энергосырьевой комплекс утилизации энергии редуцирования давления магистральных газопроводов

Формула изобретения

Энергосырьевой комплекс утилизации энергии редуцирования давления магистральных газопроводов, включающий в себя вихревую трубу, турбодетандер с электрогенератором, конденсатосборник, смеситель, отличающийся тем, что вихревая труба выполнена в виде вихревого регулятора давления газа с фазоотделением и содержит подводящий трубопровод, соединенный с винтовым каналом, для обеспечения внутренней положительной обратной связи по "горячему" контуру, с регулируемым по высоте тангенциальным соплом, соединенным с цилиндром температурного разделения и через диафрагму - с отводящим трубопроводом основного потока, соединенным с пилотным устройством, где цилиндр температурного разделения закрыт камерой торможения и содержит крестовину с плавно выпрямляющими поток газа профилированными лопатками и устройство перепуска "горячего" газа после крестовины в центр "холодного" вихря на оси цилиндра температурного разделения, на поверхности которого выполнены фазоотборники в виде кольцевых регулируемых щелей, расположенных по его длине из условия наибольшей эффективности отвода в них тяжелых углеводородов, причем по "холодному" выходу вихревой регулятор последовательно соединен с сепарирующей секцией и с турбодетандером, связанным с электрогенератором, с конденсатосборником и со смесителем газа, а выход фазоотборников вихревого регулятора последовательно соединен с другим входом конденсатосборника и далее с дросселем, выход которого и другой выход кондесатосборника соединены со смесителем газа, выходы жидкой фракции сепарирующей секции и конденсатосборника соединены со смесителем жидкой фракции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может использоваться в системах транспортировки 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, МПК F 17 D 1/07, опубл. 20.05.97].

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

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, МПК F 17 D 1/07, опубл. 10.02.97].

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 наличия 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 не допустимо по условиям безопасности эксплуатации.

Наиболее близким к предложенному является комплекс для 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, теплообменник, смеситель для смешения потоков газа, причем первая вихревая труба охвачена положительной обратной связью по "горячему" контуру, соединенному через теплообменник со входом второй вихревой трубы [Патент РФ №2227243, МПК F 17 D 1/04, F 25 В 9/02, опубл. 20.04.2004].

Данный комплекс обладает недостаточной эффективностью в связи с отсутствием оптимального баланса и регулирования соотношения между выходящими потоками первой вихревой трубы. Это приводит к невозможности одновременного выполнения условий максимально возможного подогрева магистрального газа в теплообменнике теплом "выхода" первой вихревой трубы и обеспечения максимального расхода "холодного" потока первой вихревой трубы, направляемого на турбодетандер.

Задачей изобретения является повышение эффективности использования энергии перепада давления за счет оптимизации работы энергосырьевого комплекса.

Поставленная задача решается энергосырьевым комплексом утилизации энергии редуцирования давления магистральных газопроводов, включающим в себя вихревую трубу, турбодетандер с электрогенератором, конденсатосборник, смеситель, в котором в отличие от прототипа вихревая труба выполнена в виде вихревого регулятора давления газа с фазоотделением и содержит подводящий трубопровод, соединенный с винтовым каналом, для обеспечения внутренней положительной обратной связи по "горячему" контуру, с регулируемым по высоте тангенциальным соплом, соединенным с цилиндром температурного разделения и через диафрагму - с отводящим трубопроводом основного потока, соединенным с пилотным устройством, где цилиндр температурного разделения закрыт камерой торможения и содержит крестовину с плавно выпрямляющими поток газа профилированными лопатками и устройство перепуска "горячего" газа после крестовины в центр "холодного" вихря на оси цилиндра температурного разделения, на поверхности которого выполнены фазоотборники в виде кольцевых регулируемых щелей, расположенных по его длине цилиндра температурного разделения из условия наибольшей эффективности отвода в них тяжелых углеводородов, причем по "холодному" выходу вихревой регулятор последовательно соединен с сепарирующей секцией и с турбодетандером, связанным с электрогенератором, с конденсатосборником и со смесителем газа, а выход фазоотборников вихревого регулятора последовательно соединен с другим входом конденсатосборника и далее с дросселем, выход которого и другой выход кондесатосборника соединены со смесителем газа, выходы жидкой фракции сепарирующий секции и конденсатосборника соединены со смесителем жидкой фракции.

Выполнение в вихревом регуляторе внутренней положительной обратной связи позволяет полностью использовать тепло "горячего" контура цилиндра температурного разделения для предварительного подогрева магистрального газа. Выполненные на поверхности цилиндра фазоотборники обеспечивают отбор потока газа, обогащенного тяжелыми углеводородами, что позволяет обеспечить хорошую технологичность сепарации жидких фракций, и при этом обеспечивается выход максимально возможного расхода газа основного "холодного" потока на турбодетандер. Это позволяет оптимизировать работу энергосырьевого комплекса и таким образом повысить эффективность использования энергии перепада давления.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема энергосырьевого комплекса, на фиг.2 - принципиальная схема вихревого регулятора давления газа с фазоотделением.

Энергосырьевой комплекс (фиг.1) содержит вихревой регулятор 1 с фазоотборниками 2, который холодным концом последовательно соединен с сепарирующей секцией 3 и с турбодетандером 4, связанным с электрогенератором 5, с конденсатосборником 6 и со смесителем газа 7. Выход фазоотборников вихревого регулятора 1 последовательно соединен с другим входом конденсатосборника 6 и далее с дросселем 8, выход которого и другой выход кондесатосборника 6 соединены со смесителем газа 7. Выходы жидкой фракции сепарирующей секции 3 и конденсатосборника 6 соединены со смесителем жидкой фракции 9.

Вихревой регулятор давления газа с фазоотделением (фиг.2) содержит подводящий трубопровод 10, соединенный через винтовой канал 11 с регулируемым по высоте h тангенциальным соплом 12, соединенным с цилиндром температурного разделения 13 и через диафрагму 14 - с отводящим трубопроводом основного потока 15, соединенным с пилотным устройством 16. Цилиндр температурного разделения закрыт камерой торможения 17 и содержит крестовину 18 с плавно выпрямляющими поток газа профилированными лопатками и устройство перепуска 19 "горячего" газа, который направляется после крестовины 18 в центр "холодного" вихря на оси цилиндра температурного разделения 13, на поверхности которого выполнены фазоотборники 20 в виде кольцевых регулируемых щелей, расположенных по его длине из условия наибольшей эффективности отвода в них тяжелых углеводородов. Регулирующий клин 21 тангенциального сопла 12 соединен с пилотным устройством 16.

Комплекс работает следующим образом.

Магистраль газа высокого давления подводится к вихревому регулятору, где часть располагаемого перепада давления (20÷40%) срабатывается в специальном газодинамическом устройстве - вихревом регуляторе 1 таким образом, чтобы в нем обеспечивались условия предварительного подогрева магистрального газа теплом "горячего" контура цилиндра температурного разделения (внутренняя положительная обратная связь по "горячему контуру) и максимально возможного отвода тяжелых углеводородов в фазоотборники 2. В вихревом регуляторе 1 происходит разделение природного газа на основной (90-95% по массовому расходу) практически осушенный поток и "горячий" поток газа, обогащенный тяжелыми углеводородами. Небольшая часть сконденсировавшихся углеводородов, уносимая из вихревого регулятора 1 основным "холодным" потоком, отделяется от газа пропусканием его через сепарирующую секцию 3. Далее газ поступает в турбодетандер 4, где срабатывается оставшаяся часть перепада давления с получением механической энергии. К турбодетандеру подключен электрогенератор 5 для получения электрической работы. "Горячий", обогащенный тяжелыми углеводородами поток из фазоотборников 2 вихревого регулятора 1 подается в конденсатосборник 6, где охлаждается холодным газом из турбодетандера 4 и сепарируется с отделением жидкой фракции тяжелых углеводородов. Жидкая фракция из сепарирующий секции 3 и из конденсатосборника 6 поступает в смеситель жидкой фракции 9, где потоки объединяются и направляются потребителю сжиженных углеводородов для их дальнейшего использования. После кондесатосборника 6 обедненный охлажденный "горячий" поток срабатывает оставшуюся часть перепада давления на дросселе 8. Далее этот поток поступает в смеситель газа 7, где происходит его смешение с основным потоком газа, выходящим из конденсатосборника 6. После смесителя газ имеет температуру t=-50°С и содержание тяжелых углеводородов, близкое к нулю.

Таким образом, при применении данной схемы обеспечивается повышение эффективности использования энергии перепада давления для выработки электроэнергии, сепарации сжиженных фракций тяжелых углеводородов и получения хладоресурса.