СИСТЕМА ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО СНИЖЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
SYSTEM OF EFFICIENT FLUID MEDIUM PRESSURE RELIEF

Область техники
Настоящее изобретение относится к системе для обеспечения эффективного снижения давления текучих сред в трубопроводах высокого давления. Система может обеспечить генерирование полезной энергии без сжижения, отверждения или недопустимого снижения температуры текучей среды как результат эффекта Джоуля-Томпсона. Система в частности может использоваться для снижения давления в газопроводах высокого давления для природного газа энергоэффективным образом, при этом обеспечивая возможность генерирования полезной мощности.
Уровень техники
Природный газ транспортируется по трубопроводам высокого давления и распределяется к конечным потребителям при значительно более низких давлениях. Как правило, для повышения давления и его поддержания во время транспортировки на большие расстояния используются компрессорные станции. Следует отметить, что различные рабочие давления используются в транспортирующих трубопроводах в различных географических условиях, и эти давления необходимо понижать в соответствии с техническими требованиями по построению транспортирующих сетей, используя различное число этапов, что зависит от размера и характера конечного потребителя или распределительного узла системы.
Процесс снижения давления обычно осуществляется с помощью клапана с небольшим проходным сечением или дроссельного клапана, и его результатом является значительное понижение температуры газа. Фактически, величина падения температуры прямо пропорциональна величине происходящего снижения давления.
Падение температуры, вызываемого эффектом Джоуля-Томпсона, является нежелательным, и его необходимо избежать, или по меньшей мере ограничить, по ряду причин. Чрезмерное охлаждение может вызвать нежелательные напряжения в трубах и вспомогательном оборудовании; это может повредить некоторым покрытиям труб и материалам труб; это также может привести к промерзанию грунта, окружающего трубопровод, с вытекающим из этого риском вздутия грунта. Кроме того, газ сам по себе может содержать способные к конденсации компоненты, сжижение или отверждение которых при пониженных температурах может создать проблемы для расположенной ниже по потоку сети.
Наиболее прямым способом избежать эти проблемы является нагрев потока газа непосредственно перед тем, как его давление будет снижено. Количеством подаваемого тепла управляют таким образом, что температура газа после расширения остается достаточно высокой, чтобы избежать связанных с низкими температурами проблем при снижении давления.
Сжигание части газа предоставляет логичный источник тепла, доступный на пункте снижения давления натурального газа. Если не имеется другого надежного и бесперебойного источника тепла, доступного на пункте снижения давления, группа высокоэффективных газовых котлов обычно применяются для обеспечения необходимого тепла. Это средство является эффективным и, как правило, простым для реализации, но оно расходует часть энергии газа, которая может быть поставлена потребителю. Были предприняты попытки использовать топливные элементы или устройства с комбинированной генерацией тепла и энергии, вместо котлов, для подачи тепла вместе с энергией, но потери энергии с точки зрения расходования газа все еще остаются.
Известные способы для уменьшения или исключения потерь энергии в процессе снижения давления в природном газе описаны ниже.
Патент США № 4677827 описывает добавление ингибитора в газ выше по потоку относительно пункта снижения давления. Назначением ингибитора является предотвращение конденсации в охлажденном газе. После того как ингибитор был добавлен, снижение давление можно осуществлять без предварительного нагрева.
Повторный нагрев после снижения давления может быть осуществлен посредством установления теплового контакта с окружающей средой, так как расширенный газ будет, как правило, иметь температуру ниже, чем окружающая среда. Это может быть реализовано множеством способов. Например: посредством обеспечения свободного охлаждения полезной нагрузки (если эта нагрузка может быть найдена); посредством обеспечения соединения с прямым или непрямым теплообменом между газом и окружающей средой; или посредством добавления пассивного теплообмена с теплом, подаваемым тепловым насосом. Эти способы обеспечивают возможность подачи значительной части, если не всего, тепла для повторного нагрева из окружающей среды, и следовательно, экономию тепла, производимого сжиганием газа.
Трудности, связанные с этим подходом, включают в себя необходимость обеспечения дополнительного расходуемого материала, например ингибитора, на каждом рабочем участке и дозирования его ввода в поток газа. Дополнительно может быть необходимо извлекать ингибитор перед подачей газа к конечному потребителю. Извлечение ингибитора требует дополнительного оборудования и существенно увеличивает сложность как самой станции, так и ее управления.
В статье Ярослава Позивила (Jaroslav Poživil) (журнал «Acta Montanistica Slovaca», Словакия, том 9 (2004 год), № 3, стр.258-260) описывается преобразование кинетической энергии, которая выделяется в процессе расширения газа, в механическую энергию в турбодетандере, и, в большинстве случаев, далее в электрическую энергию. Электрическая энергия может затем использоваться различными способами: подаваться обратно в электрическую сеть; использоваться для обеспечения некоторых или всех потребностей в электрической энергии рабочего участка, и, возможно, использоваться для привода теплового насоса для подачи тепла в расширяемый газ.
Существует много ограничений, на которые нужно обратить внимание, рассматривая использование любого из этих способов генерирования энергии. Во-первых, это тот факт, что падение температуры газа при расширении с генерированием энергии в несколько раз больше, чем при дросселировании, при том же конечном давлении. Если этому охлаждению противодействуют посредством сжигания газа выше по потоку относительно детандера, процесс повторного нагрева будет потреблять больше энергии, чем может генерировать даже самый эффективный детандер-генератор. Также необходимо наличие на станции постоянной электрической нагрузки, для использования производимой электрической энергии. На практике это обычно означает обеспечение соединения с внешней сетью, через которое электрическая энергия подается обратно в сеть. В любом случае имеются чистые потери полезной энергии, даже если производимая электрическая энергия полностью используется. Обоснование издержек при использовании этого решения должно изыскиваться исходя из факторов, отличных от энергосбережения.
Вариантом этого подхода является использование устройства с комбинированной генерацией тепла и энергии, дополнительно к детандеру-генератору. Размер устройства с комбинированной генерацией тепла и энергии задается величиной повторного нагрева, необходимого для того, чтобы тепловую мощность на выходе устройства с комбинированной генерацией тепла и энергии можно было использовать для противодействия охлаждению газа, вызываемому расширением. Электрическая мощность на выходе детандера-генератора добавляется к электрической мощности на выходе устройства с комбинированной генерацией тепла и энергии, и они обе подаются в электрическую сеть. Обе электрические мощности дают экономическую отдачу для оператора сети, но преимущества в отношении первичных энергоресурсов и выделения углекислого газа этого подхода менее просто установить. Причиной для применения устройства с комбинированной генерацией тепла и энергии главным образом является использование преимущества его тепловой мощности на выходе, так что эту часть энергии горения необходимо рассматривать как потерянную в общей схеме. Вместо устройства с комбинированной генерацией тепла и энергии может использоваться топливный элемент, и общий подход здесь будет таким же.
Если тепло необходимо добавлять после расширения, тогда будет необходимо добавить ингибиторы конденсации в поток газа. Более того, из очень большого падения температуры может потребоваться увеличить дозу ингибитора, чтобы он оставался эффективным. Также будет необходимо оценить последствия для оборудования охлаждения при падении температуры до -80°C, что может произойти даже на единственном этапе расширения. Этот способ может обеспечить возможность достижения значительной экономии первичных энергоресурсов, но его реализация влечет за собой, в более экстремальной форме, все проблемы, отмеченные выше применительно к способу добавления ингибитора.
Патент США № 5628191 описывает систему, содержащую тепловой насос для нагрева газа до расширения. Используя тепловой насос до расширения, столкнулись с проблемой нагрева газа до температуры 80-90°C от входной температуры, типично составляющей 5-10°C, чтобы избежать проблем охлаждения, рассмотренных выше. Достижение очень высоких конечных температур является очень трудной задачей для любого обычного теплового насоса. Дополнительно, необходимость достижения такого большого подъема температуры за один этап будет оказывать очень вредное воздействие на эффективность теплового насоса. Если эффективность теплового насоса не достигнет минимального порогового уровня эффективности, процесс может все еще потребовать вспомогательного нагрева (за счет сжигания).
Опубликованная заявка на патент США № 2003/0172661 предлагает использовать многоступенчатое расширение с небольшим шагом, чтобы ограничить падения температуры до диапазона, с которым может работать тепловой насос. Этот подход требует намного более дорогого и сложного оборудования, без какого-либо дополнительного преимущества. Приведенные выше рассуждения, взятые вместе, показывают, что маловероятно, чтобы обычные тепловые насосы могли играть какую-либо существенную роль в этом конкретном примере.
Безотносительно от состояния уровня техники, все еще желательно создать систему, способную обеспечить предварительный нагрев находящейся под давлением текучей среды на достаточную величину таким образом, чтобы избежать при снижении давления текучей среды проблем, связанных с охлаждением. Желательно, чтобы система была энергоэффективной. Кроме того, также желательна система, способная генерировать полезную энергию.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение предлагает систему для уменьшения до минимума эффектов охлаждения при расширении любой текучей среды, которая подвергается снижению давления в непрерывном или квазинепрерывном процессе. Система может использоваться для рекуперации энергии, выделяемой при расширении текучей среды.
В частности, настоящее изобретение предлагает систему, используемую для уменьшения степени охлаждения при расширении в процессах снижения давления в трубопроводах природного газа. Предпочтительно, система может обеспечить рекуперацию энергии во время процесса охлаждения природного газа при расширении.
Согласно одному аспекту настоящее изобретение предлагает систему для снижения давления находящейся под давлением текучей среды в трубопроводе, содержащую:
по меньшей мере одно устройство для снижения давления для расширения находящейся под давлением текучей среды в трубопроводе для получения более низкого давления; и
транскритический тепловой насос для обеспечения циркуляции сверхкритической (охлаждающей) текучей среды,
причем сверхкритическая текучая среда подвергается охлаждению, чтобы выделить тепло для передачи к находящейся под давлением текучей среде в трубопроводе перед по меньшей мере одним расширением указанной находящейся под давлением текучей среды.
Специалисту в этой области техники понятно, что при охлаждении сверхкритической охлаждающей текучей среды ее температура и давление могут упасть ниже критической температуры и критического давления охлаждающей текучей среды. Сам по себе транскритический тепловой насос может также иметь сторону низкого давления, низкой температуры для обеспечения циркуляции охлаждающей текучей среды при температуре и давлении ниже ее критической температуры и критического давления. Транскритический тепловой насос может иметь сторону высокой температуры, высокого давления для обеспечения циркуляции охлаждающей текучей среды при температуре и давлении выше ее критической температуры и критического давления; и сторону низкой температуры давления, низкого давления для обеспечения циркуляции охлаждающей текучей среды при температуре и давлении ниже ее критической температуры и критического давления. Также понятно, что транскритический тепловой насос может иметь фазу отдачи тепла для передачи тепла от охлаждающей текучей среды при температуре и давлении выше ее критической температуры и критического давления.
Система согласно настоящему изобретению может дополнительно содержать по меньшей мере один теплообменник для передачи тепла к находящейся под давлением текучей среде в трубопровод.
Тепло, выделяемое сверхкритической текучей средой, которая подвергается охлаждению, может быть передано напрямую к находящейся под давлением текучей среде в трубопроводе перед по меньшей мере одним расширением указанной находящейся под давлением текучей среды. Например, охлаждающая текучая среда может подвергаться нагреву и сжатию в тепловом насосе таким образом, что она становится сверхкритической, и может напрямую подаваться к по меньшей мере одному теплообменнику для нагрева находящейся под давлением текучей среды в трубопроводе. Сверхкритическая текучая среда может подвергаться охлаждению в теплообменнике для нагрева находящейся под давлением текучей среды в трубопроводе.
С другой стороны, тепло, выделяемое сверхкритической текучей средой, которая подвергается охлаждению, может быть непрямым образом передано к находящейся под давлением текучей среде в трубопроводе перед по меньшей мере одним расширением указанной находящейся под давлением текучей среды. Например, система может содержать вспомогательный теплопередающий контур, который в свою очередь связан с по меньшей мере одним теплообменником для нагрева находящейся под давлением текучей среды в трубопроводе. Нагретая сверхкритическая текучая среда может подвергаться охлаждению в теплообменнике, чтобы передавать тепло к вспомогательному теплопередающему контуру, тем самым нагревая текучую среду (например, воду) в вспомогательном теплопередающем контуре. Нагретая текучая среда во вспомогательном теплопередающем контуре может подводиться к по меньшей мере одному теплообменнику для нагрева находящейся под давлением текучей среды в теплообменнике.
Система согласно настоящему изобретению может обеспечить непрямой нагрев находящейся под давлением текучей среды в трубопроводе с помощью сверхкритической текучей среды. Предпочтительно, конструктивно система для непрямого нагрева находящейся под давлением текучей среды в трубопроводе с помощью сверхкритической текучей среды может быть встроена в стандартные системы теплового насоса. Установка транскритического теплового насоса, содержащего соответствующие теплообменники, потребует только профессиональных навыков в области сантехнического оборудования, а не навыков в области транскритического охлаждения.
Система согласно настоящему изобретению не исключает возможности этапа снижения давления перед нагревом находящейся под давлением текучей среды посредством теплообменника. Обеспечиваемая температура поступающего газа достаточно высока, чтобы обеспечить возможность небольшого снижения давления, и/или величина снижения давления достаточно мала, чтобы избежать связанных с охлаждением проблем, таких как сжижение или отверждение.
Нагретая сверхкритическая текучая среда может подвергаться охлаждению в теплообменнике, чтобы нагревать находящуюся под давлением текучую среду в трубопроводе перед расширением указанной находящейся под давлением текучей среды.
Используемый здесь термин «транскритический тепловой насос» относится к тепловому насосу, в котором охлаждающая текучая среда работает в транскритическом цикле, т.е. охлаждающее состояние охлаждающей текучей среды изменяется между сверхкритическим и докритическим. В системе согласно настоящему изобретению сверхкритическая текучая среда может подвергаться охлаждению, как часть транскритического цикла, чтобы выделить тепло для находящейся под давлением текучей средой в трубопроводе.
Желательно, система согласно настоящему изобретению работает без необходимости использования дополнительных расходуемых материалов, например, ингибиторов конденсации, на пункте снижения давления. За счет этого исключаются дополнительные расходы, связанные с дозированным введением ингибитора в трубопровод с находящейся под давлением текучей средой и извлечение ингибитора перед подачей текучей среды к конечному потребителю.
Система согласно настоящему изобретению обеспечивает высокоэффективный нагрев благодаря способности транскритического теплового насоса вырабатывать тепло в широком непрерывно понижающемся диапазоне температур охлаждающей сверхкритической текучей среды (в противоположность квазиизотермической характеристике выработки тепла за счет конденсации в нормальном обратном цикле Ренкина).
В системе согласно настоящему изобретению процесс отдачи тепла (в теплообменнике транскритического теплового насоса) происходит при давлении выше критического давления сверхкритической текучей среды. Тем самым обеспечивается возможность достижения сверхкритической текучей средой значительно более высоких температур. Дополнительно, процесс отдачи транскритического тепла в насосе протекает в широком диапазоне температур, а не только при температуре конденсации. Это обеспечивает возможность высокоэффективного нагрева находящейся под давлением текучей среды в трубопроводе таким образом, что температура находящейся под давлением текучей среды может быть повышена достаточно, чтобы уменьшить степень падения температуры, связанного с охлаждением при расширении находящейся под давлением текучей среды.
Система согласно настоящему изобретению может быть выполнена с возможностью подачи электрической энергии на рабочий участок (т.е. обратно в систему). Для этого может использоваться энергия, выделяемая на этапе расширения текучей среды (снижения давления). Эта энергия может подаваться обратно в систему согласно настоящему изобретению, в качестве источника энергии. Например, питание транскритического насоса согласно настоящему изобретению может осуществляться посредством генератора энергии. Генератор энергии может приводиться в действие энергией, выделяемой на этапе расширения текучей среды.
Энергия, выделяемая при снижении давления газа, может быть напрямую связана с компрессором транскритического теплового насоса. Эта схема может позволить уменьшить затраты, так как она исключает необходимость в электрическом генераторе и соответствующем оборудовании.
Альтернативно, система согласно настоящему изобретению может быть выполнена с возможностью подачи энергии за пределы системы, например подачи электрической энергии к соединению с внешней сетью. Система согласно настоящему изобретению может быть выполнена с возможностью подачи электрической энергии обратно в систему согласно настоящему изобретению, дополнительно к подаче электрической энергии к соединению с внешней сетью.
Транскритический тепловой насос согласно настоящему изобретению может быть термически связан с источником тепла окружающей среды (через теплообменник). Тепло из окружающей среды может передаваться к охлаждающей текучей среде напрямую и не напрямую (подобно описанному выше).
Прямой нагрев посредством окружающей среды может включать в себя прямой теплообмен между охлаждающей текучей средой и теплообменником, связанным с источником тепла окружающей среды. Непрямая связь с окружающей средой может быть обеспечена через вспомогательный теплопередающий контур, который может быть связан с теплообменником источника тепла окружающей среды, и который получает тепло от окружающей среды, чтобы в свою очередь нагреть охлаждающую текучую среду. Источник тепла окружающей среды может быть выбран из группы, включающей в себя воздух, грунт, грунтовые воды, поверхностные воды или их комбинации. За счет этого может быть обеспечена возможность получения тепловым насосом низкотемпературной тепловой энергии. Окружающая среда может обеспечить тепло для охлаждающей текучей среды, когда она находится в докритическом состоянии.
Теплообменник, сообщающийся с находящейся под давлением текучей средой в трубопроводе, может быть расположен в противотоке к потоку находящейся под давлением текучей среды в трубопроводе. Это обеспечивает более эффективную отдачу тепла.
2
2
6
2
2
6
2
4
2
2
2
Охлаждающим веществом для транскритического цикла может быть текучая среда с критической температурой, достаточно высокой, чтобы обеспечить возможность испарения посредством кипения до порядка 20-25°C, и достаточно низкой, чтобы типичные температуры отдачи тепла охлаждающим веществом, составляющие 40-80°C, были выше ее критической температуры. Текучая среда должна иметь большую теплоту парообразования. Желательно, текучая среда может быть смешана с маслом, чтобы обеспечить достаточную смазку. Специалисту понятно, что может использоваться любая подходящая текучая среда. Например, транскритическое охлаждающее вещество может быть выбрано из CO, CH, NO, BH, CH. Настоящее изобретение также охватывает их комбинации. Текучей средой, подвергающейся транскритическому охлаждению, может быть CO. Преимуществом CO является то, что это невоспламеняющаяся и нетоксичная текучая среда. Другим преимуществом является то, что CO имеет потенциал озонного истощения, равный нулю, и потенциал глобального потепления, равный единице, что делает его одной из наиболее предпочтительных транскритических текучих сред.
Устройство для снижения давления системы согласно настоящему изобретению может содержать дроссельный клапан.
Желательно, система согласно настоящему изобретению выполнена с возможностью генерации всей энергии, требуемой для нагрева находящейся под давлением текучей среды, без сжигания какого-либо количества указанной находящейся под давлением текучей среды в процессе нагрева. Например, когда находящейся под давлением текучей средой является природный газ, без сжигания природного газа. Эта система будет энергоэффективной.
Система может дополнительно содержать генератор энергии для преобразования энергии, выделяемой при расширении текучей среды, в электрическую энергию. Желательно, находящаяся под давлением текучая среда в трубопроводе нагревается с помощь теплообменника перед преобразованием энергии, выделяемой при расширении текучей среды, в электрическую энергию. Предпочтительно, посредством нагрева находящейся под давлением текучей среды до достаточно высокой температуры, система согласно настоящему изобретению исключает потребление находящейся под давлением текучей среды, например посредством сжигания, для противодействия нежелательному охлаждению, вызываемому снижением давления.
Энергия, выделяемая расширяющейся текучей средой, может передаваться к генератору энергии. Генератор энергии может содержать механический компонент, приводимый в движение расширяющейся текучей средой, для генерирования энергии. Например, находящаяся под давлением текучая среда может расширяться через турбину. В одном предпочтительном варианте осуществления, энергия, выделяемая расширяющейся текучей средой, может использоваться турбодетандером. Желательно, находящаяся под давлением текучая среда в трубопроводе нагревается (в теплообменнике) перед расширением находящейся под давлением текучей среды через генератор энергии.
Система согласно настоящему изобретению, содержащая генератор энергии, использующий результаты процесса расширения текучей среды, может обеспечить генерирование полезной энергии. Генерирующий энергию детандер (например, турбодетандер) может производить значительно больше энергии, чем требуется для работы транскритического теплового насоса. Поэтому система согласно настоящему изобретению может быть выполнена с возможностью производства избытка энергии, избытка тепла (для подачи к находящейся под давлением текучей среде в трубопроводе) или их комбинации.
Расширение находящейся под давлением текучей среды может быть разделено между одним или более устройствами для снижения давления, например, турбодетандер и один или более дроссельных клапанов Джоуля-Томпсона. Детандеры-генераторы являются более дорогими, чем дроссельные клапаны Джоуля-Томпсона, и может быть более экономически выгодным разделить расширение между детандером-генератором и множеством дроссельных клапанов Джоуля-Томпсона.
Система согласно настоящему изобретению может содержать множество устройств для снижения давления, соединенных последовательно. Это может способствовать поэтапному расширению находящейся под давлением текучей среды. Каждое устройство для снижения давления может осуществлять расширение находящейся под давлением текучей среды через генератор энергии, чтобы генерировать энергию при каждом расширении. Альтернативно, один из множества устройств для снижения давления может осуществлять расширение находящейся под давлением текучей среды через генератор энергии. Остальными устройствами для снижения давления могут быть дроссельные клапаны.
Система согласно настоящему изобретению может дополнительно содержать по меньшей мере одно из:
по меньшей мере одно устройство для снижения давления для расширения находящейся под давлением текучей среды перед нагревом находящейся под давлением текучей среды с помощью теплообменника;
по меньшей мере одно устройство для снижения давления для расширения находящейся под давлением текучей среды после предварительного расширения нагретой находящейся под давлением текучей среды; и
их комбинации.
Включение в систему согласно настоящему изобретению устройства для снижения давления для расширения находящейся под давлением текучей среды перед нагревом находящейся под давлением текучей среды с помощью теплообменника может быть полезным для общего процесса. Небольшое предварительное охлаждение находящейся под давлением текучей среды может позволить более низкую температуру газа на входе в теплообменник в газопроводе. Это может иметь положительный эффект на коэффициент полезного действия теплового насоса, и может увеличить эффективность теплового насоса.
Предварительное расширение находящейся под давлением текучей среды может увеличить общее падение давления, которое может быть достигнуто на одном этапе. Тем самым это может расширить возможности по общему снижению давления системы согласно настоящему изобретению сверх предела, налагаемого максимальным отношением давления на входе к давлению на выходе детандера-генератора, действующего в одиночку. Обеспечиваемая температура поступающего газа достаточно высока, чтобы обеспечить возможность небольшого снижения давления, при этом избегая проблемы, связанные с охлаждением, такие как сжижение или отверждение.
Включение в систему согласно настоящему изобретению устройства для снижения давления для расширения находящейся под давлением текучей среды после предварительного расширения нагретой находящейся под давлением текучей среды уменьшает способность теплового насоса производить тепла больше, чем требуется для противодействия охлаждению в результате этапа расширения газа с генерированием энергии. Тем самым дополнительное охлаждение может быть обеспечено посредством дополнительного снижения давления.
Система согласно настоящему изобретению может включать в себя множество линий снижения давления, опционально расположенных параллельно друг другу. Каждая линия снижения давления может содержать по меньшей мере один теплообменник. Альтернативно, один теплообменник может осуществлять нагрев находящейся под давлением текучей среды для последующего распределения в каждую линию снижения давления. Каждая линия снижения давления может содержать устройство для снижения давления. Каждая линия снижения давления может содержать по меньшей мере одно устройство для снижения давления.
Каждая линия снижения давления может содержать по меньшей мере одно устройство для снижения давления, выполненное с возможностью осуществления расширения находящейся под давлением текучей среды через генератор энергии (детандер-генератор). В предпочтительном варианте осуществления, одна линия снижения давления содержит генератор энергии, который может обеспечить энергию, необходимую для нагрева текучей среды в каждой из линий снижения давления. Например, один генератор энергии может обеспечить энергию для питания одного теплового насоса или множества тепловых насосов. Теплообменники, связанные с тепловыми насосами, могут располагаться в той же линии снижения давления, или в отдельных линиях снижения давления. Альтернативно, один генератор энергии может обеспечить энергию для питания одного теплового насоса, теплообменник которого нагревает находящуюся под давлением текучую среду перед ее распределением в каждую линию снижения давления.
Каждая линия снижения давления может быть выполнена с возможностью обеспечения расширения находящейся под давлением текучей среды для получения различного давления. Это может быть особенно предпочтительно, когда находящаяся под давлением текучая среда, например природный газ, должна распределяться к различным конечным потребителям через различные линии снижения давления. Соответственно, система согласно настоящему изобретению может содержать от 2 до 5 линий снижения давления, расположенных параллельно друг другу.
Понятно, что находящаяся под давлением текучая среда в трубопроводе в системе согласно настоящему изобретению может быть газообразной. Находящейся под давлением текучей средой может быть природный газ.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение предлагает использование сверхкритической текучей среды в тепловом насосе для передачи тепла к находящейся под давлением текучей среде в трубопроводе перед снижением давления находящейся под давлением текучей среды. Сверхкритическая текучая среда может подвергаться охлаждению в фазе отдачи тепла в теплообменнике. Сверхкритическая текучая среда может подвергаться охлаждению, как часть транскритического цикла, чтобы выделить тепло для находящейся под давлением текучей среды в трубопроводе. Тепло, обеспечиваемое посредством охлаждения сверхкритической текучей среды, может передаваться к находящейся под давлением текучей среде в трубопроводе напрямую или не напрямую. Прямой нагрев может включать в себя передачу тепла между сверхкритической текучей средой и находящейся под давлением текучей средой в трубопроводе. Непрямая передача тепла может обеспечиваться через вспомогательный теплопередающий контур, содержащий текучую среду (например, воду), который связан с теплообменником для нагрева находящейся под давлением текучей среды в трубопроводе, и который нагревается посредством сверхкритической текучей среды, подвергающейся охлаждению, чтобы в свою очередь нагревать находящуюся под давлением текучую среду в трубопроводе. Находящейся под давлением текучей средой в трубопроводе может быть природный газ.
Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение предлагает способ нагрева находящейся под давлением текучей среды в трубопроводе, включающий в себя этапы:
обеспечение транскритического теплового насоса, и
охлаждение сверхкритической текучей среды, чтобы выделить тепло для передачи к находящейся под давлением текучей среде в трубопроводе.
Сверхкритическая текучая среда может подвергаться охлаждению, как часть транскритического цикла, чтобы выделять тепло для находящейся под давлением текучей среды в трубопроводе. Тепло, обеспечиваемое сверхкритической текучей средой, может передаваться к находящейся под давлением текучей среде в трубопроводе напрямую или не напрямую. Прямая передача тепла может включать в себя прямую передачу тепла от сверхкритической текучей среды, подвергающейся охлаждению, и теплообменник, сообщающийся с находящейся под давлением текучей средой в трубопроводе. Транскритический тепловой насос может напрямую подводить нагретую сверхкритическую текучую среду к теплообменнику.
Непрямая передача тепла может обеспечиваться через вспомогательный теплопередающий контур, содержащий текучую среду (например, воду), который связан с теплообменником для нагрева находящейся под давлением текучей среды в трубопроводе, и который нагревается посредством сверхкритической текучей среды, подвергающейся охлаждению, чтобы в свою очередь нагревать находящуюся под давлением текучую среду в трубопроводе. Находящейся под давлением текучей средой в трубопроводе может быть природный газ.
Простота системы согласно настоящему изобретению означает, что ее работа требует небольшого изменения, если вообще требует, существующих систем для обслуживания и эксплуатации. Ожидаемый длительный срок службы и минимальные требования системы по обслуживанию/настройке обеспечивают ей превосходные перспективы с точки зрения экономичности.
Понятно, что если это удобно, все опциональные и/или дополнительные признаки одного варианта осуществления изобретения могут комбинироваться с опциональными и/или дополнительными признаками другого варианта осуществления или других вариантов осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения описываются и станут очевидны из подробного описания изобретения и прилагаемых чертежей.
Фиг.1 - иллюстрирует систему согласно настоящему изобретению, содержащую генератор энергии.
Фиг.2 - иллюстрирует систему согласно настоящему изобретению, содержащую дроссельный клапан для снижения давления находящейся под давлением текучей среды перед нагревом.
Фиг.3 - иллюстрирует систему согласно настоящему изобретению, в которой находящаяся под давлением текучая среда подвергается дополнительному расширению после первого расширения с генерированием энергии.
Фиг.4 - иллюстрирует систему согласно настоящему изобретению, в которой находящаяся под давлением текучая среда подвергается снижению давления во множестве мест.
Фиг.5 - иллюстрирует систему согласно настоящему изобретению, имеющую две линии снижения давления, расположенных параллельно.
Фиг.6 - иллюстрирует систему согласно настоящему изобретению, имеющую механическое соединение, напрямую связанное с транскритическим тепловым насосом.
Фиг.7 - иллюстрирует систему согласно настоящему изобретению, содержащую вспомогательные теплопередающие контуры.
Подробное описание изобретения
Специалисту в данной области техники понятно, что описываемые ниже примеры представляют только обобщенные примеры, и что возможны другие конструкции и способы для осуществления изобретения, в пределах объема настоящего изобретения.
Система согласно настоящему изобретению предлагает устройство для преобразования энергии расширения текучей среды (типично, радиальный проточный турбодетандер, соединенный с электрогенератором) и транскритический тепловой насос, использующий тепло окружающей среды. Тепло окружающей среды может поступать от по меньшей мере одного из источников, включающих в себя воду, воздух или грунт. Конфигурация компонентов для снижения давления в газопроводе высокого давления в сборе показана на фиг.1.
Поступающий газ высокого давления в трубе 101 пропускается через теплообменник 102, в котором он нагревается, предпочтительно по схеме противотока, охлаждающей текучей средой, подвергающейся транскритическому охлаждению. Температура газа, выходящего из теплообменника через участок 103 трубопровода, поддерживается на уровне достаточно высоком, чтобы предотвратить любые проблемы, связанные с низкими температурами, после этапа расширения.
Газ далее входит в устройство 104 для расширения газа с генерированием энергии, предпочтительно высокоэффективный радиальный проточный турбодетандер, в котором температура газа падает обратно до уровня, близкого к температуре поступающего газа высокого давления. Давление выходящего газа в трубной секции 105 ниже, чем у входящего газа 101, в соответствии с расчетным коэффициентом снижения давления для конкретной станции. Газ затем передается на дополнительные этапы обработки (которые могут включать в себя один или более дополнительных этапов расширения) или поступает в распределительную систему для распределения к конечному потребителю. Энергия при расширении газа, получаемая в детандере 104, передается от детандера 104 с помощью механического соединения 106 к генератору 107, где она преобразуется в электричество.
Вся или часть генерируемой электрической энергии используется для питания транскритического теплового насоса 108. Генератор 107 энергии может быть напрямую соединен (не показано) с тепловым насосом 108. Настоящее изобретение включает в себя транскритический тепловой насос 108, чтобы преодолеть различные недостатки, которые делают большинство тепловых насосов неэффективными или неспособными отвечать температурным требованиям этой области применения. В транскритическом цикле процесс отдачи тепла происходит при давлении выше критического давления охлаждающего вещества, тем самым оно может достигать значительно более высокие температуры. Дополнительно, процесс отдачи транскритического тепла в насосе протекает в широком диапазоне температур, а не только при температуре конденсации, что делает его особенно подходящим для данной области применения.
Коэффициент полезного действия (КПД) транскритического процесса определяется средней температурой выделения тепла. Это, в сочетании с широким непрерывно понижающимся диапазоном температур охлаждающей сверхкритической текучей среды, позволяет транскритическому тепловому насосу достигать очень хороших значений КПД при обеспечении требуемых высоких конечных температур газа.
Тепловой насос 108, у которого компонентом, обеспечивающим отдачу тепла, является описанный выше теплообменник 102, также содержит компрессор, испаритель, внутренний теплообменник и другие компоненты, требуемые для обеспечения работы транскритического теплового насоса. Компрессор, теплообменники, устройства управления потоком и компоненты внутреннего охлаждающего контура могут быть любых типов, используемых в индустрии холодильной техники/тепловых насосов для транскритических систем. Горячая охлаждающая текучая среда высокого давления подается в теплообменник 102 от теплового насоса 108 с помощью трубы 109 для подачи нагретой охлаждающей текучей среды. Охлажденная охлаждающая текучая среда высокого давления возвращается к тепловому насосу 108 от высокотемпературного теплообменника 102 по трубе 110. По выбору, в контуре подачи тепла, содержащем теплообменник 102 и трубы 109, 110, может циркулировать вода или другая подходящая жидкость, вместо охлаждающего вещества. Испаритель теплового насоса 108 термически связан с местной окружающей средой. Он может быть связан с воздухом, грунтом, источником грунтовых или поверхностных вод, потоком отработанного тепла или с любой их комбинацией. Теплообменный контур 111 связи с окружающей средой может быть или прямым (например, циркуляция охлаждающего вещества системы через контур сбора тепла) или непрямым (например, используя незамерзающую жидкость для сбора тепла окружающей среды). Теплообменник 112 связи с окружающей средой может иметь множество форм, в зависимости от конкретного типа теплообмена, наиболее подходящего для каждого рабочего участка.
Энергия для работы оборудования системы, такого как компрессор и другие электрические внешние устройства в тепловом насосе, обеспечивается генератором 107 (который в свою очередь связан с детандером 104). Тепловая энергия поступает из окружающей среды и ее температура поднимается транскритическим тепловым насосом, чтобы обеспечить нагрев поступающего газа перед его расширением. Тепловой насос (включая его источник энергии окружающей среды) имеет размеры, обеспечивающие необходимый нагрев газа, и, необязательно, чтобы полностью использовать доступную энергию расширения газа.
Количество тепла, которое должно быть подано в поток газа теплообменником 102, чтобы противодействовать охлаждению при расширении, будет значительно больше, чем количество электрической энергии, генерируемой генератором 107. Эффективность детандера 104, генератора 107 и электронных устройств преобразования энергии будет ограничивать количество энергии, которая может быть подана к тепловому насосу за счет рекуперации энергии расширения газа. Даже при отлаженном современном оборудовании, извлеченная в виде электричества энергия вряд ли будет превышать 75-80% от доступной энергии расширения газа.
Неизбежно, описываемые выше потери энергии не могут быть возвращены в качестве полезного тепла для обеспечения нагрева газа. Поэтому эти потери энергии должны восполняться из тепловой мощности теплового насоса. Дополнительно к компенсации этих потерь, необходимо подавать тепло для противодействия охлаждению за счет эффекта Джоуля-Томпсона, которое происходит даже при отсутствии любой рекуперации энергии газа. Коэффициент полезного действия теплового насоса поэтому должен превышать минимальный КПД нагрева приблизительно в 2 раза, чтобы обеспечить полное восстановление температуры поступающего высокотемпературного газа без потребления какого-либо газа (или другого закупаемого горючего). Транскритический тепловой насос единственно способен удовлетворить этим требованиям к функционированию, при этом обеспечивая высокие температуры и значительное повышение температуры, необходимое для предварительного нагрева.
На фиг.2 система включает в себя опциональный этап расширения газа, используя дроссельный клапан 213, расположенный выше по потоку относительно теплообменника 102 и основного детандера 104. Обеспечиваемая температура поступающего газа достаточно высока, чтобы обеспечить возможность небольшого снижения давления, при этом избежав проблем сжижения и отверждения, связанных с охлаждением. Механическое соединение 106 соединяет детандер 104 с генератором 107 энергии. Энергия, генерируемая генератором 107, может использоваться для питания транскритического теплового насоса 108. Транскритический тепловой насос 108 термически связан с окружающей средой посредством контура 111 и теплообменника 112. Трубные секции 109 и 110 трубопровода соединяют теплообменник 102 с транскритическим тепловым насосом 108. Давление выходящего газа в трубной секции 105 ниже давления входящего газа 101. Газ затем передается на дополнительные этапы обработки (которые могут включать в себя один или более дополнительных этапов расширения) или поступает в распределительную систему для распределения к конечному потребителю.
Применение дополнительного этапа расширения газа, посредством дроссельного клапана 213, выше по потоку относительно теплообменника 102, может быть полезно для общего процесса двумя различными способами. Во-первых, небольшое предварительное охлаждение газа позволяет более низкую температуру газа на входе в теплообменник в газопроводе 101. Это оказывает положительный эффект на коэффициент полезного действия теплового насоса и увеличивает эффективность теплового насоса. Во-вторых, предварительное расширение газа увеличивает общее падение давления, которое может быть достигнуто на одном этапе, и тем самым расширяет возможности по общему снижению давления системы сверх предела, налагаемого максимальным отношением давления на входе к давлению на выходе детандера, действующего в одиночку.
Фиг.3 иллюстрирует вариант, в котором имеется этап снижения давления, посредством дроссельного клапана 314, ниже по потоку относительно процесса расширения с генерированием энергии. Механическое соединение 106 соединяет детандер 104 с генератором 107 энергии. Энергия, генерируемая генератором 107, может использоваться для питания транскритического теплового насоса 108. Транскритический тепловой насос 108 термически связан с окружающей средой посредством контура 111 и теплообменника 112. Трубные секции 109 и 110 трубопровода соединяют теплообменник 102 с транскритическим тепловым насосом 108. Давление выходящего газа в трубной секции 105 ниже давления входящего газа 101.
Вариант, иллюстрируемый на фиг.3, уменьшает способность транскритического теплового насоса 108 производить тепла больше, чем требуется для противодействия охлаждению в результате этапа расширения газа с генерированием энергии с помощью детандера 104. Этап снижения давления ниже по потоку реализуется посредством применения обычного дроссельного оборудования 314 и будет сопровождаться охлаждением за счет эффекта Джоуля-Томпсона. Величина второго этапа снижения давления, для которого связанному с ним охлаждению может противодействовать избыточное тепло, подаваемое тепловым насосом, будет ограничиваться эффективностью теплового насоса, достижимой на каждом отдельном рабочем участке. Газ может затем передаваться на дополнительные этапы обработки (которые могут включать в себя один или более дополнительных этапов расширения) или поступает в распределительную систему для распределения к конечному потребителю.
В благоприятных условиях вторая степень снижения давления, посредством дроссельного клапана 314, может быть такой же большой, что и первая (с рекуперацией энергии) степень снижения давления. Это может обеспечить двухэтапное снижение давления, в котором все требуемое для повторного нагрева тепло может быть подано одним узлом, содержащим детандер-генератор и тепловой насос.
Система, имеющая этапы расширения дросселированием, как выше по потоку, посредством дроссельного клапана 413, так и ниже по потоку, посредством дроссельного клапана 414, относительно генерирующего энергию детандера 104, иллюстрируется на фиг.4. Механическое соединение 106 соединяет детандер 104 с генератором 107 энергии. Энергия, генерируемая генератором 107, может использоваться для питания транскритического теплового насоса 108. Транскритический тепловой насос 108 термически связан с окружающей средой посредством контура 111 и теплообменника 112. Трубные секции 109 и 110 трубопровода соединяют теплообменник 102 с транскритическим тепловым насосом 108. Давление выходящего газа в трубной секции 105 ниже давления входящего газа 101. Газ затем передается на дополнительные этапы обработки (которые могут включать в себя один или более дополнительных этапов расширения) или поступает в распределительную систему для распределения к конечному потребителю.
Схема, иллюстрируемая на фиг.4, позволяет оптимизировать систему с точки зрения максимального КПД теплового насоса, при этом обеспечивая большее снижение давления, чем может быть достигнуто при одном этапе генерирования энергии.
На фиг.5 показаны две линии 515 и 516 снижения давления, параллельные друг другу. Каждая линия 515 и 516 снижения давления имеет теплообменник 517 и 518. Нагретая сверхкритическая текучая среда подается к теплообменникам 517 и 518 по трубным секциям 109 и 109а транскритическим тепловым насосом 108. Транскритический тепловой насос 108 термически связан с окружающей средой посредством контура 111 и теплообменника 112. Понятно, что система может содержать множество линий снижения давления, расположенных параллельно друг другу. Каждая линия снижения давления может содержать генерирующий энергию детандер. Каждая линия снижения давления может содержать дроссельный клапан. Каждая из множества линий снижения давления может содержать или генерирующий энергию детандер или дроссельный клапан (в зависимости от требований системы).
Линия 516 снижения давления содержит генерирующий энергию детандер 104, и полученная энергия передается для использования через механическое соединение 106 к генератору 107 энергии. Давление выходящего газа в трубе 521 ниже давления входящего газа в трубе 516. Газ затем передается на дополнительные этапы обработки (которые могут включать в себя один или более дополнительных этапов расширения) или поступает в распределительную систему для распределения к конечному потребителю.
Линия 515 снижения давления содержит дроссельный клапан 519. Энергия, выделенная во время снижения давления, не используется генератором энергии. Давление выходящего газа в трубе 520 ниже давления входящего газа в трубе 515. Газ затем передается на дополнительные этапы обработки (которые могут включать в себя один или более дополнительных этапов расширения) или поступает в распределительную систему для распределения к конечному потребителю. Энергия, необходимая для нагрева газа в линиях 515 и 516 снижения давления может обеспечиваться транскритическим тепловым насосом 108, питание которого в свою очередь может осуществляться генерирующим энергию детандером 104.
Каждая линия 515 и 516 снижения давления может быть выполнена с возможностью расширения находящегося под давлением газа до получения различного давления. Это может быть особенно предпочтительно, когда природный газ должен распределяться к различным сетям или конечным потребителям через различные линии 515 и 516 снижения давления.
Для каждого из рассмотренных выше чертежей на фиг.1-5 понятно, что генератор 107 может обеспечивать электрическую энергию, превышающую энергию, требуемую для работы транскритического теплового насоса 108. В этом случае основное требование состоит в том, что узел детандер 104 - генератор 107 выбирается таким образом, чтобы полностью использовать извлекаемую энергию расширения, при этом тепловой насос 108 выполнен с возможностью подавать не более чем минимальное количество тепла для повторного нагрева, и использовать минимальную энергию в этом процессе. В том случае, если имеется полезная нагрузка (например, соединение с внешней сетью, освещение, устройства управления, контрольно-измерительное оборудование, оборудование связи, аккумуляторные батареи, насосы и другие внешние устройства для обслуживания рабочего участка), которая может всегда использовать генерируемую электрическую энергию, эта опция подразумевает средства для рекуперации максимального количества энергии, доступной в процессе снижения давления. Для использования этой опции необходимо наличие только одного или более дополнительных выходов от генератора. Например, могут быть обеспечены одно или более дополнительных соединений на электрических клеммах генератора и возможность контроллеру системы управлять подачей электрической энергии от генератора.
На фиг.6 механическая энергия, генерируемая при снижении давления газа, передается напрямую к компрессору 622. Компрессор 622 связан с транскритическим тепловым насосом 108 посредством контура 624. Механическое соединение 106, соединенное с детандером 104, обеспечивает питание компрессора 622. Транскритический тепловой насос 108 термически связан с окружающей средой посредством контура 111 и теплообменника 112. Трубы 109 и 110 соединяют теплообменник 102 с транскритическим тепловым насосом 108. Давление выходящего газа в трубе 105 ниже давления входящего газа 101. Газ затем передается на дополнительные этапы обработки (которые могут включать в себя один или более дополнительных этапов расширения) или поступает в распределительную систему для распределения к конечному потребителю.
Схема, иллюстрируемая на фиг.6, включающая в себя компрессор 622, напрямую связанный с детандером 104 (посредством механического соединения 106), не дает возможности генерировать избыток электрической энергии, но оно обеспечивает более высокую энергоэффективность и исключает необходимость иметь генератор энергии, устройство преобразования энергии и электрический привод компрессора. Эта схема обеспечивает возможность уменьшения затрат, и более легко приспосабливается к замкнутым система, которые могут изготавливаться предварительно, в частности для небольших систем, в которых генерирование и экспорт избытка электрической энергии вряд ли будет экономически целесообразным.
На фиг.7 тепло, генерируемое охлаждающей сверхкритической текучей средой, передается к находящейся под давлением текучей среде в трубопроводе 101 с помощью вспомогательного теплообменного жидкостного контура 701, сообщающегося с теплообменником 102. Вспомогательный теплообменный жидкостной контур 701 питается насосом 702, что делает вспомогательный теплообменный жидкостной контур 701 независимым от транскритического теплового насоса 108. Передача тепла между нагретой сверхкритической текучей средой и вспомогательным теплообменным жидкостным контуром 701 осуществляется в теплообменнике 703. Типично, вспомогательной теплообменной текучей средой в контуре 701 является вода. Вода может содержать небольшую фракцию антифриза, добавляемого для защиты системы в случае отключения.
Дополнительный вспомогательный теплообменный контур 706 предусмотрен на фиг.7. Контур 706 проходит между теплообменником 704 и теплообменником 112 источника тепла окружающей среды. Вспомогательный теплообменный контур 706 питается насосом 705, что делает вспомогательный теплообменный контур 706 независимым от транскритического теплового насоса 108. Тепло из окружающей среды передается к вспомогательному теплообменному контуру 706 в теплообменнике 112 источника тепла окружающей среды. Тепло затем передается к охлажденной охлаждающей текучей среде в теплообменнике 704. Текучая среда, используемая во вспомогательном теплообменном контуре 706, требует существенной защиты от замерзания, так как она будет работать при температурах около или ниже нуля градусов по Цельсию.
Механическое соединение 106 соединяет детандер 104 с генератором 107 энергии. Энергия, генерируемая генератором 107, может использоваться для питания транскритического теплового насоса 108 и/или насосов 702 и 705. Давление выходящего газа в трубной секции 105 ниже, чем давление входящего газа 101.
Предпочтительно, система, иллюстрируемая на фиг.7, может быть встроена в системы, подобные используемым с существующими не транскритическими тепловыми насосами. Установка транскритического теплового насоса 108, содержащего соответствующие теплообменники 703 и 704, потребует только профессиональных навыков в области сантехнического оборудования, а не навыков в области транскритического охлаждения.
Понятно, что каждый из раскрытых на описанных выше чертежах вариантов осуществления может использоваться несколько раз, например, две или более систем, соединенных последовательно, или с последовательным/параллельным расположением, для обеспечения решения задач по нагреву газа и производству энергии, требуемых на любом отдельном рабочем участке.
Используемые здесь в отношении настоящего изобретения термины «содержит/содержащий» и «имеющий/включающий в себя», используются для указания наличия заявленных признаков, элементов, этапов или компонентов, но не исключают возможности наличия или добавления одного или более из других признаков, элементов, этапов, компонентов или их групп.
Понятно, что конкретные признаки изобретения, которые, для ясности, были описаны в контексте отдельных вариантов осуществления, могут также использоваться совместно в одном варианте осуществления. С другой стороны, различные признаки изобретения, которые, для краткости, были описаны в контексте одного варианта осуществления, могут также использоваться отдельно или в любой подходящей подкомбинации.