СПОСОБ ИСПАРЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА ДЛЯ СИСТЕМ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ В АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЕ
METHOD OF EVAPORATION AND USE OF LIQUEFIED NATURAL GAS FOR SYSTEMS OF AUTONOMOUS POWER SUPPLY IN ARCTIC ZONE

Изобретение относится к области энергетики, в частности к системам автономного энергоснабжения удаленных населенных пунктов и других объектов с использованием газификации на основе сжиженного природного газа (СПГ).
Известно об экономической эффективности применения сжиженного природного газа в системах автономного энергоснабжения удаленных населенных пунктов (Кириллов Н.Г. СПГ - моторное топливо XXI века. //НефтьГазпромышленность, №3, 2007, - стр. 44 … 47).
Известно об экологической эффективности использования природного газа в энергетических установках. Замена традиционных видов моторного топлива (бензина и дизельного топлива) на природный газ позволяет снизить выбросы вредных компонентов отработанных газов в 3 … 8 раз (Кириллов Н.Г. Природный газ как моторное топливо и экология автомобильного транспорта России. М.: ИРЦ «Газпром», 2003, - стр. 11 … 17).
Известно устройство энергетической системы на сжиженном природном газе, состоящей из двигателя и системы хранения сжиженного природного газа и подачи природного газа в двигатель, включающей в себя резервуар для хранения сжиженного природного газа, испаритель сжиженного природного газа с линией подачи греющей среды, линию поддержания давления в резервуаре для хранения сжиженного природного газа, линию подачи воздуха в двигатель, трубопроводы с запорно-регулирующей арматурой, обеспечивающие подачу природного газа в двигатель и связь между резервуаром, испарителем и двигателем (Патент РФ №2208747, опубл. 20.07.2003). Однако данная энергетическая система предназначена для ее использования на транспортных средствах и не может быть применена для систем автономного энергоснабжения населенных пунктов в арктической зоне.
Известно устройство подземного хранилища СПГ, состоящего из железобетонного резервуара, который по наружной боковой поверхности окружен податливой прослойкой и изнутри покрыт слоями теплоизоляции и гидроизоляции (Патент РФ №2431770 20.10.2011. Бюл. №29). Хранилище расположено ниже уровня земли на отметке, предотвращающей промерзание поверхности земли при самом длительном расчетном хранении газа. Однако в арктической зоне, с учетом вечной мерзлоты, отпадает необходимость глубокого заложения хранилища, что позволяет переходить на применение заглубленных хранилищ сжиженного природного газа.
Известно устройство криогенных насосов и схема подключения данных насосов к хранилищам криогенных жидкостей для транспортировки их к потребителям. Однако данная схема не предусматривает газификацию криогенной жидкости (Новотельнов В.Н. и др. Криогенные машины: Учебник для вузов. - СПб, Политехника, 1991. - с. 304).
Известно устройство комплекса хранения сжиженного природного газа, входящего в состав автозаправочной станции АЗС-КПГ (СПГ), содержащего криогенные емкости с СПГ и атмосферный испаритель, блок запорно-предохранительной и контрольно-измерительной аппаратуры, а также криогенный насос высокого давления, обеспечивающий подачу СПГ из емкостей в испаритель. Однако данный комплекс не использует холодильный потенциал, образующийся при газификации СПГ, а также имеет низкую защищенность от воздействия внешних факторов, поскольку находится на поверхности земли (Дарбинян Р. и др. Перевод карьерных самосвалов на газодизельный и газовый режим работы с использованием бортовых топливных систем сжиженного природного газа. //Журнал «АвтоГазоЗаправочный Комплекс», №2, 2002. - стр. 42-43). Однако данный комплекс не предназначен для его применения в арктической зоне и не использует потенциала «вечной мерзлоты» для снижения теплопритоков.
Известен способ испарения и использования сжиженного природного газа для производства электроэнергии, состоящий из подачи сжиженного природного газа из криогенного хранилища транспортного типа в испаритель, испарения сжиженного природного газа посредством теплообмена с отработанной средой от газового двигателя (газовой турбины) через промежуточный контур с неконденсирующимся газом, направления испарившегося сжиженного природного газа в газовый коллектор, из которого одна часть газа направляется в газовый двигатель для производства электроэнергии, а вторая часть испарившегося сжиженного природного газа направляется в газовый коллектор для его хранения (Патент РФ №2464480, опубл. 20.10.2012, Бюл. №29). Однако указанный способ не может быть применен в системах автономного энергоснабжения населенных пунктов и других объектов в арктической зоне, так как не предусматривает производство тепловой энергии для конечных потребителей, криогенная емкость сжиженного природного газа имеет транспортный тип исполнения, а система передачи тепла от двигателя в испаритель через промежуточный контур с неконденсирующимся газом имеет сложное конструктивное исполнение.
Технический результат, который может быть получен при применении данного изобретения, заключается в снижении теплопритоков к криогенному хранилищу и увеличении срока бездренажного хранения сжиженного природного газа, обеспечении комплексного автономного энергоснабжения потребителей электрической и тепловой энергией с минимальными потерями, а также упрощении конструкции энергетической системы.
Для достижения данного технического результата в способе испарения и использования сжиженного природного газа для систем автономного энергоснабжения в арктической зоне, состоящем из подачи сжиженного природного газа из криогенного хранилища в испаритель, испарения сжиженного природного газа посредством теплообмена с отработанной средой от двигателя, направления испарившегося сжиженного природного газа в газовый коллектор, из которого одна часть газа направляется в газовый двигатель для производства электроэнергии, а вторая часть испарившегося сжиженного природного газа направляется в газовый коллектор для его хранения, при этом вторую часть испарившегося сжиженного природного газа из газового коллектора направляют по газопроводу в котельную станцию, расположенную в непосредственной близости от потребителей, для сжигания природного газа в котельной станции и выработки тепловой энергии, криогенное хранилище выполняют в виде заглубленного сооружения и располагают в вечномерзлом грунте ниже уровня поверхности земли, подача сжиженного природного газа осуществляется с помощью погружного криогенного насоса, помещенного внутри заглубленного хранилища сжиженного природного газа, испаритель сжиженного природного газа и газовый двигатель с электрогенератором располагают в закрытом наземном помещении, рядом с криогенным хранилищем сжиженного природного газа, при этом наземное помещение разделяют на две секции, отдельно для испарителя и отдельно для газового двигателя, испарение сжиженного природного газа производят непосредственно от теплообмена с отработанными газами газового двигателя через теплообменную поверхность испарителя.
Введение в состав способа испарения и использования сжиженного природного газа для систем автономного энергоснабжения в арктической зоне расположения криогенного хранилища, выполненного в виде заглубленного сооружения в вечномерзлом грунте ниже уровня поверхности земли, осуществление подачи сжиженного природного газа из заглубленного хранилища с помощью погружного насоса, размещение испарителя сжиженного природного газа и газового двигателя с электрогенератором в двухсекционном закрытом наземном помещении рядом с криогенным хранилищем сжиженного природного газа, подача второй части испарившегося сжиженного природного газа из газового коллектора по газопроводу в котельную станцию, расположенную в непосредственной близости от потребителей, для сжигания природного газа в котельной станции и выработки тепловой энергии позволяют получить новое свойство, заключающееся в возможности снижения теплопритоков к криогенному хранилищу и увеличения срока бездренажного хранения сжиженного природного газа за счет размещения в вечномерзлом грунте ниже уровня поверхности земли, обеспечении комплексного автономного энергоснабжения потребителей электрической и тепловой энергией с минимальными потерями за счет размещения испарителя сжиженного природного газа и газового двигателя в двухсекционном закрытом наземном помещении рядом с криогенным хранилищем сжиженного природного газа, а котельной станции в непосредственной близости от потребителей тепловой энергии, что снижает протяженность транспортных трубопроводов и тепловые потери, а также упрощении конструкции энергетической системы за счет организации испарения сжиженного природного газа непосредственно от теплообмена с отработанными газами газового двигателя через теплообменную поверхность испарителя без применения промежуточного контура с неконденсирующимся газом.
Способ испарения и использования сжиженного природного газа для систем автономного энергоснабжения в арктической зоне может быть реализован в следующем техническом решении.
На чертеже изображена энергетическая система, реализующая указанный способ испарения и использования сжиженного природного газа для систем автономного энергоснабжения в арктической зоне.
Энергетическая система, реализующая указанный способ испарения и использования сжиженного природного газа для систем автономного энергоснабжения в арктической зоне, состоит из криогенного хранилища 1, выполненного в виде заглубленного сооружения и расположенного в вечномерзлом грунте ниже уровня поверхности земли, погружного криогенного насоса 2, помещенного внутри заглубленного хранилища 1, двухсекционного закрытого наземного помещения 3, испарителя сжиженного природного газа 4 и газового двигателя 5 с электрогенератором 6, размещенных в разных секциях наземного помещения 3, газового коллектора 7, расположенного между испарителем 4 и газовым двигателем 5, линии 8 с регулирующим вентилем 9 для подачи природного газа из коллектора 7 в двигатель 5, линии 10 для отвода отработанных газов из двигателя 5, проходящей через испаритель 4, линии 11 с регулирующим вентилем 12 для подачи природного газа из коллектора 7 в котельную станцию 13, линии 14 с насосом 15 для подачи тепловой энергии от котельной 13 к конечным потребителям 16. Котельная станция 13 снабжена дымовой трубой 17, а подача сжиженного природного газа из криогенного хранилища 1 в испаритель 4 осуществляется по линии 18.
Энергетическая система, реализующая указанный способ испарения и использования сжиженного природного газа для систем автономного энергоснабжения в арктической зоне, работает следующим образом.
Сжиженный природный газ для систем автономного энергоснабжения в арктической зоне может доставляться любым видом транспорта (в том числе авто- и железнодорожным транспортом, но в основном с учетом особенностей Крайнего Севера - морскими и речными судами-метановозами. Сжиженный природный газ из транспортных средств сливается для хранения в криогенное хранилище 1, выполненное в виде заглубленного сооружения и расположенного в вечномерзлом грунте ниже уровня поверхности земли. Из хранилища 1 СПГ подается с помощью погружного криогенного насоса 2, размещенного внутри заглубленного хранилища 1, по линии 18 в испаритель сжиженного природного газа 4. В испарителе 4 сжиженный природный газ испаряется (переходит в газообразное состояние) за счет теплообмена с отработанными газами газового двигателя 5.
Испаритель сжиженного природного газа 4 и газовый двигатель 5 расположены в разных секциях двухсекционного закрытого наземного помещения 3, расположенного в непосредственной близости от криогенного хранилища 1. Это позволяет минимизировать протяженность дорогостоящих криогенных трубопроводов от хранилища 1 до испарителя 4, а также обеспечить надежную работу энергетической системы в суровых арктических условиях.
Из испарителя 4 газообразный природный газ поступает в газовый коллектор 7. Из газового коллектора 7 по линии 8 с регулирующим вентилем 9 осуществляется подача природного газа в газовый двигатель 5 для производства электроэнергии, которая вырабатывается в электрогенераторе 6 и далее поступает потребителям. Отработанные газы газового двигателя 5 по линии 10 отводятся из двигателя 5 в окружающую среду, предварительно проходя через испаритель 4, где передают свою теплоту сжиженному природному газу.
Из газового коллектора 7 по линии 11 с регулирующим вентилем 12 осуществляют подачу газообразного природного газа в котельную станцию 13 для сжигания природного газа в котельной станции 13 и выработки тепловой энергии. Котельную станцию 13 располагают в непосредственной близости от потребителей тепловой энергии 16, что позволяет значительно сократить протяженность теплотрасс и минимизировать потери тепла при транспортировке тепловой энергии от котельной станции 13 до конечных потребителей 16. Это очень важно, особенно с учетом условий арктической зоны. Передача тепловой энергии от котельной станции 13 до конечных потребителей 16 осуществляется с помощью насоса 15 по трубопроводам 14.
Котельная станция 13 снабжена дымовой трубой 17 для удаления дымовых газов.