Устройство редуцирования давления природного газа

Область техники
Полезная модель относится к газовой промышленности, в частности к способам редуцирования давления природного газа и системам предотвращения гидратообразования на газораспределительных станциях.
Уровень техники
Редуцирование (снижение) давления газа на газораспределительных станциях (ГРС) от магистральных 5-12 МПа до 0.6-1.2 МПа в населенных пунктах приводит к существенному падению температуры газа вследствие дроссель-эффекта. Интегральный дроссель-эффект снижения температуры природного газа составляет 4-6 градусов при редуцировании давления на 1 МПа. При этом газ попадает в такие термобарические условия, при которых происходит гидратообразование из-за имеющейся влаги в составе газа. В случае отсутствия подогрева природного газа перед дроссельным устройством сброс давления в нем приводит к выпадению конденсата в виде кристаллогидратов, забивающих проходное сечение трубопроводов, регулирующих клапанов и запорной арматуры.
Известно устройство предварительного подогрева газа перед этапом редуцирования в кожухотрубном рекуперативном теплообменнике с непосредственным огневым подогревом в газовых горелках (Данилов А.А., Петров А.И. Газораспределительные станции. - СПб.: Недра, 1997 г. 240 с. [1]).
Недостатком известного технического решения являются потери топливного газа при горении, выбросы дымовых газов в атмосферу, а также сложности, связанные с регулированием процесса горения.
Известен способ редуцирования давления природного газа, основанный на использовании вихревого энергоразделяющего устройства (RU 2413901 С2, кл. F17D 1/04, опубл. 10.03.2011) [2]. Технология безмашинного энергоразделения предполагает получение холодного и горячего потоков газа в устройствах без движущихся механизмов (поршни, лопатки и т.п.). Принцип действия вихревого устройства заключается в формировании в трубе закрученного потока, отборе горячего газа с периферийного сечения трубы и холодного газа - через центральное отверстие. При расширении газа высокого давления в предложенном вихревом энергоразделяющем устройстве получают горячий и низкотемпературный потоки газа низкого давления, используемые для попеременного нагрева и охлаждения воды питьевого предназначения в кожухотрубном теплообменном аппарате.
Основными недостатками известного технического решения являются большие потери полного давления по холодному потоку, что приводит к риску гидратообразования, а также к необходимости применять дополнительные устройства для утилизации низкопотенциального холода и смешение потоков на выходе из вихревого устройства, что усложняет конструкцию и снижает преимущества использования технологии безмашинного энергоразделения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для регулируемого бесподогревного редуцирования магистрального природного газа, содержащее устройство энергоразделения, аппарат для утилизации образующегося холода и линии подвода и отвода газа (RU 2162190 С1, кл. F17D 1/04, F25B 9/02, опубл. 20.01.2001) [3]. Устройство снабжено узлом плавного регулирования общего расхода газа, соединенного линией подачи газа с энергоразделительным устройством, представляющим собой кожухотрубный теплообменник в виде трубы, имеющий раздельные входы дозвукового и сверхзвукового потоков газа, линию отвода газа к потребителю и линию подачи газа в аппарат утилизации холода из теплообменника. Теплообменник имеет приемную камеру для приема газа и редуцирующий орган, выполненный в виде пучка сверхзвуковых каналов, при этом каждый канал начинается профилированным соплом и заканчивается диффузором, расположенным на двух трубных досках, а каждое сопло или часть их имеют отсекающий клапан для дискретного регулирования общего расхода редуцируемого газа. Газ редуцируется в сверхзвуковых каналах за счет трения, теплообмена и скачков уплотнения, а затем поступает потребителю. Охлажденный газ из межтрубного пространства подают в систему (аппарат) утилизации холода, после чего его смешивают с газом из сверхзвуковых каналов и подают потребителю.
Недостатками данного технического решения являются необходимость использования дополнительных систем утилизации холода и смешение потоков на выходе из устройства, что снижает преимущества использования технологии безмашинного энергоразделения, а также использование в конструкции профилированных сверхзвуковых сопел, что предъявляет повышенные требования к технологии изготовления устройства.
Технической проблемой является наличие дополнительных теплообменных и хладоутилизирующих устройств и смешение потоков на выходе из устройства, снижающих универсальность и надежность решения проблемы гидратообразования, а также низкая технологичность и сложность устройств данного типа, функционирующих за счет использования профилированных сверхзвуковых сопел.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемой полезной модели, является экономия природного газа на газораспределительной станции за счет предварительного редуцирования давления газа с обеспечением его подогрева при использовании в качестве греющего теплоносителя магистрального газа, направляемого на дальнейшую транспортировку. Кроме того, устройство предполагает упрощение конструкции по сравнению с устройствами аналогичного назначения за счет возможности использования непрофилированных сопел, а также отсутствие дополнительных систем утилизации холода и смешения потоков на выходе из устройства.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве редуцирования давления природного газа, содержащем устройство энергоразделения в виде теплообменника с раздельными входами для низкоскоростного и высокоскоростного потоков газа, линии подвода и отвода газа к потребителю и редуцирующий орган в виде канала с высокоскоростным течением газа, снабженного соплом на входе и диффузором на выходе, согласно техническому решению сопло выполнено сужающимся-расширяющимся, обеспечивающим разгон потока на срезе сопла до сверхзвуковой скорости, при этом высокоскоростное течение газа организовано во внешнем канале теплообменника, при этом внутренний канал теплообменника с низкоскоростным течением газа является непосредственным продолжением магистрального трубопровода и имеет постоянное поперечное сечение, обеспечивающее сохранение полного давления газа, при этом отсутствует система утилизации холода и смешение потоков на выходе из теплообменника.
Описание чертежей
На фиг. 1 схематично изображено заявляемое устройство редуцирования давления природного газа.
На фиг. 2 схематично отражен принцип действия заявляемого устройства редуцирования давления природного газа, показывающий распределение температуры торможения в пограничном слое высокоскоростного потока сжимаемого газа и низкоскоростного высоконапорного потока при обтекании непроницаемой теплопроводной перегородки, разделяющей потоки газа с одинаковыми начальными температурами торможения.
Позициями на чертеже обозначены:
1 - ресивер подвода газа из магистрального газопровода;
2 - газоход сбора охлажденного газа, выходящего из низкоскоростного высоконапорного канала теплообменника, ведущий к дожимной компрессорной станции для дальнейшей транспортировки;
3 - газоход сбора редуцированного подогретого газа, выходящего из высокоскоростного канала теплообменника, ведущий к ГРС;
4 - сужающееся-расширяющееся сопло, обеспечивающее разгон потока в высокоскоростном канале теплообменника до сверхзвуковой скорости;
5 - диффузор, обеспечивающий торможение потока газа, выходящего из высокоскоростного канала теплообменника;
6 - внешний высокоскоростной канал теплообменника;
7 - внутренний низкоскоростной высоконапорный канал теплообменника;
8 - теплопроводная перегородка теплообменника;
9 - наружная стенка теплообменника;
10 - отвод газа из магистрали во внешний высокоскоростной канал теплообменника;
11 - аппарат поворота/закрутки потока;
12 - высокоскоростной поток газа;
13 - низкоскоростной высоконапорный поток газа.
Осуществление полезной модели
Сущность полезной модели поясняется следующим.
w
*
Профиль температуры торможения при обтекании стенки низкоскоростным потоком газа практически равномерный, а значит температура обтекаемой стенки близка к температуре в ядре потока. Скорость потока при этом соответствует случаю несжимаемого течения (число Маха меньше 0.3). Температура торможения в пограничном слое высокоскоростного потока газа, формирующегося в пристенной области, распределяется неравномерно вследствие больших градиентов скорости и диссипации значительной части кинетической энергии в теплоту. Такой дефект температуры торможения проявляется при сверхзвуковых скоростях течения потока, когда эффекты сжимаемости газа становятся существенными ([4] - Шлихтинг Г. «Теория пограничного слоя» // М: Наука, 1974. 711 с.). При этом температура во внутренней части пограничного слоя оказывается ниже, а во внешней части - выше, чем температура торможения в ядре потока (при числе Прандтля рабочего тела меньшего 1, что характерно для большинства газов). Этот эффект является одним из проявлений безмашинного энергоразделения в потоке сжимаемого газа ([5] - Eckert E.R.G. Energy separation in fluid streams // Int. Comm. Heat mass transfer. Vol. 13, 1986. P. 127-143). Определяющей тепловой поток температурой в данном случае является адиабатная температура стенки T:
0
∞
*
где: T - начальная температура торможения потока, К; k - показатель адиабаты рабочего тела (k равно 1.3 для природного газа); М - число Маха в ядре потоке; r - коэффициент восстановления температуры.
Коэффициент восстановления температуры r показывает долю кинетической энергии потока, переходящей в тепло на стенке. Этот параметр может меняться в зависимости от режима течения, наличия/отсутствия внешних воздействий (градиента давления, отрывных течений, скачков уплотнения и т.п.), но в наибольшей степени определяется родом газа - числом Прандтля рабочего тела Pr:
где n равно 1/2 (ламинарный режим течения), n равно 1/3 (турбулентный режим - чаще всего реализуется на практике).
Согласно (2) для природного газа (Pr равен около 0.7) коэффициент восстановления температуры r равен 0.888±0.01 при турбулентном безотрывном обтекании плоской стенки, а также цилиндрической и конической в продольном направлении ([4] - Шлихтинг Г. «Теория пограничного слоя» // М: Наука, 1974. 711 с.).
0
0
*
*
Таким образом, в устройстве редуцирования давления природного газа, основанного на эффекте безмашинного энергоразделения, с двух сторон перегородки, разделяющей высокоскоростной и низкоскоростной потоки газа, возникает температурный напор. В результате теплопередачи через стенку высокоскоростной поток нагревается, а низкоскоростной охлаждается. Максимальная температура высокоскоростного потока на выходе из устройства редуцирования давления природного газа, составляет Т/r. Предел охлаждения низкоскоростного высоконапорного потока соответствует значению адиабатной температуры стенки - r⋅Т. Степень нагрева и охлаждения потоков в указанных пределах можно регулировать за счет изменения относительного соотношения расходов согласно уравнению сохранения энергии:
низ
выс
р.низ
р.выс
низ.вых
выс.вых
*
*
где: G, G - массовый расход низкоскоростного и высокоскоростного потоков газа, соответственно, кг/с; С, С - удельная теплоемкость при постоянном давлении низкоскоростного и высокоскоростного газа, соответственно, Дж/(кг⋅К); Т, Т -температура торможения на выходе из низкоскоростного и высокоскоростного каналов, соответственно, К.
При этом, согласно (3), если из магистрального газопровода к ГРС отводится относительно небольшая часть газа, то охлаждение остальной части газа, пропускаемой по низкоскоростному высоконапорному каналу устройства и направляемой на дальнейшую транспортировку, будет незначительным.
При направлении сжатого газа в сужающееся-расширяющееся сопло энергия давления газа преобразуется в скоростной напор, в результате чего статическое давление в потоке снижается и, следовательно, скорость потока возрастает. При этом термодинамическая температура потока снижается согласно соотношению:
выс
где: T - термодинамическая (статическая) температура высокоскоростного потока газа, К.
0
*
Например, согласно (4) при начальной температуре торможения потока T равной 20°С и числе Маха на срезе сопла равного 1 термодинамическая температура потока снизится до -18°С, а при числе Маха равного 3 - до -148°С. При снижении температуры потока ниже температуры точки росы компонент газа при данном статическом давлении в потоке начинается процесс конденсации. При этом температура стенки, обтекаемой двухфазным высокоскоростным потоком газа, в пределе может принимать значение термодинамической температуры потока. Это приводит к значительному увеличению температурного напора на теплопроводной перегородке, разделяющей низкоскоростной и высокоскоростной потоки газа. В результате эффективность устройства редуцирования давления природного газа возрастает многократно, при этом теплопередача происходит интенсивнее. В работе [6] (Леонтьев А.И., Осипцов А.Н., Рыбдылова О.Д. «Пограничный слой на плоской пластине в сверхзвуковом газокапельном потоке. Влияние испаряющихся капель на температуру адиабатической стенки» // Теплофизика высоких температур. Т. 53, №6, 2015. С. 910-917) показано, что наличие даже очень малой концентрации капель в пограничном слое может приводить к значительному снижению адиабатной температуры стенки, обтекаемой высокоскоростным потоком газа, что в итоге положительно сказывается на эффективности устройства редуцирования давления природного газа.
Как показано в работе [7] (Попович С.С. «Экспериментальное исследование влияния ударных волн на эффект безмашинного энергоразделения газовых потоков» // Наука и образование (МГТУ им. Н.Э. Баумана). 2016. №3. С. 64-80), инициация скачков уплотнения (ударных волн) при сверхзвуковых скоростях течения оказывает незначительное влияние на величину нагрева и охлаждения потоков в устройствах данного типа. С одной стороны, наличие скачков уплотнения приводит к дополнительным потерям полного давления, в результате чего скорость течения газа в канале снижается так же, как и температурный напор на перегородке теплообменника. С другой стороны, в области взаимодействия скачка уплотнения с пограничным слоем наблюдается интенсификация теплоотдачи, что компенсирует в определенной степени уменьшение температурного напора и способствует повышению эффективности процесса. Кроме того, потерю скорости потока можно дополнительно компенсировать путем выполнения сверхзвукового канала расширяющимся с углом раскрытия, обеспечивающим сохранение скорости или разгон потока. Суммарно выявленный эффект воздействия скачков уплотнения на эффект энергоразделения позволяет рекомендовать использование в конструкции устройства редуцирования давления природного газа не профилированных сверхзвуковых сопел, как в наиболее близком к заявляемому устройстве, а, например, осесимметричных конических сопел, что значительно снижает трудоемкость изготовления устройств данного типа.
Заявляемое устройство редуцирования давления природного газа содержит ресивер подвода газа 1 из магистрального газопровода, отвода газа из магистрали во внешний высокоскоростной канал теплообменника 10, аппарат поворота/закрутки потока 11, сужающееся-расширяющееся сопло 4, теплообменник, состоящий из внутреннего низкоскоростного высоконапорного канала теплообменника 7 и внешнего высокоскоростного канала теплообменника 6, разделенных теплопроводной перегородкой теплообменника 8, газоходы 2 и 3 для вывода потоков охлажденного и редуцированного подогретого газов, соответственно. Сужающееся-расширяющееся сопло 4 предназначено для эффективного разгона потока до требуемой скорости и расположено на входе во внешний высокоскоростной канал теплообменника 6 таким образом, что выход его является входом внешнего высокоскоростного канала теплообменника 6. Внутренний низкоскоростной высоконапорный канал теплообменника 7 соединен с газоходом 2 вывода охлажденного газа, а внешний высокоскоростной канал теплообменника 6 - с газоходом 3 вывода редуцированного подогретого газа. Внутренний низкоскоростной высоконапорный канал теплообменника 7 и внешний высокоскоростной канал теплообменника 6 размещены коаксиально друг другу. Внутренний низкоскоростной высоконапорный канал теплообменника 7 служит для приема низкоскоростного высоконапорного газа, течение которого обеспечивает создание температурного напора на теплопроводной перегородке теплообменника 8, выполненной, например, из латуни (коэффициент теплопроводности λ=110 Вт/(м⋅К)). Внешний высокоскоростной канал теплообменника 6 предназначен для редуцирования давления газа с одновременным его подогревом. На выходе внешнего кольцевого канала размещен сверхзвуковой диффузор 5, предназначенный для торможения подогретого потока и редуцирования полного давления газа. Наружная стенка теплообменника 9 выполнена из материала с малым коэффициентом теплопроводности, например, из нержавеющей стали (λ=16 Вт/(м⋅К)), часто используемой при изготовлении трубопроводов, и, кроме того, могут быть снабжены наружной теплоизоляцией.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
T.низк
низк
низк
∞.низк
р
∞.низк
р
w.низк
∞низк
низк
0
Т.выс
выс
выс
∞.выс
p
∞выс
выс
∞.выс
∞.выс
0
w.выс
0
w.выс
0
*
2
*
*
*
*
*
2
*
*
*
*
*
*
*
*
Газ с избыточным давлением из магистрального газопровода подают в ресивер 1 и далее разделяют на две части в теплообменнике: основную часть газа без геометрического воздействия и изменения направления потока отправляют во внутренний низкоскоростной высоконапорный канал теплообменника 7, а остальную часть газа, предназначенную потребителю, подают во внешний высокоскоростной канал теплообменника 6 через отвод газа из магистрали во внешний высокоскоростной канал теплообменника 10, аппарат поворота/закрутки потока 11 и сужающееся-расширяющееся сопло 4. При этом (фиг. 2) в тепловом пограничном слое низкоскоростного высоконапорного потока газа 13 (число Маха потока М меньшем 0.4) с толщиной δ формируется профиль термодинамической температуры Т, мало отличающийся от профиля полной температуры Т из-за малого значения динамического напора w/(2⋅C), где W - скорость течения низкоскоростного потока, м/с; С - удельная теплоемкость газа, Дж/(кг⋅К). При этом адиабатная температура стенки Т, обтекаемая низкоскоростным высоконапорным потоком газа 13, практически равняется полной среднемассовой температуре потока Т, равной начальной температуре потока в ресивере: Т равно Т. В тепловом пограничном слое высокоскоростного потока газа 12 (число Маха потока М больше 0.4) с толщиной δ формируется профиль термодинамической температуры Т, уже значительно отличающийся от профиля полной температуры Т вследствие высокого значения величины w/(2⋅C), где w - скорость течения высокоскоростного потока, м/с. При этом под воздействием диссипативных процессов в пограничном слое высокоскоростного потока газа профиль температуры торможения Т искривляется таким образом, что температура во внешней области пограничного слоя оказывается выше, а во внутренней пристенной области - ниже, чем среднемассовая температура торможения Т, которая в свою очередь равна начальной температуре потока в ресивере: Т равно Т. При этом адиабатная температура пристенных слоев газа T оказывается ниже среднемассовой температуры торможения Т, в пределе: T равно около r⋅Т, где r - коэффициент восстановления температуры (для газов r меньше 1). Таким образом, на теплопроводной перегородке теплообменника 8, разделяющей высокоскоростной поток газа 12 и низкоскоростной высоконапорный поток газа 13, возникает температурный напор ΔТ:
В результате теплопередачи высокоскоростной поток газа 12 нагревается, а низкоскоростной высоконапорный поток газа 13 охлаждается. В процессе поворота потока газа в аппарате поворота/закрутки потока 11, разгона в сопле 4, движении по внешнему высокоскоростному каналу теплообменника 6, теплообмена с теплопроводной перегородкой теплообменника 8 и торможения в диффузоре 5 газ теряет полное давление и подогретым со сниженным давлением направляется в газоход 3, ведущий к ГРС. Низкоскоростной высоконапорный поток газа 13 практически сохраняет полное давление за счет низкой скорости течения, так как во внутреннем цилиндрическом канале теплообменника геометрическое воздействие на поток отсутствует. В результате теплопередачи через теплопроводную перегородку теплообменника 8 низкоскоростной высоконапорный поток газа 13 охлаждается и направляется в газоход 2, ведущий к дожимной компрессорной станции для дальнейшей транспортировки. При этом, если расход низкоскоростного высоконапорного потока газа 13 значительно превышает расход редуцируемого высокоскоростного потока газа 12, то охлаждение направляемого на дальнейшую транспортировку газа будет незначительным.
Таким образом, заявленная полезная модель представляет собой устройство, позволяющее сэкономить топливный природный газ на ГРС за счет предварительного редуцирования давления газа с обеспечением его подогрева при использовании в качестве греющего теплоносителя магистрального газа, направляемого на дальнейшую транспортировку. Подогрев газа осуществляется за счет эффекта безмашинного энергоразделения и позволяет предотвратить негативные последствия процесса гидратообразования, характерные для использующихся в настоящее время устройств дросселирования газа. При этом устройство является более простым и технологичным по сравнению с аналогами за счет возможности использования непрофилированных конических сопел, отсутствия смешения потоков на выходе из устройства и дополнительных аппаратов утилизации холода.
Список литературы
1. Данилов А.А., Петров А.И. «Газораспределительные станции» / СПб.: Недра, 1997 г. 240 с.
2. Способ редуцирования давления природного газа. RU 2413901 С2 (кл. F17D 1/04, опубликовано 10.03.2011)
3. Способ регулируемого бесподогревного редуцирования магистрального природного газа и устройство для его осуществления. RU 2162190 С1 (кл. F17D 1/04, F25B 9/02, опубликовано 20.01.2001)
4. Шлихтинг Г. «Теория пограничного слоя» // М: Наука, 1974. 711 с.
5. Eckert E.R.G. «Energy separation in fluid streams» // Int. Comm. Heat mass transfer. Vol. 13, 1986. P. 127-143
6. Леонтьев А.И., Осипцов A.H., Рыбдылова О.Д. «Пограничный слой на плоской пластине в сверхзвуковом газокапельном потоке. Влияние испаряющихся капель на температуру адиабатической стенки» // Теплофизика высоких температур. Т. 53, №6, 2015. С. 910-917
7. Попович С.С. «Экспериментальное исследование влияния ударных волн на эффект безмашинного энергоразделения газовых потоков» // Наука и образование (МГТУ им. Н.Э. Баумана). 2016. №3. С. 64-80