Способ подготовки и реализации газа под избыточным давлением

 

Сущность изобретения: компримирование газа предлагается осуществлять путем передавливания газа из предварительно заполненной газом компримирующей емкости рабочей жидкостью, подаваемой в нее под давлением, в накопительные емкости-аккумуляторы газа, осушку - путем улавливания конденсируемой из газа воды при его сжатии с помощью слоя рабочей жидкости, налитой предварительно в аккумуляторы газа. Причем плотность жидкости ниже плотности воды, а вязкость поддерживается в заданных пределах независимо от температуры окружающей среды. Реализация газа - отпуск газа в емкости потребителей - осуществляется на первом этапе также, как и при традиционной технологии: перепуском за счет перепада давлений в аккумуляторах газа и заправляемой емкости потребителя, а на втором этапе, когда давление в аккумуляторах приближается к наибольшему давлению в заправляемой емкости /20 МПа для автомобилей/, в аккумулирующие емкости, связанные в систему, поочередно закачивается рабочая жидкость, в результате чего давление в них повышается и продолжается заправка емкостей потребителей полного использования всего запасенного газа в аккумуляторах. Анализируется цикл: "накопление - затем реализация газа". 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Известны способы подготовки и реализации природного газа под избыточным давлением в качестве моторного топлива на транспорте, предусматривающие компримирование, охлаждение, осушку и накопление газа в аккумуляторах автомобильной газонаполнительной компрессорной станции (АГНКС), который затем передается в емкости потребителей (автомобилей) за счет перепада давлений при подсоединении их к аккумулятору. Максимальное давление в аккумуляторе поддерживается около 25 МПа, а давление заправки емкостей автомобилей 20 МПа. При этом объем аккумулятора используется меньше, чем на 20% а 80% газа является балластом и не участвует в процессе заправки автомобилей газом. В результате этого при интенсивной заправке автомобилей, например, на АГНКС-500 (500 заправок в сутки) одновременно включается до 4-х компрессоров, которые через 10-15 минут повышают давление газа в аккумуляторе газа с 20 МПа до 20 МПа и автоматически выключаются под нагрузкой, а через 4-5 минут после заправки нескольких автомобилей снова включаются и т.д. Число включений в час колеблется от 4 до 6. Это весьма отрицательно влияет на надежность всего комплекса, приводит к поломкам и большим ремонтным работам. В целях повышения эффективности АГНКС используют совместно с передвижными автомобильными газозаправщиками (ПАГЗ). На ПАГЗ смонтированы аккумуляторы (баллоны), которые заполняются газом из аккумуляторов АГНКС, а затем с помощью дожимной компрессорной установки дозаправляют до давления 32 МПа. При самой рациональной и усложненной технологии заправки автомобилей в аккумуляторах ПАГЗ остается до 50% "балластного" газа.

Как видно, применяемая технология недостаточно рациональна, технологическая структура сложна, а эффективность системы газоснабжения низкая. Практически все АГНКС являются убыточными и сдерживается внедрение экологически чистого топлива на транспорте.

Предлагаемый способ (технология) предусматривает подготовку и реализацию газа под избыточным давлением в результате компримирования газа путем его передавливания из предварительно заполненной от газопровода (источника) компримирующей емкости в накопительные (аккумулирующие) емкости за счет подачи в нее жидкости под давлением; осушку газа в аккумуляторах путем улавливания конденсирующейся из газа воды (под воздействием изменяющихся параметров состояния в процессе его компримирования) с помощью слоя жидкости, предварительно налитой в аккумулирующие емкости, имеющей плотность меньше плотности воды; реализацию газа, накопленного в аккумуляторах под заданным (25 МПа для автотракторной техники) избыточным давлением путем вытеснения его из аккумуляторов жидкостью, подаваемой в них под давлением, превышающем давление газа, передаваемого потребителям.

Новая технология позволяет осуществить непрерывный процесс компримирования газа без традиционных компрессоров до достижения наибольшего давления газа в аккумуляторах путем использования двух компримирующих емкостей. При этом вытесняющая жидкость под давлением попеременно перекачивается насосом из одной емкости в другую и наоборот, а каждая из компримирующих емкостей при цикле откачки жидкости сообщается через обратный клапан с источником газа низкого давления (газопроводом), а при цикле заполнения, также через обратный клапан, с аккумулирующими емкостями.

В качестве энергопривода может использоваться электродвигатель, ДВС, работающий на природном газе, и пневмодвигатель, использующий перепад на природном газе, и пневмодвигатель, использующий перепад давления газа на компрессорных станциях газопроводов и газораспределительных станциях (ГРС).

Для увеличения емкости аккумуляторов в конце цикла накопления газа в аккумуляторах одна из компримирующих емкостей соединяется с аккумуляторами и дозаправляется до максимального давления путем подачи в нее газа с помощью оставшейся компримирующей емкости.

Такой способ компримирования газа без компрессоров, с учетом длительности цикла передавливания газа из компримирующей емкости (3-10 и более минут) обеспечивает близкое к изотермическому сжатие газа. В результате, отсутствие компрессоров, системы охлаждения их цилиндров, антифриза и сжимаемого газа резко упрощает структуру установки, снижает ее стоимость и эксплуатационные затраты.

Предлагаемая технология предусматривает реализацию цикла "медленное накопление интенсивная реализация газа" под заданным давлением. В зависимости от конструктивных и рабочих параметров элементов, реализующих технологию, в сутки может совершаться несколько таких циклов. Применение указанного цикла резко (не менее, чем в 2 раза) снижает энергоемкость компримирования газа, так как противодавление (давление газа в аккумуляторах) газа, а значит и потребляемая мощность возрастают постепенно по мере накопления газа в аккумуляторах от давления газа в газопроводе до заданного. В традиционной технологии это противодавление постоянно и превышает 25 МПа. Кроме того, при этом цикле максимальная мощность снижается за счет увеличения времени заполнения аккумуляторов. Интенсивная отдача всего объема газа из аккумуляторов в емкости потребителей осуществляется при постоянном заданном избыточном давлении (20 МПа) путем его вытеснения из аккумуляторов жидкостью под давлением и этим полностью полезно используется весь геометрический объем аккумуляторов, а не 20% как при традиционной технологии. Это важно, так как стоимость аккумуляторов составляет значительную долю в стоимости газонаполнительной станции.

В традиционной технологии осушка газа осуществляется с помощью ад- или абсорбционных процессов, реализуемых в специальных системах. Это громоздкие и дорогостоящие сооружения. При их эксплуатации расходуются химреагенты и возникают затраты на их регенерацию и обслуживание системы.

В новой технологии осушка газа осуществляется в результате конденсации влаги (воды) или газа под воздействием высокого давления (32 МПа) при температуре окружающей среды (наружного воздуха) и улавливания сконденсированной воды слоем жидкости, предварительно залитой в аккумуляторы, плотность которой ниже плотности воды. Вода конденсируется, оседает на стенки сосудов и на поверхность жидкости, затем она попадает под слой этой жидкости и оказывается уловленной. При снижении газа в емкости без слоя указанной жидкости вода испаряется и газ вновь увлажняется, а при ее наличии вода оказывается отделенной от газа слоем жидкости с плотностью меньшей, чем плотность воды и вязкостью в пределах 6-12 сст, и потому она не испаряется при снижении давления, т. е. влажность газа остается такой, какая она была при наибольшем давлении и наименьшей температуре. С понижением температуры воздуха требуется более глубоко осушать газ как топливо для автомобилей с целью предотвращения гидрообразования и замерзания проходных сечений и аппаратуры. Предлагаемый способ термодинамической осушки с улавливанием сконденсированной воды автоматически повышает степень осушки газа при понижении температуры воздуха (окружающей среды). Применение этого способа осушки кардинально упрощает структуру и эксплуатацию установки, следовательно, повышает эффективность подготовки газового топлива.

Применение предлагаемой технологии подготовки и реализации сжатого газового топлива иллюстрируется схемой.

Трубопровод газа низкого давления 1 соединяется с установкой через соединительное устройство 2. Устройство 2 соединено с фильтром 3, который трубопроводами, оборудованными обратными клапанами, соединен с накопительными (аккумулирующими) емкостями 13 и компримирующими емкостями 14. К трубопроводу, присоединяющему последнюю накопительную емкость к установке, подключен раздаточный трубопровод 8 с гибкими шлангами 9 и емкостями потребителей 10, а также электроконтактный манометр 11 и предохранительный клапан 12. Каждая компримирующая и аккумулирующая емкости 13 и 14 трубопроводами соединена с гидрораспределителем 15, управляемым логическим блоком 16, который по принятой программе обеспечивает: 1) прием жидкости из запасной емкости 19 и закачку ее насосом 17 с двигателем 18 в любую компримирующую емкость; 2) перекачку жидкости из одной компримирующей емкости в другую и обратно; 3) подачу жидкости из компримирующей емкости в первую аккумулирующая емкость, а затем из нее в последующую, и так до последней аккумулирующей емкости.

Каждая емкость имеет датчики верхнего 21 и нижнего 20 уровней, которые дают импульсы на логический блок 16, который управляет гидрораспределителем 15, обеспечивающим требуемое по программе направление потока жидкости.

Установка подготовки и реализации газа под избыточным давлением по предлагаемой технологии работает следующим образом.

Газ из газопровода низкого давления 1 через подключающее устройство 2 поступает в фильтр 3, где очищается от механических примесей. Далее газ по трубопроводам с обратными клапанами поступает в компримирующие 14 и аккумулирующие емкости 13 и заполняет их до давления, равного давлению в газопроводе 1. При этом закрыты вентили на шлангах 9 раздачи газа в емкости потребителей 10. После этого включается двигатель 18 насоса 17, и по программе в логическом блоке 16 блок гидрораспределения подключает емкость 19 с жидкостью к насосу, и она поступает в одну из компримирующих емкостей. При наполнении первой компримирующей емкости жидкостью, газ из нее передавливается во все аккумулирующие емкости 13, давление в которых повышается против первоначального, равного давлению в газопроводе. При достижении жидкостью верхнего уровня срабатывает датчик 21, который дает импульс в логический блок 16 и блок гидроуправления 15 осуществляет переключение заполненной жидкостью компримирующей емкости на прием насоса и подачу ее во вторую компримирующую емкость, из которой (также, как и из первой) газ передавливается также во все аккумулирующие емкости. В результате в них происходит дальнейшее повышение давления газа, а опоражниваемая компримирующая емкость вновь заполняется газом низкого давления из газопровода 1. При достижении уровня жидкости в первой емкости нижнего, а во второй верхнего, происходит обратное переключение потока жидкости, то есть вторая емкость подключается на прием насоса, а первая на нагнетание жидкости. При этом во вторую компримирующую емкость поступает газ низкого давления из газопровода 1, а из первой емкости газ передавливается во все аккумулирующие емкости газа, и в них происходит дальнейшее повышение давления, и т.д. Возможно сжатие газа при использовании одной компримирующей емкости с прерывистым циклом работы насоса. При достижении заданного максимального давления заканчивается этап накопления сжатого газа. В это же время в аккумулирующих емкостях происходит осушка газа, так как при этом конденсируется вода из газа, которая улавливается, попадая под слой предварительно залитой рабочей жидкости в аккумулирующие емкости. Установка подготовлена к реализации газа. Реализация газа заполнение сосудов потребителей газа осуществляется в два этапа следующим образом.

На первом этапе при давлении газа в аккумуляторах, превышающем максимальное давление газа в емкостях потpебителей, их заполнение осуществляется путем перепуска газа по трубопроводу 8, гибкому шлангу 9 при открытом вентиле за счет перепада давлений. На втором этапе, когда давление в аккумуляторах приближается к максимальному давлению газа в емкостях потребителей, по импульсу от электроконтактного манометра 12 включается двигатель 18 насоса 17, а логический блок 16 и гидрораспределитель 15 подключают компримирующую емкость, заполненную жидкостью на прием насоса, а первую аккумулирующую емкость на нагнетание, и поток жидкости, заполняя эту емкость, выдавливает газ из нее в остальные емкости 13, которые отсечены от компримирующих емкостей обратным клапаном 7. В результате в них повышается давление и снова заполнение емкостей потребителей осуществляется перепуском газа за счет перепада давления, так же как и на первом этапе. При расходе газа давление в оставшихся аккумулирующих емкостях вновь снижается до давления, близкого к максимальному давлению заправки емкостей потребителей, электроконтактный манометр 12 вновь дает импульс. Происходит переключение в гидрораспределителе 15, включается насос и жидкость забирается из первой аккумулирующей емкости и подается во вторую аккумулирующую емкость. В результате вытеснения из нее газа во все остальные аккумулирующие емкости, в них повышается давление, а первая аккумулирующая емкость при этом заполняется газом низкого давления из газопровода 1. Вновь заполнение емкости 10 потребителей осуществляется перепуском газа за счет перепада давлений. Таким образом, путем последовательной перекачки жидкости из предыдущей в последующую аккумулирующую емкости реализуется весь объем накопленного газа в аккумуляторах под заданным избыточным давлением (для автотракторной техники 20 МПа). Из последней аккумулирующей емкости жидкость сливается в емкость 19, где осуществляется отделение вытесненной воды от рабочей жидкости и ее последующий слив. На этом заканчивается полный цикл "медленное накопление интенсивная реализация газа". Установка вновь подготовлена к совершению такого цикла. Время накопления газа зависит от производительности насоса 18 в газопроводе 1, геометрического объема аккумулирующих емкостей 13 и наибольшего давления в них, а время реализации от интенсивности отбора числа одновременно заправляемых автомобилей и простоя установки.

На основе предложенного способа возможно создание типоразмерного ряда установок для заправки от одной до 120-150 единиц автотракторной техники в сутки. Причем они могут быть как стационарными, так и транспортабельными на передвижной платформе.

По разработкам авторов в настоящее время на основе предлагаемой технологии создана установка. Ее апробация показала работоспособность этой технологии. По результатам опытов создан опытный образец передвижного автономного автогазозаправщика ПАГЗ-Бис. Этот газозаправщик заправляется от газопровода низкого давления до 32 МПа и реализует весь газ при 20 МПа. Насос и гидрораспределитель смонтированы вместе с емкостью 19 в одном блоке, который способен работать на открытом воздухе при любых погодных условиях, как и шаровые емкости. Таким образом, установка не требует сооружения укрытий и отвода площадей земли. Необходимы площадки для размещения установки или отстоя ПАГЗ-Бис размером от 25 до 50 кв.м.

В приложении к заявке приведены основные показатели передвижных и стационарных газозаправочных установок нового типа, по созданию которых ведутся интенсивные работы. Применение стационарных установок требуемой производительности в местах дислокации автотракторной техники и передвижных самозаправляемых от газопроводов установок, а также для заправки транспорта в местах отстоя позволит эффективно решить крупную экономическую и экологическую проблему.

Формула изобретения

1. Способ подготовки и реализации газа под избыточным давлением, включающий процессы подачи, компримирования, охлаждения, осушки и передачи газа в емкости потребителей, отличающийся тем, что компримирование газа осуществляют путем передавливания газа из предварительно заполненной им от газопровода источника компримирующей емкости в накопительные емкости-аккумуляторы за счет подачи в компримирующую емкость жидкости под избыточным давлением, при этом осушку газа в аккумуляторах осуществляют путем улавливания конденсирующейся из газа воды под воздействием изменяющихся в процессе компримирования параметров состояния давления и температуры с помощью слоя жидкости, предварительно налитой в аккумуляторы, имеющей плотность ниже плотности воды и вязкость в пределах 6 12 сст независимо от температуры окружающей среды, а реализацию всего объема газа, накопленного в аккумуляторах под заданным избыточным давлением, осуществляют путем вытеснения его из аккумуляторов жидкостью, подаваемой в них под давлением, превышающим давление газа, передаваемого потребителям.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для организации непрерывного процесса компримирования газа и повышения производительности установки одновременно используют две компримирующие емкости, при этом вытесняющая жидкость под давлением попеременно перекачивается насосом из одной емкости в другую и наоборот, а каждая компримирующая емкость при цикле откачки жидкости сообщается через обратный клапан с источником газа низкого давления - газопроводом, а при цикле заполнения также через обратный клапан с накопительными газовыми емкостями.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что по достижении заданного давления газа в аккумуляторах одна из компримирующих емкостей подсоединяется к ним по газовой полости и дозаправляется до максимального давления путем совершения дополнительных циклов компримирования газа с помощью одной компримирующей емкости.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс компримирования газа осуществляют по циклу медленное накопление газа в аккумуляторах, затем интенсивная отдача газа потребителям, при этом в зависимости от параметров установки, работающей по данному способу, и потребности в газе возможно совершение более одного такого рабочего цикла в сутки.

РИСУНКИ

Рисунок 1