Установка для утилизации энергии сжатого природного газа

 

Использование: в области газоснабжения для утилизации энергии сжатого природного газа. Сущность изобретения: подогреватель на газораспределительной станции снабжен топкой, горелка которой подключена к газопроводу низкого давления трубопроводом с регулирующим клапаном, связанным с регулятором, соединенным импульсной линией с датчиком температуры, размещенным в газопроводе низкого давления, его теплообменная поверхность выполнена из тепловых труб, например, двухфазных термосифонов, а корпус разделен горизонтальной герметичной перегородкой на две полости, причем в нижней полости размещены зоны испарения тепловых труб, ее входной патрубок подключен к топке, а выходной - к дымовой трубе, при этом зоны конденсации тепловых труб расположены в верхней полости теплообменника, которая встроена в трубопровод, соединяющий газопроводы высокого и низкого давления. 1 ил.

Изобретение относится к области газоснабжения и может быть использовано для утилизации энергии сжатого природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) и пунктах (ГРП) системы газоснабжения.

Известна система газоснабжения, содержавшая газопроводы природного газа высокого и низкого давлений, соединенные между собой трубопроводом с клапаном, связанным с регулятором давления "после себя" (см. например, "Справочник эксплуатационника газофицированных котельных" под редакцией Е.Б. Столпнера, Л. "Недра", 1988. стр. 101-112: рис. 3.1 и 3.3) В этой системе снижение давления природного газа до требуемых потребителю значений осуществляется посредством редукционного клапана, что не экономично. Кроме того, при дросселировании газа его температура уменьшается и может достигать существенных отрицательных значений, что неблагоприятно влияет на надежность работы газопровода низкого давления, установленных в нем фильтров, арматуры и пр. а также связанных с ним потребителей газа, в основном, в связи с образованием при этих температурах (ок. минус 20^oС и ниже) газгидратов в виде кристаллов льда (см. "Справочник по транспорту горючих газов" под редакцией К.С. Зарембо, ГНТИ нефтяной и горно-топливной литературы, М. 1962 г. стр. 190).

Известна установка утилизации энергии сжатого природного газа, преимущественно для газораспределительных станций и пунктов системы газоснабжения, содержащая турбину (детандер), связанную с потребителем ее мощности, и подогреватель газа, выполненный в виде конденсатора холодильной машины, последовательно установленные в трубопроводе, соединяющем между собой газопроводы высокого и низкого давлений (см. например, аналитический альбом "Энергосберегающие технологии в СССР и за рубежом" под редакцией С.Н. Ятрова, М. фирма "Энергосбережение", 1989 г. стр. 328 или книгу В.А. Динкова и др. "Повышение эффективности использования газа на компрессорных станциях", М. "Недра", 1981 г. стр. 83) В указанной установке снижение давления газа до требуемого потребителям значения осуществляется в турбине, вырабатываемая которой полезная мощность передается, например, генератору электрического тока и т.п. а нагрев газа в конденсаторе холодильной машины, что в совокупности обеспечивает утилизацию энергии сжатого природного газа на ГРС и ГРП.

Однако, мощность развиваемая этой турбиной недостаточно велика. Кроме того, потребность в холоде обычно увеличивается в летний период, когда потребность в природном газе резко снижается (практически вдвое), в зимний период наоборот. Указанное рассогласование не позволяет достаточно эффективно эксплуатировать установку и обеспечивать надежность работы системы газоснабжения.

Известна также установка утилизации энергии сжатого природного газа, преимущественно для газораспределительных станций и пунктов системы газоснабжения, содержащая подогреватель газа, выполненный с патрубками подвода пара и отвода конденсата, и турбину (детандер), связанную с потребителем ее мощности, последовательно установленные по ходу газа в трубопроводе, соединяющем между собой газопроводы высокого и низкого давлений (см. например, патент России N 2004833, 1992 г. кл. F 01 K 13/00, 23/00).

Это решение и принято за прототип.

Подогрев газа перед турбиной до значений, обеспечивающих его положительную температуру за ней позволил значительно увеличить полезную мощность, развиваемую этой турбиной (в два-три раза, в зависимости от расхода и величины подогрева газа) с одновременным обеспечением круглогодичной надежной работы системы газоснабжения.

Однако, использование пара для подогрева природного газа существенно усложняет установку, т.к. требует наличие парового котла. Это приводит к значительным капитальным и эксплуатационным затратам в основном на химобработку добавочной воды, необходимой для восполнения утечек и продувочной воды котла. По этим причинам применение такой установки целесообразно только на ГРП ТЭЦ с использованием низкопотенциального пара, например, из отбора турбины, что и отмечено в указанном выше патенте.

Кроме того, надежность данной установки недостаточно высока, т.к. при повреждении трубной системы подогревателя произойдет попадание природного газа в конденсатную систему, что недопустимо по условиям безопасности эксплуатации.

Следует отметить, что указанные недостатки установки прототипа длительное время препятствуют ее широкому внедрению на ГРС и ГРП системы газоснабжения.

Задачей настоящего изобретения является расширение области использования установки, а также повышение надежности ее эксплуатации.

Необходимый технический результат достигается тем, что в известной установке утилизации энергии сжатого природного газа, преимущественно для газораспределительных станций и пунктов системы газоснабжения, содержащей подогреватель газа и турбину (детандер), связанную с потребителем ее мощности, последовательно установленные по ходу газа в трубопроводе, соединяющем между собой газопроводы высокого и низкого давлений, подогреватель снабжен топкой, его теплообменная поверхность выполнена из тепловых труб, например, двухфазных термосифонов, а корпус разделен горизонтальной герметичной перегородкой на две полости, причем в нижней полости размещены зоны испарения тепловых труб, ее входной патрубок подключен к топке, а выходной к дымовой трубе, при этом зоны конденсации тепловых труб расположены в верхней полости теплообменника, которая встроена в трубопровод, соединяющий газопроводы высокого и низкого давлений.

При этом причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого устройства и достигаемым при его использовании техническим результатом состоит в следующем.

Расширение области использования установки обусловлено заменой и ее составе парового подогревателя природного газа на подогреватель, выполненный с использованием тепловых труб. Такая замена исключает необходимость в химобработке добавочной воды, необходимой для восполнения утечек и продувочной воды парового котла, снижает капитальные и эксплуатационные затраты, что делает установку более рентабельной. В результате этого она может быть использована не только на ГРП ТЭЦ, но и на других ГРП, а также на ГРС, где отсутствуют источники пара.

Кроме того, указанная замена резко повышает надежность установки, по сравнению с установкой прототипом, в которой повреждение поверхности нагрева приводит к попаданию природного газа в конденсатную систему, что недопустимо по условиям безопасности эксплуатации.

В предлагаемой установке повреждение поверхности нагрева не потребует даже вывода ее из действия, т.к. выход из строя единичной тепловой трубы повлечет за собой только потерю ок. 1,5 литров заключенного в ней промежуточного теплоносителя (например, смеси воды с этиленгликолем) и практически не скажется не только на надежности работы установки, но даже на ее теплотехнических характеристиках, т. к. количество этих автономных труб в подогревателе измеряется десятками (более сотни) штук.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на котором изображена принципиальная схема предлагаемой установки.

Установка содержит подогреватель газа 1 с топкой 2 и турбину 3, связанную с потребителем 4 ее мощности, например, генератором электрического тока, последовательно установленные по ходу газа в трубопроводе 5, соединяющем между собой газопроводы 6 и 7, соответственно высокого и низкого давлений.

Теплообменная поверхность подогревается 1 выполнена из тепловых труб 8 (двухфазных термосифонов ДТС), а его корпус 9 разделен горизонтальной герметичной перегородкой 10 на две полости 11 и 12, причем в нижней полости 11 размещены зоны испарения тепловых труб 8, ее входной патрубок 13 подключен к топке 2, а выходной 14 к дымовой трубе 15, при этом зоны конденсации тепловых труб 8 расположены в верхней полости 12 теплообменника 1, которая встроена в трубопровод 5. Тепловые трубы 8 заполнены на треть своей высоты (т. е. в зоне испарения) промежуточным теплоносителем, например, смесью воды с этиленгликолем (последний необходим для предотвращения разрыва трубы 8 в зимнее время года при неработающей установке). Топка 2 снабжена горелкой 16, подключенной к газопроводу 7 трубопроводом 17 с регулирующим клапаном 18, связанным с регулятором 19, соединенным импульсной линией 20 с датчиком 21 температуры, размещенным в газопроводе 7. Кроме того, к топке 2 воздухопроводом 22 подключен вентилятор 23 с приводом 24, например, электродвигателем. Регулирующий клапан 25 турбины 3 связан с регулятором 26, соединенным импульсной линией 27 с датчиком 28 давления, размещенным в газопроводе 7.

Установка работает следующим образом.

Природный газ высокого давления (обычно 35-75 кгс/см²) от компрессорной станции (на чертеже не показана) поступает по газопроводу 6 в трубопровод 5, проходит его и последовательно расположенные в нем полость 12 подогревателя 1, турбину 3 и далее по газопроводу 7 поступает к потребителям газа низкого давления (обычно 3-12 кгс/см²), например, доменной печи - на чертеже не показано. При этом газ во избежание образования в нем газгидратов подогревается до положительных температур (ок. 5^oC10^oC за турбиной 3). Указанный подогрев обеспечивается регулятором 19 подогревателя 1, который по управляющему сигналу, поступающему к нему по импульсной линии 20 от датчика температуры 21, осуществляет изменение степени открытия связанного с ним клапана 18 (а значит и расхода топливного газа, подаваемого по трубопроводу 17 на сжигание в горелке 16 топки 2): при увеличении температуры от заданного значения уменьшает ее, при снижении увеличивает. При этом образовавшиеся в результате сжигания в топке 2 топлива в смеси с воздухом, подаваемым в нее по воздухопроводу 22 вентилятором 23, приводимым во вращение электродвигателем 24, продукты сгорания через патрубок 13 направляются в полость 11 подогревателя 1, где отдают свое тепло, расположенным в ней зонам испарения тепловых труб 8, и далее через патрубок 14 и дымовую трубу 15 удаляются в атмосферу. Образовавшиеся в зонах испарения тепловых труб 8 (автономно в каждой) пары промежуточного теплоносителя поднимаются в зоны конденсации этих труб, расположенные в полости 12 подогревателя 1, отделенной от полости 11 герметичной перегородкой 10 его корпуса 9, где отдают свое тепло, проходящему через нее природному газу, охлаждаются и конденсируются на внутренних стенках труб 8. При этом образовавшийся конденсат под действием сил тяжести возвращается в зоны испарения труб 8 и процесс повторяется.

Требуемое потребителю значение давления газа в газопроводе 7 поддерживает регулятор 26, который по управляющему сигналу, поступающему к нему по импульсной линии 27 от датчика давления 28 осуществляет изменение степени открытия связанного с ним клапана 25: при увеличении давления от заданного значения уменьшает ее, при снижении увеличивает.

Развиваемая турбиной 3 мощность передается связанному с ней потребителю 4. При этом в случае использования в качестве такового генератора тока, частота вращения последнего, а значит и частота тока поддерживается электрической сетью, к которой он подключен (на чертеже не показано), для чего ее мощность должна существенно (в 10 и более раз) превышать мощность генератора, что обычно для утилизационных установок такого типа. В противном случае требуется наличие тиристорного преобразователя частоты тока или планетарного редуктора постоянной частоты вращения (см. например, книгу В.В. Маслова "Утилизация теплоты судовых дизелей", М. "Транспорт", 1990 г. стр. 110-112), что на практике встречается крайне редко.

Формула изобретения

Установка утилизации энергии сжатого природного газа преимущественно для газораспределительных станций и пунктов системы газоснабжения, содержащая подогреватель и турбину (детандер), связанную с потребителем ее мощности, последовательно устанолвленные по ходу газа в трубопроводе, соединяющем между собой газопроводы высокого и низкого давлений, отличающаяся тем, что подогреватель снабжен топкой, горелка которой подключена к газопроводу низкого давления трубопроводом с регулирующим клапаном, связанным с регулятором, соединенным импульсной линией с датчиком температуры, размещенным в газопроводе низкого давления, его теплообменная поверхность выполнена из тепловых труб, например двухфазных термосифонов, а корпус разделен горизонтальной герметичной перегородкой на две полости, причем в нижней полости размещены зоны испарения тепловых труб, ее входной патрубок подключен к топке, а выходной к дымовой трубе, при этом зоны конденсации тепловых труб расположены в верхней полости теплообменника, которая встроена с трубопровод, соединяющий газопроводы высокого и низкого давлений.

РИСУНКИ

Рисунок 1