устройство для доставки природного газа

Формула изобретения

Устройство для транспортирования природного газа, содержащее магистральный трубопровод, средство подачи в трубопровод предварительно подготовленного газа под давлением, и средства дополнительного воздействия на поток транспортируемого газа, распределенные на участках трубопровода, отличающееся тем, что в качестве предварительно подготовленного газа использована газогидратно-водяная пульпа с содержанием газогидрата транспортируемого газа до 50% от ее объема, при величине частиц газогидрата до 3-5 мм, при этом трубопровод выполнен с возможностью поддержания в нем термодинамических режимов, исключающих разложение газогидрата, при этом по длине трубопровода распределены узлы нагрева, содержащие индукторы, выполненные с возможностью нагрева периметра трубопровода до температуры, обеспечивающей возможность прогрева поверхности потока газогидратно-водяной пульпы до уровня, обеспечивающего разложение газогидрата в ее поверхностном слое.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к газовой промышленности и может быть использовано при трубопроводном транспорте природного газа.

Известны способы и устройства для транспортирования сжатого газа по одно- или многониточным газопроводам при начальном давлении газа на линейных участках 5,5-7,5 МПа и степени сжатия на КС, равной 1,45-1,50.

Недостатками этих способов и устройств являются: повышенные энергозатраты на компримирование газа вследствие относительно невысокого коэффициента использования полезного напора (0,68-0,70); значительные удельные затраты, связанные с сооружением и эксплуатацией КС, размещаемых через 110-150 км (см. Е.И.Яковлев. Газовые сети и газохранилища. М.: Недра, 1991 г., с.46, 47).

Известно также устройство для транспортирования природного газа, содержащее магистральный трубопровод, средство подачи в трубопровод предварительно подготовленного газа под давлением, и средства дополнительного воздействия на поток транспортируемого газа, распределенные на участках трубопровода между насосными станциями (см. RU № 2183788, F17D 1/02, 2000 г.). Дополнительное воздействие сводится к дополнительному напору газа в основном газопроводе, для чего отбирают газ на промежуточных и/или конечной компрессорных станциях из основного газопровода, дополнительно его компримируют после чего подают эжектирующий поток газа в промежуточные пункты основного газопровода.

Недостатком этого технического решения являются: повышенные энергозатраты на компримирование и канализацию компримированного газа в точки ввода по длине трубопровода при высокой материалоемкости дополнительной оснастки.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение выражается в снижении энергозатрат на доставку газа потребителю.

Техническим результатом, ожидаемым от использования данного изобретения, является снижение энергетических, капитальных и текущих затрат на доставку газа потребителю за счет предварительного компактирования газа (переводом в газогидратную форму) и снижения гидравлического сопротивления на перемещения газогидратного материала. Кроме того снижается ма-териалоемкость комплекта оборудования.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для транспортирования природного газа, содержащее магистральный трубопровод, средство подачи в трубопровод предварительно подготовленного газа под давлением, и средства дополнительного воздействия на поток транспортируемого газа, распределенные на участках трубопровода, отличается тем, что в качестве предварительно подготовленного газа использована газогидратно-водяная пульпа с содержанием газогидрата транспортируемого газа до 50% от ее объема, при величине частиц газогидрата до 3-5 мм, при этом, трубопровод выполнен с возможностью поддержания в нем термодинамических режимов, исключающих разложение газогидрата, при этом, по длине трубопровода распределены узлы нагрева, содержащие индукторы, выполненные с возможностью нагрева периметра трубопровода до температуры, обеспечивающей возможность прогрева поверхности потока газогидратно-водяной пульпы до уровня обеспечивающего разложение газогидрата в ее поверхностном слое.

Сравнение признаков заявленного решения с признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:

Признаки «в качестве предварительно подготовленного газа использована газогидратно-водяная пульпа с содержанием газогидрата транспортируемого газа до 50% от ее объема» обеспечивают высокую подвижность пульпы и обеспечивают возможность эффективного отвода тепла (на этапе формирования частиц газогидрата) или отвода холода от частиц газогидрата (на этапе разложения газогидрата), что обеспечивает либо оперативное эффективное формирование газогидрата либо его разложение.

Признаки «при величине частиц газогидрата до 3-5 мм» обеспечивают возможность контактирования частиц газогидрата с потоком тепла на большой площади, что повышает эффективность формирования «смазочного» газового слоя на контакте с внутренней поверхностью трубопровода, ускоряя процесс разложения частиц газогидрата имеющих малый объем.

Признаки указывающие, что «трубопровод выполнен с возможностью поддержания в нем термодинамических режимов, исключающих разложение газогидрата» определяет необходимость выполнения трубопровода с расчетом на достаточно большое внутреннее давление, что позволяют доставить газогидратную пульпу в максимально полном объеме, и исключить затраты энергии на сохранение газогидрата в процессе его транспортирования. Кроме того, это повышает безопасность транспортирования.

Признаки указывающие, что «по длине трубопровода распределены узлы нагрева, содержащие индукторы, выполненные с возможностью нагрева периметра трубопровода, до температуры, обеспечивающей возможность прогрева поверхности потока газогидратно-водяной пульпы до уровня обеспечивающего разложение газогидрата в ее поверхностном слое» обеспечивают формирование на внутренней поверхности трубопровода тонкого газового «смазочного слоя» обеспечивающего снижение коэффициента трения между стенками трубопровода и потоком газогидратно-водяной пульпы (за счет диссоциации частиц газогидрата находящихся в слое потока пульпы непосредственно контактирующего с внутренней поверхностью трубопровода).

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана технологическая схема комплекса оборудования, обеспечивающего подготовку и транспортировку газогидратно-водяной пульпы; на фиг.2 показана диаграмма формирования газогидрата; на фиг.3 показана диаграмма состояния газогидрата природного газа в координатах Р-Т; на фиг.4 - показана диаграмма процесса диссоциации газогидратно-водяной пульпы под воздействием теплового потока.

На чертежах показаны:

- узел формирования газогидрата, включающий: реактор 1, его первый 2 и второй 3 входы, источник природного газа 4, накопитель льдосодержащей пульпы 5, первый 6 и второй 7 выходы реактора, узел хранения газогидратно-водяной пульпы 8, насосы 9, 10 и 11, соответственно, для перекачки льдосодержащей пульпы, для перекачки смеси рециркуляционной воды со льдом, для перекачки рассола, турбкомпрессор 12, генератор льда 13, отделитель льда от рассола 14, смеситель льда и рециркуляционной воды 15, источник питательной воды 16, газопроводы 17 и 18,пульпопроводы 19-21, соответственно, для перекачки газогидратной пульпы, для перекачки льдосодержащей пульпы и для перекачки льдосодержащей рассольной пульпы, трубопроводы 22-25, соответственно, для перекачки рециркуляционной воды, для перекачки рассола, для перекачки питательной воды и для подачи льда. Запорные и предохранительные клапаны, контрольно-измерительная аппаратура и прочие вспомогательные устройства, необходимые для работы узла формирования газогидрата, обеспечивающие реализацию заявленного способа на чертежах не показаны;

- узел транспортирования газогидрата, включающий: трубопровод 26 для перекачки газогидратно-водяной пульпы, насос 27, запорные вентили 28 насосная станция 29, магистральный трубопровод 30, индукторы 31 узлов нагрева.

Кроме того, на чертежах показаны газогидратно-водяная пульпа 32 и газовый слой 33, направление 34 транспортирования газогидратно-водяной пульпы, регазификационный завод 35.

Источник природного газа 4 (например, подводящий газопровод) сообщен газопроводами 17 с первым входом 2 реактора 1 и газовой турбиной (на чертежах не показана), обеспечивающей работу турбокомпрессора 12.

Второй вход 3 реактора 1 через насос 9 с соответствующим трубопроводом сообщен с накопителем льдосодержащей пульпы 5.

Первый выход 6 реактора 1 сообщен пульпопроводом 19 с узлом хранения газогидратно-водяной пульпы 8.

Второй выход 7 реактора 1 сообщен трубопроводом 22 со смесителем льда и рециркуляционной воды 15, выход которого, трубопроводом 20 с насосом 10 сообщен со входом накопителя льдосодержащей пульпы 5.

Как накопитель льдосодержащей пульпы 5 использован теплоизолированный резервуар, выход которого сообщен со вторым входом 3 реактора 1.

В качестве узла хранения газогидратно-водяной пульпы 8 использован теплоизолированный резервуар (или несколько резервуаров), выполненных с возможностью сохранения термодинамического равновесия хранимой в них газогидратной пульпы и снабженных средствами отгрузки материала потребителю.

В качестве генератора льда 13 применяют вакуумный льдогенератор, предпочтительно марки IDE Tech, с приводом от турбкомпрессора 12. Конструктивно он представляет собой полый резервуар, заполненный каким либо водным раствором, агрегатированный турбокомпрессором, который создает в резервуаре вакуум, равный по величине давлению тройной точки использующегося раствора (в данном случае - морской воды).

В данном вакуумном льдогенераторе холодильный коэффициент равен 12, при температуре кипения -3°С и конденсации+6°С, в то время как аммиачная холодильная установка при температуре конденсации+6°С имеет холодильный коэффициент не более 5, т.к. должна иметь температуру кипения -10°С (по причине того, что в испарителе невозможно обеспечить прямой контакт кипящего аммиака и кристаллизующейся морской воды). Дополнительное преимущество вакуумного льдогенератора, перед традиционными, заключается в применении турбокомпрессора, который использует в качестве энергоносителя природный газ, что позволяет при производстве газогидрат-ных пульп значительно снизить расход электроэнергии.

Вход генератора льда 13 сообщен трубопроводом 24 с источником питательной воды 16, в качестве которого используют водозаборник морской воды известной конструкции.

Как отделитель льда от рассола 14 используют известное устройство аналогичного назначения, типа вибросита или виброгрохота, рабочая поверхность которого перфорирована отверстиями порядка 1-2 мм в диаметре, производительность которого соответствует производительности установки.

Магистральный газопровод 30 по своей конструкции не отличается от известных и априори выдерживает давление до 10 МПа (трубопровод первой категории) или до 2,5 МПа (трубопровод второй категории).

На участках, проложенных по суше его целесообразно снабдить теплоизоляционным покрытием (на чертежах не показано), например, слоем пенополиуретана, толщиной порядка 100 мм. При прокладке газопровода по дну моря, с учетом давления транспортирования и температуры воды в придонном слое теплоизоляция может и не потребоваться.

Насос 27 установлен на трубопроводе 26 обеспечивающем перекачку газогидратно-водяной пульпы из узла ее хранения 8 на насосную станцию 29 и отделен от них запорными вентилями 28.

Насосная станция 29 обеспечивает закачку газогидратно-водяной пульпы в магистральный газопровод 30 под давлением транспортирования.

Узлы нагрева 31 выполнены известным образом, например, в виде кольцевых индукторов, намотанных как катушки, вокруг газопровода и подключенных токопроводящей шиной к источнику тока (на чертежах не показаны). Токопроводящие элементы заключены в токоизолирующую оболочку, выполненную известным образом (на чертежах не показана). Потребную мощность теплового потока определяет диаметр газопровода и расход газогидратно-водяной пульпы через его сечение. При прохождении пульпы через кольцевой индуктор ее часть, соприкасающаяся с поверхностью газопровода, под воздействием теплового потока диссоциирует на свободный газ и воду в количестве m=Q/r,

где Q - мощность теплового потока от индуктора в пульпу, кВт;

r - теплота диссоциации гидрата природного газа (пропан -90%, этан -5%, пропан -3%) - 410 кДж/кг;

m - количество диссоциированного газогидрата, кг/с.

При расходе 50%-й газогидратной пульпы 1000 м³/час по газопроводу диаметром 0,5 м, со скоростью 2 м/с, потребуется мощность индуктора около 3 кВт, чтобы на границе со стенкой газопровода диссоциировать слой гидрата толщиной 1 мм.

При расходе 50%-й газогидратной пульпы 1000 м³/час по трубопроводу диаметром 0,5 м, со скоростью 2 м/с, потребуется мощность индуктора величиной 3 кВт, чтобы на границе со стенкой трубопровода диссоциировать слой гидрата толщиной 1 мм.

Регазификационный завод 35 оснащен комплектом оборудования, обеспечивающим разложение газогидрата на воду и газ, в качестве которого используют танки (теплоизолированные емкости, выполненные с возможностью изменения в них давления от давления близкого к давлению транспортирования до меньшего 10 атмосфер, выход которых снабжен компрессором, подключенным к газгольдерам - названное оборудование на чертежах не показано).

Продукты разделения льдосодержащей рассольной пульпы на пресный лед и рассол используют следующим образом - лед самотеком по трубопроводу 25 сбрасывают в смеситель льда и рециркуляционной воды 15, а рассол, концентрация солей в котором выше, чем в исходной морской воде, либо сбрасывают в море, либо, как показано на чертеже, по трубопроводу 23 возвращают в генератор льда 13.

Формирование газогидрата проходит на линиях формирования гидрата (фиг.2), которые отделены от линии равновесия гидрат-газ-вода зонами мета-стабильного состояния (а-б, г-д, ж-з).

В реакторе 1 (фиг.1) из раствора природного газа (ПГ: метан-90%, этан-5%, пропан-3%) в воде образуется гидрат природного газа (его газогидрат). Точки а, г, ж (фиг.2) соответствуют состоянию равновесия системы «гидрат-газ-вода», причем это состояние не может перейти в процесс гидратообразо-вания (а-б, г-д, ж-з) до тех пор, пока к системе не будет приложена определенного значения «движущая сила» гидратообразования (Потенциал Гиббса G, химический потенциал µ, переохлаждение t, пересыщение = µ/RT). Все частные случаи проявления движущей силы зарождения и роста новой фазы объединяет потенциал Гиббса, при отрицательных значениях которого возможно прохождение всех фазовых переходов). Известно, что при всех прочих равных условиях, процесс гидратообразования начинается раньше и проходит быстрее при наличии в воде различных механических включений, пузырьков газа или молекулярных комплексов-ассоциатов, которые всегда являются центрами образования новой фазы, в данном случае гидратной (гетерогенное зарождение). Начало процесса гидратообразования совпадает с достижением фигуративной точки системы газ-вода спинодали (фиг.2). Удаление от линии равновесия в область устойчивого состояния гидрата иллюстрирует повышение «движущей силы» гидратообразования.

В данном случае «движущая сила» гидратообразования представлена переохлаждением системы газ-вода (температурный градиент переохлаждения t_{ПЕРЕОХЛ}=t_а-t_б; t _г-t_д; t_ж-t_з) по отношению к равновесному состоянию (точки а, г, ж на фиг.2). При этом очевидно, что при снижении температуры системы газ-вода до одинакового значения (на пример до - 0,2°С) градиент, выраженный в переохлаждении, при различных давлениях будет различным. Это позволяет снизить в газогидратном генераторе давление и соответственно энергозатраты, имея высокий потенциал градиента гидратообразования, полученный за счет межфазного теплообмена, резко снижающего температурный градиент между растущими частицами гидрата и хладоносителем и соответственно повышающего градиент переохлаждения t_{ПЕРЕОХЛ}.

Кроме создания градиента, обеспечивающего прохождение процесса гидратообразования в системе газ-вода, необходимо обеспечить отведение теплоты гидратообразования, которая для гидрата метана равна 410 кДж/кг.

В процессе гидратообразования одновременно с формированием частиц газогидрата проходит их диссоциация, обусловленная локальными температурными флуктуациями, которые всегда сопровождают экзотермические фазовые переходы. Они возникают из-за невозможности эффективного отведения теплоты от каждой зарождающейся и растущей частицы новой фазы, в связи с их удаленностью от теплообменной поверхности.

В реакторе 1 теплота, выделяемая образующимися частицами газогидрата отводится от них сопоставимыми по размеру и находящимися в непосредственной близости к ним (в т.ч. в контакте) частицами льда, содержавшимися в льдосодержащей пульпы. При этом интенсивность обеспеченного таким образом межфазного теплообмена (коэффициент теплоотдачи , Вт/м²*К) между поверхностью растущих частиц гидрата и плавящихся частиц водного льда размером 3 5 мкм достигает 3000 5000 Вт/м²*К, что по эффекту сопоставимо с погружением частиц гидрата в кипящий Фреон-22.

Причина столь значительного влияния размеров кристаллов льда на скорость их плавления, и в конечном счете на интенсивность теплоотвода от растущих частиц газогидрата, заключается в том, что в термически тонких телах, при расстоянии от их термического центра до поверхности (R) порядка 5-10 мкм, скорость изменения температуры внутри объекта не зависит от теплопроводности, а определяется его размерами (например, продолжительность процесса плавления кристалла водного льда размером 100 мкм составляет 0,2 секунды, а размером 5 мкм - 4*10^-4 секунд).

Таким образом, при зарождении и росте частиц газогидрата в окружении частиц водного льда величина локальных температурных флуктуации практически будет равна нулю.

При этом частицы водного льда одновременно служат центрами зарождения новой фазы газового гидрата. При зарождении частицы газогидрата начинают выделять тепловую энергию, которая тотчас поглощается плавящимися частицами водного льда, присутствующими непосредственно в месте зарождения газогидрата. Равномерность распределения частиц водного льда и газогидрата достигается постоянным подводом в реактор водоледяной пульпы и отводом рециркуляционной воды.

Дополнительным фактором, повышающим эффективность процесса гидратообразования, является бесконечно большая площадь теплообмена между бесконечно большим количеством термически тонких тел (частиц гидрата и водного льда), что является причиной поддержания высоких значений теплового потока между растущими частицами гидрата и плавящимися частицами водного льда, при температурном градиенте между ними практически равным нулю.

При генерировании льда морская вода начинает отвердевать при температуре -2°С и давлении 420 Па (температура кипения - отвердевания снижается до -3°С, при вымораживании из воды 30% твердой фазы и, до -5°С, при вымораживании 50% твердой фазы), при этом лед представляет собой химически чистую воду в твердом агрегатном состоянии. Полученный в полости вакуумного льдогенератора водный лед, образует с жидкой фазой раствора льдосодержащую рассольную пульпу, которая передается на отделитель льда от рассола. После разделения льдосодержащей рассольной пульпы на пресный лед и рассол, лед самотеком подают в смеситель льда и рециркуляционной воды 15, а рассол либо сбрасывают в море, либо возвращают в генератор льда 13.

Льдосодержащая пульпа, включающая дисперсный лед (до 50% от объема пульпы) и пресную воду, аккумулируется в накопителе 5, откуда закачивается насосом в реактор 1. Здесь частицы водного льда плавятся в процессе отвода теплоты от образующихся частиц газогидрата и в виде рециркуляционной воды удаляются насосом в смеситель льда и рециркуляционной воды 15.

Готовая газогидратно-водяная пульпа накапливается в ее узле хранения 8, откуда по трубопроводу 26 отгружается на насосную станцию 29, которая обеспечивает ее закачку в магистральный трубопровод 30 под давлением транспортирования. При этом, уже при давлении 1 МПа и температуре порядка +2 +3°С (точка 1, фиг.3) газогидратная пульпа сохраняет достаточную для практического применения стабильность.

Тепловой поток, подводимый от нагревателя (при названных параметрах прокачки газа) диссоциирует слой газогидрата толщиной 1 мм, а т.к. в замкнутом пространстве трубопровода проходит изохорный процесс, то газ займет место диссоциированного газогидрата за вычетом объема воды (80% от объема диссоциированного газогидрата), что будет соответствовать толщине газового слоя 0,2 мм.

В результате получения тепловой энергии от индуктора, поверхностный слой потока пульпы, содержащий частицы газогидрата повышает свою температуру до значения Т1, при этом фигуративная точка системы от линии равновесия смешается в точку 1, которая находится на линии диссоциации, пересекая при этом область метастабильного состояния, в которой проходит перестройка системы (фиг.4). В точке 1 газогидрат начинает диссоциировать на свободный газ и воду, при этом свободный газ вызывает повышение давления в системе до значения Р1. В результате повышения давления фигуративная точка системы смещается в точку 3, в которой диссоциация газогидрата уже невозможна.

В результате выделения свободного газа в пристенном слое трубопровода до ничтожно малых величин падает сопротивление при движении пульпы относительно его поверхности ( =0,001) [Zukoski, E. E. Influence of viscosity, surface tension and inclination angle on motion of long bubbles in closed tubes, J. Fluid Mech., 25, 1966; Fabre, J., Line, Alain. Slug flow. Termopedia. 2010]. При этом скачок давления в результате расширения системы при диссоциации газогидрата переходит в кинетическую энергию системы, что повышает скорость потока. Таким образом, индуктор, помимо снижения гидравлического сопротивления, выполняет насосную функцию.

Для эффективного применения данного способа необходимо, чтобы рабочее давление в газопроводе равнялось равновесному или превышало его ненамного (фиг.4), т.к. в при значительных давлениях (точка 4) потребуется слишком много тепловой энергии, чтобы сместить фигуративную точку гидрата до линии диссоциации (точка 5).

При поступлении газогидратно-водяной пульпы на регазификационный завод 35 ее закачивают в приемные танки (заполняя их не более, чем на 80% объема), далее давление в танках снижают ниже 1 МПа для чего подключают известным образом танк через компрессор к газгольдеру. Далее посредством компрессора начинают откачку газовой подушки из танка, с переброской газа в газгольдер. Вследствие этого давление в танке снижается до атмосферного (Фиг.3 -процесс 1-2), в результате - частицы газогидрата, входящие в состав пульпы, начинают диссоциировать на воду и свободный газ (точка 3). Чтобы диссоциация газогидрата проходила непрерывно необходимо к его частицам непрерывно подводить тепловую энергию от какого либо источника, при этом сама пульпа содержит в себе сразу два источника тепловой энергии (теплота, заключенная в частицах самого газогидрата и в жидкой фазе пульпы).

Таким образом, снижение давления в газогидратно-водяной пульпе до атмосферного запускает механизм диссоциации гидрата за счет теплоты, содержащейся внутри самого газогидрата (200 кДж/кг). Эндотермический процесс диссоциации, в свою очередь, приводит к снижению температуры частиц газогидрата, которое будет продолжаться до тех пор, пока температура его частиц не достигнет равновесной температуры (точка 4, фиг.4). Однако, для развития такого сценария необходимо, чтобы частицы газогидрата были каким либо образом изолированы от окружающей их воды. Т.к. частицы газогидрата являются частью мелкодисперсной системы вода-газогидрат, т.е. пульпы, то при снижении температуры газогидрата ниже температуры жидкой фазы пульпы, начнется теплообмен, в результате которого возникнет тепловой поток от жидкости к частицам газогидрата. После достижения газогидратом температуры 0°С (точка 3, фиг.4), а вернее -0,2°С, начнется отвердевание жидкой фазы пульпы (т.е. воды), с выделением тепловой энергии в количестве 335 кДж/кг. Очевидно, что после диссоциации газогидратно-водяной пульпы на ее месте образуется другая пульпа - льдосодержащая, при этом количество частиц водного льда в льдосодержащей пульпе будет больше, чем частиц гидрата в газогидратно-водяной пульпе т.к. частицы гидрата потребляют больше тепловой энергии при диссоциации (410 кДж/кг), чем жидкая вода выделяет при отвердевании (335 кДж/кг). При этом свободный природный газ, выделившийся из гидрата при его диссоциации удаляется компрессором из танка в резервуары хранения.

Льдосодержащая пульпа, оставшаяся в танке после удаления высвобожденного природного газа, используется известным образом, либо в качестве источника холода в системах охлаждения или кондиционирования, либо (после растаивания) в качестве опресненной технической воды в различных технологических процессах.

Таким образом, диссоциация газогидрата природного газа на регазифика-ционном заводе возможна без подвода тепловой энергии к газогидратно-водяной пульпе извне.