Способ 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 аппарат энергоразделения - теплообменник в виде трубы с раздельными входами для дозвукового и сверхзвукового потоков газа, из разделительной камеры 10 поступает на редуцирующий орган аппарата энергоразделения, представляющий собой пучок сверхзвуковых каналов 4 каждый из которых выполнен в виде трубы Леонтьева со сверхзвуковыми соплами 3 и диффузорами 6, где он разгоняется до числа Маха М = 2 - 5 и 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. Относительная длина сверхзвуковых каналов составляет 30 - 90 калибров, в сверхзвуковых каналах газ нагревается до температуры T₀^сз / T₁^сз = 0,8 - 1,1. Техническим результатом изобретения является бесподогревное редуцирование 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 редуцирование природного газа в пучке сверхзвуковых каналов теплообменника с отводом образующегося холода (охлажденного газа) из межтрубного пространства теплообменника - трубы.

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

Технический результат, достигаемый от использования данного устройства, заключается прежде всего в возможности осуществления способа бесподогревного 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 бесподогревного редуцирования природного газа, включающем расширение газа при энергоразделении в аппарате энергоразделения - теплообменнике и отвод образующегося холода (охлажденного газа) на утилизацию (в частности сжижение); одну часть газа после узла плавного регулирования расхода (1) подают в разделительную камеру и далее пропускают через редуцирующий орган аппарата энергоразделения - теплообменника (16) в виде трубы, имеющей раздельные входы для дозвукового и сверхзвукового потоков газа; редуцирующий орган представляет собой пучок сверхзвуковых каналов (4) с профилированными сверхзвуковыми соплами (3) и диффузорами (6), (по типу трубы Леонтьева по RU 2106581), но с раздельными входами для дозвукового и сверхзвукового потоков газа), где газ разгоняют с помощью профилированных сопел до числа Маха М = 2-5, газ редуцируется за счет трения, теплообмена и скачков уплотнения и поступает к потребителю. Другую часть газа отбирают до узла регулирования расхода и подают в межтрубное пространство (5) пучка сверхзвуковых каналов. В сверхзвуковых каналах (4) газ нагревается за счет восстановления температуры до T₀^сз/T₁^сз = 0,8-1,1, (где T₀^cз - начальная (входная) температура на входе в пучок сверхзвуковых каналов; T₁^cз - конечная (выходная) температура на выходе из сверхзвуковых каналов, а в межтрубном пространстве (5) газ по этой же причине охлаждается, затем нерасширившийся охлажденный газ из межтрубного пространства поступает в систему утилизации холода (8), например, в установку (аппарат) сжижения природного газа, после чего он смешивается с газом из сверхзвуковых каналов и подается к потребителю по линии (14).

Для осуществления данного способа устройство для редуцирования магистрального природного газа, содержащее аппарат энергоразделения, аппарат утилизации холода (8) и линии подвода и отвода газа (11, 15), дополнительно снабжено узлом плавного регулирования расхода газа (1), аппарат энергоразделения (16) представляет собой кожухотрубный теплообменник в виде трубы и имеет раздельные входы для дозвукового и сверхзвукового потоков газа, сам теплообменник имеет разделительную камеру (10) для приема газа и редуцирующий орган, представляющий собой, пучок сверхзвуковых каналов (4) с относительной длиной = 30-90 калибров, при этом каждый канал начинается профилированных соплом (3) и заканчивается диффузором (6), расположенными на двух трубных досках (9 и 7), а каждое сопло имеет 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 в каждое сопло имеется 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 задвижкой. Большие изменения расхода достигаются закрытием и открытием клапанов перед соплами. При числе Маха М<2 торможение происходит плохо, статическое давление в диффузоре достаточно велико и также мал эффект восстановления температуры. При М>5 слишком велико падение давления газа в скачках уплотнения и эффективность работы устройства будет невысокой.

При сверхзвуковом течении природного газа в трубе 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, так что отношение начальной и конечной температуры T₀^cз/T₁^cз есть результат взаимодействия этих процессов. При отношении T₀^cз/T₁^cз<0,8 может произойти выпадение гидратов и закупорка трубопроводов, при отношении T₀^cз/T₁^cз>1,1 происходит увеличение гидравлического сопротивления и может уменьшиться подача газа потребителю.

При использовании жидкого теплоносителя отношение водяных эквивалентов газа и жидкости (G_газа·C_р/G_жидкC_р, где G_газа - масса компонента газа (массовый расход); G_жидк - масса жидкого компонента (массовый расход); C_р - теплоемкость при постоянном давлении.

При отношении G_газа·C_р/G_ж.т.C_р<0,7 - слишком малы перепады температур и затруднен дальнейший съем холода, при G_газа/G_ж.т.>1,1 увеличивается тепловые потери при перекачке 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 разделительную камеру (10), в которой установлена трубная доска (9), на которой размещены пучок сверхзвуковых каналов (4), начинающихся соплами (3) и заканчивающихся диффузорами (6), расположенными на трубной доске (7); межтрубное пространство (5), сопла имеют отсекающие клапаны (2).

Теплообменник (аппарат 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 разделительную 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 сжижений 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 сверхзвукового канала <30 газ не успевает нагреться, при >90 теплообменник (аппарат энергоразделения) - труба начинает работать вхолостую как теплообменное устройство из-за практически нулевого перепада температур.

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 суммарного температурного эффекта ΔT = μΔP, 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(βT-1)/Cp, где V - объем; T - температура.

Для природного газа в широком диапазоне давлений и температур значение μ>0 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 265К и давлением 0,3 МПа.

Формула изобретения

1. Способ бесподогревного редуцирования магистрального природного газа, включающий расширение газа при 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, представляющий собой пучок сверхзвуковых каналов, каждый из которых выполнен в виде трубы Леонтьева, с профилированными сверхзвуковыми соплами и диффузорами, где газ разгоняется до числа Маха М = 2 - 5 и 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 за счет восстановления температуры, определяемой отношением T_o^сз/T₁^сз = 0,8 - 1,1, где T_o^сз и T₁^сз соответственно начальная и конечная температуры на входе и выходе сверхзвуковых каналов, затем не расширившийся охлажденный газ подают из межтрубного пространства в систему 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 водяных эквивалентов, равном G_газаС_р/G_ж.т.C_р = 0,7 - 1,1, где G_газа и G_ж.т., соответственно, массовые расходы газа и жидкого теплоносителя, C_р - теплоемкость при постоянном давлении.

3. Устройство для бесподогревного редуцирования магистрального природного газа, содержащее аппарат 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 аппаратом энергоразделения, представляющим собой кожухотрубный теплообменник в виде трубы, имеющий раздельные входы для дозвукового и сверхзвукового потоков газа, линию отвода газа к потребителю и линию подачи газа в аппарат утилизации холода из теплообменника, сам теплообменник содержит разделительную камеру для приема газа и редуцирующий орган, выполненный в виде пучка сверхзвуковых каналов, каждый их которых выполнен в виде трубы Леонтьева с относительной длиной 30 - 90 калибров, при этом каждый канал начинается профилированным сверхзвуковым соплом и заканчивается диффузором, расположенными на двух трубных досках, а каждое сопло имеет отсекающий клапан для дискретного регулирования общего расхода редуцируемого газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1