Способ экологически безопасного использования холода, образующегося при расширении природного газа в детандере с отводом механической энергии, и система для реализации способа

Группа изобретений относится к области теплоэнергетики и предназначена для применения в средствах использования холода природного газа на выходе из детандера для экологически безопасного охлаждения воздуха в камерах холодильника. Способ использования холода, образующегося при расширении природного газа в, по меньшей мере, одном детандере, с отводом механической энергии включает пропускание охладившегося газа перед подачей потребителю через, по меньшей мере, один теплообменник с охлаждением в этом теплообменнике промежуточного пожаро-взрывобезопасного жидкого хладагента. Теплообменник выполнен с прямым контактом сред. Охлаждение воздуха в холодильной камере осуществляют путем пропускания через теплообменник холодильника охлажденного жидкого хладагента, который возвращают обратно в теплообменник для охлаждения его природным газом. Унос жидкого хладагента компенсируют природным газом путем подачи жидкого хладагента в контур его циркуляции при снижении уровня жидкого хладагента в теплообменнике. Система для использования холода, образующегося при расширении природного газа с отводом механической энергии, содержит, по меньшей мере, один детандер с устройством для приема механической энергии, соединенный с источником природного газа высокого давления, теплообменник для охлаждения жидкого хладагента, по меньшей мере, одну камеру холодильника с теплообменником и аккумулирующую емкость для жидкого хладагента с устройством контроля уровня жидкого хладагента, подсоединенную к трубопроводу, соединяющему выход по жидкому хладагенту теплообменника для охлаждения жидкого хладагента с, по меньшей мере, одним теплообменником камеры холодильника. Емкость выполнена с возможностью соединения с хранилищем жидкого хладагента и через клапан для сброса газа - с атмосферой при поступлении на клапан сигнала от устройства контроля уровня жидкого хладагента. Использование изобретения позволит обеспечить эффективность, экологичность и взрывобезопасность утилизации холода. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники

Группа изобретений относится к области теплоэнергетики и предназначена для применения в средствах использования холода природного газа на выходе из детандера для экологически безопасного охлаждения воздуха в камерах холодильника для хранения продуктов питания и других целей.

Уровень техники.

В известных способах и системах охлаждения воздуха в холодильных камерах используются экологически опасные хладагенты, такие как фреон, аммиак и другие. В настоящее время разработаны новые менее опасные хладагенты и способы для этих целей.

Одним из направлений решения этой проблемы является применение в качестве хладагента природного газа, который охлаждается при расширении в детандере с отводом механической энергии, например, на привод электрогенератора.

Способы и техника выработки электроэнергии и «холода» с помощью детандеров освещены в ряде публикаций и патентов. Например, в книге «Энергосберегающие турбодетандерные установки», издательство «Недра», 1999 г., автор - Степанец А.А., в статье Аксенова Д.Т. «Выработка электрической энергии и «холода» без сжигания топлива», журнал «Энергосбережение», №3, 2003 г. и др. публикациях, а также в патенте РФ №2098713, кл. F 16 H 41/00,1996 г.

Наиболее близким к предложенному является способ использования холода, образующегося при расширении природного газа в детандере с отводом механической энергии для его реализации по патенту РФ №2098713.

В имеющихся решениях охлажденный природный газ в детандере поступает в теплообменники, размещенные в камерах холодильника (воздухоохладители), где газ передает свой холод воздуху, а затем подогретый таким образом газ поступает в трубопровод подачи газа потребителям.

При этом проблемой является то, что газ является пожаро- и взрывоопасным агентом и при его применении необходимо реализовать ряд организационных и других мер, которые регламентируются правилами и нормами для опасных объектов. Такие холодильники рационально применять для долговременного (стратегического) хранения продуктов питания, так как в этом случае возможно организовать для его обслуживания персонал, подготовленный для работы на газоопасных объектах. Однако большая доля холодильного парка используется для оперативной закладки и изъятия продуктов питания с короткими сроками их хранения исходя из условий их рыночной реализации. В таких случаях отдельные камеры или группы камер сдают в аренду пользователям, которым требуется доступ в камеры в любое время и с любой частотой тем персоналом, которым они располагают, т.е. не аттестованным на опасных объектах. Это обстоятельство поставило техническую проблему по приданию холодильнику свойства безопасности при использовании в нем холода природного газа, образующегося при его расширении в детандерах. До настоящего времени такая проблема не возникала, а потому и не решалась. Обусловлено это новизной данного направления комплексного использования энергии избыточного давления газа при его подготовке и подачи потребителям.

Сущность изобретения.

Задачей изобретения является создание технического решения, обеспечивающего эффективность, экологичность и пожаро- и взрывобезопасность технологии приема холода, образующегося при расширении природного газа в детандерах при выработке электрической энергии и передаче этого холода воздуху камер холодильника.

При этом способ, применяемый в этой технологии, должен осуществляться с помощью известных процессов и оборудования серийного производства, а используемые устройства должны быть усовершенствованными с применением унифицированных элементов этого оборудования.

Задача изобретения решается тем, что в новой технологии используется экологически и пожаро-, взрывобезопасный жидкий промежуточный (между холодным газом после детандеров и охлаждаемым воздухом в камерах холодильника) хладагент, например один из водных растворов полипропиленгликоля, этиленгликоля и т.п.

Технический результат достигается тем, что в способе использования холода, образующегося при расширении природного газа в, по меньшей мере, одном детандере, с отводом механической энергии путем пропускания охладившегося газа перед подачей потребителю через, по меньшей мере, один теплообменник с повышением при этом температуры газа и охлаждения воздуха в, по меньшей мере, одной холодильной камере, согласно изобретению при пропускании охладившегося газа через теплообменник осуществляют охлаждение в этом теплообменнике промежуточного экологически и пожаро- и взрывобезопасного жидкого хладагента, а охлаждение воздуха в холодильной камере осуществляют путем пропускания через теплообменник холодильника охлажденного жидкого хладагента, который возвращают обратно в теплообменник для охлаждения его природным газом.

При этом могут использовать как теплообменник для охлаждения жидкого хладагента природным газом, так и теплообменник для охлаждения воздуха жидким хладагентом с герметичными разделяющими среды стенками или с прямым контактом сред.

При использовании теплообменников для охлаждения жидкого хладагента природным газом и для охлаждения воздуха жидким хладагентом с прямым контактом сред предпочтительно использовать жидкий хладагент, который при рабочих давлениях и температурах не вступает в химические реакции с природным газом и не насыщается природным газом.

При использовании теплообменника для охлаждения жидкого хладагента природным газом с прямым контактом сред желательно компенсировать унос жидкого хладагента природным газом путем подачи жидкого хладагента в контур его циркуляции при снижении уровня жидкого хладагента в теплообменнике, а также осуществлять дегазацию жидкого хладагента путем пропускания его через расширительную емкость перед входом в теплообменник.

При подключении одного или группы детандеров параллельно действующей газовой редуцирующей станции (ГРС) величину потока природного газа при изменении режима работы холодильника регулируют путем изменения мощности детандера, если он один, или изменением числа работающих детандеров, или путем комбинации этих способов.

Целесообразно поддерживать неизменным давление газа, подаваемого потребителю, путем изменения числа включенных линий редуцирования на ГРС.

При использовании более одной камер холодильника в теплообменники, по меньшей мере, части из них пропускают охлажденный жидкий хладагент последовательно с обеспечением различного уровня температуры в камерах холодильника и с соблюдением условия, что температура на выходе последнего теплообменника превышает температуру охлажденного природного газа на выходе из теплообменника, в котором он охлаждается.

Технический результат также достигается тем, что система для использования холода, образующегося при расширении природного газа с отводом механической энергии, содержащая, по меньшей мере, один детандер с устройством для приема механической энергии, соединенный с источником природного газа высокого давления, и, по меньшей мере, одна камера холодильника с теплообменником согласно изобретению снабжена теплообменником для охлаждения жидкого хладагента, вход которого по газу соединен трубопроводом с выходом, по меньшей мере, одного детандера, выход по газу - с трубопроводом подачи газа потребителю, выход по жидкому хладагенту - с насосом, который соединен с входом, по меньшей мере, одного теплообменника камеры холодильника, выход которого соединен трубопроводом с входом по жидкому хладагенту теплообменника для охлаждения жидкого хладагента.

Теплообменник для охлаждения жидкого хладагента и теплообменник камеры холодильника могут представлять собой либо теплообменник с герметичными разделяющими среды стенками, либо теплообменник с прямым контактом сред.

Система может быть снабжена аккумулирующей емкостью для жидкого хладагента с устройством контроля уровня жидкого хладагента, подсоединенной к трубопроводу, соединяющему выход по жидкому хладагенту теплообменника для охлаждения жидкого хладагента с, по меньшей мере, одним теплообменником камеры холодильника, и выполненной с возможностью соединения с хранилищем жидкого хладагента и через клапан для сброса газа - с атмосферой при поступлении на клапан сигнала от устройства контроля уровня жидкого хладагента.

Система может также быть снабжена расширительной емкостью, установленной на входе по жидкому хладагенту теплообменника для охлаждения жидкого хладагента и снабженной устройством контроля уровня жидкого хладагента и клапаном для сброса газа, выполненным с возможностью соединения расширительной емкости с атмосферой при поступлении на него сигнала от устройства контроля уровня жидкого хладагента

Теплообменник для охлаждения жидкого хладагента с прямым контактом сред выполнен в виде корпуса, в верхней части которого размещены разбрызгивающие сопла для подачи жидкого хладагента, в нижней его части расположена ванна для сбора охлажденного жидкого хладагента, соединенная с насосом, над ванной размещено средство ввода охлажденного природного газа, а верхней части корпус имеет выходное отверстие для подогретого природного газа и установленный перед ним каплеуловитель для уменьшения уноса жидкого хладагента.

Теплообменник камеры холодильника с прямым контактом сред выполнен в виде корпуса, в верхней части которого размещены разбрызгивающие сопла для подачи охлажденного жидкого хладагента, в нижней его части расположена ванна для сбора нагретого жидкого хладагента, соединенная с насосом, над ванной размещено средство ввода подогретого воздуха, соединенное с компрессором и с улавливателем молекул воды, а верхней части корпус имеет выходное отверстие для охлажденного воздуха и установленный перед ним каплеуловитель для уменьшения уноса жидкого хладагента.

Система снабжена датчиками давления и температуры газа, установленными на трубопроводе подачи газа потребителю, и, по меньшей мере, одним датчиком температуры воздуха в камере холодильника, связанными с блоком согласования операций (БСО), один или группа детандеров подключены параллельно действующей газовой редуцирующей станции (ГРС), БСО выполнен с возможностью изменения мощности детандера или детандеров или изменения числа работающих детандеров, а также изменения числа подключенных линий редуцирования ГРС при отклонении значений параметров, измеряемых указанными датчиками, от заданных значений.

По меньшей мере, один датчик температуры воздуха в камере холодильника связан с управляемыми запорными органами с возможностью регулирования подачи охлажденного жидкого хладагента в теплообменник камеры холодильника и/или подачи охлажденного воздуха в камеру холодильника при отклонении температуры воздуха в камере холодильника от заданного значения.

Заданный температурный режим в камерах холодильника поддерживается и регулируется за счет изменения температуры и количества жидкого хладагента, который пропускают через воздухоохладители. Изменение этих показателей по жидкому хладагенту обуславливает изменение режима работы теплообменника, в котором он охлаждается газом после детандера. Изменение температуры газа, который пропускают через газожидкостный теплообменник, регулируют изменением степени расширения газа в детандере, а количество газа, которое пропускают через этот теплообменник, регулируют с помощью управляемого системой автоматики запорно-регулирующего органа, установленного на его входе.

Из этого следует, что режимы работы системы хладоснабжения холодильника и детандеров взаимосвязаны и взаимно обуславливают действия системы их регулирования. Кроме того, режимы работы детандеров и ГРС также взаимосвязаны и они должны автоматически изменяться таким образом, чтобы давление и температура газа в трубопроводе подачи его потребителям поддерживались в заданных пределах. Например, при включении дополнительного детандера или с увеличением его мощности на ГРС должны быть выведено из работы одна или несколько редуцирующих «ниток» (линий редуцирования).

При работе энерго-холодильного комплекса на ГРС должны четко и взаимообусловлено изменяться переменные во времени режимы работы системы подачи газа к ГРС, системы потребления газа, системы хладоснабжения холодильника, детандерно-генераторного энергоблока, газоредуцирующих узлов ГРС и внешней электросети, в которую он передает электроэнергию.

Свойство заявленной системы состоит в безусловном поддержании параметров газа, подаваемого потребителям в заданных пределах, независимо от любых изменений в газовой, холодильной системах и во внешней электросети, и это свойство должна обеспечить САУ. Задача эта решается тем, что в трубопроводе подачи газа потребителям устанавливают датчики давления и температуры газа, которые при отклонении указанных параметров формируют импульсы, которые преобразуются в программном блоке в новые импульсы, которые воздействуют на систему управления детандерно-генераторного блока и систему управления редуцирующих узлов ГРС, при одновременном требуемом хладоснабжении холодильника независимо от изменения параметров газа, подаваемого в ГРС. Кроме того, в задачу программного блока входит выполнение операции по выбору числа и конкретных номеров как детандерно-генераторных агрегатов, так и редуцирующих узлов ГРС, которые необходимо ввести или вывести из работы. Это обусловлено тем, что, как правило, некоторые из них находятся в ремонтно-профилактическом обслуживании.

Краткое описание чертежей

Группа изобретений представляется чертежами, где:

фиг.1 - функциональная схема заявленной системы - газовый энергохолодильный комплекс (ЭХК);

фиг.2 - функциональная схема системы охлаждения воздуха камеры холодильника жидким хладагентом;

фиг.3 - функциональная блок-схема системы автоматического управления (САУ) газового энергохолодильного комплекса.

На фиг.1 представлена схема заявленной системы - газового энергохолодильного комплекса, включая и систему хладоснабжения, реализующего предлагаемый способ, показывающего взаимосвязи его компонентов между собой и с ГРС. Как видно, этот комплекс включает ГРС 100, энергоблок 101 с детандерно-генераторными агрегатами, холодильник 102 и систему хладоснабжения камер холодильника. Все эти объекты связаны одним газовым потоком. Каждый объект, составляющий энерго-холодильный комплекс, производит свой положительный эффект:

- ГРС 100 - регулирует процесс редуцирования газа при совместной работе с энергоблоком;

- Энергоблок 101 вырабатывает электроэнергию и холод;

- Холодильник 102 осуществляет охлажденное хранение продуктов питания;

- Система хладоснабжения 103 осуществляет отбор холода от газа после детандера и передает его воздуху камер холодильника;

- Система автоматического управления (САУ) обеспечивает согласованное во времени функционирование технологических процессов, совершающихся в объектах комплекса исходя из условия подачи газа потребителям с заданными параметрами и требуемого хладоснабжения холодильника.

ГРС 100 и энергоблок 101 подключаются параллельно к внешнему источнику газа высокого давления и к трубопроводу подачи газа потребителям. Холодный газ после детандеров (при их параллельном подключении) поступает в коллектор, из которого газ поступает в систему хладоснабжения, которая обеспечивает прием холода от газа и передачу его воздуху в его камерах.

Таким образом, система, реализующая способ, представляет собой блок отбора холода от газа и передачи его жидкому промежуточному хладоагенту и взаимосвязанную с ним циркуляционную систему с насосной установкой, которая доставляет жидкий хладагент в теплообменники (воздухоохладители) камер холодильника для передачи принесенного холода воздуху и затем осуществляет возврат жидкого хладагента вновь в теплообменник для отбора холода от газа. Эта система показана на фиг. 1 вместе с энергоблоком и ГРС.

Блок отбора холода от газа устроен следующим образом: к выходу газа из детандера или к коллектору 1 трубопроводом, оборудованным запорно-регулирующим органом 2, подсоединен теплообменник 3 для охлаждения жидкого хладагента, выход которого трубопроводом, оборудованным запорным органом 4, соединен с трубопроводом 5 отвода газа потребителям при закрытом запорном органе 6. Количество газа, которое необходимо пропускать через теплообменник 3, зависит от хладопотребления холодильника и регулируется с помощью управляемого запорно-регулирующего органа 2. С этим блоком взаимодействует циркуляционная система хладоснабжения холодильника через теплообменник 3. В этот теплообменник 3 по трубопроводу, оборудованному запорно-регулирующим органом 7, поступает подогретый в воздухоохладителях промежуточный жидкий хладагент. Количество жидкого хладагента, которое необходимо пропускать через теплообменник, регулируется с помощью управляемого органа 7. После его охлаждения в теплообменнике 3 его по трубопроводу, оборудованному запорным органом 8, забирают насосом 9 и подают в коллектор 10 холодильника. Из коллектора 10 жидкий хладагент через запорно-регулирующие устройства 11 поступает в теплообменники 12 камер 13 холодильника, где он отдает принесенный от газа холод воздуху. Затем подогретый в теплообменниках 12 жидкий хладагент отводится в коллектор 14 и далее по трубопроводу, оборудованному запорным органом 15, при закрытом запорном органе 16, подается через управляемый запорно-регулирующий орган 7 вновь в теплообменник 3 для отбора холода от газа. При этом разность температур между газом и жидким хладагентом на входе и выходе теплообменника 3 регулируется изменением соотношения количества сред, которые проходят через него.

Необходимая разность температур между газом на входе в теплообменник 3 и воздухом в камере 13 холодильника определяется путем суммирования заданных перепадов температур в теплообменниках 3 и 12 между теплопередающими средами и потери температурного напора в соединяющем их трубопроводе. Абсолютная же величина температуры газа на входе его в теплообменник 3 определяется путем суммирования заданной температуры воздуха в камере 13 холодильника с указанной разностью температур, то есть с потерей температурного напора в теплообменниках и трубопроводе. Требуемый уровень этой температуры газа обеспечивается за счет регулирования степени расширения газа в детандерах. Величина потока холодного газа, подаваемого в теплообменник 3, регулируется изменением мощности детандера (если он один) или изменением числа включенных в работу детандеров. А величина потока жидкого хладагента, подаваемого в этот же теплообменник 3, регулируется с помощью управляемого запорно-регулирующего органа 7 исходя из условия требуемого хладопотребления холодильника 102.

Система хладоснабжения предусматривает максимально возможное использование температурного напора жидкого хладагента. С этой целью он подается сначала в первую группу теплообменников 12 для поддержания в камерах 13, где они размещены, наиболее низкой температуры воздуха. Для этого к коллектору 10 присоединены не все теплообменники 12, а только их часть - половина, а остальные подсоединены к коллектору 17 и коллектору 14. Жидкий хладагент через управляемые запорно-регулирующие органы 11 в требуемом по режиму работы камеры 13 количестве подается в теплообменники 12 и, пройдя их, поступает в коллектор 14, а затем из этого коллектора 14 через управляемые запорно-регулирующие органы 18 (при открытых запорно-регулирующих органах 18а) поступает в коллектор 17 и далее (при открытом запорном органе 16 и закрытом запорном органе 15) поступает по трубопроводу через запорно-регулирующий орган 7 в теплообменник 3. При этом запорный орган 19 на трубопроводе, соединяющем коллекторы 10 и 17 закрыт. Такая схема трубопроводной обвязки для жидкого хладагента позволяет осуществить как указанное последовательное подключение групп воздухоохладителей - теплообменников 12, так и, при определенных условиях, их параллельное подключение с целью подачи в них жидкого хладагента с той температурой, с которой он поступает в коллектор 10. Уровень температуры воздуха в камере 13 холодильника в сторону ее повышения может регулироваться уменьшением подачи жидкого хладагента в воздухоохладители, уменьшением числа включенных воздухоохладителей, отключением одного или нескольких вентиляторов на воздухоохладителях и снижением скорости их вращения.

В теплообменнике 3 холод от газа к жидкому хладагенту может передаваться через герметичную разделительную стенку, а также путем непосредственного контакта теплообменивающихся сред. В этом случае к свойствам жидкого хладагента предъявляются следующие требования: он должен быть экологически и пожаро- и взрывобезопасным, не должен насыщаться газом, должен быть химически инертным к природному газу, должен длительное время сохранять физико-химические свойства при рабочем давлении и температуре. В системе с теплообменниками с разделительными стенками для охлаждения воздуха до заданной температуры требуется существенно больший температурный напор из-за неизбежных его потерь в указанных теплообменниках, то есть созданный холод используется недостаточно эффективно. В случае передачи холода путем прямого контакта теплообменивающихся сред потери температурного напора резко снижаются, и созданный холод используется с высокой эффективностью.

При применении контактного теплообменника неизбежен некоторый унос жидкого хладагента газовым потоком и в процессе работы необходимо подпитывать систему. Для этой цели предусматривается подключение аккумулирующей емкости 20 к трубопроводу на выходе жидкого хладагента из теплообменника 3 через управляемый запорный орган 21, который срабатывает при поступлении импульсов от устройства 22 контроля уровня жидкого хладагента в ванне теплообменника 3, в которую он сливается после охлаждения путем орошения встречного потока холодного газа после детандера. Аккумулирующая емкость 20 соединяется с хранилищем жидкого хладагента трубопроводом, оборудованным запорным органом 23. Кроме того, эта емкость 20 соединяется с коллектором газа 1 импульсной трубкой, оборудованной запорным органом 24 и с атмосферой через запорный орган 25.

При прямом контакте газа с жидким хладагентом возможно некоторое насыщение его газом. В связи с этим, для дегазации жидкого хладагента на входе его в теплообменник 3 его пропускают через расширительную емкость 26. В этой емкости поддерживается в заданном интервале уровень жидкого хладагента путем сброса газа дегазации через управляемый запорный орган 27, который срабатывает при поступлении импульсов от устройства 28 контроля уровня.

В случае превышения заданного давления жидкого хладагента после насоса 9 из-за несоответствия его подачи и расхода через теплообменники 12 осуществляется его перепуск на вход теплообменника 3 по трубопроводу с клапаном 29.

Контактный теплообменник 3 (фиг.2) представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд - корпус 30. В верхней части корпуса 30 имеется выход для газа, перед которым установлен каплеуловитель 31 традиционной конструкции для предотвращения уноса газом жидкого хладагента, а ниже каплеуловителя 31 установлено устройство 32 для разбрызгивания жидкого хладагента с целью орошения встречного потока холодного газа, который вводится через средство 33 в нижней части сосуда 30. К устройству 32 для разбрызгивания подогретый в камерах 13 холодильника жидкий хладагент подается через свой вход по каналам. В нижней части корпуса 30 сосуда имеется ванна для сбора охладившегося при контакте с газом жидкого хладагента, из которой он забирается насосом 9а и далее, как описано ранее, подается в коллектор 10 холодильника. В указанной ванне, как отмечалось, поддерживается в заданных пределах уровень жидкого хладагента. При этом вход газа размещается выше уровня жидкого хладагента в этой ванне.

В изобретении, как вариантное решение, предлагается применять контактный способ передачи холода от жидкого хладагента к воздуху камер 13 холодильника вместо использования воздухоохладителей традиционного типа, то есть теплообменников с герметичными стенками, разделяющими теплообменивающиеся среды. При этом так же, как и в описанном выше способе охлаждения жидкого хладагента холодным газом, охлаждение встречного вертикального потока воздуха осуществляется путем орошения его холодным жидким хладагентом в аналогичном теплообменнике 12, который также сливается в собирающую ванну, а из нее он с помощью насоса по трубопроводу возвращается в теплообменник 3 для охлаждения холодным газом после детандеров.

На фиг. 2 показана функциональная схема системы забора воздуха из камеры холодильника, его охлаждения в контактном теплообменнике жидким хладагентом и возврата холодного воздуха вновь в камеру холодильника.

Воздух из камеры холодильника 13 по каналу 34 откачивается компрессором 35, перед которым установлен уловитель 36 микрокристаллов молекулярной воды, выносимых с потоком воздуха из камеры 13 холодильника. Этот уловитель 36 представляет собой устройство, в котором имеются извилистые по ходу воздуха каналы, обеспечивающие многократное касание воздуха при его движении со стенками. Стенки этих каналов имеют температуру на несколько градусов ниже температуры воздуха, что обеспечивает прилипание к ним микрокристаллов молекулярной воды, то есть их улавливание. Такую температуру стенок каналов возможно обеспечить путем охлаждения их с помощью жидкого хладагента. Далее, «осушенный» таким образом воздух подается во вход контактного теплообменника 37, в котором он перемещается снизу вверх, орошается холодным жидким хладагентом и охлаждается. Холодный воздух через выход, перед которым установлен каплеуловитель 31, по каналу 38, оборудованному управляемым регулирующим органом 39, подается в камеру 13 холодильника. Циркуляцию воздуха в камере 13 обеспечивают традиционно вентиляторами.

В нижней части корпуса теплообменника 37 устроена ванна, в которой собирается разбрызгиваемый жидкий хладагент. Уровень его в этой ванне поддерживается в заданных пределах путем изменения подачи. Вход воздуха в контактный теплообменник 37 располагается выше указанного уровня. По существу этот теплообменник аналогичен теплообменнику, который описан выше при рассмотрении охлаждения жидкого хладагента холодным газом. Жидкий хладагент после подогрева при контакте с воздухом забирается из ванны насосом 9а и по трубопроводу подается в теплообменник 3 для охлаждения газом.

В системе хладоснабжения холодильника могут применяться любые комбинации указанных способов хладообмена между газом и жидким хладагентом.

Энергохолодильный комплекс состоит из нескольких объектов, объединенных единым потоком газа. Причем этот комплекс связан с газовой и внешней электрической системами, режимы работы которых существенно изменяются во времени (по сезонам, в течение каждого месяца, по неделям месяца и по часам в течение суток). Для обеспечения стабильной и эффективной работы такого сложного комплекса, имеющего в качестве главной цели - поддержание давления и температуры газа, подаваемого потребителям, в заданных пределах и гарантированное хладоснабжение холодильника, необходима система автоматического управления (САУ), которая способна согласованно и направленно воздействовать на определяющие процессы и характеристики объектов, объединенных в комплекс.

На фиг.3 представлена схема энергохолодильного комплекса и технология его управления. Как отмечалось, главной специфической целью этой системы является четкое поддержание параметров газа на выходе из энергохолодильного комплекса. Датчик 40 давления и датчик 41 температуры газа, подаваемого потребителю, а также датчик 42 температуры воздуха в камере 13 холодильника контролируют указанные параметры и при их отклонении за допустимые пределы они выдают свои импульсы в блок согласования операций (БСО) 43. В свою очередь БСО 43 по программе преобразует их в новые импульсы, которые воздействуют одновременно на режим работы энергоблока из детандерно-генераторных агрегатов 44 через их системы автоматики 45 и на режим работы ГРС. Этот блок производит направленный поиск вида воздействия (включить-выключить детандер и одновременно: выключить-включить «нитку» (линию редуцирования) на ГРС), выбор номера детандера и номера «нитки», которые находятся в работе или в резерве и, затем, подает команды на их соответствующее срабатывание.

«Нитка» соединяет коллектор 46 газа высокого давления с коллектором 47 газа низкого давления. Она представляет собой трубопровод, оборудованный двумя редуцирующими клапанами 48 и 49, один из которых является рабочим, а другой - резервным. Резервный клапан 48 всегда находится в открытом состоянии. Этот клапан 48 имеет мембранную управляющую головку. Если подать газ под давлением в эту головку, то клапан 48 закроется и «нитка» будет отключена. Для это цели на головку устанавливается два управляемых запорных органа 50 и 51. Один (поз.51) - для подачи сжатого газа в головку при команде на отключение «нитки», а другой (поз.50) - для сброса газа из нее при поступлении команды на открывание «нитки» с одновременным закрытием запорного органа 50. Газ в головки редуцирующих клапанов 48 или 49 подается от редуктора 52 при требуемом давлении. Здесь описан один из возможных вариантов исполнения редуцирующей «нитки».

При повышении температуры воздуха в камере 13 холодильника от датчика 42 температуры одновременно поступает импульс в БСО 43 и в блок 53 регулирования системы хладоснабжения холодильника. БСО 53 контролирует с помощью датчика 50 температуру жидкого хладагента на выходе из теплообменника 3, в котором он охлаждается холодным газом после детандеров 44, поступающим в него через управляемый запорно-регулирующий орган 2. Этот орган 2 изменяет подачу газа в теплообменник 3 по импульсу, который подается к нему от БСО 53 после преобразования в нем импульса от датчика 50 температуры. БСО 53 может по программе подавать импульсы на управление запорно-регулирующим органом 11, который регулирует подачу жидкого хладагента в теплообменник 12 и на управление перепускным органом 29.

Энергохолодильный комплекс с системой автоматики работает и регулируется следующим образом.

При работе ГРС газ от внешнего источника поступает в коллектор 46, а из него через редуцирующие «нитки» он поступает под сниженным давлением в коллектор 47, который соединен с трубопроводом подачи газа потребителям. На этом трубопроводе установлены датчики 36 давления и 37 температуры.

К коллектору 46 присоединен общий для всех детандерно-генераторных агрегатов коллектор 55, из которого газ поступает в детандеры и затем он выходит в коллектор низкого давления 1. Далее газ через открытый запорно-регулирующий орган 2 поступает в теплообменник 3, в котором он охлаждает жидкий промежуточный хладагент. Из этого теплообменника 3 газ по трубопроводу отводится в трубопровод 43 подачи газа потребителям.

Регулирование и управление газового комплекса по отклонениям показаний датчиков 36 и 37, как отмечалось, осуществляется с помощью импульсов от них, которые поступают в БСО 53, преобразуются в новые импульсы и подаются в системы автоматики управления детандерно-генераторных агрегатов 44 для изменения режимов работы энергоблока и ГРС.

В теплообменнике 3, через который проходит холодный газ из коллектора 1, встречным потоком проходит жидкий хладагент, охлаждается и затем подается в теплообменник 12 камеры 13 холодильника. На выходе из теплообменника 3 контролируется его температура с помощью датчика 50, а при ее отклонении от заданного значения подается импульс в БСО 53 на изменение прохода газа через орган 2 или подачи жидкого хладагента - через орган 11.

Температура воздуха в камере 13 холодильника контролируется датчиком 42. При ее отклонении от заданного значения он подает импульс в БСО 53, который преобразует его в новые импульсы и подает их на орган 11 для направленного воздействия на подачу жидкого хладагента в теплообменник 12 или на регулирование величины его перепуска через орган 29.

Приведенный выше материал дает основание заключить, что предложенное техническое решение в объеме двух изобретений (способ и система для его реализации) позволяет преодолеть ряд проблем, стоящих на пути повышения эффективности использования холода, образующегося при выработке электроэнергии детандерно-генераторными агрегатами за счет энергии технологических перепадов природного газа на ГРС для создания высокоэффективных экологически безопасных холодильников.

Промышленная применимость.

Настоящее изобретение может быть применено в системах газораспределения промышленно-жилищных центров, на компрессорных станциях магистральных газопроводов и на газовых промыслах.

1. Способ использования холода, образующегося при расширении природного газа в, по меньшей мере, одном детандере, с отводом механической энергии путем пропускания охладившегося газа перед подачей потребителю через, по меньшей мере, один теплообменник с повышением при этом температуры газа и охлаждения воздуха в, по меньшей мере, одной холодильной камере, отличающийся тем, что теплообменник выполнен с прямым контактом сред, при пропускании охладившегося газа через теплообменник осуществляют охлаждение в этом теплообменнике промежуточного пожаро-взрывобезопасного жидкого хладагента, а охлаждение воздуха в холодильной камере осуществляют путем пропускания через теплообменник холодильника охлажденного жидкого хладагента, который возвращают обратно в теплообменник для охлаждения его природным газом, при этом компенсируют унос жидкого хладагента природным газом путем подачи жидкого хладагента в контур его циркуляции при снижении уровня жидкого хладагента в теплообменнике.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют теплообменник для охлаждения воздуха жидким хладагентом с герметичными разделяющими среды стенками или с прямым контактом сред.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют жидкий хладагент, который при рабочих давлениях и температурах не вступает в химические реакции с природным газом и не насыщается природным газом.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что осуществляют дегазацию жидкого хладагента путем пропускания его через расширительную емкость перед входом в теплообменник.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что детандер или группу детандеров подключают параллельно действующей газовой редуцирующей станции (ГРС), при этом величину потока природного газа при изменении режима работы холодильника регулируют путем изменения мощности детандера, если он один, или изменением числа работающих детандеров, или путем комбинации этих способов.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что поддерживают неизменным давление газа, подаваемого потребителю, путем изменения числа включенных линий редуцирования на ГРС.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании более одной камер холодильника в теплообменники, по меньшей мере, части из них пропускают охлажденный жидкий хладагент последовательно с обеспечением различного уровня температуры в камерах холодильника и с соблюдением условия, что температура на выходе последнего теплообменника превышает температуру охлажденного природного газа на выходе из теплообменника.

8. Система для использования холода, образующегося при расширении природного газа с отводом механической энергии, содержащая, по меньшей мере, один детандер с устройством для приема механической энергии, соединенный с источником природного газа высокого давления, и, по меньшей мере, одну камеру холодильника с теплообменником, отличающаяся тем, что она снабжена теплообменником с прямым контактом сред для охлаждения жидкого хладагента, вход которого по газу соединен трубопроводом с выходом, по меньшей мере, одного детандера, выход по газу - с трубопроводом подачи газа потребителю, выход по жидкому хладагенту - с насосом, который соединен с входом, по меньшей мере, одного теплообменника камеры холодильника, выход которого соединен трубопроводом с входом по жидкому хладагенту теплообменника для охлаждения жидкого хладагента, а также аккумулирующей емкостью для жидкого хладагента с устройством контроля уровня жидкого хладагента, подсоединенной к трубопроводу, соединяющему выход по жидкому хладагенту теплообменника для охлаждения жидкого хладагента с, по меньшей мере, одним теплообменником камеры холодильника, и выполненной с возможностью соединения с хранилищем жидкого хладагента и через клапан для сброса газа - с атмосферой при поступлении на клапан сигнала от устройства контроля уровня жидкого хладагента.

9. Система по п.8, отличающаяся тем, что теплообменник камеры холодильника представляет собой теплообменник с герметичными разделяющими среды стенками.

10. Система по п.8, отличающаяся тем, что теплообменник камеры холодильника представляет собой теплообменник с прямым контактом сред.

11. Система по п.8, отличающаяся тем, что она снабжена расширительной емкостью, установленной на входе по жидкому хладагенту теплообменника для охлаждения жидкого хладагента и снабженной устройством контроля уровня жидкого хладагента и клапаном для сброса газа, выполненным с возможностью соединения расширительной емкости с атмосферой при поступлении на него сигнала от устройства контроля уровня жидкого хладагента.

12. Система по п.8, отличающаяся тем, что теплообменник для охлаждения жидкого хладагента выполнен в виде корпуса, в верхней части которого размещены разбрызгивающие сопла для подачи жидкого хладагента, в нижней его части расположена ванна для сбора охлажденного жидкого хладагента, соединенная с насосом, над ванной размещено средство ввода охлажденного природного газа, а верхней части корпус имеет выходное отверстие для подогретого природного газа и установленный перед ним каплеуловитель для уменьшения уноса жидкого хладагента.

13. Система по п.10, отличающаяся тем, что теплообменник камеры холодильника выполнен в виде корпуса, в верхней части которого размещены разбрызгивающие сопла для подачи охлажденного жидкого хладагента, в нижней его части расположена ванна для сбора нагретого жидкого хладагента, соединенная с насосом, над ванной размещено средство ввода подогретого воздуха, соединенное с компрессором и с улавливателем молекул воды, а в верхней части корпус имеет выходное отверстие для охлажденного воздуха и установленный перед ним каплеуловитель для уменьшения уноса жидкого хладагента.

14. Система по п.8, отличающаяся тем, что она снабжена датчиками давления и температуры газа, установленными на трубопроводе подачи газа потребителю, и, по меньшей мере, одним датчиком температуры воздуха в камере холодильника, связанными с блоком согласования операций (БСО), один или группа детандеров подключены параллельно действующей газовой редуцирующей станции (ГРС), БСО выполнен с возможностью изменения мощности детандера или детандеров или изменения числа работающих детандеров, а также изменения числа подключенных линий редуцирования ГРС при отклонении значений параметров, измеряемых указанными датчиками, от заданных значений.

15. Система по п.8, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один датчик температуры воздуха в камере холодильника связан с управляемыми запорными органами с возможностью регулирования подачи охлажденного жидкого хладагента в теплообменник камеры холодильника и/или подачи охлажденного воздуха в камеру холодильника при отклонении температуры воздуха в камере холодильника от заданного значения.