высокоэффективная комбинированная система по схеме кириллова для ожижения магистрального природного газа

Формула изобретения

Высокоэффективная комбинированная система для ожижения магистрального природного газа, включающая в себя магистральный газопровод с природным газом избыточного давления, расширительную турбину на одном валу с электрогенератором и теплообменник, отличающаяся тем, что снабжена дополнительной турбиной (низкого давления), расширительной емкостью, установленной после турбины низкого давления, криогенной холодильной машиной Стирлинга, а также линией ожиженного газа, состоящей из сосуда Дьюара, насоса высокого давления, обратного клапана и теплоизолированной емкости для хранения ожиженного газа, при этом теплообменник расположен между турбинами, а контур охлаждения криогенной машины Стирлинга проходит через теплообменник и включает в себя охладитель, связанный с окружающей средой, и насос, а турбины и электрогенератор расположены на одном валу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области криогенной техники, криогенных газовых холодильных машин, работающих по обратному циклу Стирлинга, и предназначено для высокоэффективного ожижения газов, например природного газа.

Известно, что для ожижения газов используются различные циклы, например, с дросселированием или детандерные, однако в области криогенных температур (60-160 K) наиболее высокоэффективным циклом является цикл с холодильной машиной, работающей по циклу Стирлинга. Эффективность криогенных машин Стирлинга практически в 2 раза выше по сравнению с другими установками, применяемыми для ожижения газов (Усюкин И.П., Установки, машины и аппараты криогенной техники, Москва, Легкая и пищевая промышленность, 1982, с. 185-186).

Известно устройство криогенной машины Стирлинга, содержащей поршневую группу, теплообменник нагрузки (конденсатор), регенератор и холодильник (патент РФ N 2088776, F 02 C 6/00, 1997).

Известно устройство газовой холодильной машины "Филлипс", работающей по обратному циклу Стирлинга, предназначенной для ожижения воздуха (Вопросы глубокого охлаждения. Сборник статей под ред. М.П.Малкова, Москва, Иностранная литература, 1961, с. 35). Однако ранее данные машины не применялись в технологиях для ожижения природного газа.

Известна принципиальная схема установки по утилизации избыточного давления природного газа, теряемого в процессе его дросселирования при дальнейшем ожижении в различных установках, в состав которой входит магистральный газопровод с природным газом избыточного давления и расширительная турбина на одном валу с электрогенератором (А.М. Васильев, Энергосбережение и экология. Химическое и нефтяное машиностроение, N 4, 1996, с. 77-78). Однако данное техническое решение ранее не применялось при ожижении природного газа.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является устройство для ожижения природного газа, содержащее магистральный газопровод с природным газом избыточного давления, расширительную турбину на одном валу с генератором теплообменник (см. SU 142311, кл. F 25 J 1/02, 1962).

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности систем и снижении материальных затрат при ожижении и использовании ожиженных газов, например природного газа, а также в повышении безопасности эксплуатации данных систем, снижении экологического загрязнения окружающей среды и получении дополнительной электрической энергии.

Для достижения этого технического результата высокоэффективная комбинированная система для ожижения магистрального природного газа, включающая в себя магистральный газопровод с природным газом избыточного давления, расширительную турбину на одном валу с электрогенератором и теплообменник, снабжена дополнительной турбиной (низкого давления), расширительной емкостью, установленной после турбины низкого давления, криогенной холодильной машины Стирлинга, а также линией ожиженного газа, состоящей из сосуда Дьюара, насоса высокого давления, обратного клапана и теплоизолированной емкости для хранения ожиженного газа, при этом контур охлаждения криогенной машины Стирлинга проходит через теплообменник и включает в себя охладитель, связанный с окружающей средой, и насос, а турбины и электрогенератор расположены на одном валу.

Введение в состав высокоэффективной комбинированной системы для ожижения магистрального природного газа промежуточного теплообменника, турбины низкого давления, криогенной холодильной машины Стирлинга, контур охлаждения которой проходит через промежуточный теплообменник, и линии ожиженного газа, включающей в себя сосуда Дьюара и теплоизоированную емкость для ожиженного газа, позволяет получить новое свойство, заключающееся в использовании избыточного давления магистрального природного газа с подогревом его от системы охлаждения криогенной машины для получения электроэнергии, в высокоэффективном ожижении природного газа низкого давления в криогенной машине Стирлинга и увеличении холодильного коэффициента криогенной машины Стирлинга за счет снижения температуры охлаждающей жидкости ниже температуры окружающей среды.

На чертеже изображена высокоэффективная комбинированная система для ожижения магистрального природного газа.

Комбинированная система состоит из магистрального газопровода 1 с природным газом избыточного давления, регулирующего клапана 2, расширительной турбины 3, электрогенератора 4, теплообменника 5, расширительной турбины 6 низкого давления, расширительной емкости 7, криогенной холодильной машины Стирлинга 8, линии 9 ожиженного газа и контура 10 охлаждения машины Стирлинга 8. Криогенная машина Стирлинга 8 содержит конденсатор 11 (теплообменник нагрузки) и холодильник 12. Линия 9 ожиженного газа включает в себя сосуд Дьюара 13, насос 14 высокого давления, обратный клапан 15 и теплоизолированную емкость 16 для ожиженного газа. Через холодильник 12 криогенной машины Стирлинга 8 проходит контур охлаждения 10, содержащий охладитель 17, связанный с окружающей средой, и насос 18, при этом контур 10 проходит также через теплообменник 5.

Высокоэффективная комбинированная система для ожижения магистрального природного газа работает следующим образом.

Природный газ высокого давления из магистрального газопровода 1 через регулирующий клапан 2 поступает в турбину 3, где расширяется с получением полезной работы. Расширение газа сопровождается падением его давления и температуры. Газ пониженного давления из турбины 3 поступает в промежуточный теплообменник 5, где нагревается за счет теплообмена с контуром 10 охлаждения, после этого в турбине 6 низкого давления газ повторно расширяется, в результате чего получают дополнительную полезную энергию. Энергия вращения с турбин 3 и 6 передается электрогенератору 4 для выработки электроэнергии. После турбины 6 газ поступает в расширительную емкость 7, откуда засасывается в конденсатор 11 криогенной машины Стирлинга 8, где происходит его ожижение. Переход газа в жидкую фазу в конденсаторе 11 холодильной машины 8 создает необходимый перепад давлений во всей линии от магистрального газопровода 1 до машины 8. Ожиженный газ по линии 9 сливается в сосуда Дьюара 13 и насосом повышенного давления 14 через обратный клапан 15 подается в теплоизолированную емкость 16 для хранения ожиженного газа. С целью охлаждения холодильной машины Стирлинга 8 предусмотрен контур 10 охлаждения. По этому контуру нагретая от рабочего тела холодильной машины 8 охлаждающая жидкость из холодильника 12 с помощью насоса 18 подается сначала в охладитель 17, где происходит теплообмен с окружающей средой (например, атмосферным воздухом), при этом охлаждающая жидкость охлаждается до температуры окружающей среды. Затем жидкость подается в теплообменник 5, где она охлаждается до температуры ниже температуры окружающей среды за счет теплообмена с холодильным потоком расширенного после турбины 3 газа, и поступает вновь в холодильник 12. За счет теплообмена охлаждающей жидкости с низкой температурой и рабочим телом холодильной машины 8 происходит увеличение холодильного коэффициента машины 8.