РЕКУПЕРАТИВНЫЙ СПОСОБ НАПОЛНЕНИЯ МЕТАНОМ БАЛЛОНОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
RECUPERATIVE METHOD OF FILLING HIGH-PRESSURE CYLINDERS WITH METHANE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к газовой энергетике и может быть использовано в газовых котельных, на химических и других предприятиях, позволяя совместно с основной деятельностью, связанной с потреблением от газовых сетей природного газа с объемным содержанием метана СН4 от 50 до 99,99%, осуществлять наполнение емкостей (баллонов, передвижных газовых реципиентов), пригодных для использования в качестве источника газомоторного топлива в транспортных средствах.
Метан как моторное топливо расходуется двигателями экономичнее бензина, дизельного топлива, пропан-бутана. Расход метана ниже расхода бензина на 5-10%, в то время как расход пропанобутановой смеси превышает расход бензина на 10-20%. Это обусловлено физико-химическими свойствами природного газа, его октановым числом, которое, достигая 120, заметно превосходит показатели других углеводородов. Энергетические свойства метана в совокупности с его физическими свойствами в сжатом состоянии (относительно небольшое изменение давления при понижении температуры) нашли применение в различных отраслях промышленности. Использование метана сопряжено с необходимыми мерами взрыво- и пожаробезопасности.
Критическая температура метана составляет 191 К (-82°С), и его сжижение весьма затратно, поэтому метан как газомоторное топливо используется в основном в компримированном (сжатом) виде, при этом для получения достаточного энергетического запаса газ закачивают в баллоны высокого давления, сокращая в объеме в 250-300 раз. Для этого нужно осуществить его предварительное сжатие до давлений 30-35 МПа. В ближайшие годы количество автомобильных газонаполнительных компрессорных станций для метана, как самого дешевого энергоносителя, должно значительно увеличиться.
Идеология использования для привода и управления оборудованием энергии сжатого метана (без применения электричества) позволяет создавать на базе усилителей давления максимально безопасные установки по повышению давления взрыво- и пожароопасных газов.
Известен способ производства компримированного природного газа на газораспределительной станции, усилитель давления для реализации такого способа по патенту RU 2641416 [1]. Способ предусматривает установку усилителя давления в месте поступления природного газа из магистральной сети в газораспределительную сеть, направление природного газа из магистральной сети в газовый бустер и использование этого газа одновременно в качестве приводного и компримируемого газов. Такой принцип сжатия газа основан на использовании природного газа из магистральной сети под давлением 3,5÷7,5 МПа, для привода бустера, и последующий сброс отработанного газа в газораспределительную сеть под давлением 0,6÷1,2 МПа. Сжатие газа осуществляется от давления 3,5÷7,5 МПа до 25 МПа. Способ предполагает упрощенную изоляционную систему между полостями приводных и нагнетательных поршневых групп газового бустера. Утечка газа через сальник камеры высокого давления в камеру привода бустера, согласно описанию, не считается недостатком способа.
Известный способ имеет ряд недостатков, делающих его непригодным для наполнения метансодержащим газом автотранспортных емкостей с рабочим давлением до 35 МПа, по следующим причинам:
Во-первых, диапазон указанных в способе-прототипе рабочих давлений камеры привода в начальный момент работы бустера от 3,5-7,5 МПа до 0,6-1,2 МПа в момент сброса газа в потребительскую сеть экономически невыгоден: при высоком конечном давления расширения газа эффективность процесса снижается, а конструкция бустера усложняется. Поскольку требуемый объем камеры низкого давления в приводной части усилителя давления много больше объема камеры сжатия, то обеспечение прочности этой части оборудования даже при давлениях 3,5 МПа требует сложных конструктивных решений для всего устройства, что увеличит капиталоемкость оборудования и скажется на стоимости целевой продукции.
При адиабатическом расширении метана от давлений (3,5÷7,5) МПа до (0,6÷1,2) МПа значителен эффект охлаждения газа. При этом количество положительной работы физического процесса расширения много больше отрицательной работы сжатия в бустере. Так, в случае расширения от 7,5 МПа до 0,6 МПа достигается температура ниже 173 K (минус 100°С), близкая к криогенной, что делает процесс компримирования по патенту RU 2641416 трудно осуществимым или потребует дополнительных дорогостоящих компенсационных мероприятий. В соответствии с действующими СНиП, доступной и более приемлемой является городская сеть с давлением (0,6-1,2) МПа.
Ввиду несовершенства существующих технологий достигнуть максимально эффективного адиабатического процесса сжатия не просто. Процессы должны протекать в узких пределах значений показателя политропы (Загорученко В.А., Журавлев A.M. Теплофизические свойства газообразного и жидкого метана. - Изд-во Госстандарт, Москва, 1969. С. 11-15).
Согласно уравнению адиабатического процесса:
, где γ - показатель адиабаты, для метана γ=1,32.
Повышение давления метана с температурой 293 K от 3,5 МПа до 25,0 МПа будет сопровождаться повышением температуры газа > 473 K, что неизбежно приведет к перегреву устройства и выходу его из строя. Реализация такого режима в общепромышленном оборудовании затруднительна, поскольку высокие температуры влияют на механическую прочность металлов, уплотнительных материалов. Осуществление технического решения прототипа экономически не выгодно. С точки зрения затраты работы процесс сжатия тем более выгоден, чем ближе он к изотермическому.
Во-вторых, при сжатии природного газа, полученного из магистрального трубопровода, неизбежно выделение влаги, что для газомоторного топлива неприемлемо. Согласно требованиям, концентрация паров воды в метане - не более 9,0 мг/м3, температура точки росы - минус 9°С при давлении 20 МПа [3] (ГОСТ 27577-2000 Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия. Раздел 3.2), поэтому использование способа-прототипа для заправки баллонов высокого давления метаном в качестве газомоторного топлива невозможно, так как способ не предусматривает осушку и охлаждение газа при сжатии.
В-третьих, известный способ не учитывает неизбежные утечки газа по штоку поршня высокого давления. В описании способа указано: «так как компримируемый и приводной газы являются однородными, отпадает необходимость в изоляционных системах между полостями приводных и нагнетательных поршневых групп». Однако при поступлении газа со стороны камеры высокого давления по штоку поршня в камере низкого давления повышается давление, и расчетная величина степени сжатия r=А1/А2 меняется в сторону уменьшения (А1 и А2 площади приводного и рабочего поршней усилителя давления). Соответственно снизится конечное давление Р2=r1×Р1, где r1<r. Увеличение утечки по штоку не позволит достичь заявленных параметров компримирования и приведет к остановке устройства.
Наконец, степень сжатия газа до 25 МПа, даже если она достижима по способу-прототипу, недостаточна для наполнения заправочных емкостей газотопливного транспорта. Для заправки баллонов требуется давление в ресивере, большее, чем номинальное рабочее давление баллонов. Испытательное давление газовых емкостей автотранспорта должно быть в 1,5 раза больше номинального рабочего давления (не менее 30 МПа), а коэффициент запаса прочности баллонов в Российской Федерации должен быть не менее 2,4 [4], т.е. давление до 25 МПа не в состоянии покрыть требуемый для заправочного оборудования диапазон (25÷35) МПа.
Целью настоящего изобретения является:
организация в местах потребления метана низкого давления процесса энергетически эффективного наполнения емкостей (реципиентов) сжатым газом с высоким содержанием метана, пригодным для использования в качестве газомоторного топлива;
рекуперация энергии адиабатического расширения метана;
организация энергетически эффективного термодинамического процесса компримирования метана до уровня (25÷35) МПа.
Задача повышения экономической эффективности и безопасности процесса наполнения метаном баллонов высокого давления может быть решена следующим образом:
2
использованием для привода поршней усилителя давления источника метана с давлением ≤ 1,2 МПа (не выше 12 кгс/см);
организацией процесса сжатия метана в рамках диапазона энергетически эффективных давлений с учетом утечек газа по уплотнениям штоков камер сжатия;
ограничением температуры сжатого газа в диапазоне не выше 413 K (140°С);
адиабатического расширения газа до конечного избыточного давления ≤ 0,05 МПа;
охлаждением и осушкой сжимаемого газа в рекуперативном теплообменнике;
Необходимость более низких значений давления в камерах привода (не выше 1,2 МПа) обусловлена требованиями безопасности конструкции машин и аппаратов. Ведущие производители газовых усилителей [5, 6] не производят изделий с давлениями привода более 1,2 МПа, справедливо полагая превышение этого порога не рациональным.
Сжатие газа, как и в прототипе, осуществляется в усилителях давления, характеризующихся отсутствием потребления электроэнергии. Природный газ из городской сети с давлением от 0,6 МПа до 1,2 МПа используют одновременно в качестве компримируемого газа и в качестве приводного газа усилителей давления, а отработанный в приводах усилителей давления газ направляют в потребительскую газораспределительную сеть низкого давления Р<0,05 МПа.
Задача решается совокупностью известных и новых признаков.
В отличие от прототипа, в способе газ сжимают не менее чем тремя последовательными усилителями давления со ступенчатым уменьшением степени сжатия в них от 5,5 до 2,5, компримируемый газ после каждой ступени сжатия охлаждают и осушают в рекуперативных теплообменниках, направляя в теплообменники охлажденный за счет адиабатического расширения отработанный газ из камер привода усилителей давления и обеспечивая температуру компримируемого газа в камерах сжатия усилителей давления в пределах (293÷413)К, а давление на выходе из последнего усилителя в пределах (25÷35) МПа.
Способ рекуперативного сжатия газообразного метана иллюстрируется схемами и диаграммами фиг. 1-4.
На фиг. 1. Показана схема рекуперативного сжатия газообразного метана. Цифрами обозначены: 1 - источник метансодержащего газа; 1.1, 1.2, 1.3 - усилители давления; 2 - ресивер или баллоны высокого давления, 4 - потребитель газа низкого давления; 5.1, 5.2, 5.3 - рекуперативные теплообменники, 6 - отвод газа низкого давления через теплообменники.
На фиг. 2 показана T-S диаграмма состояния метана с выделением области А давлений и температур процесса компримирования по изобретению.
На фиг. 3 детально представлен T-S процесс, протекающий в области «А» в соответствии с формулой изобретения.
На фиг. 4 приведен пример возможной реализации устройства на трех усилителях давления. Здесь 3 - редуцирующее устройство магистральной сети; 7 - элементы газового управления устаовки.
Процесс сжатия осуществляется следующим образом.
Вначале определяют конкретные условия работы устройства, давление источника газа, давление сети потребления и рассчитывают степени сжатия, при которых будут работать усилители давления. В рассматриваемом примере газ для работы усилителей 1.1; 1.2; 1.3 поступает от источника 1 с давлением (0,6÷1,2) МПа (фиг. 1). В усилителе давления 1.1 происходит повышение давления со степенью сжатия в диапазоне 3,4÷5,5. После сжатия нагретый компримированный газ поступает в рекуперативный теплообменник 5.1, где происходит его охлаждение и удаление сконденсировавшейся влаги. Из теплообменника 5.1 газ поступает в усилитель давления 1.2. В усилителе давления 1.2 происходит вторая ступень сжатия газа со степенью сжатия в диапазоне 3,2÷4,1, после чего осуществляется его охлаждение и осушка в теплообменнике 5.2. После охлаждения и осушки в теплообменнике 5.2 газ поступает в усилитель давления 1.3, где происходит третья ступень сжатия газа со степенью сжатия в диапазоне 1,9÷2,5, после чего производится охлаждение и осушка газа в теплообменнике 5.3. Из теплообменника 5.3 газ с давлением от 25 до 35 МПа поступает в баллоны высокого давления 2. После расширения газа в приводных камерах усилителей давления 1.1; 1.2; 1.3 отработанный охлажденный газ поступает в рекуперативные теплообменники 5.1, 5.2, 5.3 соответственно, где охлаждает горячий компримируемый газ, после чего поступает в газопровод низкого давления Р<0,05 МПа. Утечка газа по штокам усилителей давления учитывается при выборе степени сжатия, а перетекший газ сбрасывается в коммуникации газа низкого давления (позиция 6).
Заявленные оптимальные степени сжатия в условиях ограничения по температуре сжимаемого газа, выбранные начальное и конечное давления компримируемого газа обеспечивают безопасные и энергетически эффективные термодинамические процессы при использовании в качестве источника энергии самого сжимаемого газа, а область протекания этих процессов четко ограничена.
На диаграмме T-S состояния метана (см. фиг. 2) выделена область давлений и, температур «А» в пределах которых осуществляется частный случай процесса, заявленного в изобретении. Линии на диаграмме - постоянные давлений (изобары). Точки а, с, е, g минимумов температур соответствуют температуре помещения Т=293 K. Точки b, d, ƒ максимумов температуры, отложенные на изобарах, определены расчетным путем и соответствуют адиабатическому процессу сжатия метана в камере усилителя давления в соответствии с достижимым термическим КПД цикла [7]. Верхняя температурная граница процесса, описываемого в изобретении, ограничена красной чертой и соответствует температуре Т=413 К.
От точки а до точки b происходит сжатие газа от расчетного начального давления 0,6 МПа до конечного давления первой ступени 3,3 МПа. От точки b до точки с происходит охлаждение сжатого метана при постоянном давлении в рекуперативном теплообменнике 5.1. От точки с до точки d происходит сжатие метана от давления 3,3 МПа до 13,2 МПа. Процесс между точками d - е соответствует охлаждению метана при постоянном давлении в рекуперативном теплообменнике 5.2. От точки е до точки ƒ происходит сжатие метана от начального давления 13,2 МПа до расчетного давления 26,4 МПа. Процесс между точками ƒ и g соответствует процессу охлаждения метана в рекуперативном теплообменнике 5.3. Пунктирные линии справа и слева от политропы сжатия показывают границы параметров процесса в зависимости от диапазона изменений начального давлений от точки а (0,6 МПа) до точки а2 (1,2 МПа). Сжатие в усилителе давления 1.3 ограничено условиями конечного давления 35 МПа (точка g2, давление 35 МПа, температура газа 293 К). Пунктирные линии у основной линии от точки a1 до точки а2 показывают возможный интервал начальных давлений, при которых выбранные коэффициенты сжатия обеспечивают требуемое конечное давление.
Заявленный способ лишен недостатков прототипа. Отличием заявленного изобретения от прототипа являются новые существенные признаки, включенные в формулу изобретения:
- за счет ступенчатого сжатия компримирование метана осуществляется в эффективном температурном диапазоне (293÷413) K,
- для охлаждения и осушки сжимаемого газа использован эффект охлаждения газа при адиабатическом расширении метана в камере привода усилителей давления,
- процесс обладает высокими характеристиками взрыво-пожаробезопасности в виду организации его с параметрами газа ниже порогов воспламенения рабочего тела и материалов конструкций.
Способ может быть реализован на базе существующих бустеров. Массовое производство бустеров освоено несколькими производителями: Maximator GmbH (Германия) [5]; Haskel (США) [6] и др., но они могут быть изготовлены специально с учетом ступенчатого компримирования и выбираемыми из формулы изобретения коэффициентами сжатия, что увеличит количество получаемой полезной работы на единицу затраченной энергии.
Рекуперативный способ наполнения метаном емкостей высокого давления позволит хозяйствующим субъектам, обладающими необходимыми условиями для его применения, использовать недоступные ранее технологии, требующие высоких давлений метана и расширить сферу деятельности и ассортимент выпускаемой продукции.
Источники информации
1. Патент RU 2641416, опубл. 17.01.2018 г.
2. Загорученко В.А., Журавлев A.M. Теплофизические свойства газообразного и жидкого метана. - Изд-во Госстандарт, Москва, 1969. С.11-15.
3. ГОСТ 27577-2000 Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия. Раздел 3.2.
4. ГОСТ ISO 11439-2014 Баллоны высокого давления для хранения на транспортном средстве природного газа как топлива. Технические условия. Раздел 4.5.2.
5. http://apa-kandt.ru/articles/category/tehnologii-vysokih-davlenij, обращение (02.12.2018 г.)
6. http://www.haskel.com/products/gas-boosters/pneumatic-driven-gas-boosters/#benefits, обращение (02.12.2018 г.), раздел «Газовые бустеры с пневмоприводом».
7. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача. - М.: Высшая школа, 1988.