СИСТЕМА ПОПОЛНЕНИЯ ЗАПАСА СЖАТОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА
SYSTEM FOR REPLENISHMENT OF STOCK OF COMPRESSED NATURAL GAS

Область техники
Настоящее изобретение в целом относится к системе транспортировки сжатого природного газа из источника сжатого природного газа по трубопроводу природного газа с целью заправки транспортных средств любого типа, газоснабжения предприятий, жилых зданий или любых других потребителей природного газа, распложенных на удалении. Более точно, изобретение относится к системе, специально адаптированной к условиям удаленных от трубопровода заправочных станций, в которых строительство обычного удлинения трубопровода до заправочной станции является чрезмерно дорогостоящим или невозможным по техническим условиям или иным причинам, включая сложности географического характера. Такие удаленные заправочные станции должны снабжаться грузовиками-заправщиками и транспортными судами, доставляющими природный газ к месту нахождения станции в стальных баллонах.
Предложенная система включает модули хранения, загрузочные и разгрузочные платформы, последовательность их транспортировки и применения. Данная система обеспечивает комплексное решение проблемы доставки сжатого природного газа в удаленные объекты, не имеющие доступа к снабжению по газопроводу.
Предпосылки создания изобретения
Применение сжатого природного газа в качестве топлива для транспортных средств, автомобилей, промышленных предприятий и т.д. известно уже много лет и распространено во многих странах мира. Например, в Аргентине, Бразилии и Индии среди прочих эксплуатируют миллионы автомобилей, работающих на сжатом природном газе. В крупных городах существуют газопроводы, снабжающие газозаправочные станции, каждая из которых имеет компрессор для повышения давления в трубопроводе (1 бар) до нормального рабочего давления (200 бар). Для снабжения удаленных объектов, расположенных на большом расстоянии от крупных городов и, следовательно, газопроводов природным газом его обычно транспортируют от газопровода до заправочных станций в резервуарах высокого давления. Кроме того, в некоторых отдаленных районах резервуары высокого давления недоступны, в связи с чем потребители вынуждены приобретать сжатый газ в баллонах.
В результате обеспокоенности загрязнением окружающей среды в ряде стран мира в последнее время внимание было сосредоточено на использовании альтернативных видов топлива, т.е. топлива, в результате сгорания которого в атмосферу выбрасывается меньше загрязняющих веществ по сравнению с используемым в настоящее время обычным жидким топливом. Научно доказано, что одним из наименее загрязняющих видов топлива является природный газ, потребление которого быстро растет в ряде стран при поддержке правительств и промышленности, благодаря его высокой доступности и готовности к длительной эксплуатации. Наиболее серьезной проблемой массового перехода с жидких видов топлива на сжатый природный газ является стоимость доставки сжатого природного газа на заправочную станцию от ближайшего трубопровода природного газа.
Из уровня техники известны несколько примеров, иллюстрирующих, как в настоящее время в промышленности используют резервуары высокого давления для доставки сжатого природного газа. Например, в патенте США 4139019 на имя Bresie и др. описан способ и система транспортировки природного газа до трубопровода. Природный газ из одной или нескольких скважин собирают, обезвоживают, подвергают сжатию под относительно высоким давлением и загружают в резервуар высокого давления, рассчитанный на транспортировку транспортным средством при температуре окружающей среды. Затем резервуар высокого давления перемещают до терминала перекачивающего газопровода или иного потребителя и разгружают природный газ, одновременно нагревая его, чтобы предотвратить образование вредных гидратов, при этом перед поступлением газа в трубопровод его дозируют.
Другим примером является патент США 4213476 на имя Bresie и др., в котором описан способ и система производства и транспортировки природного газа. Природный газ, извлеченный из скважины, непрерывно и с заранее установленной равномерной скоростью загружают в автономный передвижной резервуар высокого давления до его заполнения порцией природного газа под давлением свыше 800 фунтов на квадратный дюйм, после чего резервуар заменяют другим автономным резервуаром высокого давления, не прерывая поступление газа. Затем заполненный передвижной резервуар транспортируют до разгрузочного терминала. Тем самым регулируют напор скважины и обеспечивают максимальную добычу природного газа. В целом равномерный дебит скважины обеспечивают при помощи регулирующего клапана, который используют, когда давление на устье скважины превышает 800 фунтов на квадратный дюйм, и компрессора, когда давление на устье скважины падает ниже такой величины.
На имя того же автора выдан патент США 43 80242, в котором описан способ и система распределения природного газа. В данном случае пользовательский терминал имеет две разгрузочные станции, и для подачи природного газа на пользовательский терминал используют, по меньшей мере, два автономных резервуара высокого давления. По меньшей мере, один из автономных резервуаров высокого давления способен перемещаться до пользовательского терминала. Разгрузочные станции предпочтительно оснащены автоматическим устройством переключения для перехода с одного резервуара высокого давления на другой, а предложенный способ и система распределения природного газа обеспечивают непрерывную подачу природного газа на пользовательский терминал с учетом меняющегося объема потребностей.
Перечисленные решения требуют значительных производственных расходов и имеют ограниченную доступность. Одна из наибольших статей расходов при использовании прицепных цистерн высокого давления связана с необходимостью применения дорогостоящего компрессора для разгрузки газа после его доставки на заправочную станцию.
Такие ограничения отрицательно сказываются не только на строительстве новых заправочных станций, но также и на росте числа транспортных средств и потребителей, использующих сжатый природный газ. Поскольку транспортные средства обладают определенной автономностью и требуют периодической заправки, чтобы обеспечить по настоящему полную автономность системы, станции заправки сжатым природным газом должны быть рассредоточены по всей стране, включая отдаленные пункты и города.
Кроме того, отсутствие природного газа в некоторых регионах накладывает серьезные ограничения на размещение в них промышленных предприятий, которым он необходим в качестве топлива.
С целью решения этой проблемы разработана система пополнения запаса сжатого природного газа. Станции заправки сжатым природным газом могут быть размещены практически повсеместно, за счет чего создают уникальную, простую в установке, эксплуатации и обслуживании систему пополнения запаса газа.
Еще одной предпосылкой созданий настоящего изобретения является патент США 5454408 на имя DiBella и др., в котором описано устройство переменного объема для хранения и распределения сжатого природного газа. В нем описан резервуар переменного объема для хранения сжатого природного газа, соединенный с линией подачи сжатого природного газа. Резервуар соединен с раздаточной станцией, которая имеет соединительную головку, при помощи которой средство перевозки быстро и легко подсоединяют к раздаточной станции и отсоединяют от нее. После наполнения средства перевозки или, в качестве альтернативы, после пополнения резервуара для хранения контроллер реагирует на давление внутри резервуара для хранения, изменяя его объем.
В патенте США 5603360 на имя Teel описан способ и система транспортировки газа из трубопровода до станции заправки автомобилей сжатым природным газом. Данную систему доставки природного газа из трубопровода устанавливают на подвижном транспортном средстве, для чего газ подают во множество резервуаров высокого давления, оснащенных эластичными внутренними баллонами, в которых газ находится до тех пор, пока давление в резервуаре не сравняется с давлением в трубопроводе. В этот момент транспортное средство переместится до станции заправки сжатым природным газом. На станции заправки множество резервуаров высокого давления соединяют с разгрузочным трубопроводом, ведущим до хранилищ. Природный газ разгружают за счет перепада давления до тех пор, пока давление не выровняется, после чего в кольцевое пространство между баллоном и стальными стенками резервуара высокого давления закачивают сжатую гидравлическая жидкость, которая сдавливает баллон и выжимает оставшийся в нем газ в хранилище.
После этого транспортное средство отсоединяют от откачивающего средства и возвращают к трубопроводу для заправки природным газом.
Краткое изложение сущности изобретения
Основной задачей настоящего изобретения является создание передвижной системы подачи сжатого природного газа, состоящей из модуля хранения, загрузочной и разгрузочной платформы, включая последовательность ее транспортировки и применения, которая имеет:
- модуль с резервуарами для хранения и соответствующим соединением с ними, при этом модуль включает:
- резервуары (баллоны), в которых хранится газ,
- каркас, в котором помещаются резервуары, и
- соединительные трубы, служащие для соединения и отсоединения модулей от места расположения и применения,
- загрузочную платформу,
- разгрузочную платформу, и
- транспортное средство.
Другой задачей изобретения является создание транспортного средства, специально приспособленного для перевозки газовых резервуаров и обеспечения работы описанной далее системы сменных резервуаров.
Еще одной задачей изобретения является создание последовательности применения с целью оптимизации использования газа в резервуарах.
Еще одной задачей изобретения является создание способа и системы транспортировки природного газа от трубопровода до заправочной станции или иного объекта пользователя.
Еще одной задачей изобретения является создание системы транспортировки природного газа между трубопроводом и заправочной станцией с использованием транспортного средства, рассчитанного на доставку природного газа в состоянии, которое удовлетворяет требованиям к его использованию в качестве автомобильного топлива. Предложенное изобретение особо применимо в разнообразных областях, таких как отводы газопроводов, снабжающих жилые здания, газозаправочные станции, промышленные предприятия и т.д.
Реализация изобретения возможна при условии соответствия его компонентов жестким требованиям безопасности, установленным действующими местными нормами и правилами обеспечения безопасности на промышленных предприятиях.
Для лучшего понимания изложенных ниже понятий им даны следующие определения.
"Выше по потоку/ниже по потоку" означает местоположение заданного объекта, расположенного до или после точки отсчета с учетом направления циркуляции флюида.
"Пламегаситель" означает устройство, ограничивающее распространение пламени.
"Компрессор" означает оборудование, установленное на центральной газовой трубе отвода второго порядка, который повышает давление подаваемого газа (1 бар) до уровня давление в резервуаре и при транспортировке (200 бар).
"Хранилище" означает группу трубных эстакад для поступления сжатого природного газа в модуль.
"Загрузка" означает заполнение модулей до определенного давления (200 бар).
"Разгрузка" означает откачку газа из модулей.
"Транспортное средство" означает передвижное средство для доставки газа в различные точки потребления.
Поставленная задача достигается в передвижной системе подачи сжатого природного газа, в которую входит модуль для хранения, разгрузочная и загрузочная платформы, транспортное средство и последовательность применения упомянутых модулей, при этом упомянутые модули для хранения содержат баллоны со сжатым природным газом, каркас, на котором установлены цилиндры, соединительные трубы, служащие для отсоединения и соединения упомянутого модуля с системой, сепараторы баллонов, защитный кожух, запорные клапаны, клапаны для выпуска избытка флюида и разгрузочные клапаны, манометр и быстросоединяющиеся муфты, а упомянутая загрузочная платформа имеет каркас, монтажные опоры, соединительные трубы, усиливающие поперечные балки, соединительные средства, выпускной клапан, сливной клапан, запорный клапан и две верхние поперечные балки.
В одном из вариантов выполнения изобретения разгрузочная платформа имеет С-образный каркас, монтажные опоры, соединительные трубы, две усиливающие поперечные балки, соединительные средства, выпускной клапан в ручным приводом, сливной клапан, ручной запорный клапан и две верхние поперечные балки.
В другом варианте выполнения изобретения транспортное средство представляет собой трейлер, четыре погрузочно-разгрузочных механизма для подъема модулей и стабилизирующие опоры.
В еще одном варианте выполнения изобретения упомянутые механизмы для подъема модулей имеют лебедку, подъемные клапаны, систему закрепления, направляющие и средства крепления к трейлеру.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан общий вид в перспективе предложенного модуля,
на фиг.2 показан общий вид в перспективе каркаса модуля,
на фиг.3 проиллюстрировано расположение баллонов в каркасе и соединительные трубы, которыми они соединены,
на фиг.4 показан вид в перспективе загрузочной платформы,
на фиг.5 показан вид в перспективе разгрузочной платформы,
на фиг.6 показан вид в перспективе разгрузочной платформы,
на фиг.7 показан вид в перспективе транспортного средства модуля,
на фиг.8 подробно показан установленный на транспортном средстве механизм для разгрузки модулей с транспортных средств.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 проиллюстрирована общая форма предложенного в настоящем изобретении модуля для транспортировки и хранения сжатого природного газа (или любого другого топлива) в месте нахождения потребителя. Модуль в целом состоит из каркаса или шасси 3, на котором установлены резервуары 2. Каркас 3 имеет усиленную трубчатую структуру, способную выдерживать установленную на ней группу резервуаров. Даже, несмотря на то, что в проиллюстрированном варианте резервуары представляют собой баллоны, а каркас имеет форму шестигранника, это не следует рассматривать в качестве ограничения изобретения.
Баллоны 2 сгруппированы в единый блок, соединены друг с другом соединительными трубами 4 и отделены друг от друга сепараторами 5. Сепараторы 5 представляют собой треугольные резиновые элементы, расположенные между баллонами и предотвращающие их взаимное перемещение, или полоски из алюминия вокруг каждого баллона, предотвращающие их взаимное трение и тем самым преждевременный износ.
На фиг.2 подробно проиллюстрирован модуль, выполненный в виде автономной стальной конструкции, способной выдерживать наружные условия за счет антикоррозийной обработки. Модуль состоит из основной конструкции 3 и защитного кожуха 7 с каждой стороны. Баллоны прикреплены к конструкции модуля при помощи фиксирующих колец. Защитный кожух 7 прикреплен к шасси 3 винтами 8.
Поскольку модуль 3 загружают и разгружают с транспортного средства, несколько уязвимых элементов его структуры, включая клапаны и вспомогательные устройства, помещаются внутри и не выступают за внешние границы каркаса. Тем самым, обеспечивают их защиту от воздействий, которые могут иметь место в процессе погрузки и разгрузки.
На фиг.3 показан вид сбоку шасси 3, основанием которого служит комплект полозьев 6, облегчающих его транспортировку. Баллоны соединены друг с другом стальными бесшовными трубами, соединителями и клапанами, способными выдерживать соответствующие усилия и вибрации.
Каждый баллон имеет отсечной клапан 9 моментального действия со средством сброса давления комбинированного типа, состоящего из плавкого металлического предохранителя и разрывной мембраны. Каждый модуль снабжен открытым наружу и вверх разгрузочным клапаном 10 избыточного давления, который установлен ниже по потоку названных отсечных клапанов.
Также предусмотрен сливной клапан 11, который предотвращает встречный поток газа из баллонов в случае нарушения поступления газа или разрыва трубопровода, и датчик 12 давления в трубопроводе и быстро соединяемый клапан 13 для соединения шлангов.
На фиг.4 проиллюстрирована загрузочная платформа, на которую модули грузят и заполняют при максимальном давлении 250 бар. Платформа состоит из двух параллельных несущих 22, 23, на которые опирается модуль, опор 15 с возможностью регулирования высоты в зависимости от поверхности, на которую их устанавливают. Между платформами также предусмотрена соединительная труба 16, рассчитанная на характеристики потребления любого типа, поперечные балки 17, обеспечивающие жесткость, два соединительных средства 18 и ручные разгрузочные клапаны 19 для выпуска газа, остающегося в запорных клапанах, и выпуска газа из шлангов, соединяющих платформы с модулями, чтобы их можно было отсоединить. Также предусмотрен сливной клапан 20, предотвращающий падение давления питания в случае отказа, и ручной запорный клапан 21, который необходимо приводить в действие при заполнении модуля.
Число платформ 4 загрузочной станции равно числу модулей 3 плюс одна свободная загрузочная платформа. Общее число платформ 4 может меняться в зависимости от потребностей систем и используемого транспортного средства, и составляет от одной до пяти, при этом при необходимости их число может быть увеличено. В рассматриваемом случае используют пять платформ на одну линию, что позволяет осуществлять загрузку одновременно четырех модулей 3, при этом одна платформа 4 остается свободной. Одна и та же платформа не должна всегда оставаться свободной; ее следует менять во избежание чрезмерного износа одной конкретной платформы.
В зависимости от потребностей потребителя загрузочная станция может иметь две или три линии загрузочных платформ 4. В таком случае на соединительной трубе 16 должен быть установлен клапан, которым в дистанционном режиме с компрессорной станции управляет компьютер.
Платформа 4 имеет автономную стальную конструкцию, способную выдерживать атмосферные условия за счет антикоррозийной обработки. Клапаны и вспомогательные устройства платформы 4 не выступают за внешние границы платформы и прикреплены к ней винтами, обеспечивающими механическую защиту.
На фиг.5 проиллюстрирована разгрузочная платформа 32, модули 3 которой разгружены. Она имеет две несущие 39, на которые опирается модуль, опоры 24 с возможностью регулирования высоты в зависимости от поверхности, на которую их устанавливают, две усиливающие поперечные балки 25, соединительную трубу 26, два соединительные средства 27, запорный клапан 28, сливной клапан 29, электроклапаны 30 и невозвратный клапан 31. Как и в случае загрузочной платформы, показанной на фиг.4, число разгрузочных платформ 32 также равно числу модулей 3 плюс одна свободная разгрузочная платформа 32. Общее число платформ может меняться в зависимости от потребностей систем в пределах от 1 до 9. При наличии большего числа платформ рекомендуется использовать еще одну линию с таким же числом платформ, при этом одна из них должна всегда оставаться свободной. Количество модулей 3 на разгрузочных станциях связано с потребностями системы и может быть при необходимости увеличено.
Разгрузочная платформа также представляет собой автономную стальную конструкцию, способную выдерживать атмосферные условия за счет антикоррозийной обработки.
Ее клапаны и вспомогательные устройства не выступают за внешние границы платформы и прикреплены к ней винтами, обеспечивающими механическую защиту.
Разгрузочная платформа 32 имеет ручной выпускной клапан 33, служащий для выпуска газа, остающегося в трубе между запорным клапаном 28 и модулем 1, чтобы отсоединить его. Также предусмотрен запорный клапан 36 с ручным приводом, который приводят в действие только в случае отказа пускателя клапана с дистанционным управлением (не показан).
На фиг.6 проиллюстрирован пример разгрузочной платформы 32 сжатого природного газа на заправочной станции с разгруженными модулями 3. Платформа имеет основание 40 с возможностью регулирования высоты в зависимости от поверхности, на которой оно установлено, и две направляющие 45, 46, на которые помещают модуль. Верхняя поперечная балка 41 усиливает всю конструкцию, а соединительная труба 42 аналогична трубе 16, проиллюстрированной на фиг.4. Платформа 32 также имеет сочленения 43, ручной выпускной клапан 44 и запорный кран 47.
На фиг.7 проиллюстрировано транспортное средство для транспортировки модулей 3, представляющее собой трейлер 48 для перевозки от одного до четырех модулей 3; четырех погрузочно-разгрузочных механизмов 49 (подробно проиллюстрированных на фиг.8 и описанных далее) и стабилизирующих опор 50.
На фиг.8 подробно проиллюстрирован механизм 49, служащий для погрузки модулей с платформы 4 в трейлер или выгрузки из трейлера на разгрузочную платформу 32. Он представляет собой металлический С-образный каркас 56, на котором установлена лебедка 51, подъемный клапан 52, система 53 закрепления, две вертикальных направляющих 54 и средство крепления к трейлеру 55.
Побочной задачей настоящего изобретения является создание последовательности применения описанных выше средств. Такая последовательность позволяет пополнять запасы заправочной станции, оптимизируя использование газа в модулях.
В основу последовательности положен факт постоянного наличия пустой платформы 4, 32 и последовательной разгрузки модулей. Положение пустой платформы 4, 32 меняется по мере замены модулей 3.
Применение предложенной в изобретении системы начинают с первой платформы, удостоверившись в том, что платформа 4 имеет модуль 3 с достаточным давлением газа для подачи в систему. Для этого датчик давления передает информацию о давлении в модуле в переключатель платформы. Платформу соединяют с системой подачи, для чего открывают клапан с дистанционным управлением такой платформы, немедленно после чего поток сжатого природного газа начинает поступать на объект потребителя. Система следит за тем, чтобы показания давления соответствовали давлению по данным датчика давления. Наличие разности давлений означает, что клапан системы не открыт надлежащим образом или что оператор оставил клапан закрытым.
После открытия клапана из модуля начинает поступать газ, а по завершении операции разгрузки система автоматически откроет клапан второй платформы, пока показатели давления не укажут, что последовательность завершена верно. После этого система закроет клапан первой платформы.
Для замены модулей 3 после опорожнения находившегося в них сжатого природного газа необходимо переключиться на другую платформу 4.
Необходимо принимать во внимание следующие параметры:
- нормальное давление переключения PN,
- минимальное давление в системе РМ, гарантирующее давление, которое удовлетворяет потребителя,
- последнее давление PU, выбранное для замены модулей,
- регулируемое рабочее давление PR.
Все названные параметры программируют при установке системы, чтобы гарантировать работу при оптимальных условиях.
Поскольку система рассчитана на переменный расход в зависимости от давления на входе и выходе, а потребность в расходе также меняется в зависимости от времени года, система постоянно следит за тем, чтобы давление в модуле не падало ниже давления PN, чтобы поддерживать потребность системы в пределах заранее заданных параметров.
Давление PN является давлением, которое используют для выбора параметров системы в условиях максимальной потребности, но, поскольку такие условия имеют место лишь в течение нескольких дней в году, система использует контрольное давление PR в качестве условной переменной. В этом случае система определяет, при каком давлении РМ необходимо осуществлять операцию замены модуля.
При минимальных уровнях потребления давление в модуле будет снижаться до тех пор, пока давление не достигнет значения PU, которое является минимальным давлением, выбранным для замены модулей 3.
Наконец приведем пример каскада чередования: в данном случае используют три модуля 3 хранения, которые заполнены, а система с приоритетами последовательно соединяет их друг с другом согласно схеме в зависимости от давления в каждом модуле и давления в загружаемом транспортном средстве.
1 стадия
Модули 3 заполнены; система управления разгрузкой выбирает первый модуль в качестве нижнего хранилища, второй модуль в качестве среднего хранилища и третий модуль в качестве верхнего хранилища.
После прибытия транспортного средства на заправочную станцию система начинает загружать его, начиная с нижнего хранилища. После выравнивания давлений система переходит на среднее хранилище. После выравнивания давлений система разгрузки переключается на верхнее хранилище, завершая процесс загрузки и оставляя модули 3 после нескольких операций загрузки в следующем состоянии: давление в модуле низкого давления составляет 100 бар, давление в модуле среднего давления равно 150 бар и давление в модуле высокого давления достигает около 200 бар.
2 стадия
В результате осуществленных операций давление в первом и втором модулях ниже давления в третьем модуле. Данный процесс продолжается на 3 стадии.
3 стадия
На 3 стадии после осуществления нескольких операций заправки давление в первом модуле будет падать до тех пор, пока внутреннее давление не станет достаточным для осуществления новой операции заправки. Таким образом, систему управления разгрузкой приводят в действие, чтобы повысить давление в линии и тем самым довести его до требуемого уровня.
4 стадия
При отсутствии потребления на газовых насосах система управления разгрузкой инициирует рециркуляцию газа в модуле. Сначала газ извлекают из модуля низкого давления и помещают его в модуль среднего давления.
5 стадия
После достижения заданного перепада давления между хранилищем низкого и среднего давления система управления разгрузкой снова начинает рециркуляцию газа, но повышает давление в модуле высокого давления, извлекая газ из модуля среднего давления.
6 стадия
По завершении рециркуляции газа в модуле низкого давления остается 10% газа, и его заменяют заполненным модулем, который становится модулем высокого давления. Третий модуль, который являлся модулем высокого давления, становится модулем среднего давления, а модуль среднего давления становится модулем низкого давления.