СПОСОБ РАЗДАЧИ ПРИРОДНОГО ГАЗА С ОДНОВРЕМЕННОЙ ВЫРАБОТКОЙ СЖИЖЕННОГО ГАЗА ПРИ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ ПОТРЕБИТЕЛЮ ИЗ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ В ТРУБОПРОВОД НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
NATURAL GAS DISTRIBUTION METHOD WITH SIMULTANEOUS PRODUCTION OF LIQUEFIED GAS AT TRANSPORTATION TO CONSUMER FROM HIGH-PRESSURE MAIN PIPELINE TO LOW-PRESSURE PIPELINE

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано на газораспределительных станциях, где можно использовать энергию, обусловленную перепадом давлений, в частности, где в процессе раздачи природного газа потребителям производят понижение его давления, а выделяемую при расширении газа механическую энергию, обычно безвозвратно теряемую, используют для получения сжиженного газа, который в настоящее время широко используется в различных отраслях экономики и экспортных поставках.
Известно, что при раздаче природного газа из магистрального трубопровода высокого давления в трубопровод низкого давления для промышленного и\или коммунально-бытового назначения происходит охлаждение расширяющегося потока газа (Ионин А.А. Газоснабжение. М.: Стройиздат, 1989 г., с.172 раздел «Подогрев газа на ГРС»).
Недостатком этого способа раздачи является необходимость проведения процесса подогрева выходного потока газа низкого давления до положительных температур, что ведет к дополнительным затратам энергии и снижению эффективности способа.
7
Известен «Способ подготовки природного газа к подаче потребителю с комплексным использованием энергии природного газа, система для его реализации, энергохолодильный агрегат и энергопривод с лопаточной машиной, газовый холодильник и льдогенератор» (Патент РФ №2264581, опубл. 20.11.2005 г., с приоритетом от 05.04.2004, МПК F17D 1/04; F25B 11/00), который заключается в способе подготовки природного газа к подаче потребителю с комплексным использованием энергии природного газа путем расширения природного газа в, по меньшей мере, одном детандере электрохолодильного агрегата (ЭХА), отвода механической энергии каждого детандера для привода электрогенератора соответствующего ЭХА и пропускания выходящего из ЭХА охладившегося в детандере газа перед подачей его потребителю через, по меньшей мере, один теплообменник холодильника.
Недостатком указанного способа использования энергии, обусловленной понижением давления газа, является конструктивная сложность установки, которая определяется требованием согласования частоты вращения турбодетандера с электрогенератором и необходимостью подогрева выходного потока газа низкого давления после турбодетандера до положительных температур, что ведет к дополнительным затратам энергии и снижению эффективности способа.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому и взятому в качестве прототипа является «Способ использования энергии технологических перепадов давления газа в системах транспорта и устройство для его осуществления» (Патент RU №2079041, опубл. 10.05.1997 г., с приоритетом 14.02.1995 г., МПК F17D 1/075), в котором газ, подаваемый из магистрального трубопровода, расширяют в турбодетандере с получением механической энергии и охлажденного газа для использования последнего в теплообменнике и подаче полученного газа низкого давления потребителю, при этом для более полного использования энергии перепада давления газа его расширяют в нескольких последовательно установленных турбодетандерах при постоянном отводе механической энергии с использованием электрогенераторов ограниченной мощности, кроме того, охлажденный газ может подаваться в конденсатосборники, а также перед подачей в турбодетандер газ может подогреваться.
Основным недостатком указанного способа использования энергии, обусловленной необходимостью понижения давления газа, является конструктивная сложность установки, которая определяется требованием согласования частоты вращения ступенчатых турбодетандеров с электрогенератором и необходимость подогрева потока газа высокого давления перед турбодетандером, что ведет к дополнительным затратам по выработке энергии и снижению эффективности способа в целом.
Решаемой задачей изобретения является создание высокоэффективного способа раздачи природного газа на газораспределительных станциях при транспортировании потребителю из магистрального трубопровода высокого давления в трубопровод низкого давления путем получения максимального количества сжиженного газа за счет механической энергии, полученной при расширении от перепада давлений в магистральном трубопроводе высокого и трубопроводе низкого давления без дополнительных затрат энергии на нагрев или охлаждение в процессе транспортировании.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание высокоэффективного способа раздачи природного газа с одновременным получением максимального количества сжиженного газа за счет механической энергии, полученной при расширении от перепада давлений в магистральном трубопроводе высокого давления и трубопроводе низкого давления.
Технический результат достигается тем, что в способе раздачи природного газа с одновременной выработкой сжиженного газа при транспортировании потребителю из магистрального трубопровода высокого давления в трубопровод низкого давления, заключающийся в подаче потока сжатого природного газа из магистрального трубопровода высокого давления, расширении его в многоступенчатой турбине с получением в ней механической энергии, теплообмене в теплообменнике и раздаче полученного газа низкого давления потребителю, подаваемый поток сжатого природного газа из магистрального трубопровода высокого давления направляют на вход тракта горячего теплоносителя теплообменного устройства и охлаждают, а на выходе из тракта его направляют в многоступенчатую турбину, где охлажденный поток подаваемого природного газа расширяют до давления меньше заданного давления подачи потребителю в трубопроводе низкого давления с получением в ней механической энергии, при котором подаваемый поток сжатого природного газа меняет свои параметры и свое агрегатное состояние, переходя из однофазного на входе в многоступенчатую турбину в двухфазный поток на выходе из нее, при этом из последнего отделяют в сепараторе жидкую фазу и направляют для раздачи в трубопровод сжиженного газа, а оставшуюся после отделения часть потока направляют на вход тракта холодного теплоносителя теплообменного устройства для подогрева при теплообмене с подаваемым потоком сжатого природного газа из магистрального трубопровода высокого давления и далее сжимают эту часть в дожимающем компрессоре до давления, равного давлению в трубопроводе низкого давления, одновременно нагревая ее до положительных температур, а затем направляют для раздачи в трубопровод низкого давления, причем на сжатие этой части природного газа в компрессоре используют механическую энергию расширения, полученную в многоступенчатой турбине, при этом отделение сжиженной части природного газа осуществляют после каждой ступени турбины.
Оставшуюся часть потока после отделения сжиженной части в процессе сжатия в дожимающем компрессоре одновременно нагревают до температуры, по меньшей мере, 18-20 градусов по Цельсию без дополнительных затрат энергии на нагрев.
Многоступенчатую турбину проектируют со ступенями, степени расширения газа в каждой из которых выбирают с возможностью обеспечения сжиженной части, не превышающей 5-6% от общего расхода газа через ступень.
Для пояснения технической сущности изобретения рассмотрим Фигуру, на которой представлено устройство, реализующее предлагаемый способ раздачи природного газа с одновременной выработкой сжиженного газа при транспортировании потребителю из магистрального трубопровода высокого давления в трубопровод низкого давления, где:
1 - магистральный трубопровод высокого давления;
2 - многоступенчатая турбина;
3 - теплообменное устройство;
4 - трубопровод низкого давления;
5 - сепаратор;
6 - трубопровод сжиженного газа;
7 - дожимающий компрессор.
Стрелками на фигуре показана схема направления движения потока сжатого природного газа при раздаче этого газа из магистрального трубопровода высокого давления в трубопровод низкого давления. Устройство содержит: магистральный трубопровод высокого давления природного газа 1, который сообщен со входом многоступенчатой турбины 2 через тракт горячего теплоносителя теплообменного устройства 3. Выход многоступенчатой турбины 2 через сепаратор 5 сообщен со входом тракта холодного теплоносителя теплообменного устройства 3 и со входом трубопровода сжиженного газа 6. После теплообменного устройства 3 газ попадает в дожимающий компрессор 7 и затем в трубопровод низкого давления 4.
Работает устройство для реализации «Способа раздачи природного газа с одновременной выработкой сжиженного газа при транспортировании потребителю из магистрального трубопровода высокого давления в трубопровод низкого давления» следующим образом.
Подаваемый поток сжатого природного газа из магистрального трубопровода высокого давления направляют на охлаждение в теплообменное устройство 3 по тракту горячего теплоносителя и охлаждают его. Из теплообменного устройства 3 сжатый природный газ направляют на вход многоступенчатой турбины 2, где энергию сжатого природного газа преобразуют в механическую энергию. Давление сжатого природного газа на выходе из многоступенчатой турбины 2 будет ниже давления в трубопроводе 4 низкого давления (потребителю). Расширение газа в многоступенчатой турбине 2 до давления меньше заданного давления подачи потребителю в трубопроводе 4 низкого давления, что приводит к изменению параметров газа до состояния, при котором подаваемый поток сжатого природного газа переходит из однофазного на входе в многоступенчатую турбину в двухфазный на выходе из нее, при этом одна часть которого выпадает в конденсат (жидкую фазу), получая сжиженную часть природного газа, а другая часть - газ низкого давления. Выход многоступенчатой турбины 2 сообщен с сепаратором 5, в котором одну сжиженную часть природного газа отделяют и направляют в трубопровод сжиженного газа 6 для раздачи по другому применению, например, промышленному, а другую оставшуюся после отделения часть сжатого природного газа низкого давления направляют в теплообменное устройство 3 на вход холодного теплоносителя теплообменного устройства для подогрева при теплообмене с подаваемым потоком сжатого природного газа из магистрального трубопровода высокого давления 1 и сжимают эту часть в дожимающем компрессоре 7 до давления, равного давлению в трубопроводе низкого давления, обеспечивая требуемое для потребителя давление природного газа и одновременно нагревая ее до положительных температур, а затем направляют для раздачи в трубопровод низкого давления 4. Энергию сжатия в дожимающем компрессоре 7 получают за счет использования механической энергии расширения природного газа в многоступенчатой турбине 2, на выходе которой получают максимальный выход сжиженного газа, равный общему количеству выпадающей жидкой фазы через ступени в многоступенчатой турбине 2, при этом после каждой ее ступени отделяют сжиженную часть природного газа в сепараторе.
В процессе сжатия в дожимающем компрессоре 7 оставшуюся часть природного газа нагревают до температуры, по меньшей мере, 18-20 градусов по Цельсию без дополнительных затрат энергии на нагрев, что соответствует требованиям нормативов при раздаче газа потребителям. Кроме того, для обеспечения надежной работоспособности многоступенчатой турбины со ступенями степень расширения газа в каждой ступени выбирают такой, чтобы выпадение сжиженной части не превышало 5-6% от общего расхода газа через ступень, при этом выпавшую после каждой ступени жидкую фазу необходимо отделять с помощью сепаратора и направлять в трубопровод сжиженного газа для дальнейшего использования.
Проведенные расчеты с использованием сертифицированного программного комплекса «ПОТОК», предназначенного для численного моделирования термогазодинамических процессов в энергоустановках, показывают, что при давлении в магистральном трубопроводе высокого давления 1.8 МПа, а в трубопроводе низкого давления 0.3 МПа можно получить выход сжиженной части (жидкая фаза) газа до 7.5% относительно количества получаемого из магистрального трубопровода высокого давления природного газа, что также подтверждает работоспособность и применимость термодинамических процессов в заявляемом способе.
Заявляемое техническое решение «Способа раздачи природного газа с одновременной выработкой сжиженного газа при транспортировании потребителю....» по своим технико-экономическим показателям по сравнению с известными аналогами, является высокоэффективным при раздаче газа из магистрального трубопровода высокого давления в трубопровод низкого давления (потребителю) путем получения максимального количества сжиженного газа за счет механической энергии, полученной от срабатывания более высокого перепада давлений при расширении на многоступенчатой турбине, благодаря предварительному охлаждению подводимого потока сжатого природного газа из магистрального трубопровода высокого давления в теплообменном устройстве и подогреву части природного газа, полученной при расширении и направляемой в трубопровод низкого давления, при теплообмене с подаваемым потоком сжатого природного газа, сжатии этой части в дожимающем компрессоре до требуемого давления в трубопроводе низкого давления и нагреве до положительных температур без дополнительных затрат энергии на нагрев или охлаждение в процессе транспортирования.