СПОСОБ ЗАПОЛНЕНИЯ РЕЗЕРВНЫХ ХРАНИЛИЩ СЖИЖЕННЫМ ПРИРОДНЫМ ГАЗОМ
METHOD FOR FILLING OF RESERVE STORAGE FACILITIES WITH LIQUEFIED NATURAL GAS

Предлагаемое изобретение относится к криогенной технике, а именно к способам заполнения сжиженным природным газов резервных хранилищ, с использованием привозного сжиженного природного газа, а также полученного сжиженного природного газа, отбираемого из магистрального газопровода. Рассматриваемая технология может использоваться как для газа природного происхождения, так и для другого низкомолекулярного газа нефтехимического производства газоразделения, а также при хранении и выдаче товарных сжиженных и газообразных газов на газораспределительных станциях (ГРС), например, при производстве моторных топлив, в газовой и других отраслях промышленности.
Сжижение газа основано на редуцировании высоконапорного газа, например, находящегося в магистральном газопроводе с давлением порядка 30-50 атм. до сравнительно низкого давления 5-7 атм. Рассматриваемая технология относится к классу вихревых труб, работа которых основана на проявлении эффекта Ранка.
Аналогом предлагаемого способа является способ сжижения газа (патент RU 2157487, FR25J 1/00, 1999 г. - [1]). В нем исходный поток газа делится на две части, из которых одна охлаждается в теплообменнике холодным потоком вихревой трубы, а другая часть поступает непосредственно на вход вихревой трубы. Холодный поток после рекуперации холода в теплообменнике выходит в качестве готового продукта - сжиженного газа, а горячий поток в качестве товарного газообразного продукта.
Несмотря на достигнутый результат - получение сжиженного газа с использованием энергетического разделения газа в вихревой трубе, в вихревую трубу подается незначительная часть (0,05-0,2) газа, а потому получается небольшое количество сжиженного газа. Остальная часть после регазификации в рекуперативных теплообменниках выводится потребителю газообразного продукта, что является недостатком. В качестве товарного продукта - газообразной фракции, вполне может использоваться горячий поток вихревой трубы.
К недостаткам следует также отнести и то, что в предлагаемом способе не используется сепарация горячего потока, с целью дополнительного извлечения жидкой фазы, т.к. горячий поток, выходящий из вихревой трубы отправляется сразу, как товарная газообразная фракция.
Известен способ (патент RU 2429434, F25J 1/00, 2010 г. - [2]), в котором для достижения эффективности сжижения газа используются две вихревые трубы: основная и вспомогательная и теплообменники - вымораживатели, в которых осуществляется охлаждение газа высокого давления, за счет холодного потока основной вихревой трубы, а также очистка и осушка газа путем вымораживания на теплообменной поверхности влаги и кристаллизирующихся примесей. Вспомогательная вихревая труба используется для получения высокой температуры горячего потока, которая используются для отогрева теплообменников - вымораживателей и удаления с теплообменных поверхностей кристаллизирующихся примесей.
Данный способ позволяет повысить эффективность процесса и производительность по готовому продукту - сжиженному газу, однако он обладает рядом недостатков, а именно:
- необходимость наличия двух вихревых труб и теплообменников -вымораживателей усложняет технологический процесс сжижения газа, т.к. необходимо производить периодическую очистку от кристаллогидратов теплообменных поверхностей и, особенно, внутреннего трубного пространства, что является трудоемкой операцией, а также увеличивает эксплуатационные расходы;
- для охлаждения внешней поверхности камеры энергоразделения основной вихревой трубы используется емкость с жидким фреоном, что непременно приведет к образованию двухфазной системы, тем более, что выходящий охлажденный горячий поток на выходе смешивается с отрекуперированным в теплообменнике холодным потоком (после трубного пространства), поэтому необходима сепарация потока от жидкой фазы, однако поток выводится в магистраль газораспределительной станции в качестве газообразного продукта.
Прототипом заявляемого способа является «Способ использования резервного подземного хранилища сжиженного природного газа» (патент RU 2298725, F17C 9/02, 2005 - [3]), в котором сжиженный природный газ используется для подземного хранения и резервирования. Способ состоит в заполнении резервного подземного хранилища сжиженным природным газом, доставляемым специальным транспортом, его хранении и выдаче на поверхность потребителю при поддержании в резервном подземном хранилище гарантированного избыточного давления природного газа.
Резервное подземное хранилище сжиженного газа располагают возле потребителя газа со своим расходным хранилищем, который используют для пополнения испарившегося в резервном подземном хранилище СПГ. Испарившийся в резервном подземном хранилище природный газ направляют через дополнительный регазификатор потребителю природного газа.
Таким образом, в известных способах хранения сжиженных газов осуществляется поддержание гарантированного избыточного давления в хранилищах сжиженного газа за счет регазификации части сжиженного природного газа, что позволяет не только сохранять безопасное хранение продукта, но и его отпуск потребителям сжиженного и газообразного товарных продуктов. Процесс регазификации газа осуществляют как за счет естественного нагрева сжиженного газа в результате хранения, так и с использованием вредных теплоизбытков ряда производственных объектов (например, газовая котельная с утилизацией теплоты в систему отопления и др.).
Как следует из изложенного, рассмотренные способы не лишены недостатков, к ним можно отнести следующие:
- работа хранилищ полностью зависит от ритмичной работы транспорта, с помощью которого предусмотрен подвоз и выгрузка сжиженного газа в хранилище;
- получение газообразного продукта осуществляется регазификацией части сжиженного газа, а также с использованием естественного испарения сжиженного газа в подземном хранилище, например, находящимся в непосредственной близости от хранилища потребителем газообразного продукта. Однако использование части сжиженного газа в качестве газообразного продукта снижает экономическую эффективность данного производства;
- отсутствует процесс сжижения испарившейся части газа в подземном хранилище СПГ;
- реализация рассмотренного способа подземного хранилища требует развитой инженерной инфраструктуры и специальных транспортных средств по доставке исходного сырья - сжиженного природного газа.
Для устранения вышеизложенных недостатков при наличии магистрального газопровода с избыточным давлением (магистрального газопровода высокого или среднего давления) используют редуцирование этого давления газа для его частичного сжижения и пополнения запасов наземного расходного и подземного резервного хранилищ СПГ. При этом испарившийся в хранилищах СПГ дополнительно наплавляют на сжижения, а часть несжиженного газа из магистрального трубопровода направляют потребителю. Представляется также возможность вырабатывать СПГ для других сторонних потребителей.
Таким образом, сущность заявляемого способа заполнения резервных хранилищ сжиженным природным газом, состоящего в заполнении СПГ резервного подземного хранилища и наземного расходного хранилища, расположенных на небольшим расстоянии от потребителя природного газа, хранении СПГ и его выдаче потребителю, при поддержании в хранилищах гарантированного избыточного давления природного газа, состоит в том, что для пополнения хранилищ используют СПГ, полученный из магистрального трубопровода природного газа с избыточным давлением, при этом природный газ из магистрального трубопровода направляют на осушку от влаги и на очистку от механических примесей, подают осушенный и очищенный исходный поток на дросселирование в трехпоточную вихревую трубу, в которой исходный поток газа разделяют на холодный, горячий газообразный и жидкий потоки, далее холодный поток, после рекуператирных теплообменников и дросселирования, направляют в наземное и подземное хранилища сжиженного газа, из которых СПГ подают в расходную емкость для отгрузки СПГ потребителю, а испарившийся в хранилищах газ после охлаждения в рекуперативных теплообменниках холодным потоком вихревой трубы и отделения образовавшегося конденсата расходной емкости смешивают с горячем потоком вихревой трубы и направляют потребителю, в качестве газообразного продукта.
Предлагаемое изобретение - способ заполнения резервных хранилищ сжиженным природным газом, полученным в результате редуцирования природного газа из магистрального трубопровода высокого или среднего давления, поясняется фигурой 1 - вариант одного из устройств для его осуществления.
На фигуре 1 изображена принципиальная технологическая схема для реализации заявляемого способа. На схеме представлены потоки: I - исходный поток природного газа; II - холодный поток вихревой трубы; III - горячий поток вихревой трубы; IV - отепарированная жидкая фаза горячего потока вихревой трубы; V, VI, VII - сжиженный природный газ (СПГ); VIII - сжиженный природный газ - товарный продукт; IX, Х - газообразная фракция; XI, XII - газообразная фракция - товарный продукт. На схеме также представлены аппараты и арматура: А - адсорбер-осушитель; Ф - фильтр; 1 - рекуперативный теплообменник; 2 - вихревая труба; 3, 4 - рекуперативные теплообменники; 5 - расходное наземное хранилище СПГ; 6 - резервное подземное хранилище СПГ; 7 - запорный вентиль; 8 - насос СПГ; 9 - расходная емкость-сепаратор; 10, 11, 13, 14, 15, 16, 17 - запорно-регулирующие вентили; 18, 19 - запорные вентили; 20, 21 - запорно-регулирующие вентили; 22, 23, 24, - запорный вентиль; 25, 26 - атмосферные регазификаторы; 27 - газораспределительный пункт потребителя; 28 - границы установки сжижения природного газа из магистрального трубопровода.
Исходный поток природного газа I из магистрального газопровода, находящегося под давлением (порядка 30-50 атм.) подается на осушку в адсорбер А и очистку от механических примесей в фильтр Ф, затем охлаждается в рекуперативном теплообменнике 1 и поступает на вход вихревой трубы 2 (трехпоточного типа), в которой образуются холодный II, горячий III газообразные и жидкий IV потоки. Холодный поток II после рекуперации холода в теплообменниках 1, 3 и 4, после дросселирования посредством запорно-регулирующего вентиля 11, в виде жидкой фазы потоком V поступает в накопительное наземное хранилище 5, а при необходимости, и в резервное подземное хранилище 6 через открытый вентиль 12 потоком VI.
Отбор сжиженного газа потоком VII из наземного хранилища 5 осуществляется потоком VII через открытые вентили 7 и 22 насосом 8 в расходную емкость 9, из которой отгружается, через открытый вентиль 20, в качестве товарного продукта - сжиженного природного газа (поток VIII).
Испарившийся в наземном хранилище 5 природный газ (поток IX) через запорно-регулирующий вентиль 10, после охлаждения в рекуперативных теплообменниках 4 и 3, поступает в расходную емкость-сепаратор 9. Аналогично, газовый поток из верхней части резервного подземного хранилища 6 (поток X) через вентиль 13 поступает на охлаждение в рекуперативные теплообменники 4 и 3, а затем в расходную емкость-сепаратор 9. После сепарации от остаточной жидкой фазы, газообразная фракция выводится из верхней части емкости 9, которая смешивается с горячим потоком III вихревой трубы после запорно-регулирующего вентиля 15, в качестве товарного продукта - газообразной фракции потребителю (поток XII).
Отсепарированная из горячего потока жидкая фаза IV после вентиля 16 отводится в трубопровод (поток VII) и поступает, при открытом вентиле 22, в наземное накопительное хранилище 5. Сюда же может откачиваться сжиженный газ по линии VII, например при переполнении расходной емкости 9, при открытом вентиле 17.
Испарившийся в резервном подземном хранилище 6 природный газ (поток X) через вентиль 13 поступает по общей линии после вентиля 10 и охлаждения в рекуперативных теплообменниках 4 и 3 в расходную емкость-сепаратор 9. После сепарации от остаточной жидкой фазы в емкости 9 газообразная фракция выводится из верхней части емкости 9, которая смешивается с горячим потоком III после запорно-регулирующего вентиля 14 и выводится после вентиля 15 потоком XII в качестве товарного продукта - газообразной фракции потребителю. Отсепарированная из горячего потока жидкая фаза IV после вентиля 16 отводится в трубопровод VII и поступает при открытом вентиле 22 в наземное накопительное хранилище 5. Сюда же может откачиваться сжиженный газ по линии VII, например, при переполнении расходной емкости 9, при открытом вентиле 17.
Предусмотрена также работа установки при отключенной сети магистрального газопровода (в автономном режиме), в этом случае, например, котельная, работает по известной схеме [3]. В этом случае, испарившийся в резервном подземном 6 или в расходном наземном 5 хранилищах природный газ, направляют при открытых вентилях 23 и 24, через регазификаторы 25 и 26 в газораспределительный пункт 27 потребителя, например, газовую котельную. В эту же линию, до регазификаторов (при работающем магистральном газопроводе), может подаваться газообразное топливо (поток XII) при закрытом вентиле 21 и открытом вентиле 15.
Таким образом, предлагаемый способ обладает существенными преимуществами, по сравнению с известными способами сжижения природного газа, включая следующие:
- обеспечивается стабильная поставка исходного сырья - природного газа, который поступает из магистрального газопровода;
- поступающий природный газ находится под постоянным давлением порядка 30-50 атм., что позволяет применить редуцирование высоконапорного газа, с использованием криогенных процессов, с применением аппаратов типа вихревых труб, работающих с применением эффекта Ранка-Хильша;
- данная технология и аппаратура позволяет получать сравнительно высокие положительные и низкие отрицательные температуры, которые имеют, выходящие из вихревой трубы горячий и холодный потоки газа, что позволяет использовать холодильные циклы в процессе сжижения природного газа;
- применение холодильных циклов позволяет производить охлаждение испарившийся в хранилищах сжиженный природный газ и, тем самым, конденсировать и вторично его сжижать, что позволяет увеличить выход сжиженного газа и достигать снижение энергозатрат на сжижение газа;
- применяемая технология позволяет эффективно хранить значительный запас сжиженного газа в наземном расходном и резервном подземном хранилищах, при одновременном отпуске товарных сжиженного и газообразного газа с использованием небольшой по объему расходной емкости, которая может быть размещена в непосредственной близости от накопительного наземного хранилища;
- накопительное наземное и резервное подземное хранилища находятся на незначительном расстоянии друг от друга, с учетом обеспечения норм пожаро- и взрывобезопасности хранения сжиженных природных газов.
Рассмотренный способ сжижения природного газа и его хранение в криогенных хранилищах может использоваться во многих производствах, связанных с газоразделением низкомолекулярных углеводородных газовых смесей в нефтехимической и газовой промышленности. Реализация предлагаемых процессов сжижения газа возможна, при наличии любого источника газоснабжения, когда требуется выделить индивидуальные углеводороды или их смеси. Наиболее эффективно может быть осуществлен процесс вихревого сжижения и выделения индивидуальных компонентов из смеси, при условии поступления на разделение газовой смеси под давлением, что является необходимым условием для проведения дросселирования в вихревых аппаратах и проведения низкотемпературных холодильных циклов.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет отказаться от подвоза готового сжиженного природного газа, что создает проблему с доставкой специализированным криогенным транспортом, в том числе и по причине безопасности транспортировки СПГ, относящихся к опасным грузам. Поставка природного газа из существующих магистральных газопроводов позволяет осуществить доставку исходного сырья и его переработку практически в любом регионе, т.к. существующие магистральные газопроводы проходят по значительной территории России.
Реализация предложенного способа заполнения резервных хранилищ сжиженным природным газом в совокупности с признаками формулы изобретения является новым для хранилищ СПГ (наземных и подземных) и, следовательно, соответствует критерию «новизна».
Вышеприведенная совокупность отличительных признаков неизвестна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил конструирования хранилищ СПГ и их вспомогательного оборудования, а также правил наполнения хранилищ сжиженным газом и выдачи последнего потребителю, что доказывает соответствие критерию «изобретательский уровень».
Конструктивная реализация устройств в совокупности с признаками формулы изобретения для сжижения природного газа из магистральных газопроводов и пополнения хранилищ не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».
Источники информации
1. Патент RU2157487, F25J 1/00, 1999 г.
2. Патент RU2429434, F25J 1/00, 2010 г.
3. Патент RU2298725, F17C 9/02, 2005 г. - Прототип.