Способ редуцирования давления природного газа

Изобретение относится к газовой промышленности и может быть использовано при создании систем редуцирования давления природного газа. Способ редуцирования давления природного газа включает разделение газа из магистрального газопровода на высокоскоростной и низкоскоростной высоконапорный потоки. Давление высокоскоростного потока редуцируют при закрутке, разгоне в сопле, течении с трением, теплообменом и градиентом давления в канале и торможении в диффузоре. Магистральный газ направляют в канал с низкоскоростным течением, используют для создания температурного напора на теплопроводной разделяющей перегородке и направляют на дожимную компрессорную станцию для дальнейшей транспортировки. Подогретый редуцированный газ отводят на газораспределительную станцию для последующего плавного регулирования и далее к потребителю. Техническим результатом является создание универсального и экономичного способа редуцирования давления природного газа без применения огневого подогрева и дополнительных систем утилизации холода. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к газовой промышленности, в частности к способам редуцирования давления природного газа и системам предотвращения гидратообразования на газораспределительных станциях.

Уровень техники

Редуцирование (снижение) давления газа на газораспределительных станциях (ГРС) от магистральных 5-12 МПа до 0.6-1.2 МПа в населенных пунктах приводит к существенному падению температуры газа вследствие дроссель-эффекта. Интегральный дроссель-эффект снижения температуры природного газа составляет 4-6 градусов при редуцировании давления на 1 МПа. При этом газ попадает в такие термобарические условия, при которых происходит гидратообразование из-за имеющейся влаги в составе газа. В случае отсутствия подогрева природного газа перед дроссельным устройством сброс давления в нем приводит к выпадению конденсата в виде кристаллогидратов, забивающих проходное сечение трубопроводов, регулирующих клапанов и запорной арматуры.

Известен способ предотвращения гидратообразования в природном газе, принцип действия которого основан на использовании предварительного подогрева газа перед этапом редуцирования в кожухотрубном рекуперативном теплообменнике с непосредственным огневым подогревом в газовых горелках (А.А. Данилов, А.И. Петров. Газораспределительные станции. - СПб.: Недра, 1997 г. 240 с. [1]).

Недостатком известного решения являются потери топливного газа при горении, выбросы дымовых газов в атмосферу, а также сложности, связанные с регулированием процесса горения.

Известен изотермический способ редуцирования давления природного газа, основанный на использовании вихревого энергоразделяющего устройства. Технология безмашинного энергоразделения предполагает получение холодного и горячего потоков газа в устройствах без движущихся механизмов (поршни, лопатки и т.п.). Принцип действия способа заключается в подаче сжатого газа тангенциально в цилиндрическую камеру через сопловой вход, формирование в трубе закрученного потока и отбор горячего газа с периферийного сечения и холодного газа - через центральное отверстие в трубе. При этом холод и тепло утилизируются в дополнительных теплообменных аппаратах с проточной питьевой водой (патент РФ №2413901 [2]).

Основными недостатками известного технического решения являются большие потери полного давления по холодному потоку, что приводит к риску гидратообразования, а также к необходимости применять дополнительные устройства для утилизации низкопотенциального холода, что усложняет конструкцию и снижает преимущества использования технологии безмашинного энергоразделения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ регулируемого бесподогревного редуцирования магистрального природного газа, принцип действия которого основан на использовании устройства энергоразделения - теплообменника в виде трубы с раздельными входами для дозвукового и сверхзвукового потоков. При этом газ поступает на редуцирующий орган устройства энергоразделителя, представляющий собой пучок сверхзвуковых каналов со сверхзвуковыми соплами, в которых газ разгоняется до чисел Маха 2-5, и диффузорами, в каналах газ редуцируется, а затем поступает к потребителю. Другая часть газа поступает в межтрубное пространство, а затем в аппарат утилизации холода, после чего поступает к потребителю (патент РФ №2162190 [3]).

Недостатками данного технического решения является необходимость использования дополнительных систем утилизации холода, что снижает преимущества использования технологии безмашинного энергоразделения, функционирование только за счет сверхзвукового режима течения газа, формируемого в профилированных сверхзвуковых соплах, что предъявляет повышенные требования к технологии изготовления устройства, а также риск конденсации компонент газа в центральной части сверхзвуковых каналов, не контактирующих с нагреваемой стенкой, что приводит к возможности выпадения гидратов в выходном диффузоре и отводящих патрубках.

Технической проблемой является функционирование большинства используемых на практике способов редуцирования давления природного газа за счет прямых потерь при сжигании газа в системах предварительного подогрева, а также наличие дополнительных теплообменных и утилизирующих устройств, снижающих универсальность решения проблемы гидратообразования.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является экономия природного газа, упрощение конструкции и повышение эффективности предотвращения гидратообразования при редуцировании давления газа за счет применения усовершенствованного метода безмашинного энергоразделения и отсутствия дополнительных систем утилизации холода при использовании в качестве теплоносителя магистрального газа, направляемого на дальнейшую транспортировку.

Поставленная задача решается тем, что в способе редуцирования давления природного газа, включающем подачу газа под давлением из магистрального газопровода, разделение газа на две части в теплообменнике с раздельными входами для низкоскоростного высоконапорного и высокоскоростного потоков газа, обеспечение теплопередачи от низкоскоростного высоконапорного потока газа к высокоскоростному потоку газа через разделительную перегородку теплообменника, выполненную из теплопроводного материала, обеспечение редуцирования давления части газа в высокоскоростном канале теплообменника, снабженным соплом на входе, диффузором и газоходом отвода к потребителю на выходе, согласно техническому решению, на входе в высокоскоростной канал теплообменника устанавливают сужающееся или сужающееся-расширяющееся сопло, обеспечивающее разгон потока на срезе сопла до числа Маха не ниже 0.4, при этом высокоскоростной канал теплообменника выполняют с постоянным поперечным сечением или переменным сечением с расширением по длине, обеспечивающим разгон или сохранение скорости течения в канале, при этом низкоскоростной высоконапорный канал теплообменника выполняют с постоянным поперечным сечением, обеспечивающим сохранение полного давления газа с целью его дальнейшей транспортировки по магистральному трубопроводу, при этом отсутствует система утилизации холода и смешение потоков на выходе из теплообменника. Поток газа, подаваемый в высокоскоростной канал теплообменника, перед сужающимся или сужающимся-расширяющимся соплом предварительно может быть закручен в тангенциальном направлении.

Перенос на стенку канала конденсата, образующегося при расширении газа в сопле, обеспечивается за счет действия подъемной силы Сэфмана в пограничном слое сверхзвукового потока. Также перенос конденсата на стенку канала может быть дополнительно интенсифицирован закруткой газа в тангенциальном направлении перед его подачей в сопло. При этом в пограничном слое высокоскоростного потока газа будет происходить испарение конденсата за счет вязкой диссипации кинетической энергии потока и подвода теплоты через теплопроводную перегородку от низкоскоростного высоконапорного потока газа.

Иными словами, технический результат достигается за счет снижения давления редуцируемого газа при разгоне в сопле, возможной закрутки потока в тангенциальном направлении, течении с трением в канале, теплообмене через теплопроводную перегородку с низкоскоростным потоком газа и торможении в диффузоре, при этом дроссельный эффект газа, проявляющийся в снижении температуры редуцируемого газа, компенсируют эффектом безмашинного энергоразделения, а именно подводом теплоты через теплопроводную перегородку теплообменника к высокоскоростному потоку газа, направляемому к потребителю, от низкоскоростного высоконапорного потока газа, направляемого на дальнейшую транспортировку.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематично изображена возможная схема работы устройства, реализующего предложенный способ редуцирования давления природного газа при организации высокоскоростного течения газа в центральном канале.

На фиг. 2 схематично отражен принцип действия заявляемого способа редуцирования давления природного газа, показывающий распределение температуры торможения в пограничном слое высокоскоростного потока сжимаемого газа и низкоскоростного высоконапорного потока при обтекании непроницаемой теплопроводной перегородки, разделяющей потоки газа с одинаковыми начальными температурами торможения.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - ресивер подвода газа из магистрального газопровода;

2 - газоход сбора охлажденного газа, выходящего из низкоскоростного высоконапорного канала теплообменника, ведущий к дожимной компрессорной станции для дальнейшей транспортировки;

3 - газоход сбора редуцированного подогретого газа, выходящего из высокоскоростного канала теплообменника, ведущий к ГРС;

4 - сужающееся или сужающееся-расширяющееся сопло, обеспечивающее разгон потока в высокоскоростном канале теплообменника до числа Маха большего 0.4;

5 - диффузор, обеспечивающий торможение потока газа, выходящего из высокоскоростного канала теплообменника;

6 - высокоскоростной канал теплообменника;

7 - низкоскоростной высоконапорный канал теплообменника;

8 - перегородка теплообменника, выполненная из теплопроводного материала;

9 - наружная стенка теплообменника;

10 - крепежный элемент аэродинамического профиля (пилон);

11 - закручивающее устройство;

12 - высокоскоростной поток газа;

13 - низкоскоростной высоконапорный поток газа.

Осуществление изобретения

Сущность изобретения поясняется следующим.

Профиль температуры торможения при обтекании стенки низкоскоростным потоком газа практически равномерный, а значит температура обтекаемой стенки близка к температуре в ядре потока. Скорость потока при этом соответствует случаю несжимаемого течения (число Маха меньше 0.3). Температура торможения в пограничном слое высокоскоростного потока газа, формирующегося в пристенной области, распределяется неравномерно вследствие больших градиентов скорости и диссипации значительной части кинетической энергии в теплоту. Такой дефект температуры торможения проявляется при числе Маха потока большем 0.4, когда эффекты сжимаемости газа становятся существенными ([4] - Шлихтинг Г. «Теория пограничного слоя» // М: Наука, 1974. 711 с). При этом температура во внутренней части пограничного слоя оказывается ниже, а во внешней части - выше, чем температура торможения в ядре потока (при числе Прандтля рабочего тела меньшем 1, что характерно для большинства газов). Этот эффект является одним из проявлений безмашинного энергоразделения в потоке сжимаемого газа ([5] - Eckert E.R.G. Energy separation in fluid streams // Int. Comm. Heat mass transfer. Vol. 13, 1986. P. 127-143). Определяющей тепловой поток температурой в данном случае является адиабатная температура стенки

где: - начальная температура торможения потока, К;

k - показатель адиабаты рабочего тела (k равно 1.3 для природного газа);

М - число Маха в ядре потоке;

r - коэффициент восстановления температуры.

Коэффициент восстановления температуры r показывает долю кинетической энергии потока, переходящей в тепло на стенке. Этот параметр может меняться в зависимости от режима течения, наличия/отсутствия внешних воздействий (градиента давления, отрывных течений, скачков уплотнения и т.п.), но в наибольшей степени определяется родом газа - числом Прандтля рабочего тела Pr:

где n равно 1/2 (ламинарный режим течения), n равно 1/3 (турбулентный режим - чаще всего реализуется на практике).

Согласно (2) для природного газа (Pr равен около 0.7) коэффициент восстановления температуры r равен 0.888±0.01 при турбулентном безотрывном обтекании плоской стенки, а также цилиндрической и конической в продольном направлении ([4] - Шлихтинг Г. «Теория пограничного слоя» // М: Наука, 1974. 711 с.).

Таким образом, в устройстве безмашинного энергоразделения, реализующем предлагаемый способ редуцирования давления природного газа, с двух сторон перегородки, разделяющей высокоскоростной и низкоскоростной потоки газа, возникает температурный напор. В результате теплопередачи через стенку высокоскоростной поток нагревается, а низкоскоростной охлаждается. Максимальная температура высокоскоростного потока на выходе из устройства, реализующего предлагаемый способ редуцирования давления природного газа, составляет Предел охлаждения низкоскоростного высоконапорного потока соответствует значению адиабатной температуры стенки - Степень нагрева и охлаждения потоков в указанных пределах можно регулировать за счет изменения относительного соотношения расходов согласно уравнению сохранения энергии (3). При этом, согласно (3), если из магистрального газопровода к газораспределительной станции отводится относительно небольшая часть газа, то охлаждение остальной части газа, пропускаемой по низкоскоростному высоконапорному каналу устройства и направляемой на дальнейшую транспортировку, будет незначительным.

где: Gниз, Gвыс - массовый расход низкоскоростного и высокоскоростного потоков газа, соответственно, кг/с; Ср.низ, Ср.выс - удельная теплоемкость при постоянном давлении низкоскоростного и высокоскоростного газа, соответственно, Дж/(кг⋅К); Т*низ.вых, Т*выс.вых - температура торможения на выходе из низкоскоростного и высокоскоростного каналов, соответственно, К.

Использование магистрального природного газа в предлагаемом теплообменнике в качестве теплоносителя позволяет реализовать больший уровень нагрева отбираемого к потребителю потока газа за счет большего расхода низкоскоростного потока газа в устройстве по отношению к высокоскоростному потоку газа. Согласно соотношению (3), чем меньший относительный расход пропускается через высокоскоростной канал теплообменника, тем выше будет его нагрев. В результате нагрев высокоскоростного потока, редуцируемого в устройстве и отправляемого на газораспределительную станцию для дальнейшего плавного регулирования, будет больше, чем в способе регулируемого бесподогревного редуцирования магистрального природного газа (патент РФ №2162190 [3]), наиболее близкого по технической сущности к заявляемому способу. Это преимущество позволяет повысить эффективность предотвращения гидратообразования при редуцировании давления газа.

При направлении сжатого газа в сужающееся или сужающееся-расширяющееся сопло энергия давления газа преобразуется в скоростной напор, в результате чего статическое давление в потоке снижается и, следовательно, скорость потока возрастает. При этом термодинамическая температура потока снижается согласно соотношению:

где: Твыс - термодинамическая (статическая) температура высокоскоростного потока газа, К.

Например, при начальной температуре торможения потока , равной 20°С и числе Маха на срезе сопла равного 0.4 термодинамическая температура высокоскоростного потока газа составит около 13°С. При числе Маха равного 1 термодинамическая температура потока снизится до -18°С, а при числе Маха 3 - до -148°С. При снижении температуры потока ниже температуры точки росы компонент газа при данном статическом давлении в потоке начинается процесс конденсации. При этом температура стенки, обтекаемой двухфазным высокоскоростным потоком газа, в пределе может принимать значение термодинамической температуры потока. Это приводит к значительному увеличению температурного напора на теплопроводной перегородке, разделяющей низкоскоростной и высокоскоростной потоки газа. В результате эффективность способа редуцирования давления природного газа возрастает многократно, при этом теплопередача происходит интенсивнее.

Осаждение капель жидкости на обтекаемую стенку может происходить под действием силы Сэфмана в пограничном слое или может быть инициировано за счет закрутки потока перед соплом в тангенциальном направлении. Закрутка потока способствует формированию окружной составляющей скорости и появлению в потоке центробежных сил, увлекающих образующийся при разгоне и охлаждении потока конденсат к нагреваемой от низкоскоростного потока стенке канала. Для закрутки потока могут использоваться различные типы закручивающих устройств: лопаточные аппараты, тангенциальная подача газа в ресивер, улиточные аппараты и т.п. В работе [6] (Леонтьев А.И., Осипцов А.Н., Рыбдылова О.Д. «Пограничный слой на плоской пластине в сверхзвуковом газокапельном потоке. Влияние испаряющихся капель на температуру адиабатической стенки» // Теплофизика высоких температур. Т. 53, №6, 2015. С. 910-917) показано, что наличие даже очень малой концентрации капель в пограничном слое может приводить к значительному снижению адиабатной температуры стенки, обтекаемой высокоскоростным потоком газа, что в итоге положительно сказывается на эффективности процесса редуцирования давления природного газа.

Использование сужающегося-расширяющегося сопла предполагает наличие сверхзвукового режима течения в устройствах, реализующих данный способ редуцирования давления природного газа, что связано с повышенным уровнем шума и возникновением скачков уплотнения. В то же время предлагаемый способ редуцирования давления газа можно рекомендовать в том числе для создания практически необслуживаемых установок, принцип действия которых основан на безмашинном преобразовании энергии давления газа, что снижает требования к уровню шума при эксплуатации. В сужающемся-расширяющемся сопле газ разгоняется до сверхзвуковых скоростей, что позволит реализовать способ редуцирования давления природного газа в устройстве более компактных размеров за счет больших (по сравнению с дозвуковыми скоростями) потерь давления на трение и при переходе потока через системы скачков уплотнения в диффузоре. Как показано в работе [7] (Попович С.С. Экспериментальное исследование влияния ударных волн на эффект безмашинного энергоразделения газовых потоков // Наука и образование (МГТУ им. Н.Э. Баумана). 2016. №3. С. 64-80), инициация скачков уплотнения (ударных волн) при сверхзвуковых скоростях течения оказывает незначительное влияние на величину нагрева и охлаждения потоков в устройствах данного типа. С одной стороны, наличие скачков уплотнения приводит к дополнительным потерям полного давления, в результате чего скорость течения газа в канале снижается так же, как и температурный напор на перегородке теплообменника. С другой стороны, в области взаимодействия скачка уплотнения с пограничным слоем наблюдается интенсификация теплоотдачи, что компенсирует в определенной степени уменьшение температурного напора и способствует повышению эффективности процесса. Кроме того, потерю скорости потока можно дополнительно компенсировать путем выполнения сверхзвукового канала расширяющимся с углом раскрытия, обеспечивающим сохранение скорости или разгон потока. Суммарно выявленный эффект воздействия скачков уплотнения на эффект энергоразделения позволяет рекомендовать использование в конструкции устройства для реализации способа редуцирования давления природного газа не профилированных сверхзвуковых сопел, как в наиболее близком к заявляемому способу, а, например, осесимметричных конических сопел, что значительно снижает трудоемкость изготовления устройств данного типа.

Использование сужающегося сопла, обеспечивающего дозвуковой режим течения высокоскоростного потока, приведет к меньшему располагаемому перепаду температур между низкоскоростным и высокоскоростным потоками и необходимости увеличения габаритов устройства, реализующего предлагаемый способ редуцирования давления газа, для увеличения площади поверхности теплообмена. В то же время, использование сужающегося сопла позволяет избежать сверхзвукового режима течения в устройствах, реализующих данный способ редуцирования давления природного газа, и характерных при этом повышенных уровней шума и скачков уплотнения, что может быть важным при расположении устройств редуцирования давления газа в непосредственной близости к населенным пунктам.

В любом случае использование сужающегося или сужающегося-расширяющегося сопла обусловлено конкретными условиями задачи: начальным давлением газа, необходимой величиной редуцирования давления, ограничениями габаритов конструкции. Поэтому в данном способе редуцирования давления газа предлагается альтернатива в использовании как сужающихся, так и сужающихся-расширяющихся сопел.

Выполнение высокоскоростного канала теплообменника с постоянным поперечным сечением является более технологичным, но в случае сверхзвукового режима течения -приводит к торможению потока и снижению температурного напора на разделяющей перегородке. Для дозвукового режима течения напротив постоянное поперечное сечение канала приводит к разгону потока и увеличению температурного напора на разделяющей перегородке. Таким образом, для случая сверхзвукового режима течения в высокоскоростном канале теплообменника можно рекомендовать выполнение канала с переменным поперечным сечением с расширением по длине, обеспечивающим сохранение скорости или разгон потока. В то же время для обеспечения простоты и технологичности изготовления устройства в определенных случаях (также обусловленных конкретными условиями задачи: начальным давлением газа, необходимой величиной редуцирования давления, ограничениями габаритов конструкции и т.п.) высокоскоростной канал теплообменника со сверхзвуковым режимом течения можно выполнить и с постоянным поперечным сечением по длине. При этом в любом случае на входе в высокоскоростной канал устанавливается сопло, а на выходе - диффузор.

Согласно литературным данным [8] (А.Н. Shapiro. The dynamics and thermodynamics of compressible fluid flow // Vol. I. New York: Ronald Press. 1954. 647 p.), угол полураскрытия канала, обеспечивающего постоянную скорость течения газа, можно вычислить по следующему соотношению:

где: σ - угол полураскрытия канала, градусы; Сƒ - коэффициент трения. Например, согласно (5), в коническом расширяющемся канале для поддержания постоянного числа Маха потока, равного 2, для показателя адиабаты воздуха k равно 1.4 и коэффициента трения Сƒ равного 0.0025, угол полураскрытия канала составит σ равно 0.4°. При этом следует отметить, что для поддержания постоянной скорости течения потока канал выполняют расширяющимся как для сверхзвуковой скорости течения, так и для дозвуковой.

Реализация заявляемого способа редуцирования давления природного газа показана на примере работы устройств, представленных на фиг. 1 и фиг. 2.

Устройство (фиг. 1) содержит ресивер подвода газа 1 из магистрального газопровода, сужающееся-расширяющееся сопло 4, разделительную камеру теплообменника, обеспечивающую прием и разделение потоков, газоходы 2 и 3 для вывода потоков охлажденного и редуцированного подогретого газов, соответственно. Разделительная камера теплообменника состоит из высокоскоростного канала теплообменника 6 для приема высокоскоростного (сверхзвукового в данном случае) потока и низкоскоростного высоконапорного канала теплообменника 7 для приема низкоскоростного (дозвукового) потока с повышенным давлением. Сужающееся-расширяющееся сопло 4 может быть выполнено не профилированным, а осесимметричным коническим. Оно предназначено для эффективного разгона потока до сверхзвуковой скорости и расположено на входе разделительной камеры таким образом, что выход его является входом внутреннего канала. Соответственно, выходной диаметр сопла 4 равен диаметру высокоскоростного канала теплообменника 6 разделительной камеры. Высокоскоростной канал теплообменника 6 соединен с газоходом 3 вывода редуцированного подогретого газа, а низкоскоростной высоконапорный канал теплообменника 7 - с газоходом 2 вывода охлажденного газа. Высокоскоростной канал теплообменника 6 и низкоскоростной высоконапорный канал теплообменника 7 размещены коаксиально друг другу. Высокоскоростной канал теплообменника 6 предназначен для редуцирования давления газа с одновременным его подогревом. Низкоскоростной высоконапорный канал теплообменника 7 служит для приема низкоскоростного газа с повышенным давлением, течение которого обеспечивает создание температурного напора на теплопроводной перегородке 8, выполненной, например, из латуни (коэффициент теплопроводности λ равен 110 Вт/(м⋅К)). На выходе внутреннего канала размещен сверхзвуковой диффузор 5, предназначенный для торможения подогретого потока и редуцирования полного давления газа. Наружные стенки 9 внешнего кольцевого канала выполнены из материала с малым коэффициентом теплопроводности, например, из нержавеющей стали (λ равен 16 Вт/(м⋅К)), часто используемой при изготовлении трубопроводов. В низкоскоростном высоконапорном канале теплообменника 7 установлены крепежные элементы аэродинамического профиля (пилоны) 10, обеспечивающие прочность установки и центровку внутреннего канала устройства на оси трубопровода. Закручивающее устройство 11 служит для закрутки потока в тангенциальном направлении перед подачей в сопло 4. Использование закрутки способствует переносу образующегося в высокоскоростном потоке конденсата на стенку, нагреваемую от низкоскоростного высоконапорного потока.

Газ с избыточным давлением из магистрального газопровода подают, например, из ресивера 1 в заявляемое устройство через закручивающее устройство 11 и сужающееся-расширяющееся сопло 4 в высокоскоростной канал теплообменника 6, а также без геометрического воздействия - в низкоскоростной высоконапорный канал теплообменника 7. При этом (фиг. 2) в тепловом пограничном слое низкоскоростного высоконапорного потока газа 13 (число Маха потока М меньшем 0.4) с толщиной δТ.низк формируется профиль термодинамической температуры Тнизк, мало отличающийся от профиля полной температуры из-за малого значения динамического напора где w∞.выс - скорость течения низкоскоростного потока, м/с; Ср - удельная теплоемкость газа, Дж/(кг⋅К). При этом адиабатная температура стенки обтекаемая низкоскоростным высоконапорным потоком газа 13, практически равняется полной среднемассовой температуре потока равной начальной температуре потока в ресивере: равно В тепловом пограничном слое высокоскоростного потока газа 12 (число Маха потока М больше 0.4) с толщиной δТ.выс формируется профиль термодинамической температуры Твыс, уже значительно отличающийся от профиля полной температуры вследствие высокого значения величины где w∞.выс - скорость течения высокоскоростного потока, м/с. При этом под воздействием диссипативных процессов в пограничном слое высокоскоростного потока газа профиль температуры торможения искривляется таким образом, что температура во внешней области пограничного слоя оказывается выше, а во внутренней пристенной области - ниже, чем среднемассовая температура торможения которая, в свою очередь, равна начальной температуре потока в ресивере: равно При этом адиабатная температура пристенных слоев газа оказывается ниже среднемассовой температуры торможения в пределе: равно около где r - коэффициент восстановления температуры (для газов r меньше 1). Таким образом, на теплопроводной перегородке 8, разделяющей высокоскоростной поток газа 12 и низкоскоростной высоконапорный поток газа 13, возникает температурный напор ΔT:

В результате теплопередачи высокоскоростной поток газа 12 нагревается, а низкоскоростной высоконапорный поток газа 13 охлаждается. В процессе закрутки потока газа в устройстве 11, разгона в сопле 4, движении по высокоскоростному каналу теплообменника 6, теплообмена со стенкой 8 и торможения в диффузоре 5 газ теряет полное давление и подогретым со сниженным давлением направляется в газоход 3, ведущий к ГРС. Низкоскоростной высоконапорный поток газа 13 практически сохраняет полное давление за счет низкой скорости течения, так как в соответствующем канале теплообменника геометрическое воздействие на поток отсутствует. В результате теплопередачи через теплопроводную перегородку 8 низкоскоростной высоконапорный поток газа 13 охлаждается и направляется в газоход 2, ведущий к дожимной компрессорной станции для дальнейшей транспортировки. При этом, если расход низкоскоростного высоконапорного потока газа 13 значительно превышает расход редуцируемого высокоскоростного потока газа 12, то охлаждение направляемого на дальнейшую транспортировку газа будет незначительным.

Заявляемый способ может быть реализован посредством любого другого устройства, допускающего осуществление редуцирования давления природного газа за счет разделения магистрального газа на высокоскоростную и низкоскоростную части, подогрев высокоскоростного потока от низкоскоростного через разделяющую потоки перегородку, снижение давления высокоскоростной части газа за счет закрутки, разгона в сопле, течения с трением, теплообменом и градиентом давления в канале и торможения в диффузоре, направления редуцированного подогретого газа к потребителю, а низкоскоростного потока - на дальнейшую транспортировку.

Таким образом, заявленный способ позволяет эффективно осуществить редуцирование давления природного газа, исключить огневой подогрев газа из состава газораспределительной станции и предотвратить негативные последствия процесса гидратообразования, характерные для использующихся в настоящее время устройств дросселирования газа.

1. Способ редуцирования давления природного газа, включающий подачу газа под давлением из магистрального газопровода, разделение газа на две части в теплообменнике с раздельными входами для низкоскоростного высоконапорного и высокоскоростного потоков газа, обеспечение теплопередачи от низкоскоростного высоконапорного потока газа к высокоскоростному потоку газа через разделительную перегородку теплообменника, выполненную из теплопроводного материала, обеспечение редуцирования давления части газа в высокоскоростном канале теплообменника, снабженном соплом на входе, диффузором и газоходом отвода к потребителю на выходе, отличающийся тем, что на входе в высокоскоростной канал теплообменника устанавливают сужающееся или сужающееся-расширяющееся сопло, обеспечивающее разгон потока на срезе сопла до числа Маха не ниже 0.4, при этом высокоскоростной канал теплообменника выполняют с постоянным поперечным сечением или переменным сечением с расширением по длине, обеспечивающим разгон или сохранение скорости течения в канале, при этом низкоскоростной высоконапорный канал теплообменника выполняют с постоянным поперечным сечением, обеспечивающим сохранение полного давления газа с целью его дальнейшей транспортировки по магистральному трубопроводу, при этом отсутствует система утилизации холода и смешение потоков на выходе из теплообменника.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поток газа, подаваемый в высокоскоростной канал теплообменника, перед сужающимся или сужающимся-расширяющимся соплом предварительно закручивают в тангенциальном направлении.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к газовой промышленности и может быть использовано для принятия, сохранения и раздачи компримированного природного газа из блока аккумуляторов газа потребителю в баллоны транспортных средств или другие баллоны.

Изобретение относится к технике распределения газов и может быть использовано для очистки природных газов от вредных примесей в газораспределительных станциях (ГРС) и газораспределительных пунктах (ГРП).

Изобретение относится к области подготовки газообразного топлива к процессу эффективного сжигания и может быть использовано в системах газоснабжения на промышленных предприятиях и объектах ЖКХ.

Изобретение относится к газовой технике, в частности к газораспределительным станциям для снижения давления газа в газопроводе. Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение эффективной эксплуатации газораспределительной станции при поддержании нормированных параметров по степени очистки природного газа от твердых частиц загрязнений, поступающих через эжектор к потребителю.

Газотурбодетандерная энергетическая установка содержит турбодетандер с регулирующим сопловым аппаратом, дожимной газовый компрессор, газотурбинную установку с регенеративным воздухоподогревателем, подогреватели газа высокого и низкого давления, воздухоохладитель, подогреватель теплоносителя, подводящий газопровод высокого давления (1,0-0,6 МПа), газопровод низкого давления, трубопроводы промежуточного теплоносителя (воды), котельные агрегаты ТЭС, систему управления давлением газа.

Изобретение относится к газораспределительным станциям для снижения давления газа в газопроводе. Газораспределительная станция содержит блок управления, технологический блок с газопроводом высокого и низкого давления, емкость сбора конденсата, соединенную с газопроводом высокого давления и через запорный орган с газопроводом низкого давления, эжектор, вихревую трубу, установленную на газопроводе высокого давления, теплообменник, соединенный с выходом горячего потока вихревой трубы, а выход ее холодного потока соединен с конденсатоотводчиком.

Изобретение относится к области газодобывающей промышленности и может быть использовано для перекачки газа при проведении ремонтных и профилактических работ на газопроводах-шлейфах и газосборных коллекторах в системах сбора скважинной продукции на газовых и газоконденсатных месторождениях.

Изобретение относится к способам транспортировки материалов по трубопроводу с помощью пневмогидравлического носителя в газодобывающей промышленности и может применяться для обеспечения стабильного протекания технологического процесса работы установки мембранного выделения гелиевого концентрата.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к средствам подготовки топливного газа в системе трубопроводного транспорта природного газа, и может найти применение в газовой промышленности, конкретнее в системах, обеспечивающих работу газоперекачивающих агрегатов (ГПА), установленных на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов.

Группа изобретений относится к газовой промышленности и может быть использована для снабжения как природным, так и сжиженным углеводородным газом (СУГ) отдаленных от централизованной системы газоснабжения районов.

Изобретение относится к газовой промышленности и может быть использовано при создании систем редуцирования давления природного газа. Способ редуцирования давления природного газа включает разделение газа из магистрального газопровода на высокоскоростной и низкоскоростной высоконапорный потоки. Давление высокоскоростного потока редуцируют при закрутке, разгоне в сопле, течении с трением, теплообменом и градиентом давления в канале и торможении в диффузоре. Магистральный газ направляют в канал с низкоскоростным течением, используют для создания температурного напора на теплопроводной разделяющей перегородке и направляют на дожимную компрессорную станцию для дальнейшей транспортировки. Подогретый редуцированный газ отводят на газораспределительную станцию для последующего плавного регулирования и далее к потребителю. Техническим результатом является создание универсального и экономичного способа редуцирования давления природного газа без применения огневого подогрева и дополнительных систем утилизации холода. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх