для газоснабжения) потребителей в данный момент времени, как и ранее, подают трубопроводом 14 на газорегулирующий пункт (на ГРП), а невостребованное в данный момент времени количество газа с помощью того же устройства 13 направляют на один из входов синтезатора кристаллогидратов газа (метана) 15, на другой из входов которого одновременно подают воду из водяного бака 16, подпитываемого по мере необходимости через подпиточный трубопровод 17. Полученные в синтезаторе 15 кристаллогидраты газа после подготовки, например, путем простейшего брикетирования или упаковки в обычные герметичные пакеты в упаковочной машине 18, направляют (складируют) в термобарическое хранилище (камеру) 7, в котором давление и температуру поддерживают на уровнях, достаточных для устойчивого достаточно длительного хранения в твердом виде (без разложения) полученных кристаллогидратов метана. При увеличении потребностей в газе в соответствии с тем или иным нагрузочным графиком твердый газ (гидраты) из хранилища 7 направляют в установку регазификации (например, в установку термохимического разложения) гидратов 19. Получаемый таким образом дополнительный газ из хранилища 7 и установки регазификации 19 направляют по трубопроводу 14 на газорегулирующий пункт (на ГРП) и далее в установленном порядке потребителям. При этом для производства (синтеза) кристаллогидратов частично или полностью используют электрическую энергию, вырабатываемую в турбодетандерах 12, что на фиг.1 показано специальной пунктирной линией от турбодетандеров 12 к синтезатору кристаллогидратов 15.
Синтезатор гидратов природного газа функционирует следующим образом. В резервуар с водой синтезатора помещают полый быстровращающийся цилиндр (барабан), имеющий систему радиальных перфорирующих отверстий (капилляров), соединяющих внутреннюю полость барабана и его внешнюю образующую поверхность. Кроме того, в барабане параллельно боковым поверхностям выполняют систему длинных отверстий (каналов), по которым непрерывно прокачивают низкокипящее рабочее тело (холодоноситель), обеспечивающее требуемое по условиям клатратообразования (гидратизации газа) охлаждение барабана, а во внутреннюю полость цилиндр-барабана под достаточно высоким давлением, исходя из тех же соображений, нагнетают (подают) природный газ. Образующиеся на внешней поверхности барабана вследствие этого кристаллогидраты газа с помощью специального скребка отводят с поверхности барабана и подают для последующего прессования или упаковки. Поскольку образование гидратов природных газов происходит при температурах, достаточно близких обычным отрицательным температурам окружающей среды (конкретно в диапазоне 0 до минус 24°С), и при относительно невысоких давлениях, то энергетические затраты на производство (синтез) гидратов природного газа будут вполне приемлемыми, тем более, что частично или даже полностью (при определенных условиях) эти затраты энергии могут быть компенсированы при прохождении газа высокого давления, поступающего из магистрального газопровода 3, турбодетандеров 12 (фиг.2). Что же касается затрат энергии на регазификацию (разложение) газогидратов, то по имеющимся данным на разложение гидрата метана требуется около 6% теплоты, выделяющейся при сгорании содержащегося в нем метана. Для сравнения можно указать, что также по имеющимся данным для сжижения природного газа (СПГ) необходимы затраты энергии, доходящие до 25% от энергии, получаемой при сгорании полученного сжиженного природного газа.
В случае, если требуется обеспечить газом того или иного отдельно взятого потребителя (или их какой-то совокупности) при одновременном обеспечении его автономности в снабжении газом по аналогии с поставками газобаллонного сжатого (компримированного) или сжиженного природного газа (СПГ), то какую-то часть природного газа, поступающего из магистрального газопровода 3, перерабатывают на ГРС в твердое состояние (в кристаллогидратную форму), как это было описано выше, а отгрузку - поставку газа потребителям ведут непосредственно из хранилищ 7 именно в форме гидратов. При этом потребители, разумеется, должны иметь соответствующее оборудование для промежуточного хранения (при необходимости), а также для разложения гидратов газа и могут использовать получающиеся после регазификации воду и природный газ по своему усмотрению, что является дополнительным преимуществом предлагаемой системы газоснабжения.
В целом предлагаемая система газоснабжения с пиковым регулированием газопотребления обеспечивает расширение рынков сбыта и повышение экономической эффективности производства и поставок природного газа для всех участников газового рынка при одновременном повышении надежности газоснабжения за счет комбинированной подачи (доставки) газа потребителям и резервирования (аккумулирования и хранения) природного газа в твердом (водноклатратном) состоянии.