ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ГАЗИФИКАЦИИ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА И ПОДАЧИ ГАЗООБРАЗНОГО ПРОДУКТА ПОТРЕБИТЕЛЮ
GENERATOR FOR GASIFICATION OF COMPRESSED NATURAL GAS AND DELIVERY OF GASEOUS PRODUCT TO CONSUMERS

Изобретение относится к газовой промышленности, в частности к области испытаний газоперекачивающих агрегатов на основе авиационных двигателей.
Для испытаний авиационных двигателей необходимо высокое давление, соответствующее давлению в магистральных газопроводах, достигающее 7,5 МПа. Учитывая, что испытательные стенды находятся в пределах городской черты и там проложены магистрали газопроводов с давлением 0,6 МПа, то для повышения давления используют компрессоры [Воронецкий А.В. Современные центробежные компрессоры. - М.: Премиум Инжиниринг, 2007. - 140 с.]. Создавать высокое давление природного газа посредством компрессора достаточно дорого.
Схема газоснабжения сжиженным природным газом (СПГ) включает следующие этапы: производство СПГ, транспортировка его от производителя потребителю, хранение, газификация и выдача газообразного продукта потребителю.
max
б
ж
max
б
max
ж
max
Известен топливный баллон, включающий внешний сосуд высокого давления и внутренний сосуд без перепада давления, полость которого соединена с магистралью заправки и опорожнения, а в верхней части сообщена с полостью сосуда высокого давления. Внутренний сосуд выполнен с объемом, определенным из соотношения Vв≅Р·V/ρ·R·Т, где Vв - объем внутреннего сосуда; V - общий суммарный объем полостей баллона; Р - максимально допустимое давление в баллоне; ρ - плотность криогенной жидкости; R - газовая постоянная рабочего тела; Т - максимально допустимая температура баллона. На внешнюю поверхность внутреннего сосуда нанесена теплоизоляция, а сообщение между полостями сосудов выполнено в виде отверстий в верхней части внутреннего сосуда (патент РФ №2163699 от 27.02.2001).
Недостатком известного устройства является сложность конструкции из-за наличия аэродинамических колес, приводящихся в движение с помощью приводов.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство для приема СПГ, его газификации и выдачи газообразного продукта потребителю, содержащее, по меньшей мере, один газификатор, включающий наружный сосуд высокого давления, имеющий полость, в которой размещен внутренний сосуд без перепада давления, полость которого сообщена с полостью наружного сосуда высокого давления и соединена со средством подвода к магистралям заправки. Устройство снабжено, по меньшей мере, одним баллоном высокого давления, полость которого соединена со средством подвода к магистралям подачи газообразного продукта потребителю, и средством отвода газообразного продукта из газификатора, включающим первый трубопровод, соединяющий полость наружного сосуда газификатора и полость баллона высокого давления, второй трубопровод, имеющий участок, параллельно подключенный к первому трубопроводу двумя соединениями, последовательно расположенными по ходу течения газообразного продукта от газификатора к баллону высокого давления, компрессор, установленный на указанном участке второго трубопровода, и переключатель, установленный на первом по ходу течения газообразного продукта из газификатора соединении трубопроводов, имеющий вход, соединенный с первым трубопроводом со стороны газификатора и два выхода, первый из которых соединен с первым трубопроводом со стороны баллона высокого давления, а второй - со вторым трубопроводом, перед компрессором, при этом переключатель выполнен с возможностью подачи газообразного продукта на первый или второй выход (патент RU №2365810 от 27.08.09). Данное устройство принято за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения - наличие, по меньшей мере, двух соединенных между собой газификаторов высокого давления; полости газификаторов соединены с устройствами отвода газообразного продукта и подвода к магистралям подачи газообразного продукта потребителю.
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является то, что известное устройство обеспечивает заданное давление с помощью редуктора, который рассчитан на работу с заданным давлением в узком диапазоне давлений. При смене рабочего давления необходимо использовать другой редуктор. Кроме того, использование в известном устройстве компрессора, редукторов и баллонов усложняет конструкцию газификатора.
Задачей изобретения является создание генератора для газификации сжиженного природного газа и подачи газообразного продукта потребителю, позволяющего при упрощении конструкции обеспечить постоянство давления при подаче газовой составляющей потребителю в течение определенного промежутка времени.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном генераторе для газификации сжиженного природного газа и подачи газообразного продукта потребителю, содержащем, по меньшей мере, два соединенных между собой газификатора высокого давления, полости которых соединены с устройствами отвода газообразного продукта и подвода к магистралям подачи газообразного продукта потребителю, каждый газификатор снабжен нагревательным элементом и подключенным к нему задатчиком давления, работающим в соответствии с зависимостью давления природного газа в замкнутом объеме от температуры и степени заполнения газификатора сжиженным природным газом β.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототип: каждый газификатор снабжен нагревательным элементом и подключенным к нему задатчиком давления, работающим в соответствии с зависимостью давления природного газа в замкнутом объеме от температуры и степени заполнения газификатора сжиженным природным газом β.
Наличие в каждом газификаторе задатчика давления, работающего в соответствии с зависимостью давления природного газа в замкнутом объеме от температуры и степени заполнения газификатора сжиженным природным газом β, позволяет обеспечить постоянство давления при снижении содержания жидкой фазы сжигаемого природного газа в газификаторе.
Введение в каждый газификатор нагревательного элемента, температура которого автоматически регулируется задатчиком давления, позволяет длительное время поддерживать заданное постоянное давление газа.
На фиг.1 представлена принципиальная схема генератора.
На фиг.2 - график зависимости давления природного газа в замкнутом объеме от температуры и степени заполнения емкости сжиженным природным газом.
Генератор для газификации сжиженного природного газа и подачи газообразного продукта потребителю, содержит, по меньшей мере, два газификатора 1, снаружи покрытые теплоизоляцией. Газификаторы 1 соединены между собой трубопроводом через запорные клапаны 2. В каждый газификатор 1 введен нагревательный элемент 3, подключенный к задатчику давления 4. Задатчик давления 4 работает в соответствии с зависимостью давления природного газа в замкнутом объеме от температуры и степени заполнения газификатора сжиженным природным газом β и обеспечивает постоянство давления при снижении содержания жидкой фазы сжигаемого природного газа в газификаторе 1.
Зависимость давления природного газа в замкнутом объеме от температуры и степени заполнения емкости СПГ β получена на специальном стенде. Для этого теплоизолируемую емкость заполняли СПГ β=0,04-1,0. При каждом β фиксировали рост давления в зависимости от температуры.
Для ограничения избыточного давления в газификаторах 1 установлены предохранительные клапаны: механический 5 и электрический 6. Каждый газификатор 1 снабжен уровнемером 7 СПГ. Полости газификаторов 1 соединены трубопроводом с устройством отвода газообразного продукта потребителю через предохранительный дренажный клапан 8, выпускной клапан 9, установленный после предохранительного дренажного клапана 8, и запорный кран 10. Для заправки газификаторов 1 жидким природным газом полости газификаторов 1 соединены с устройством подвода к магистралям подачи газообразного продукта потребителю через клапан заправки 11. Открытием запорных клапанов 2 можно поочередно заправлять газификаторы 1.
Генератор для газификации сжиженного природного газа и подачи газообразного продукта потребителю работает следующим образом.
Принцип действия генератора основан на заполнении емкости высокого давления и бездренажном нагреве до температуры, при которой создается требуемое давление. При этом жидкость испаряется и образуется парообразное состояние природного газа. На фиг.2 представлен график зависимости давления природного газа в замкнутом объеме от температуры и степени заполнения емкости сжиженным природным газом β:
ж
ж
β=V/V, где V - объем в емкости жидкой части СПГ; V - объем емкости.
Так, при заполнении емкости СПГ с закрытым дренажем на 90% с температурой 110K при нагреве вся жидкость испаряется, а затем образовавшийся газ нагревается. При температуре 145К давление поднимается до 45 атм.
При выработке газа из емкости необходим его подогрев до температуры начала падения давления. При остатке СПГ в емкости β<0,09 давление не может быть поднято выше 45 атм. Поэтому эту емкость снова необходимо заполнить СПГ. То есть это процесс дискретный и требует соответствующего алгоритма работы.
Порядок работы предлагаемого генератора следующий.
К клапану заправки 11 (фиг.2) подстыковывается устройство подвода СПГ, например, от топливозаправщика или из хранилища. Подача СПГ в генератор может быть как насосная, так и вытеснительная под давлением пара жидкости.
Открытием запорных клапанов 2 СПГ под напором насоса или пара поступает в газификатор 1. Во избежание образования инея и льда на внешней поверхности газификатора 1, а при отеплении - воды газификатор 1 имеет теплоизоляцию. В каждый газификатор 1 введен нагревательный элемент 3. Мощность нагревательного элемента 3 зависит от объема газификатора 1, обеспечивая необходимую скорость и температуру нагрева СПГ. Температура нагревательного элемента 3 автоматически регулируется по команде задатчика давления 4. А задатчик давления 4 настраивается на рабочее давление в соответствии с программой испытаний, в которой указывается давление испытания в заданном промежутке времени (например, при создании давления в 100 атм задатчик давления будет работать до β=0,54. После этого дается команда на включение в работу второго газификатора, так как при β=0,54 невозможно поддерживать давление в 100 атм). Задатчик давления 4 работает в соответствии с полученной зависимостью давления природного газа в замкнутом объеме от температуры и степени заполнения газификатора сжиженным природным газом β.
При заполнении СПГ в «теплый» газификатор 1 (при окружающей температуре) происходит повышение давления вследствие испарения жидкости. Наличие теплоизоляции снижает скорость повышения давления и обеспечивает длительное жидкое состояние природного газа внутри газификатора.
Ограничение избыточного давления в газификаторе 1 по условиям прочности обеспечивается предохранительными клапанами 5 и 6. Для надежности у них разный принцип работы: механический и электрический.
Объемное количество СПГ определяется по показанию уровнемера 7. Степень заполнения газификатора 1 сжиженным природным газом можно повысить, сбрасывая пар из газификатора 1 в дренаж открытием запорного клапана 2. Дренаж может быть соединен с микрофакельным устройством или с малогабаритной установкой по ожижению газа.
При заполнении СПГ захоложенного газификатора 1 в процессе циклической работы генератора давление в газификаторе 1 будет падать вследствие конденсации пара, оставшегося после выработки природного газа в предыдущем цикле. Затем при закрытом клапане 2 отключается нагревательный элемент 3, и давление в газификаторе 1 доводится до требуемого значения.
Для выработки природного газа из газификатора 1 открывается выпускной клапан 9 и, по мере выработки, поддерживается нужное давление включением и выключением нагревательного элемента 3.
Испарение жидкой части СПГ до критического состояния (например, при β=0,09 давление не может быть более 45 атм) приводит к падению давления в газификаторе 1. Поэтому необходимо переключиться на работу второго газификатора.
В газификаторе 1 открытием предохранительного дренажного клапана 8 сбрасывается остаточный пар до давления, при котором возможно его заполнение СПГ. Затем происходит заполнение газификатора 1 из устройства подвода СПГ по схеме, описанной выше.
Одновременно во втором газификаторе осуществляется процесс, описанный выше для газификатора 1.
После выработки природного газа из второго газификатора до критического, выработка начинается из подготовленного газификатора 1, и цикл повторяется.
Преимущество предлагаемого генератора состоит в том, что можно создавать для приведения испытаний постоянное давление в широких диапазонах и заданных промежутках времени в соответствии с программой испытаний при относительной простоте конструкции, не имеющей вращающихся частей.