способ транспортировки поликомпонентного природного газа и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Устройство для транспортировки поликомпонентного природного газа, выполненное в виде разделенной на отсеки перегородками оболочки дирижабля полужесткой конструкции, имеющей нагнетательные и выпускные штуцеры, отличающееся тем, что в упомянутой оболочке образованы верхние и нижний отсеки, разделенные мембранными перегородками с различной газопроницаемостью, предназначенными для селективного разделения природного газа на компоненты в соответствии с размерами молекул соответствующего газа, причем на нижнем отсеке установлены нагнетательные и выпускные штуцера, а на верхних отсеках установлены выпускные штуцера.

2. Способ транспортировки поликомпонентного природного газа, заключающийся в использовании отсеков оболочки дирижабля путем заполнения поликомпонентным природным газом в виде смеси легких газов и топливного газа на газовом промысле и откачивания легких газов и топливного газа у потребителя, отличающийся тем, что природный газ очищают от твердых и жидких примесей, закачивают в нижний отсек упомянутой оболочки устройства по п. 1 так, что в верхних отсеках выделяют легкие газы, при сохранении в нижнем отсеке топливного газа, у потребителя откачивают из верхних отсеков легкие газы, оставляя в самом верхнем отсеке запас легкого газа, предназначенного для использования в качестве несущего газа, и в нижнем отсеке - запас топливного газа для двигательной установки дирижабля.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к области промысловой обработки и транспорта природного газа и могут найти применение при подготовке к транспорту и транспортировке поликомпонентного горючего природного газа, состоящего из углеводородов метанового ряда, обогащенного легкими неуглеводородными компонентами, преимущественно гелием.

В последние десятилетия специалисты определенное внимание уделяют транспорту природного газа с газовых и газоконденсатных месторождений потребителям посредством летательных аппаратов легче воздуха. Это вызвано следующими причинами. Во-первых, воздушный вид транспорта весьма эффективен в труднодоступных районах. Во-вторых, природный газ, ввиду его меньшей плотности чем воздух, обладает положительной подъемной силой, что упрощает процесс перевозки газа. Присутствие же в природном газе таких легких неуглеводородных компонентов как гелий, водород и некоторых других газов значительно повышает транспортную способность летательных аппаратов легче воздуха. В-третьих, двигательные установки летательных аппаратов могут использовать в качестве топлива компоненты перевозимого газа, например пропан-бутановую смесь. В-четвертых, стоимость перевозки газа воздушным транспортом, как показывают расчеты, значительно меньше, чем его транспорт наземными и водными средствами, в том числе и при перекачке газа по трубопроводу.

К настоящему времени для перевозки газа разработан ряд конструкций летательных аппаратов легче воздуха, в частности дирижаблей.

Известно воздухоплавательное устройство для перевозки горючего природного газа, состоящего из смеси газов метанового ряда с примесями неуглеводородных газов [1]. Устройство представляет собой сигарообразный дирижабль жесткой конструкции. Оболочка дирижабля разделена на гибкие отсеки, пространство между которыми заполнено несущим (рабочим) газом. Гибкие отсеки снабжены плавающей подвеской, фиксирующей их на продольных лонжеронах корпуса. При откачке газа отсеки не опадают, а сжимаются относительно продольной оси дирижабля, не нарушая при этом связи между патрубками и трубопроводом.

Недостатки дирижабля по пат. США 3972492, на наш взгляд, заключаются, во-первых, в сложности конструкции отсеков, во-вторых, конструкция и расположение отсеков в оболочке позволяют дирижаблю терять остойчивость в случае конденсации газовой смеси в отдельных отсеках.

Известен также дирижабль для транспортировки разнородных газов [2]. Оболочка дирижабля выполнена из мягкого непроницаемого материала. Внутренняя полость оболочки оборудована газоплотными гибкими стенками, разделяющими оболочку на отсеки, в которые закачиваются отдельные компоненты природного газа. Отсеки оснащены аппендиксами (штуцерами) для впуска (закачки) и выпуска (откачки) компонентов газа. В центральной части оболочки размещен несущий газ, с помощью которого дирижабль без перевозимого товарного газа поддерживается в воздухе.

По нашему мнению недостатком дирижабля по а.с. 473348 является нерациональное расположение отсеков в оболочке и вследствие этого невысокая остойчивость дирижабля в полете.

Известны два способа воздушной транспортировки многокомпонентного газа - в виде газовой смеси и разделенного на компоненты.

По первому из вышеназванных способов подготовленную к транспорту газовую смесь закачивают в товарные отсеки оболочки дирижабля и доставляют потребителю [1]. У потребителя газовую смесь откачивают из товарных отсеков и направляют на переработку. Подъемную силу дирижабля обеспечивает несущий газ, которым заполнены рабочие отсеки его оболочки.

Недостатки способа:

- необходимость тщательной балансировки расположения отсеков и их положения при транспортировке с целью исключения потери равновесия дирижабля;

- возможность потери остойчивости дирижабля в процессе полета вследствие изменения физического состояния газовой смеси в отдельных отсеках.

По второму способу поликомпонентную смесь газов, используя известное технологическое оборудование для предтранспортной подготовки газа, разделяют на отдельные компоненты, которые закачивают в соответствующие товарные отсеки оболочки дирижабля и транспортируют потребителю [2]. У потребителя компоненты газа откачивают из товарных отсеков и по разным трубопроводам направляют для промышленного использования.

Недостатком способа является необходимость оснащения газового промысла сложным и дорогостоящим оборудованием для разделения газовой смеси на компоненты, что в конечном итоге сказывается на стоимости товарной продукции.

Поставлена задача - используя физические эффекты молекулярного сита и селективного газоразделения, разработать такую конструкцию оболочки дирижабля, которая позволила бы расширить его функциональные возможности и надежность работы, а также снизить стоимость добываемого природного горючего газа.

Поставленная задача решена следующим образом. В оболочке дирижабля полужесткой конструкции образованы верхний и нижний отсеки, разделенные мембранными перегородками с различной газопроницаемостью, предназначенными для селективного разделения природного газа на компоненты в соответствии с размерами молекул соответствующего газа, причем на нижнем отсеке установлены нагнетательные и выпускные штуцера, а на верхних отсеках установлены выпускные штуцера.

На газовом промысле поликомпонентный природный газ в виде смеси легких газов и топливного газа очищают от твердых и жидких примесей, закачивают в нижний отсеках оболочки дирижабля вышеупомянутого устройства так, что в верхних отсека выделяют легкие газы, при сохранении в нижнем отсеке топливного газа, у потребителя откачивают из верхних отсеков легкие газы, оставляя в самом верхнем отсеке запас легкого газа, предназначенного для использования в качестве несущего газа, а в нижнем отсеке запас топливного газа для двигательной установки дирижабля.

Далее сущность предлагаемых технических решений поясняется чертежами, на которых изображены:

- на фиг.1 - конструкция оболочки дирижабля;

- на фиг.2 - процесс закачки в оболочку дирижабля поликомпонентного природного газа и его селективное разделение на компоненты на газовом промысле;

- на фиг.3 - процесс откачки компонентов газовой смеси из отсеков оболочки у потребителя природного газа.

Прежде чем изложить сущность предлагаемых технических решений уместно пояснить следующее. ОАО "Востокгазпром" приступает к разработке Собинского газоконденсатного месторождения, находящегося в северо - западной части Красноярского края. Месторождение расположено в таежной местности, изобилующей болотами, озерами и небольшими реками. Вследствие неразвитости транспортной инфраструктуры и невозможности доставки потребителям (гг. Красноярск, Ачинск и др.) товарной продукции наземным и водным транспортом, а также из-за высокой стоимости прокладки газопроводов и значительных затрат времени на их сооружение, ставится вопрос о воздушном способе транспортировки природного газа. Природный газ Собинского месторождения поликомпонентен по составу и содержит (ориентировочно): метана - 80%, широкая фракция летучих углеводородов (далее ШФЛУ), т.е. смесь этана, пропана и бутана - 10%, гелий - 10%, а также примеси неуглеводородных газов, преимущественно водорода. Наличие в природном газе гелия значительно упрощает решение проблемы воздушного способа доставки потребителям товарной продукции летательными аппаратами легче воздуха, в частности дирижаблями. Технико-экономические расчеты показали высокую эффективность перевозки газа дирижаблями по сравнению, например, с его транспортировкой по трубопроводу, не говоря уже о доставке газа наземными или водными средствами. Однако при этом необходимо решить ряд технических задач, связанных с конструктивным исполнением оболочки дирижабля, а также оптимизировать процесс подготовки природного газа к транспорту.

Ниже приведена таблица, в которой охарактеризованы некоторые физические свойства основных компонентов природного газа Собинского газоконденсатного месторождения. Особо следует подчеркнуть, что природный газ этого месторождения имеет высокую степень обогащения гелием - очень легким инертным газом, который также является важным товарным продуктом.

Устройство для воздушной транспортировки поликомпонентного природного горючего газа представляет собой дирижабль полужесткой конструкции, непроницаемая эластичная оболочка 1 которого разделена перегородками 2 и 3 на отсеки 4, 5 и 6, занимающие горизонтальное положение и расположенные один над другим (фиг.1). Объемы отсеков соответствуют объемному соотношению основных компонентов природного газа и составляют: нижнего 4 и верхнего 6 по 10%, а среднего 5-80% от общего объема оболочки. Перегородки 2 и 3 между отсеками 4, 5 и 6 изготовлены частично или полностью из эластичного полупроницаемого мембранного материала, обладающего вентильными свойствами. Из современных полимерных мембран [4] для изготовления перегородок можно использовать материалы из полисульфона, ацетатцеллюлозы, а также полиамидные материалы типа "Упилекс" и др. При этом мембранный материал перегородки 3 выполняет функцию грубого, а материал перегородки 2 - тонкого газоразделения, т. е. перегородки обладают разной газопроницаемостью, соответствующей размерам молекул селектируемых газов.

Каждый из отсеков 4, 5 и 6 имеет выпускные штуцеры 7 для откачки компонентов природного газа, а нижний отсек 4, кроме того, и нагнетательные штуцеры 8 для закачки газовой смеси. Все штуцеры снабжены вентильными или клапанными запорными устройствами.

В нижнем отсеке 4 может быть расположен теплообменник (не показан), служащий для подогрева, в случае необходимости, топливного газа. Теплообменник посредством трубопроводов соединен с двигательной установкой дирижабля или иным источником тепловой энергии.

Устройство для воздушной транспортировки поликомпонентного природного газа работает следующим образом (фиг.2 и 3). Очищенный от твердых и жидких примесей и осушенный поликомпонентный природный газ на газовом промысле из трубопровода 9 по шлангам 10 через нагнетательные штуцеры 8 (фиг.1) закачивают в нижний отсек 4 оболочки 1 дирижабля. Под воздействием избыточного давления молекулы гелия и метана через нижнюю перегородку 3 из мембранного материала проникают в средний отсек 5 оболочки. Когда давление смеси гелия и метана в отсеке 5 достигнет определенной величины, молекулы гелия через верхнюю перегородку 2 устремляются в верхний отсек 6, вследствие чего он заполняется гелием, а в среднем отсеке 5 остается один метан. При завершении закачки в оболочку 1 заданного объема газа, давление газа во всех отсеках выравнивается и процесс селективного газоразделения прекращается. Компоненты природного газа располагаются в отсеках оболочки следующим образом. В верхнем отсеке 6 сосредотачивается самый легкий газ - гелий (с примесью водорода), в среднем отсеке 5 - метан, а в нижнем отсеке 4 остается газовая смесь из этана, пропана и бутана или ШФЛУ, которая значительно тяжелее гелия и метана. Таким образом дирижабль служит не только транспортным средством, но и выполняет функцию газоразделительного устройства, заменяя промысловое технологическое оборудование, в частности УДСК. Следует заметить, что процесс газоразделения продолжается еще некоторое время и при полете дирижабля до полного выравнивания давлений в отсеках. Одновременно происходит и расслоение газов в нижнем отсеке 4 вследствие сил гравитации. При этом самый тяжелый компонент ШФЛУ газ бутан занимает нижнюю часть отсека, а газ этан - верхнюю его часть. Следует заметить также, что вследствие вентильных свойств мембран и различия в удельных весах компонентов природного газа их переток из верхних отсеков в нижние исключается. Таким образом оболочка приобретает свойства "куклы-неваляшки", что повышает остойчивость и соответственно надежность работы дирижабля.

После полной загрузки оболочки дирижабль транспортирует природный газ к месту назначения. У потребителя компоненты природного газа из соответствующих отсеков 4, 5 и 6 через выпускные штуцеры 7 (фиг.1) откачивают и по шлангам 11, и трубопроводам 12 направляют для промышленного использования или переработки. При этом в верхнем отсеке 6 оставляют определенный объем гелия - несущего газа, а в нижнем отсеке 4 - некоторый объем этан-пропан-бутановой смеси, служащей топливом для двигательной установки дирижабля.

Технико-экономические расчеты показывают следующее. Для Собинского газоконденсатного месторождения, характеризующегося высоким содержанием гелия в природном газе, экономически и технически оправданным является вариант транспорта природного газа дирижаблем с объемом 1 млн. м³ и более. Если бы этот объем газа перевозился в ожиженном виде, его масса, равная 4.3610⁵ кг, могла быть поднята 510⁵ м³ гелия с учетом того, что масса оболочки дирижабля равна 15% взлетной массы, а средняя масса 1 м² оболочки дирижабля - около 0.15 кг [3]. Достаточно сказать, что подъемная сила только одного метана обеспечивает транспортировку 570 т природного газа.

Экономические преимущества предлагаемого технического решения воздушной транспортировки природного газа весьма существенны [3]. Если за базовый взять трубопровод диаметром 1220 мм и длиной 3000 км, через который при давлении 560 кПа и скорости 36 кмч^-1 прокачивается в год 18 млрд. м³, то себестоимость перекачки 1000 м³ газа на расстояние 1000 км составит 7.5 руб (в ценах 1991 г.). При использовании дирижаблей для перевозки такого же объема природного газа на то же расстояние потребуется 20 рейсов дирижабля объемом 10 млн. м³, а себестоимость перевозки 1000 м³ газа на расстояние 1000 км составит около 1 руб. Если же для перевозки применять дирижабли с объемом 190 млн. м³, то себестоимость перевозки снизится до 47 коп.

По нашему мнению предложенные технические решения обладают следующими техническими преимуществами:

- расширяются функциональные возможности дирижабля;

- оптимизируются процессы промысловой обработки и загрузки в оболочку дирижабля многокомпонентного природного газа;

- повышается остойчивость и надежность работы дирижабля.

Источники информации

1. Патент США 3972492, 1976 г., НКИ 244-30.

2. А.с. СССР 473348, 1970 г., МКИ В 64 В 1/06.

3. Бойко Ю.С. Воздухоплавание в изобретениях. М., Транспорт, 1999, 352 с.

4. Николаев В.В. И др. Современное состояние мембранной технологии газоразделения за рубежом. Обз. информ. Серия: Подготовка и переработка газа и газового конденсата. М., ИРЦ Газпром, 1996, 34.