АВТОНОМНАЯ ЛОКАЛЬНАЯ МНОГОТОПЛИВНАЯ ГАЗОВАЯ СЕТЬ И СИСТЕМА ГАЗОСНАБЖЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ЕЁ
AUTONOMOUS LOCAL MULTI-FUEL GAS NETWORK AND GAS SUPPLY SYSTEM BASED THEREON

Изобретение относится к газовой промышленности, а именно к локальным автономным системам газоснабжения, и может быть использовано для снабжения отдаленных от централизованной системы газоснабжения районов газом, при этом в виде топлива может быть использован как псевдоприродный синтетический природный газ на основе сжиженного углеродного газа (СУГ), так и сжиженный природный газ (СПГ), а в последующем и магистральный природный газ.
Из уровня техники известна система снабжения потребителей природным газом, включающая комплекс газодобывающих скважин, магистральные трубопроводы, компрессорные станции, газораспределительные установки (см. патент на полезную модель РФ №42274, опубликовано 27.11.2004).
Такие сети имеют целый ряд недостатков при строительстве их в удаленных районах страны.
Удаленность источника газа от потребителя и как следствие значительная протяженность магистральных участков газопроводов сети предполагает строительство по всей их протяженности целого комплекса сложных газотехнических сооружений, призванных поддерживать ее рабочие, эксплуатационные параметры (компрессорные станции, редукционные и газораспределительные установки и т.д.). Таким образом, газификация отдельно взятого региона потребует значительных материальных, трудовых и временных ресурсов.
Нестабильность в плане подачи газа, в связи с сезонными перепадами в поступлении природного газа, плановым регламентным обслуживанием магистральных участков сети газопровода и аварийными ситуациями на них. В целях устранения этого серьезного недостатка, вынужденно строятся крупные подземные хранилища газа и обводные резервные магистрали газопроводов.
Сеть монотопливная и не может быть использована для подачи потребителям сжиженного углеводородного газа (СУГ) из-за несовместимости газопотребляющего оборудования абонентов сети, а возможно и параметров самой газораспределительной сети (диаметры труб, отсутствие нужного количества конденсатосборников, стабильных уклонов участков газопроводов между конденсатосборниками, открытой надземной прокладки газопроводов или подземная выше уровня промерзания грунтов) физическим параметрам (СУГ). Не может быть использована такая сеть и для использования сжиженного природного газа (СПГ) из-за отсутствия в ее составе крупных хранилищ сжиженного природного газа (СПХР) с комплексом сложного и дорогостоящего оборудования, необходимого для регазификации, хранения, и домораживания излишне испарившегося, естественным образом, газа.
Таким образом, газоснабжение удаленных районов страны, в частности Восточной Сибири, Дальнего Востока и Забайкальского края, а также Крайнего Севера, затруднительно ввиду их специфических особенностей, а именно труднодоступности, удаленности от источников газоснабжения, суровых климатических условий и расположения потребителей на значительном расстоянии друг от друга. Газоснабжение удаленных районов требует больших материальных, временных и трудовых затрат не только на строительство веток магистральных газопроводов до этих районов, но также построения самих газораспределительных сети.
Для решения указанной проблемы традиционно используют автономные источники газоснабжения на основе СУГ, а с возникновением криотехнологий СПГ и ростом его производства все чаще рассматриваются варианты автономной газификации на основе СПГ.
Так, например, из уровня техники известна система регазификации сжиженного природного газа (СПГ) и подачи его в местную систему распределения природного газа конечным потребителям. Система состоит из резервуара или устройства для хранения СПГ, насоса, испарителя СПГ, соединенного с системой распределения природного газа, устройств учета газа, регулирования потока газа и управления потоком текучей среды (см. заявку WO 2011084066, опубликованную 14.07.2011).
Недостатком указанной системы является то, что СПГ крайне не устойчивый газ и хранение его в жидком виде вблизи объектов потребления не представляется возможным без обеспечения постоянного и главное гарантированного, стабильного отбора и утилизации газа в объемах превышающих объем естественного его испарения из сосуда. В случае не соблюдения этого условия, во избежание разрушения сосуда, излишне испаряющийся газ надо либо стравливать в атмосферу, что пагубно для природы и не рационально, либо откачивать, сжижать и снова сливать в сосуд, что тоже не рентабельно, так как требует наличия специализированного энергоемкого, дорогостоящего оборудования и значительных материальных и трудовых затрат. Из этого же следует, что организовать хранение резервного объема СПГ, необходимого для газоснабжения потребителей при сбоях доставки или при пиковых повышенных объемах потребления, и тем более просчитать точное время, когда закончится газ и обеспечить своевременный его подвоз без сбоев, практически не возможно.
Наиболее близким аналогом предложенного решения является система снабжения конечных потребителей сжиженным углеводородным газом (СУГ) или иначе система автономной газификации. Автономная газификация может быть индивидуальной и коллективной и содержать неотъемлемый набор газового оборудования, обеспечивающего ее работоспособность, а именно: газгольдер (резервуар СУГ) или группу резервуаров, комплекс запорно-регулирующего оборудования, автоматики безопасности, наружный газопровод с цокольным вводом потребителя, либо локальная коллективная, групповая сеть газопровода с отводами к каждому абоненту сети (см., например, патент РФ №2476759, опубликованный 27.02.2013). Несмотря на наличие группы потребителей, завязанных общей сетью газопровода, данная система не может рассматриваться как полноценная сеть в силу своей локальности (замкнутости) и главное не способности к использованию в качестве топлива природного газа.
Локальные, коллективные, групповые сети на основе СУГ проектируются под параметры СУГ (диаметры труб и настройки газопотребляющего оборудования) и не могут быть использованы для подачи по ним природного газа в случае его появления, что делает их весьма уязвимыми и зависимыми от стабильности поставок газа одного типа, а само применение таких систем ограничено и бесперспективно в силу высокой цены на СУГ и не возможности перевода на альтернативные виды топлива.
Локальные сети газоснабжения на основе СУГ имеют также ряд ключевых недостатков, ограничивающих их использование и распространение, что связано в первую очередь, с физико-химическими особенностями самого газа (СУГ):
1. Замерзание газа при незначительно низких температурах (температура кипения бутана - минус 0,5°С).
2. Значительная конденсация паров газа при температурах чуть ниже 0°С, что требует прокладки газопроводов на глубине ниже глубины промерзания грунтов, а это не всегда возможно, по особенностям геологической структуры местности и грунтов, необходимости строгого соблюдения уклонов при устройстве газопроводов (исключения их провисания), с целью обеспечения условий самостоятельного стекания конденсата в специальные конденсатосборники.
3. Необходимость монтажа значительного числа конденсатосборников при прокладке газопровода в местностях со сложным рельефом и пучинистыми грунтами, высоким уровнем грунтовых вод и, как следствие, больших затрат на монтаж, содержание и обслуживание таких газопроводов.
Однако основным недостатком известных систем газоснабжения на основе СУГ является то, что при переходе региона на снабжение природным газом или его разновидностью СПГ, возникает необходимость практически полной замены существующей системы газоснабжения на новую, с одновременным переоборудованием газопотребляющих приборов под природный газ, что довольно трудоемко и не всегда возможно без полной их замены. При этом дорогостоящие сосуды (газгольдеры) и запорно-регулирующая арматура к ним становятся бесполезны.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание единой сети газоснабжения путем построения сетей газификации удаленных и труднодоступных регионов из отдельных базовых, автономных, локальных, многотопливных сетей газоснабжения отдельных поселений, поселков, городов и целых районов этих регионов. Многотопливность предлагаемых сетей позволяет газифицировать удаленные и труднодоступные регионы страны в отсутствие природного газа, а с его появлением (магистральный или СПГ) в разы увеличить надежность и стабильность работы сетей в плане их бесперебойности и стабильности работы.
Достаточно низкая себестоимость предлагаемых нами базовых автономных, локальных, многотопливных газовых сетей делает их весьма привлекательными для потребителей и позволяет строить их за счет населения без привлечения бюджетных средств. В тоже время при 50-ти % субсидирования затрат населения на цели сетевой газификации за счет известной федеральной программы, позволит реализовать газификацию труднодоступных регионов страны весьма посильными для субъектов газификации средствами и значительно ускорит процесс.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стабильности и долговечности (живучести) системы при использовании созданной на основе локальной, замкнутой, автономной сети группы потребителей СУГ полноценной разветвленной сети газоснабжения, полностью адаптированной к природному газу (магистральному и СПГ) и снижение материальных вложений при ее строительстве. При этом единая сеть (система газоснабжения) начинает функционировать с момента построения ее первой структурной единицы (базовой, автономной, локальной сети на основе СУГ и СПГ) и наращивается без прекращения подачи газа действующим потребителям.
Результат достигается в базовой, автономной, локальной, адаптированной к природному газу сети, содержащей емкостной парк для хранения сжиженного углеводородного газа (СУГ) и емкостный парк криогенных сосудов для хранения сжиженного природного газа (СПГ), связанные со смесительной установкой, общие и индивидуальные приборы учета расхода газа, приборы автоматики управления алгоритмами работы системы, автоматики безопасности и интернет-GSM мониторинга параметров сети, связанные с единым диспетчерским пультом, запорно-регулирующую арматуру, а также уличные трубопроводы, к которым, через запорную арматуру, подключены индивидуальные трубопроводы абонентов сети, при этом смесительная установка содержит испаритель для регазификации СУГ и СПГ, инжектор, редуктор низкого давления и ресивер и выполнена с возможностью подачи СУГ от емкостного парка хранения СУГ в сеть через испаритель, инжектор, редуктор и ресивер и подачи СПГ от емкостного парка криогенных сосудов для хранения СПГ в сеть через испаритель, редуктор и ресивер, минуя инжектор.
Сущность изобретения состоит в том, что автономная локальная сеть содержит не один источник автономного газоснабжения, а два - СУГ и СПГ. На первом этапе построения и работы сети (в отсутствие СПГ), основным источником газа является емкостный парк СУГ со смесительной установкой, а с появлением СПГ или магистрального природного газа емкостный парк СУГ переходит в режим резервного питания и выполняет функции пик-шейвинга, оперативно принимая работу на себя в случае отсутствия природного газа, пикового роста объемов потребления сети или неполадках оборудования природного газа.
Совместить в одной системе два различных по физическим свойствам и обычно не совместимых вида топлива (СУГ и природный газ (СПГ)) и сделать систему многотопливной (как минимум двутопливной), позволяет использование в ней смесительной установки СУГ/воздух, в которой происходит преобразование СУГ в псевдоприродный или синтетический природный газ, являющийся его полным аналогом. При этом температура конденсации псевдоприродного газа полученного на основе бутана снижается до -18°С, что значительно упрощает и снижает требования к монтажу газопроводов, а также расширяет температурный диапазон бесперебойного функционирования сети (исключает один из основных недостатков систем газификации на основе СУГ). Кроме того, испарительное оборудование смесительной установки выполняется таким образом, что при автоматическом (по сигналам автоматики безопасности с интернет - GSM мониторингом параметров работы системы), а также по командам дежурного оператора единого диспетчерского пункта, или ручном переключении специалистами дежурной смены бригады обслуживания, запорной арматуры системы с СУГ на СПГ, в нем же происходит и регазификация СПГ. Таким образом, в сеть газораспределения подается либо псевдоприродный, либо натуральный природный газ, а система газификации становится способной потреблять как СУГ так и СПГ.
Надо отметить, что в предлагаемых сетях, газопроводы выполняются особым образом, а именно из труб диаметром, рассчитанным на транспортировку природного газа, а у абонентов сети устанавливается газопотребляющее оборудование с настройками на природный газ, что позволяет изменять вид потребляемого газа простым переключением запорной арматуры в смесительной установке. Таким образом, сеть становится много или мультитопливной, адаптированной к природному газу и СУГ.
Автономные, локальные многотопливные сети по мере необходимости могут объединяться между собой межсетевыми трубопроводами, которые, с одной стороны, дают возможность неограниченного расширения сети, а с другой стороны повышают ее живучесть и стабильность работы. При выходе из строя или отключении на регламентное обслуживание емкостного парка или смесительной установки одной локальной сети, питание абонентов сети с отключенным емкостным парком или смесителем СУГ/воздух, продолжается от смесительного оборудования соседней автономной, локальной сети.
3
Максимальный объем автономной, локальной многотопливной сети по числу потребителей, искусственно ограничивается общим объемом емкостного парка СУГ и СПГ (до 40 м, или в пределах 4-ой группы опасности), что соответствует 15-ти - 20-ти дневной работе сети. Объем криогенных сосудов для хранения СПГ подбирается таким образом, чтобы один из основных технических параметров криососуда, а именно объем естественным образом испаряющегося СПГ в единицу времени, не превышал среднего объема потребления сети за тот же промежуток времени. Такая концепция построения базовой, автономной, локальной, многотопливной сети позволяет максимально сократить площадь земельного участка занимаемого емкостным парком системы, что весьма актуально в районах старой плотной застройки жилых массивов, спланированных без учета возможной газификации.
Для обеспечения автоматического управления сетью, повышения уровня безопасности и стабильности работы описанной сети, а также повышения уровня качества обслуживания абонентов, сеть оборудована системой автоматики безопасности, а также средствами учета прихода и расхода газа, а также Интернет-GSM мониторинга параметров сети с единого диспетчерского пункта.
Смонтированные таким образом, автономные, локальные, сети и построенные на их основе системы газификации в целом, являются многотопливными (мультитопливными) и без особых проблем путем манипуляций над двумя-тремя запорными клапанами, как в автоматическом, так и в ручном режиме, могут быть переведены на питание либо от СУГ, либо от природного газа, в том числе СПГ. Взаимозаменяемость двух источников газа позволяет бесперебойно снабжать газом потребителей, в том числе при пиковых объемах потребления, кроме того, обеспечивается возможность хранения небольших объемов СПГ в жидкой фазе непосредственно вблизи потребителя без использования энергоемких и дорогостоящих систем домораживания газа, при высоком уровне безопасности хранения СПГ и его рациональном бездренажном (без аварийного сброса в атмосферу) использовании.
Работа системы осуществляется, как правило в автоматическом режиме под контролем блока управления алгоритмами работы, на основе показаний датчиков физических параметров системы (давления газов, температуры и уровня), но возможно и ручное управление, как с единого диспетчерского пульта, так и непосредственно дежурным слесарем на объекте по команде диспетчера. Блок управления размещается совместно со смесительной установкой в едином утепленном шкафу во взрывозащищенном корпусе, там же устанавливается и система Интернет-GSM мониторинга параметров системы, по сути являющаяся передатчиком основных физических параметров получаемых блоком управления. Приборы учета расхода приходящего в смесительную установку газа и расхода в сеть устанавливаются до и после смесительной установки, а индивидуальные приборы учета газа абонентов устанавливаются непосредственно у потребителя и естественным образом пломбируются.
Получившая таким образом новое качество, модернизированная многотопливная автономная локальная сеть, становится базовой составной единицей для построения разветвленной системы газоснабжения от улицы к улице, от поселка к поселку, от города к городу, вплоть до региона в целом. При этом строительство системы газификации осуществляется снизу вверх постепенным наращиванием числа объединенных в единую систему базовых единиц сети. По сути, изначально строятся обособленные, автономные, локальные, многотопливные сети, которые соединяясь между собой межсетевыми трубопроводами, сплетаются в единую газовую сеть - систему газоснабжения. Таким образом, автономные, локальные сети потребителей становятся составными элементами единой системы газоснабжения, но вместе с тем не теряют качества автономности (самодостаточности), что в значительной степени определяет стабильность работы и живучесть системы в целом.
Предложенная схема построения системы газоснабжения не требует единовременных крупных финансовых и материальных вложений, так как строится поэтапно, последовательно расширяясь. Для ее строительства не требуется монтаж единой крупной и дорогостоящей газонаполнительной станции (ГНС), компрессорных, газоредукционных и газораспределительных станций, магистральных трубопроводов большого диаметра, среднего и высокого давления, не требуется и отчуждение значительных площадей земельных участков под ГНС и магистральные трубопроводы, не требуется также большого числа обслуживающего персонала. Контроль и управление осуществляется оператором с единого диспетчерского пункта, а обслуживание единой дежурной бригадой слесарей. Система газоснабжения строится снизу вверх, постоянно наращиваясь и расширяясь без каких либо ограничений. Строительство ее осуществляется в значительной мере за счет инвестиций потенциальных абонентов строящейся системы газоснабжения. При этом единая сеть (система газоснабжения) начинает функционировать с момента построения ее первой структурной единицы (автономной, локальной, многотопливной сети на основе СУГ и СПГ) и наращивается без прекращения подачи газа действующим потребителям. Для построения сетей используются трубы из полиэтилена низкого давления диаметром 32, 63, 110 и 225 мм в подземном варианте, с укладкой, в основном, ниже глубины промерзания грунтов, что обеспечивает их исключительную безопасность и ресурс. Учитывая то обстоятельство, что температура конденсации псевдоприродного газа на основе бутана снижается до - 18°С, глубина закладки газопроводов, даже в условиях малоснежных зим Забайкальского края не превышает 1,5 метров без дополнительного его утепления, что значительно упрощает и удешевляет монтаж. Кроме того, подземная прокладка трубопроводов не нарушает ландшафтный дизайн местности и улучшает параметры безопасности сети. Уличный трубопровод выполняется трубой диаметром 63 мм, межъуличный и межсетевой диаметром 110 мм, а индивидуальные трубопроводы конечных потребителей диаметром 32 мм. Трубой диаметром 225 мм могут выполняться отдельные участки трубопровода протяженностью от 4-х до 6-ти метров, которые выполняют роль конденсатосборников и одновременно накопительных буферных емкостей, для сглаживания колебаний давления газа в сети при резком изменении объемов его потребления.
Контроль и управление сетями осуществляется средствами GSM-Интернет мониторинга и автоматики из единого диспетчерского пункта сервисной службы.
Далее сущность предложенного решения поясняется фигурой, на которой представлена принципиальная схема автономной локальной сети на основе СУГ и СПГ.
3
3
На фигуре изображено: 1 - емкостный парк для хранения СУГ (до 40 м), 2 - емкостный парк криогенных сосудов для хранения СГП (до 30 м), 3 - смесительная установка СУГ/воздух, 4 - вентиль жидкой фазы СУГ, 5 - вентиль жидкой фазы СПГ, 6 - уличные трубопроводы автономной, локальной сети, 7 - межуличный (квартальный) трубопровод локальной сети, 8 - индивидуальные трубопроводы потребителей с цокольным вводом, 9 - конденсатосборники, 10 - вентили узла соединения с другой аналогичной сетью, 11 - вентиль для подключения к магистральному трубопроводу.
Работает система газоснабжения следующим образом:
При открытом вентиле 4 емкостного парка СУГ, жидкая фаза газа поступает в испаритель прямого горения смесительной установки СУГ/воздух 3. Полученная таким образом паровая фаза СУГ, после дополнительной осушки и фильтрации, подается на инжектор смесительной установки СУГ/воздух, где смешивается с атмосферным воздухом в заданной пропорции, что дает на выходе из смесителя псевдоприродный (синтетический природный газ). Полученный таким образом аналог природного газа проходит через редуктор низкого давления и аккумулируется в ресивере смесительной установки, откуда подается в сеть.
Выработка дополнительного объема синтетического природного газа регулируется системой автоматики, отслеживающей уровень давления газа в ресивере.
При открытии вентиля 5 емкостного парка криогенных сосудов СПГ, блок автоматики отслеживает наличия давления за вентилем перед испарителем смесительной установки и подает управляющий импульс на закрытие вентиля 4 емкостного парка СУГ, при этом жидкая фаза СПГ подается в испаритель прямого горения смесительной установки СУГ/воздух. Полученный таким образом регазифицированный природный газ, минуя инжектор смесителя посредством автоматического перекрытия кранов, по управляющему импульсу от блока управления, подается на вход регулятора давления и через него в ресивер смесительной установки. Система продолжает функционировать, так как сеть и все газопротребляющее оборудование сети адаптировано к природному газу. При недостатке в подаче СПГ (падение давления за вентилем 5 и в ресивере смесительной установки, системой контроля параметров установки подается сигнал на единый диспетчерский пульт и оператор переключает систему на питание от СУГ, одновременно определяются причины и принимается решение либо по дозаправке емкостного парка СПГ либо привлечения дежурной бригады обслуживающего персонала для устранения неполадок.
При наличии возможности подключения системы к источнику магистрального газа, открытием вентиля 11 магистрального газа, сеть переходит на потребление природного, магистрального газа, который также через регулятор давления подается в ресивер смесительной установки и далее в сеть потребления. При этом, с появлением давления за вентилем 11, вентили 4 и 5 автоматически закрываются по управляющему импульсу с блока управления, а возможные выбросы регазифицировавшегося естественным образом СПГ подаются на вход регулятора давления и дозированно сбрасываются в сеть, что обеспечивает безопасность работы криогенных сосудов емкостного парка СПГ. Все входные трубопроводы снабжены счетчиками расхода газа на которых фиксируется количество поступившего в систему газа по каждому из каналов раздельно. Взаимные перетоки газов и влияние между входными каналами исключаются за счет их развязки обратными клапанами. На выходе из ресивера смесительной установки монтируется счетчик общего расхода газа подаваемого в сеть, а индивидуальный учет потребления газа абонентами осуществляется по показаниям индивидуальных счетчиков расхода газа, устанавливаемых непосредственно у потребителей.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет строить в удаленных от источников природного газа регионах, на основе автономных, локальных, многотопливных сетей группы потребителей СУГ, высокостабильные и живучие, полноценные, разветвленные сети газификации, полностью адаптированные к природному газу (магистральному и СПГ). При этом полученная таким образом единая сеть (система газоснабжения) начинает функционировать с момента построения ее первой структурной единицы (базовой, автономной, локальной, многотопливной сети на основе СУГ и СПГ) и постепенно наращивается без прекращения подачи газа действующим потребителям.