СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ПРИ СНЯТИИ ДАВЛЕНИЯ С ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА
METHOD AND SYSTEM FOR GENERATING ENERGY DURING THE EXPANSION OF NATURAL PROCESS GAS

Настоящее изобретение касается способа и установки для получения энергии при снятии давления с технологического природного газа до подачи его в установку для синтеза ацетилена.
Как правило, технологический природный газ транспортируют из добывающих и перерабатывающих установок по транспортным трубопроводам (магистральным газопроводам) на предприятия газоснабжения и другим крупным потребителям, например, на предприятия химической промышленности, под давлением вплоть до 70 бар. Под технологическим природным газом в контексте настоящего изобретения подразумевают природный газ, который без дальнейших этапов обработки вещества (материала) можно применять в химической промышленности. В числе прочего он служит исходным веществом для синтеза ацетилена, который представляет собой важное исходное соединение при промышленном изготовлении химических материалов. Чтобы технологический природный газ можно было применять в синтезе ацетилена путем окисления, его давление необходимо снизить до величины 2-8 бар. Это снятие давления на нынешнем уровне техники обычно проводят посредством регулировочных линий.
Альтернативой для снятия давления посредством регулировочных линий являются расширительные установки для находящегося под давлением газа, которые принципиально известны на нынешнем уровне техники. Так, например, европейская заявка EP 0670957 В1 раскрывает расширительную установку для природного газа с теплообменником для предварительного нагрева природного газа, находящегося под высоким давлением, турбогенератором для снятия давления с природного газа и доведения давления до более низкого и для выработки электричества из высвобождающейся при этом энергии, а также электростанции, отводимым с которой теплом запитывают теплообменник. Электростанция состоит из нескольких блочных ТЭЦ, каждая из которых включает в себя газовый двигатель внутреннего сгорания и генератор. При этом циркуляция отводимого с блочных ТЭЦ тепла находится в термическом сопряжении с внешним потребителем энергии или устройством, вырабатывающим энергию, чтобы при эксплуатации блочных ТЭЦ в цифровом режиме отводить образующуюся теплоту без внешних мероприятий по охлаждению.
Проблема таких расширительных установок состоит, с одной стороны, в том, что коэффициент полезного действия турбогенераторов (конструктивный тип - синхронные генераторы быстрого вращения) ограничен и, соответственно, генерация энергии малоэффективна, а с другой стороны, в том, что для снабжения теплообменников установки в целях нагрева газа, с которого снято давление, необходима внешняя электростанция. На это снова затрачивают большую часть энергии, которую получают благодаря снятию давления с газа, находящегося под давлением.
На фоне вышеизложенного задача изобретения состоит в том, чтобы более эффективно использовать энергию, высвобождающуюся при снятии давления с технологического природного газа, находящегося под высоким давлением, и устойчиво получать энергию.
В первом аспекте настоящего изобретения эту задачу решают посредством способа выработки энергии при снятии давления с технологического природного газа до подачи последнего в установку для синтеза ацетилена, указанный способ включает в себя следующие этапы:
a) Подача технологического природного газа из трубопровода снабжения технологическим природным газом с температурой от -10°C до 50°C и под давлением от 30 бар до 70 бар на первую ступень нагрева и разогрев технологического природного газа на первой ступени нагрева до температуры 20°C-40°C,
b) Подача разогретого на первой ступени нагрева технологического природного газа на вторую ступень нагрева и разогрев технологического природного газа на второй ступени нагрева до температуры от 70°C до 140°C,
c) Подача разогретого на второй ступени нагрева технологического природного газа на устройство для снятия давления и снятие давления с технологического природного газа в устройстве для снятия давления до величины в 2-8 бар, причем устройство для снятия давления представляет собой поршневую расширительную машину (детандер), которая работает от снятия давления с технологического природного газа и вырабатывает энергию.
Под поршневым детандером (поршневой расширительной машиной) в контексте настоящего изобретения подразумевают устройство, в котором газ, находящийся под давлением, направляют в один или несколько цилиндров и там его давление понижается, благодаря чему движутся предусмотренные в цилиндрах поршни, и в силу снятия давления совершается механическая работа. При этом снятие давления может проходить в один или несколько этапов.
Преимущество снятия давления с технологического природного газа в поршневой расширительной машине состоит прежде всего в коэффициенте полезного действия, который на 15%-20% выше, чем у турбогенераторов, применяемых на нынешнем уровне техники. Даже если учесть что турбогенераторы требуют меньших затрат на обслуживание, чем современные поршневые расширительные машины, способ согласно изобретению все еще демонстрирует существенное увеличение эффективности в сравнении с нынешним уровнем техники.
По способу согласно изобретению технологический природный газ после снятия с него давления в поршневой расширительной машине до величины 2-8 бар подают в установку для синтеза ацетилена. Таким образом, настоящее изобретение представляет первый способ, позволяющий эффективно в энергетическом смысле снимать давление с технологического природного газа для химической промышленности.
Для разгрузки подключенной перед синтезом ацетилена ступени нагрева оказалось выгодным сверх того на этапе d) подавать технологический природный газ, давление которого снижено в поршневой расширительной машине до значения 2-8 бар, на четвертую ступень нагрева и нагревать технологический природный газ на четвертой ступени нагрева до температуры 40°C-100°C, прежде чем подавать технологический природный газ на этапе е) в установку для синтеза ацетилена.
Предпочтительно, чтобы поршневая расширительная машина, работающая благодаря снятию давления с технологического природного газа, приводила в действие генератор для выработки электроэнергии. Вырабатываемую таким способом электроэнергию можно выгодным образом либо подавать в электросеть общего пользования, запасать в надлежащих накопительных устройствах внутри установки, либо непосредственно направлять другим потребителям этого промышленного комплекса.
В особой форме исполнения способа снятие давления с технологического природного газа включает в себя следующие этапы:
c1) снятие давления с разогретого на второй ступени нагрева технологического природного газа на первой ступени снятия давления поршневой расширительной машины с доведением давления до 15-25 бар, причем после снятия давления на первой ступени снятия давления температура технологического природного газа составляет от 15°C до 25°C,
c2) разогрев технологического природного газа, с которого снято давление на первой ступени снятия давления, на третьей ступени нагрева до температуры от 70°C до 140°C, и
c3) снятие давления с разогретого технологического природного газа на второй ступени снятия давления поршневой расширительной машины с доведением давления до 2-8 бар, причем после снятия давления на второй ступени снятия давления температура технологического природного газа составляет от 10°C до 100°C.
Двухступенчатое или многоступенчатое снятие давления с технологического природного газа с промежуточной ступенью нагрева служит для повышения технологической эффективности и более выгодного энергетического баланса, поскольку технологический природный газ, охлажденный после первой ступени снятия давления, необходимо снова нагреть, чтобы после второй ступени снятия давления иметь температуру, подходящую для передачи технологического природного газа, с которого снято давление. Кроме того, благодаря двухступенчатому или многоступенчатому снятию давления до температур порядка окружающей температуры удается избежать неблагоприятных эффектов, например, конденсации внутри установки.
Разогрев технологического природного газа можно осуществлять на одной или нескольких из первой, второй, третьей и четвертой ступеней нагрева посредством пластинчатых теплообменников, которые отличаются особо благоприятным соотношением площади поверхности и обмениваемой теплоты.
Пластинчатые теплообменники в смысле настоящего изобретения - это теплопередатчики особой конструкции, которые выстроены из проводящих тепло пластин таким образом, что в следующих друг за другом промежуточных объемах в каждом случае попеременно протекают подлежащая нагреву и нагревающая среда (вещество). Пластинчатая конструкция обеспечена герметической изоляцией от наружной среды и обоих веществ друг от друга. При этом профилю отдельных пластин можно придать надлежащие характеристики, чтобы создать возможность оптимальной теплопередачи.
На первой ступени нагрева для разогрева технологического природного газа можно по меньшей мере частично использовать тепло, отводимое от генератора и/или от поршневой расширительной машины. Для разогрева технологического природного газа на второй и/или третьей ступени нагрева можно по меньшей мере отчасти использовать тепло, отводимое от установки синтеза ацетилена. Чтобы разогревать технологический природный газ на четвертой ступени нагрева, можно по меньшей мере частично использовать тепло, отводимое со второй и/или с третьей ступени нагрева.
Благодаря последовательному использованию возникающего либо же, соответственно, имеющегося в установке отводимого тепла для разогрева технологического природного газа оказывается возможным обойтись без электростанции, описанной на нынешнем уровне техники. Применение отводимого в пределах установки тепла обладает еще и тем преимуществом, что по сравнению с обычными установками не надо предусматривать никаких дополнительных охлаждающих устройств.
Во втором аспекте изобретения названную в начале задачу решают посредством установки для получения энергии при снятии давления с технологического природного газа, которая
- одним или несколькими трубопроводами соединена с установкой для синтеза ацетилена, так что создается до сих пор неизвестная на нынешнем техническом уровне интегрированная установка, включающая в себя процессы снятия давления с технологического газа и синтеза ацетилена, которая отличается высокой энергоэффективностью и включает в себя
- первую ступень нагрева для разогрева технологического природного газа, соединенную посредством подающего трубопровода с трубопроводом снабжения технологическим природным газом,
- а также вторую ступень нагрева для разогрева технологического природного газа, соединенную посредством трубопровода с первой ступенью нагрева, и
- устройство снятия давления для снятия давления с технологического природного газа, соединенное посредством трубопровода со второй ступенью нагрева.
Установка отличается тем, что устройство для снятия давления представляет собой поршневую расширительную машину (детандер) для выработки энергии, которая сравнительно с применяемыми обычно турбогенераторами обладает на 15-20% более высоким коэффициентом полезного действия.
Это преимущество сохраняется несмотря на то, что современная поршневая расширительная машина требует больших затрат на техническое обслуживание, чем турбогенератор. С учетом этого факта, тем не менее, имеет место существенное повышение эффективности по сравнению с турбогенератором.
В усовершенствованном варианте установки между поршневой расширительной машиной и установкой для синтеза ацетилена располагается четвертая ступень нагрева для разогрева технологического природного газа, с которого снято давление, эта ступень посредством трубопровода соединена с поршневой расширительной машиной и также посредством трубопровода соединена с установкой синтеза ацетилена, так что ступени нагрева, которые необходимо предусмотреть для предварительного нагрева технологического природного газа для синтеза ацетилена, можно выполнить меньшего размера и, соответственно, экономнее, либо же они требуют меньше энергии.
Для возможности эффективно использовать энергию, выработанную при снятии давления с технологического природного газа, предпочтительно, чтобы поршневая расширительная машина была соединена с генератором для выработки электроэнергии. Этот генератор, в свою очередь, может быть связан с электросетью общего пользования, с надлежащими накопительными устройствами внутри установки или с потребителями в пределах промышленного комплекса.
Также оказалось предпочтительным изготавливать поршневую расширительную машину по меньшей мере в двухступенчатом исполнении, причем чтобы между первой ступенью снятия давления для снятия давления с технологического природного газа и второй ступенью снятия давления для снятия давления с технологического природного газа, давление с которого уже частично снято, располагался третья ступень нагрева для разогрева технологического природного газа, с которого уже частично снято давление, так, чтобы конструкцию третьей ступени нагрева в поршневой расширительной машине и четвертой ступени нагрева перед установкой синтеза ацетилена можно было сделать меньше, и чтобы не было необходимости в технических мероприятиях для предотвращения, например, формирования конденсата в установке.
Предпочтительно, чтобы одна или несколько из первой, второй, третьей и четвертой ступеней нагрева были выполнены [в виде] пластинчатых теплообменников, которые работают более эффективно, чем другие типы теплообменников, и которые можно более компактно разместить в пределах установки.
В особой форме исполнения первая ступень нагрева соединена с генератором и/или поршневой расширительной машиной через средство передачи отводимого тепла. Кроме того, вторая ступень нагрева через средство передачи отводимого тепла может быть соединен с установкой синтеза ацетилена. Кроме того, предпочтительно, если третья ступень нагрева через средство передачи отводимого тепла соединен с установкой синтеза ацетилена. Четвертая ступень нагрева может быть связана через средства передачи отводимого тепла со второй и третьей ступенью нагрева.
Благодаря системе согласно изобретению, соединяющей вырабатывающие тепло и потребляющие тепло части установки друг с другом, можно обойтись без дополнительных охлаждающих и нагревательный агрегатов, результат чего в числе прочего состоит в том, что всю установку можно спланировать более компактной, а капиталовложения окажутся ниже.
Прочие признаки, преимущества и возможности применения следуют из приводимого ниже описания предпочтительного примера исполнения на основе фигуры, который, однако, не ограничивает изобретение. При этом все описанные и/или представленные на изображениях признаки сами по себе или в произвольном сочетании образуют предмет изобретения, также независимо от его краткого изложения в пунктах формулы изобретения или их взаимосвязи.
На единственной фигуре показана схема выработки энергии при снятии давление с технологического природного газа.
По способу согласно изобретению снятие давления с технологического природного газа P вместо обычной регулировочной линии проводят с помощью поршневой расширительной машины E, причем снятие давления используют для того, чтобы совершить в поршневой расширительной машине E механическую работу, которая в свою очередь при помощи генератора G вырабатывает электрический ток.
Согласно Первому началу термодинамики энергию, которую отбирают у газа при снятии давления в форме механической энергии, необходимо снова сообщить ему в форме теплоты, чтобы довести газ после снятия давления снова до исходной его температуры.
Как видно из схемы способа на фигуре 1, технологический природный газ P подают в установку из не изображенного на фигуре трубопровода снабжения под давлением вплоть до 70 бар по подающему трубопроводу Ζ, причем давление снабжения в зависимости от дальности транспортировки можно снизить до величины вплоть до 40 бар. При этом в зависимости от давления, установки снабжения и наружной температуры, технологический природный газ P имеет температуру от 0°C до 25°C.
На первой ступени нагрева WT1 технологический природный газ P разогревают до температуры в пределах от 20°C до 35°C, а затем по трубопроводу L1 его подают на вторую ступень нагрева WT2, а там разогревают дальше, до температуры в пределах от 70°C до 85°C.
В качестве ступеней нагрева WT1, WT2 предпочтительно применять пластинчатые теплообменники.
Технологический природный газ P, разогретый на ступенях нагрева WT1, WT2 и находящийся под давлением до 70 бар, теперь по трубопроводу L2 подают в поршневую расширительную машину E. В описанной форме исполнения речь идет о поршневом моторе фирмы Spilling, поршневые моторы которой на нынешнем уровне техники преимущественно известны как корабельные дизельные двигатели, и которые до сих пор еще не использовали в качестве поршневых расширительных машин для промышленного применения в установках для синтеза ацетилена.
Технологический природный газ P через не представленный на фигуре поглотитель колебаний распределяется по шести цилиндрам первой ступени снятия давления E1 (поршневого мотора Spilling) причем цилиндры заполняются технологическим природным газом P через соответствующие управляющие золотники. В процессе снятия давления технологический природный газ P приводит в движение поршень двойного действия поршневого мотора Spilling. Управляющие золотники и, соответственно, степень заполнения цилиндров настраивают посредством регулировки давления на выходе с первой ступени снятия давления E1.
После первой ступени снятия давления E1 технологический природный газ P под давлением ок. 20 бар и при температуре от 15°C до 25°C выходит через управляющий золотник и поступает по трубопроводу L3 на третью ступень нагрева WT3, где его разогревают до температуры в пределах от 70°C до 85°C, прежде чем подать его по трубопроводу L4 на вторую ступень снятия давления E2.
На второй ступени снятия давления E2 (аналогично первой ступени снятия давления E1) технологический природный газ P опять же распределяют по шести цилиндрам через управляющий золотник. В данном случае соответствующие управляющие золотники также настраивают, регулируя давление на выходе со второй ступени снятия давления E2.
Со второй ступени снятия давления E2 технологический природный газ Ρ выходит под давлением от 4 до 6 бар и при температуре от 10°C до 25°C через еще один управляющий золотник, а по трубопроводу L5 его подают на четвертую ступень нагрева WT4, где его, чтобы разгрузить ступень разогрева (не представленную на фигуре), подключенную перед синтезом ацетилена H, разогревают до 40°C-50°C.
Поршневая расширительная машина E, то есть в данном случае поршневой мотор Spilling, приводит в действие генератор G для выработки электротока, целесообразно - со скоростью вращения максимум 1000 об/мин. Вырабатываемый ток можно, например, использовать в самой ацетиленовой установке или же предоставлять в распоряжение других установок.
Форма исполнения согласно изобретению также отличается тепловой комбинацией (тепловым сопряжением), которая описана ниже.
Для разогрева отобранного из трубопровода снабжения через подающий трубопровод L технологического природного газа P на первой ступени нагрева WT1 посредством первого контура циркуляции тепла A1 используют тепло, отводимое от генератора G, а также - посредством еще одного контура циркуляции тепла, не представленного на фигуре, - отводимое тепло масляной охлаждающей системы, применяемой для охлаждения поршневого мотора Spilling.
На второй ступени нагрева WT2 для разогрева технологического природного газа Ρ через средство передачи отводимого тепла A2 применяют конденсат KP из установки для синтеза ацетилена Н, к которому при необходимости добавляют конденсат ΚΝ из внутренней сети промышленного комплекса. Конденсат KP, ΚΝ обладает температурой от 95°C до 105°C и охлаждается на второй ступени нагрева WT2.
Равным же образом на третьей ступени нагрева WT3 через средство передачи отводимого тепла A3 используют имеющий температуру от 95°C до 105°C конденсат KP из установки для синтеза ацетилена H и, при необходимости, конденсат ΚΝ из внутренней сети промышленной установки (промышленного комплекса), чтобы разогреть технологический природный газ P, выходящий с первой ступени снятия давления E1, до 70°C-85°C.
2
Уже описанный ранее разогрев технологического природного газа P, давление с которого снято до величины 4-8 бар, на четвертой ступени нагрева WT4 осуществляют через средства подачи отводимого тепла A4, А5 конденсатом KP, KN, который уже охладился на ступенях нагрева WT2 и WT3. На этих ступенях нагрева конденсат KP, KN охлаждается далее, а затем его подают в установку AW для использования отводимого тепла в ацетиленовой установке H. Охлажденный таким образом конденсат применяют для конденсации присутствующего в установке и находящегося под низким давлением пара, благодаря чему можно снизить масштаб применения холодной и полностью деионизированной воды HO. Конденсат, снова разогретый в установке AW, снова подают в процесс конденсата через средство передачи отводимого тепла A7.
2
3
Обусловленная формой исполнения согласно изобретению экономия полностью деионизированной воды HO может составлять до 370000 т в год, при этом одновременно можно сэкономить вплоть до 8800 т пара в год. Дополнительно в установке для синтеза ацетилена H благодаря более высокому уровню температуры технологического природного газа в теплопроводе L6 можно сэкономить в год 730000 Нм отопительного природного газа для необходимого разогрева технологического природного газа до температуры процесса.
Список условных обозначений
A1
контур циркуляции теплоты
A2, A3, A4, A5, A6, A7
средства передачи (трубопроводы) отводимого тепла
E
устройство для снятия давления (поршневая расширительная
машина, детандер)
E1
первая ступень снятия давления
E2
вторая ступень снятия давления
AW
установка для использования отводимого тепла
G
генератор
H
установка для синтеза ацетилена
KN
конденсат (сеть)
KP
конденсат (процесс)
L1, L2, L3, L4, L5, L6
трубопроводы
P
технологический природный газ
S
электросеть
WT1
первая ступень нагрева
WT2
вторая ступень нагрева
WT3
третья ступень нагрева
WT4
четвертая ступень нагрева.