ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Подогреватель природного газа относится к энергомашиностроению и может применяться при создании газораспределительных станций в системе газообеспечения предприятий и населенных пунктов.
Известны подогреватели природного газа (ППГ), содержащие газовый тепловой насос в качестве устройства подогрева, турбодетандер, магистраль отбора природного газа на нужды потребителя, источник низко потенциального тепла, см. [1] (прототип). Газовый тепловой насос образует замкнутый газовый контур и включает в себя турбину и компрессор, соединенные общим валом в турбокомпрессор, подогревающую часть теплообменника-подогревателя (ТП) и подогреваемую часть теплообменника отбора тепла (ТОТ). Подогревающая часть ТП расположена на газоводе высокого давления, который соединяет выход из компрессора с входом в турбину, а подогреваемая часть ТОТ, расположена на газоводе низкого давления, который соединяет выход из турбины с входом в компрессор. ППГ содержит также турбодетандер, соединенный с турбокомпрессором механически или с помощью магнитной муфты, магистраль отбора природного газа на нужды потребителя, соединенную с магистралью природного газа высокого давления и проходящую через подогреваемую часть ТП и через турбодетандер, и источник низко потенциального тепла, соединенный с подогревающей частью ТОТ.
Однако известные ППГ теряют непроизводительно холод и механическую энергию, так как они не имеют в своем составе устройства для сжижения природного газа, работающего за счет утилизации холода, вырабатываемого в ПИТ на выходе газа из турбины газового теплового насоса, и избыточной механической энергии на валу турбодетандера.
Задачей предлагаемого устройства является производство сжиженного природного газа за счет утилизации, вырабатываемого в ППГ холода на выходе газа из турбины газового теплового насоса и избыточной механической энергии на валу турбодетандера.
Это достигается введением в состав ППГ устройства для сжижения природного газа (УСПГ), которое содержит по меньшей мере один компрессор для сжижения природного газа, соединенный с турбодетандером, по меньшей мере две холодильные камеры, расположенные на газоводе низкого давления перед ТОТ, и магистраль отбора для сжижения, соединенную с магистралью природного газа высокого давления и проходящую последовательно через одну из холодильных камер, компрессор для сжижения природного газа, через вторую холодильную камеру и устройство слива сжиженного природного газа. В составе ППГ имеется устройство регулирования температуры в холодильных камерах, а также имеются вихревая труба и
дополнительная вихревая труба, предназначенная для охлаждения сжижаемого газа.
Перечисленные нововведения дают следующий технический результат. Предлагаемое устройство производит сжиженный природный газ за счет утилизации холода, вырабатываемого в ППГ на выходе газа из турбины газового теплового насоса, и избыточной механической энергии на валу турбодетандера.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема ППГ с двумя холодильными камерами и одной вихревой трубой, а на фиг. 2 - с тремя холодильными камерами и двумя вихревыми трубами. Стрелками ВХОД и ВЫХОД обозначены соответственно места входа природного газа в ППГ и выхода из ППГ в сеть потребителя. Стрелкой ГАЗ обозначено место входа природного газа в магистраль отбора для сжижения из магистрали природного газа высокого давления. Стрелкой КОНДЕНСАТ обозначено место выхода сжиженного природного газа из УСПГ.
ППГ содержит устройство подогрева в виде газового теплового насоса. Устройство подогрева включает в себя компрессор 1, см. фиг. 1, и турбину 2, соединенные общим валом 3 в турбокомпрессор 4, подогревающую часть 5 теплообменника-подогревателя 6, расположенную на газоводе 7 высокого давления, и подогреваемую часть 8 ТОТ 9, расположенную на газоводе 10 низкого давления. Газовый тепловой насос образует замкнутый контур, заполненный газом (или воздухом). ППГ содержит также турбодстандер 11, соединенный механически (с помощью вала 12) с турбокомпрессором 4, магистраль 13 отбора природного газа на нужды потребителя, соединенную с магистралью 14 природного газа высокого давления и проходящую через подогреваемую часть 15 ТП 6 и через турбодетандер 11. ППГ содержит источник 16 низко потенциального тепла (в нашем случае сточные воды городской очистной системы), соединенный с подогревающей частью 17 ТОТ 9 с помощью магистрали 18 и насоса 19.
Кроме того, ППГ имеет УСПГ. УСПГ включает в себя компрессор 20 для сжижения природного газа, соединенный механически (с помощью вала 21 и муфты 22) с турбодетандером 11; холодильные камеры 23 и 24 и магистраль 25 отбора для сжижения. Холодильные камеры 23 и 24 расположены на газоводе 10 низкого давления после турбины 2 перед ТОТ 9 последовательно ему и параллельно между собой. А магистраль 25 отбора для сжижения соединена с магистралью 14 природного газа высокого давления и проходит последовательно через холодильную камеру 23, компрессор 20 для сжижения природного газа, через холодильную камеру 24 и устройство слива 26 сжиженного природного газа.
На магистрали 18 на участке подачи жидкости от источника 16 низко потенциального тепла в ТОТ 9 имеется устройство 27 (например, в виде регулирующего дросселя) регулирования температуры в холодильных камерах 23 и 24.
Между холодильной камерой 24 и устройством слива 26 сжиженного природного газа установлена вихревая труба 28.
Магистраль 25 отбора для сжижения после ее прохождения через холодильную камеру 24 разделена на два ручья, см. фиг. 2. Один ручей участками 29 и 30 соединен с дополнительной холодильной камерой 31 и вихревой трубой 28 и далее с устройством слива 26. Другой ручей по участку 32 соединен с входом в дополнительную вихревую трубу 33. Выход из дополнительной вихревой трубы 33 разделен на два потока: условно горячий поток и условно холодный поток. Горячий поток каналом 34 соединен с магистралью 37 подачи природного газа в сеть потребителя через смеситель 35, а холодный поток каналом 36 соединен с дополнительной холодильной камерой 31.
В работе турбодетандер 11 приводит во вращение турбокомпрессор 4, обеспечивая циркуляцию газа в замкнутом контуре газового теплового насоса. Температура газа в результате сжатия в компрессоре 1, см. фиг. 1, увеличивается. Затем газ отдает часть тепла в ТП 6 природному газу, отбираемому из магистрали 14 по магистрали 13 отбора природного газа на нужды потребителя. В турбине 2 энергия газа преобразуется в механическую энергию, расходуемую на привод компрессора 1. При этом снижается температура газа. Холодный газ поступает сначала в холодильные камеры 23 и 24 и подогревается. Далее газ поступает в ТОТ 9 и получает энергию из источника 16 низко потенциального тепла.
В ТП 6 природный газ, протекающий по магистрали 13, подогревается и направляется на вход в турбодетандер 11. В турбодетандере 11 подогретый природный газ вырабатывает механическую энергию на привод турбокомпрессора 4 и компрессора 20 и снижает при этом свою температуру и давление до заданного уровня перед его подачей по магистрали 37 в сеть потребителя. На привод компрессора 1 расходуется как механическая энергия турбины 2, так и механическая энергия турбодетандера 11. Благодаря теплу, полученному в ТП 6, температура в магистрали 37 подачи природного газа в сеть потребителя обеспечивается в заданном интервале.
Одновременно с процессом подогрева природного газа и снижения его давления до заданных значений в ППГ, в УСПГ идет процесс сжижения природного газа в следующей последовательности. По магистрали 25 отбора для сжижения природный газ высокого давления попадает в холодильную камеру 23, охлаждается там и поступает в компрессор 20. В компрессоре 20 природный газ сжимается до давления, превышающего критическое. Одновременно при сжатии повышается
температура природного газа. После компрессора 20 природный газ направляется в холодильную камеру 24, где он охлаждается до температуры ниже критической и конденсируется.
С целью обеспечения температуры в магистрали 25 на выходе из холодильной камеры 24 ниже критической устройством 27 осуществляется регулирование температуры в холодильных камерах 23 и 24 путем дросселирования подачи жидкости (а, следовательно, и тепла, поступающего через ТОТ 9 в замкнутый контур газового теплового насоса) из источника 16 низко потенциального тепла.
Не успевший сконденсироваться в холодильной камере 24 природный газ направляется в вихревую трубу 28. В вихревой трубе 28 происходит снижение давления природного газа (но не ниже критического) и его разделение на два потока: условно холодный и условно горячий. Температура холодного потока природного газа ниже, чем его температура на входе в вихревую трубу 28, благодаря чему ускоряется процесс сжижения природного газа. По трубопроводу 39 сжиженный природный газ поступает в устройство слива 26. А температура горячего потока выше, чем температура природного газа на входе в вихревую трубу 28. Поэтому он в процессе сжижения не участвует и направляется по трубопроводу 38 через смеситель 35 в магистраль 37 подачи природного газа в сеть потребителя.
Для более глубокого охлаждения сжижаемого природного газа установлены дополнительная холодильная камера 31, см. фиг. 2, и дополнительная вихревая труба 33. А магистраль 25 отбора для сжижения после ее прохождения через холодильную камеру 24 разделена на два ручья. По одному из ручьев по участку 29 природный газ, охлажденный в холодильной камере 24, поступает в дополнительную холодильную камеру 31, охлаждается там и далее по участку 30 направляется в вихревую трубу 28, а из вихревой трубы 28 в устройство слива 26. По другому ручью, протекающему по участку 32, природный газ поступает в дополнительную вихревую трубу 33, разделяется на два потока: условно горячий и условно холодный. Условно горячий поток каналом 34 направляется через смеситель 35 в магистраль 37 подачи природного газа в сеть потребителя. А условно холодный поток из вихревой трубы 33 каналом 36 поступает в дополнительную холодильную камеру 31 и далее по каналу 40 и трубопроводу 38 вместе с условно горячим потоком из вихревой трубы 28 сбрасывается через смеситель 35 в магистраль 37 подачи природного газа в сеть потребителя.
Источники информации.
1. Патент на полезную модель по заявке №2004130141 от 19.10.2004г. - прототип.