Способ регулируемого бесподогревного редуцирования магистрального природного газа и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к средствам и способам транспортировки и использования природного газа, а конкретно к редуцированию магистрального природного газа. Магистральный газ делят на два потока, один пропускают через узел плавного регулирования общего расхода газа 1 и направляют в устройство энергоразделения - теплообменник в виде трубы с раздельными входами для дозвукового и сверхзвукового потоков, газ из приемной камеры 10 поступает на редуцирующий орган устройства энергоразделителя, представляющий собой пучок сверхзвуковых каналов 4 со сверхзвуковыми соплами 3, в которых газ разгоняется до числа Маха М = 2 - 5, и диффузорами 6, в каналах газ редуцируется, а затем поступает к потребителю. Другая часть газа, отобранная до узла плавного регулирования, поступает в межтрубное пространство 5, а затем в аппарат утилизации холода, после чего поступает к потребителю. Теплообменник-труба имеет относительную длину калибров, в межтрубном пространстве газ охлаждается до температуры Т₀^ДОЗВ / Т₁^ДОЗВ = 1,05 - 1,2. Техническим результатом изобретения является обеспечение бесподогревного редуцирования магистрального природного газа. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к средствам транспортировки и использования природного газа, в частности к редуцированию магистрального природного газа.

Известны способы редуцирования природного газа из магистрали высокого давления (RU 2091682 C1, 1997), включающие охлаждение прямого потока природного газа, отделение выпавших при охлаждении кристаллогидратов и последующее дросселирование газа. Узел редуцирования природного газа, предназначенный для реализации способа, содержит фильтры, попеременно, присоединенные к потоку газа высокого давления.

Фильтры связаны дополнительными магистралями через запорную арматуру с каналами обратного потока.

Главным недостатком известного способа является его "нетехнологичность", необходимость реверсирования потока газа, что существенно усложняет эксплуатацию узла редуцирования.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ редуцирования природного газа (US 5582012, 1996, кл. F 25 B 9/02), в котором магистральный газ снижает свое давление в вихревой трубе, затем охлажденный поток после вихревой трубы проходит через теплообменник, в котором холод как-то утилизируется, и после теплообменника этот поток смешивается с нагретым потоком после вихревой трубы и подается потребителю.

Недостатками известного способа являются: - невозможность широкого регулирования диапазона расхода газа, т.к. при этом может нарушиться режим работы вихревой трубы; - охлажденный газ после вихревой трубы является также расширившимся, а это ограничивает возможности утилизации образующегося холода, например, для получения сжиженного газа.

Технический результат способа по изобретению - бесподогревное регулируемое редуцирование природного газа в пучке сверхзвуковых каналов теплообменника с отводом образующегося холода (охлажденного газа) из межтрубного пространства теплообменника - трубы.

Предметом изобретения является также устройство для бесподогревного регулируемого редуцирования магистрального газа.

Технический результат, достигаемый от использования данного устройства, заключается прежде всего в возможности осуществления способа бесподогревного регулируемого редуцирования природного газа на ГРС (газораспределительных станциях) с отводом и дальнейшей утилизацией образующегося холода либо с помощью части нерасширившегося газа, либо жидким теплоносителем.

Для достижения данного технического результата в способе регулируемого бесподогревного редуцирования природного газа, включающем расширение газа при энергоразделении в устройстве энергоразделения (теплообменник) и отвод образующегося холода (охлажденного газа) на утилизацию (в частности, на сжижение), одну часть газа после узла плавного регулирования расхода газа подают в приемную камеру и пропускают через редуцирующий орган устройства энергоразделения - теплообменник в виде трубы с относительной длиной калибров, имеющий раздельные входы для дозвукового и сверхзвукового потоков газа, представляющий собой пучок сверхзвуковых каналов с профилированными соплами, в которых газ разгоняют до числа Маха M=2-5, и диффузорами, газ редуцируется за счет трения, теплообмена и скачков уплотнения и поступает к потребителю. Другую часть газа отбирают до узла регулирования 1 и по линии подачи 12 подают в межтрубное пространство пучка сверхзвуковых каналов теплообменника (см. чертеж).

В сверхзвуковых каналах газ нагревается, а в межтрубном пространстве газ охлаждается до температуры, определяемой отношением T₀^ДОЗВ/T₁^ДОЗВ = 1,05-1,2 (где T₀^ДОЗВ и T₁^ДОЗВ соответственно начальная и конечная температуры), затем охлажденный газ из межтрубного пространства поступает в систему утилизации холода (аппарат утилизации холода), например аппарат (установку) сжижения природного газа, после чего он смешивается с газом из сверхзвуковых каналов и подается к потребителю.

Для осуществления данного способа устройство для редуцирования магистрального природного газа, содержащее устройство для энергоразделения, аппарат утилизации холода 8 с линиями подвода и отвода газа 11,15, дополнительно снабжено узлом плавного регулирования расхода газа 1. Энергоразделительное устройство 16 представляет собой кожухотрубный теплообменник в виде трубы с относительной длиной калибров и имеет раздельные входы для дозвукового и сверхзвукового потоков газа, сам теплообменник имеет приемную камеру 10 для приема газа и редуцирующий орган, представляющий собой пучок сверхзвуковых каналов 4, при этом каждый канал начинается профилированных соплом 3 и заканчивается диффузором 6, расположенными на двух трубных досках 9 и 7, а все сопла или часть их имеют отсекающий клапан 2 для дискретного регулирования общего расхода редуцируемого газа.

Охлаждаемым агентом может быть либо природный газ, отбираемый до узла плавного регулирования расхода, либо жидкий теплоноситель в составе циркуляционного контура (например, антифриз).

На входе каждое сопло или часть их имеет отсекающий клапан для дискретного регулирования общего расхода редуцируемого газа.

Не известны другие технические решения, имеющие в совокупности признаки, сходные и идентичные с признаками заявляемого изобретения.

Сущность изобретения поясняется следующим. При сверхзвуковом течении природного газа в сверхзвуковом канале происходит его торможение за счет трения, теплообмена и скачков уплотнения, а также нагрев заторможенного газа (в диффузоре) за счет восстановления температуры в сверхзвуковом потоке. Проведенные испытания показали, что расход газа при этом хорошо регулируется изменением давления на входе в канал. Большие изменения расхода достигаются закрытием и открытием клапанов перед соплами. При числе Маха M<2 торможение происходит плохо, статическое давление в диффузоре достаточно велико и также мал эффект восстановления температуры. При M>5 слишком велико падение давления газа в скачках уплотнения, и эффективность работы устройства будет невысокой.

При сверхзвуковом течении природного газа в трубах теплообменника он одновременно нагревается за счет эффекта восстановления температуры в сверхзвуковом потоке (фактически за счет отвода тепла из межтрубного пространства) и охлаждается за счет эффекта Джоуля-Томсона.

Отношение входной и выходной температур газа в межтрубном пространстве T₀^ДОЗВ/T₁^ДОЗВ (где T₀^ДОЗВ и T₁^ДОЗВ - начальная (входная) и конечная (выходная) температуры в межтрубном пространстве) определяется количеством тепла, отводимого в пучок сверхзвуковых каналов и величиной потери давления, которое обычно невелико.

При T₀^ДОЗВ/T₁^ДОЗВ < 1,05 резко уменьшается эффективность работы устройствa по утилизации образующегося холода (например, устройство по сжижению природного газа), при T₀^ДОЗВ/T₁^ДОЗВ > 1,2 капли конденсата появляются в потоке и также затрудняют работу устройства по утилизации образующегося холода.

При использовании жидкого теплоносителя отношение водяных эквивалентов газа и жидкости (G_ГАЗ·C_р/G_ЖТ·C_р, где G_ГАЗ - масса компонента газа (массовый расход), G_ЖТ - масса жидкого компонента (массовый расход), C_р - теплоемкость при постоянном давлении), а также отношение входной и выходной температуры жидкости T_0ЖТ/T_1ЖТ определяются теплоемкостью жидкого теплоносителя и его расходом (T_0ЖТ и T_1ЖТ - начальная и конечная температуры теплоносителя жидкого).

При отношении G_ГАЗ·C_р/G_ЖТ·C_р <0,7 слишком малы перепады температур и затруднен дальнейший съем холода, при G_ГАЗ/G_ЖТ>1,1 увеличиваются тепловые потери при перекачке жидкого теплоносителя.

При T_0ЖТ/T_1ЖТ <1,05 слишком велика мощность на прокачку жидкого теплоносителя, при T_0ЖТ/T_1ЖТ> 1,2 слишком велики тепловые потери в окружающую среду при прокачке жидкого теплоносителя.

На чертеже представлена схема устройства по изобретению.

Данное устройство содержит узел плавного регулирования общего расхода газа 1 после ГРС, кожухотрубный теплообменник 16 в виде трубы с раздельными входами дозвукового и сверхзвукового потоков газа (дозвуковой поток поступает по линии 12, сверхзвуковой поток газа поступает по линии 13), содержащий приемную камеру 10, в которой установлена трубная доска 9, на которой размещен пучок сверхзвуковых каналов 4, начинающихся соплами 3 и заканчивающихся диффузорами 6, расположенными на трубной доске 7; межтрубное пространство 5 сопла имеет отсекающие клапаны 2.

Теплообменник (устройство энергоразделения) соединен линией отвода 11 с аппаратом утилизации холода 8 (системой утилизации).

Устройство имеет линии подвода газа 12 и 13 к теплообменнику, линии отвода 14 и 15 газа к потребителю.

Устройство работает следующим способом.

Природный газ из магистрального газопровода поступает в узел плавного регулирования расхода газа 1, который настраивается по требуемому расходу и давлению газа, идущего к потребителю. Затем газ по линии 13 поступает в приемную камеру 10, содержащую трубную доску 9 с профилированными соплами 3 сверхзвуковых каналов 4, где с помощью профилированных сопел он разгоняется до сверхзвуковой скорости, нагревается, проходит систему скачков, один прямой скачок или бесскачковый диффузор (скорость газа в сверхзвуковом канале может снизиться и плавно без скачков), и после диффузоров 6 поступает в линию 14 потребителей газа. В межтрубное пространство 5 газ отбирается по линии 12 из магистрального трубопровода до регулирующего узла 1, и на выходе из межтрубного пространства захоложенный газ по линии 11 проходит через устройство утилизации холода (например, систему сжижения природного газа, после которой часть газа в жидком виде отводится из системы) 8, после чего по линии 15 вместе с газом из сверхзвуковых каналов поступает к потребителю по линии 14.

При относительной длине дозвукового канала слишком мала поверхность теплообмена, при увеличение теплообмена не происходит из-за снижения температурного перепада на стенке внутренних труб, и, кроме того, увеличиваются потери в окружающую среду.

При расширении природного газа в сверхзвуковых каналах 4 большое влияние на изменение температуры газа (при сохранении энтальпии) оказывает эффект Джоуля-Томсона. Рассчитать его и учесть влияние на изменение температуры можно по формуле температурного эффекта ΔT = μ·ΔP, где ΔP- падение давления, ΔT- падение температуры, μ- коэффициент Джоуля-Томсона. Его значение связано температурным коэффициентом объемного расширения (β) и теплоемкостью газа при постоянном давлении (C_р) соотношением μ = V·(β·T-1)/Ср, где V - объем, T - температура.

Для природного газа в широком диапазоне давлений и температур значение μ>0. Пример 1 Рассмотрим газораспределительную станцию (ГРС), в которую поступает газ из магистрального газопровода с расходом 10000 нм³/ч, с начальной (входной) температурой T₀= 273 K и начальным (входным) давлением P₀ = 4,5МПа; к потребителю газ поступает с давлением 0,3 МПа.

Из межтрубного пространства 5 энергоразделительного устройства отбирается 20% поступающего на ГРС газа с температурой 248 K и давлением 4,3 МПа, на выходе из сверхзвуковых каналов температура 265 K.

Число Маха на выходе из сверхзвуковых сопел M=4, T₀^ДОЗВ/T₁^ДОЗВ = 1,06. Параметр используемого теплообменника, служащего для энергоразделения, Устройство 8 - система сжижения газа с коэффициентом сжижения 0,1 (выход сжиженного газа 140 кг/ч). Общий расход газа после ГРС - 9800 нм³/ч с температурой 265 K и давлением 0,3 МПа.

Формула изобретения

1. Способ регулируемого бесподогревного редуцирования магистрального природного газа, включающий расширение газа при его энергоразделении и отвод образующего холода на утилизацию, отличающийся тем, что газ делят на две части, одну часть пропускают через узел плавного регулирования расхода газа и подают на редуцирующий орган кожухотрубного теплообменника в виде трубы с раздельными входами для дозвуковых и сверхзвуковых потоков газа, редуцирующий орган представляет собой пучок сверхзвуковых каналов с профилированными сверхзвуковыми соплами, в которых газ разгоняется до числа Маха М = 2 - 5, и диффузорами, где газ редуцируется за счет трения, теплообмена и скачков уплотнения, а затем поступает потребителю, другую часть магистрального газа, отобранную до узла плавного регулирования расхода газа, подают в межтрубное пространство сверхзвуковых каналов редуцирующего органа, причем в сверхзвуковых каналах газ нагревается, а в межтрубном пространстве сверхзвуковых каналов газ охлаждается до температуры, определяемой отношением T₀^ДОЗВ/T₁^ДОЗВ = 1,05 - 1,2, где T₀^ДОЗВ и T₁^ДОЗВ - соответственно начальная и конечная температуры, затем нерасширившийся охлажденный газ из межтрубного пространства подают в систему (аппарат) утилизации холода, после чего его смешивают с газом из сверхзвуковых каналов и подают потребителю.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в межтрубное пространство сверхзвуковых каналов для отвода холода подают жидкий теплоноситель при отношении входной и выходной температур теплоносителя T_0ЖТ/T_1ТЖ = 1,05 - 1,2, где T_0ЖТ и T_1ТЖ соответственно входная и выходная температуры жидкого теплоносителя.

3. Устройство для регулируемого бесподогревного редуцирования магистрального природного газа, содержащее устройство энергоразделения, аппарат для утилизации образующегося холода и линии подвода и отвода газа, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено узлом плавного регулирования общего расхода газа, соединенного линией подачи газа с энергоразделительным устройством, представляющим собой кожухотрубный теплообменник в виде трубы с относительной длиной калибров и имеющий раздельные входы дозвукового и сверхзвукового потоков газа, линию отвода газа к потребителю и линию подачи газа в аппарат утилизации холода из теплообменника, сам теплообменник имеет приемную камеру для приема газа и редуцирующий орган, выполненный в виде пучка сверхзвуковых каналов, при этом каждый канал начинается профилированным соплом и заканчивается диффузором, расположенным на двух трубных досках, а каждое сопло или часть их имеют отсекающий клапан для дискретного регулирования общего расхода редуцируемого газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1