Способ ожижения природного газа

 

Природный газ высокого давления делят на два потока, один из которых (основной) направляют в предварительный теплообменник, а другой - в охлаждаемую вихревую трубу. После предварительного теплообменника основной поток поступает в рекуперативный теплообменник, а затем - в дроссель. Образовавшуюся при этом жидкую фазу собирают в конденсатосборнике, а газовую фазу после прохождения рекуперативного теплообменника соединяют с холодным потоком из вихревой трубы и подают в предварительный теплообменник. Использование охлаждаемой вихревой трубы увеличивает коэффициент ожижения природного газа в 1,2 - 1,8 раза по сравнению с дроссельным циклом. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Настоящее изобретение относится к криогенной технике, а именно к способу ожижения природного газа.

Для получения сжиженного природного газа (СПГ) широко используются дроссельные ожижительные циклы с различными способами предварительного охлаждения природного газа (ПГ).

Максимальный коэффициент ожижения достигается в каскадных холодильных схемах, где в качестве внешнего хладагента для охлаждения прямого потока газа используются индивидуальные углеводороды или их смеси. Вследствие применения сложного, дорогостоящего и энергоемкого оборудования такие способы ожижения оказываются экономически выгодными только при организации крупномасштабного производства сжиженного природного газа, измеряемого миллионами т/год. Тот же недостаток (необходимость применения сложного дорогостоящего оборудования) присущ установкам малой и средней производительности, где используются технологические схемы с использованием внутренних циркуляционных холодильных контуров, в основу которых положен принцип изоэнтропийного расширения части потока ожижаемого газа в детандерных агрегатах (цикл Гейландта и его разновидности).

Применительно к объектам, осуществляющим редуцирование уже предварительно сжатого природного газа, подаваемого по магистральным газопроводам - газоредуцирующим станциям (ГРС) и газоредуцирующим пунктам (ГРП) или его раздачу - автогазонаполнительные компрессорные станции (АГНКС), может быть применен наиболее простой процесс ожижения - классический дроссельный цикл. Ожижение в нем основано исключительно на рекуперативной утилизации прямым потоком газа высокого давления холода несконденсировавшейся части ожижаемого потока [1] (прототип). Технологически он заключается в охлаждении газа в рекуперативном теплообменнике, дросселировании и разделении образующейся парожидкостной смеси в конденсатосборнике с выводом паров в рекуперативный теплообменник, а жидкости - потребителю.

Способ обладает рядом достоинств (низкая стоимость, простота реализации, надежность), но характеризуется малой величиной коэффициента ожижения. Вследствие указанной причины повышение коэффициента ожижения обычно достигается за счет введения в цикл дополнительных источников холодопроизводительности.

Нами предлагается способ ожижения ПГ в дроссельном цикле с использованием холодильного контура, в основу которого положен принцип энергоразделения газа в охлаждаемой одно- или многоступенчатой вихревой трубе (ОВТ).

Спецификой конструкции ОВТ является то, что ее горячий конец снабжен наружным контуром (рубашкой), в которую подается охлаждающий газ или жидкость. В результате весь (газ = 1), поступающий в сопловый ввод ОВТ, выходит из нее охлажденным на 20-35 o [2, 3].

ОВТ не дает возможности получать больших эффектов охлаждения (Tx), но отличается повышенной холодопроизводительностью (Tx). Высокая температура периферийных слоев вихревого потока в ОВТ (Tг= 100-120o) при ее установке на высокотемпературном уровне позволяет легко отбирать от них тепло в окружающую среду, что обеспечивает заметный эффект охлаждения всего потока газа даже при подаче в охлаждающую рубашку газа или жидкости с температурой охлаждающей среды. Совокупность перечисленных свойств позволяет с максимально возможной эффективностью использовать ОВТ в регенеративном дроссельном цикле ожижения ПГ.

Принципиальная схема предлагаемого способа приведена на фиг. 1.

Природный газ высокого давления (точка 0 на схеме), разделяясь на два потока, поступает соответственно в предварительный теплообменник (основной поток) и в ОВТ.

Из ОВТ охлажденный газ низкого давления (точка 8) вводится в обратный поток несконденсировавшегося в цикле ПГ перед теплообменником Т-I (точка 6).

Газ высокого давления (основной поток), пройдя предварительный теплообменник (точка 1) и основной теплообменник (точка 2), дросселируется (точка 3) и поступает в конденсатосборник, где разделяется на сжиженный природный газ (точка 4) и насыщенный пар (точка 5).

Несконденсировавшийся холодный ПГ, выходя из установки, предварительно нагревается до температуры окружающей среды, отдавая свой холод прямому потоку газа высокого давления (точка 6 после теплообменника Т-II и точка 7 после теплообменника Т-I), и далее вводится в рубашку охлаждаемой вихревой трубы (ОВТ).

Для подтверждения возможности осуществления изобретения ниже приводится его расчетное обоснование.

Базовая система уравнений энергетического и теплового баланса работы составляющих элементов регенеративного цикла, согласно принятым обозначениям узловых точек (см. фиг. 1), имеет вид: (G1+G2)=K0i'+(G1+G2- K0)i7+AG2 (1) G1i3=K0i'+(G1- K0)i'' (2) G1(i1-i3)=(G1-K0) (i6-i'') (3) G1(i6-i1)=)G1+G2-K0) (i7-i6) (4) Условные обозначения: i0 - энтальпия входного потока в предварительный теплообменник (Т-I) и в вихревую трубу (ОВТ); i1 - энтальпия выходного потока из предварительного теплообменника (Т-I); i3 - энтальпия выходного потока после дросселирования на дроссельной шайбе (Др); i6 - энтальпия обратного потока несконденсированного пара на выходе из основного теплообменника (Т-II);
i7 - энтальпия суммарного обратного потока из ОВТ и (Т-II) на выходе из предварительного теплообменника (Т-I);
i' = i4 - энтальпия жидкости на линии конденсации;
i'' = i5 - энтальпия пара на линии конденсации, размерность: [i] = КДж/кг;
G1, безразмерный удельный - расход основного (идущего на снижение) потока газа;
G2, безразмерный удельный - расход газа через ОВТ;
Примечание: G1+G2=1;
K0 - коэффициент ожижения ПГ в установке;
A - кДж/кг, удельная холодопроизводительность ОВТ, рассчитываемая по уравнению:

где массовая доля холодного потока, выходящего из ОВТ (в данном случае = 1,0)
средняя массовая теплоемкость холодного потока, выходящего из ОВТ при изменении параметров между точками 8 и 7 в теплообменнике (Т-I).

температурная эффективность ОВТ,
где Ts= (T0-T8) - эффект охлаждения [2, 3] в ОВТ;
эффект охлаждения в идеальном детандере;
степень расширения газа в охлаждаемой вихревой трубе.

Решая систему приведенных выше уравнений (1)...(4), можно рассчитать величину коэффициента ожижения природного газа в установке.

Сопоставив его с теоретически достижимым значением величины Kдр для идеального дроссельного цикла:

можно оценить интегральную эффективность принятого технического решения.

Зависимость параметра

от входного давления природного газа для температуры T = 300K приведена на графике (фиг. 2).

При этом рассмотрены два варианта расширения газа в охлаждаемой вихревой трубе:
- одноступенчатое (2,0<P<6,0 МПа),
- двухступенчатое (6,0<P<20 МПа).

Из графика следует, что в диапазоне входных давлений от 2 до 6 МПа (одноступенчатая охлаждаемая вихревая труба) и от 6 до 20 МПа (двухступенчатая охлаждаемая вихревая труба) предлагаемый способ ожижения обеспечивает повышение реального коэффициента ожижения природного газа против идеального дроссельного цикла не менее чем 1,2-1,8 раза.

Расширение газа высокого давления осуществляется ступенчато в двух или более охлаждаемых трубах, вход газа в которые является выходом из предыдущей вихревой трубы.

Литература:
1. Иванцов О.М., Двойрис А.Д. Низкотемпературные газопроводы. М., Недра. 1980, с. 207 - 209.

2. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М., Машиностроение, 1969, с. 65 - 69.

3. Дыскин Л.М. Вихревые термостаты и воздухоосушители. Н.Новгород. ННГУ, 1991. с. 5 - 16.


Формула изобретения

1. Способ ожижения природного газа, состоящий в охлаждении газа в рекуперативном теплообменнике не сконденсировавшимся в цикле природным газом, его дросселировании и разделении образующейся парожидкостной смеси в конденсатосборнике, отличающийся тем, что исходный поток газа высокого давления разделяют на две части, одну из которых (основную) сначала подают в предварительный, а затем - в основной теплообменник, а другую - в охлаждаемую потоком газа низкого давления, выходящим из установки ожижения, вихревую трубу, откуда образующийся в последней холодный газ направляют в предварительный теплообменник для дополнительного охлаждения основной части потока ожижаемого природного газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расширение газа высокого давления осуществляется ступенчато в двух и более охлаждаемых трубах, вход газа в которые является выходом из предыдущей вихревой трубы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

PD4A - Изменение наименования обладателя патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

(73) Новое наименование патентообладателя:
Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Санкт-Петербург" (RU)

Адрес для переписки:
196128, Санкт-Петербург, ул. Варшавская, 3, ООО "Газпром трансгаз Санкт-Петербург"

Извещение опубликовано: 20.09.2010        БИ: 26/2010




 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам и устройствам, использующим эффект охлаждения газа при его расширении для ожижения газа

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано для сжижения природного и других газов, а также во всех случаях, где требуется обеспечить получение низких температур при наличии сжатого газа

Изобретение относится к криогенной технике, в частности, к установкам сжижения газов с выделением составляющих потока, а также во всех случаях, где требуется сжижать газ и разделять многокомпонентный поток

Изобретение относится к области криогенной техники и наиболее эффективно может быть использовано в установках ожижения азота при крупнотоннажном его производстве

Изобретение относится к средствам транспортирования и раздачи потребителям природного газа

Изобретение относится к способам разделения воздуха в воздухоразделяющих установках глубокого охлаждения для получения технологического, технического, медицинского кислорода, чистого азота и редких газов и может быть использовано на заводах для производства товарного газообразного и жидкого кислорода и других газов, на кислородных станциях металлургических, химических и машиностроительных предприятий

Изобретение относится к холодильным машинам, в частности к установкам для охлаждения воздухом холодильных камер

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к термоэлектрическим холодильникам транспортных средств

Изобретение относится к отопительной и холодильной технике, представляет собой бесфреоновый тепловой насос с силовым приводом и может найти применение при создании кондиционеров и агрегатов для воздушного обогрева и охлаждения жилых и производственных помещений

Изобретение относится к промышленной теплотехнике, в частности к созданию холодильно-нагревательных аппаратов для разделения газового потока на холодную и горячую части

Изобретение относится к холодильной технике, а точнее к устройствам, использующим вихревой эффект разделения газа, и предназначено для охлаждения различных объектов, например, в металлообрабатывающей промышленности для охлаждения режущего инструмента холодным потоком воздуха

Изобретение относится к холодильной технике, конкретно к вихревым генераторам холода, основанным на использовании эффекта Ранка, а также к теплоэнергетике, конкретно к вихревым теплогенераторам, работающим на газообразной и жидкой рабочих средах, в частности хладонах, углеводородах, воде

Изобретение относится к энергетическим установкам для подогрева воды и может найти применение в отопительных системах
Наверх