энергосырьевой комплекс утилизации энергии редуцирования давления магистральных газопроводов

Формула изобретения

1. Энергосырьевой комплекс утилизации энергии редуцирования давления магистральных газопроводов, включающий в себя первую и вторую вихревые трубы для энергетического разделения природного газа на “горячий” и “холодный” и увеличения концентрации тяжелых углеводородов в “горячем” газе, турбодетандер для срабатывания в нем потенциальной энергии давления газа, конденсатосборник для отвода жидких фракций и смеситель для смешения потоков газа, теплообменник, отличающийся тем, что первая вихревая труба охвачена положительной обратной связью по “горячему” контуру, соединенному через теплообменник со входом второй вихревой трубы.

2. Энергосырьевой комплекс утилизации энергии редуцирования давления магистральных газопроводов по п.1, отличающийся тем, что теплообменник в контуре положительной обратной связи первой вихревой трубы соединен со вторым теплообменником, который по второму контуру соединен с “холодным” контуром первой вихревой трубы.

3. Энергосырьевой комплекс утилизации энергии редуцирования давления магистральных газопроводов по п.1 или 2, отличающийся тем, что первая вихревая труба соединена со входом второй вихревой трубы, которая соединена “горячим” контуром с конденсатосборником, холодный контур первой вихревой трубы через турбодетандер так же соединен с конденсатосборником, конденсатосборник и холодный контур второй вихревой трубы соединены со смесителем потоков.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может использоваться в системах транспортного газа для выработки электроэнергии, получения хладоресурса и жидких фракций тяжелых углеводородов из природного газа.

Известна система газоснабжения, содержащая газопроводы природного газа высокого и низкого давлений, соединенные между собой трубопроводом с клапаном, связанным с регулятором давления “после себя” (Справочник эксплуатационника газофицированных котельных. / Под ред. Е.Б.Столпнера, Л.: Недра, 1988).

В этой системе снижение давления природного газа до требуемых потребителю значений осуществляется посредством редукционного клапана. При дросселировании газа его температура уменьшается, что может привести к выпадению кристаллов льда и конденсации тяжелых углеводородов. Это неблагоприятно скажется на надежности работы газопровода низкого давления и установленной в нем аппаратуры (фильтры, задвижки и др.).

Известна установка для утилизации энергии сжатого природного газа, в которой подогреватель на газораспределительной станции снабжен топкой, горелка которой подключена к газопроводу низкого давления трубопроводом с регулирующим клапаном, связанным с регулятором, соединенным импульсной линией с датчиком температуры, размещенным в газопроводе низкого давления, его теплообменная поверхность выполнена из тепловых труб, а корпус разделен горизонтальной, герметичной перегородкой на две полости, причем в нижней полости размещены зоны испарения тепловых труб, ее входной патрубок подключен к топке, а выходной - к дымовой трубе, при этом зоны конденсации тепловых труб расположены в верхней полости теплообменника, которая встроена в трубопровод, соединяющий газопроводы высокого и низкого давления (патент РФ №2079771 от 03.08.94, кл. F 17 D 1/07).

В указанной установке осуществляется предварительный прогрев газа высокого давления за счет сжигания газа низкого давления, что неэкономично.

Известна установка утилизации энергии сжатого природного газа, преимущественно для газораспределительных станций и пунктов системы газоснабжения, содержащая подогреватель газа, выполненный с патрубками подвода и отвода конденсата, и турбину (детандер), связанную с потребителем ее мощности, последовательно установленные по ходу газа в трубопроводе, соединяющем между собой газопроводы высокого и низкого давления, снабжена дополнительным подогревателем газа, размещенным в упомянутом трубопроводе за турбиной и подключенным по греющей среде к патрубку отвода конденсата парового подогревателя (патент РФ №2073169 от 03.08.94, кл. F 17 D 1/07).

Подогрев газа перед турбиной до значений, обеспечивающих его положительную температуру за ней, позволил значительно увеличить полезную мощность, развиваемую этой турбиной. Однако использование пара для подогрева природного газа существенно усложняет установку, так как требует наличие парового котла. Это приводит к значительным капитальным и эксплуатационным затратам в основном на химобработку добавочной воды, необходимой для восполнения утечек и продувочной воды котла. По этим причинам применение такой установки целесообразно только на ГРП ТЭЦ с использованием низкопотенциального пара, например, из отбора турбины. Кроме того, надежность данной установки не достаточно высока, так как при повреждении трубной системы подогревателя произойдет попадание природного газа в конденсатную систему, что недопустимо по условиям безопасности эксплуатации.

Известен также способ утилизации потенциальной энергии газа, транспортируемого в магистральном трубопроводе при редуцировании газа на газораспределительных станциях, и устройство, его реализующее, содержащее подключенные к источнику газа высокого давления и последовательно соединенные между собой подогреватель газа, детандер с электрогенератором и муфтой, теплообменник, коллектор раздачи газа низкого давления и отсечные клапаны, установленные на трубопроводах, соединяющих вход и выход теплообменника соответственно с горячего потока выходом детандера и потребителем, которое снабжено вихревыми трубами, промежуточными теплообменниками, стабилизатором давления, компенсационными, дополнительными и замыкающим детандерами и раздающим патрубком, один отвод которого соединен через стабилизатор давления с вихревой трубой, а другой - с последовательно соединенными между собой отсечными клапанами, входным теплообменником, параллельно установленными компенсационными детандерами с электрогенераторами и муфтами, выходным теплообменником с конденсатосборником, выходным смесителем и коллектором раздачи газа низкого давления, при этом высокотемпературный выход вихревой трубы соединяет трубопроводом последовательно расположенные входной и промежуточные теплообменники с одним из входов смесителя, а другой вход соединен с низкотемпературным выходом вихревой трубы, причем выход смесителя соединен, по крайней мере, еще с одним дополнительным детандером с муфтой и потребителем механической энергии, теплообменником, выход которого через отсечные клапана связан с выходом замыкающего детандера и коллектором раздачи газа низкого давления, при этом вход каждого дополнительного детандера соединен с выходами предыдущего детандера и теплообменником соответственно, а выход последнего по ходу потока газа теплообменника соединен со входом и выходом замыкающего детандера (патент РФ №2175739 от 22.02.2001, кл. F 17 D 1/04).

Это решение и было принято за прототип.

Недостатком данного способа и устройства, его реализующего, является то, что выделение конденсата в данном устройстве производится из газа, имеющего невысокую концентрацию конденсатообразующих веществ (например: вода, изобутан, изопропан и др.), что усложняет технологию выделения “тяжелых” фракций и требует введения в установку конденсатосборников после каждого теплообменника.

Техническим результатом изобретения является обеспечение оптимального использования энергии перепада давления и потребляемого расхода газа при редуцировании на газораспределительной станции для получения в максимальном количестве конечного полезного продукта, а именно электроэнергии, хладоресурса и жидких фракций тяжелых углеводородов без затрат топлива и посторонних источников энергии.

Технический результат достигается тем, что в энергосырьевом комплексе утилизации энергии редуцирования давления магистральных газопроводов, включающем в себя вихревые трубы для энергетического разделения природного газа на “горячий” и “холодный” и увеличения концентрации тяжелых углеводородов в “горячем” газе, турбодетандер для срабатывания в нем потенциальной энергии давления газа, теплообменник для подогрева магистрального газа за счет избыточного тепла “горячего” выхода вихревой трубы, конденсатосборник для отвода жидких фракций и смеситель для смешения потоков газа, первая вихревая труба охвачена положительной обратной связью по “горячему” контуру, соединенному через теплообменник со входом второй вихревой трубы. Возможен вариант, что теплообменник в контуре положительной обратной связи первой вихревой трубы соединен со вторым теплообменником, который по второму контуру соединен с “холодным” контуром первой вихревой трубы. При выполнении энергосырьевого комплекса как по первому, так и по второму варианту первая вихревая труба соединена со входом второй вихревой трубы, которая соединена “горячим” контуром с конденсатосборником, холодный контур первой вихревой трубы через турбодетандер также соединен с конденсатосборником, конденсатосборник и холодный контур второй вихревой трубы соединены со смесителем потоков.

Существо изобретения поясняется фиг.1 и 2.

Магистраль газа высокого давления 1 соединена с теплообменником 2, последовательно соединенным с входным соплом вихревой трубы 3, которая холодным концом соединена с турбодетандером 4, связанным с электрогенератором 5. Кроме того, вихревая труба 3 охвачена положительной обратной связью по “горячему” контуру, включающей теплообменник 2, и соединена с входным соплом вихревой трубы 6, горячий конец которой соединен с конденсатосборником 7, который также последовательно включен после турбодетандера 4. Холодный конец вихревой трубы 6 и конденсатосборник 7 соединены со смесителем 8. Теплообменник 2 в контуре положительной обратной связи первой вихревой трубы 3 соединен со вторым теплообменником 9, который по второму контуру соединен с “холодным” контуром вихревой трубы 3.

Комплекс работает следующим образом. Из магистрали высокого давления 1 газ с давлением Р=60 атм, массовым расходом G=49 кг/с, температурой t=7°C и содержанием тяжелых углеводородов G_т.у=0,5...1,0% поступает на вход вихревой трубы 3, предварительно пройдя через теплообменник 2 и повысив свою температуру до t=22°C. В вихревой трубе 3 газ разделяется на “горячий” (Р=32 атм, t=67°C, 0=14,5 кг/с), насыщенный тяжелыми углеводородами и “холодный” (Р=30 атм, t=-20°C, 0=34,5 кг/с), практически осушенный газ. Энергия давления “холодного” газа, выходящего из вихревой трубы 3, срабатывается в турбодетандере 4, служащем приводом электрогенератора 5. “Горячий” газ из вихревой трубы 3, пройдя через теплообменник 2 и передав часть своей тепловой энергии газу высокого давления из магистрали 1, имеет температуру t=4°C и содержание тяжелых углеводородов G_т.у=1,7...3,4% и поступает на вход вихревой трубы 6, где для дальнейшего увеличения концентрации тяжелых углеводородов подвергается разделению на “горячий” (Р=11 атм, t=90°C, G=4,3 кг/с, G_т.у=5...10%) и “холодный” (Р=10 атм, t=-34°C, 0=10,2 кг/с), практически осушенный газ. Расширившись в турбодетандере и совершив механическую работу, “холодный” газ (Р=10 атм, t=-66°C, G=34,5 кг/с) поступает в конденсатосборник 7 для охлаждения “горячего” газа из вихревой трубы 6 и отделения из него жидких фракций тяжелых углеводородов G_т.у=0,245...0,495 кг/с. После чего “холодный” газ из вихревой трубы 6 и газ из конденсатосборника 7 поступают в смеситель 8. После смешения газ имеет давление Р=10 атм, массовый расход G=48,5...48,8 кг/с, температуру t=-45°C и содержание тяжелых углеводородов близкое к нулю. В случае необходимости количество последовательно соединенных вихревых труб по “горячему” контуру может увеличиваться до получения необходимой концентрации G_т.у.

Предлагаемый энергосырьевой комплекс утилизации энергии редуцирования давления магистральных газопроводов позволяет без затрат топлива и посторонних источников энергии выполнять редуцирование транспортируемого газа, получать электроэнергию N=2,5...3,0 МВт, получать жидкую фракцию тяжелых углеводородов G_т.у=0,245...0,495 кг/с и получать хладоресурс N=2,5...3,0 МВт, который может быть использован в промышленных технологиях с большим хладопотреблением, а также для пищевой промышленности и обеспечения хранения сельхозпродукции.