Способ утилизации потенциальной энергии газа, транспортируемого в магистральном трубопроводе при редуцировании на газораспределительных станциях, и устройство, его реализующее

Способ утилизации потенциальной энергии газа, транспортируемого в магистральном трубопроводе при редуцировании на газораспределительных станциях, и устройство, его реализующее

Реферат

 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в системах транспортного газа для комбинированной выработки электроэнергии и сжиженного газа. Техническим результатом изобретения является обеспечение оптимального использования энергии всего спектра перепадов давления и потребляемых расходов из магистрального газа при редуцировании последнего на ГРС для получения в максимальном количестве конечного полезного продукта, а именно электроэнергии и сжиженного газа. В способе утилизации потенциальной энергии газа, транспортируемого в магистральном трубопроводе при редуцировании на газораспределительных станциях, отбираемый из магистрального трубопровода сжатый газ разделяют на два потока, один из которых, равный в зависимости от времени года 0.7-1.0 от общего расхода, направляют в вихревые энергоразделители, где потенциальную энергию потока сжатого газа срабатывают в соотношении _вт = 2.3-2.5 и разделяют на холодный и горячий потоки в соотношении расходов Q_x/Q_г = 1.2-2.3, причем горячий поток газа охлаждают в последовательно расположенных по ходу потока газа теплообменниках, подают в конденсатосборники и выделяют из него жидкие фракции тяжелых углеводородов, смешивают с холодным потоком из вихревой трубы, срабатывают потенциальную энергию смешанного потока осушенного газа в последовательно расположенных по ходу потока газа детандерах, нагревают в теплообменниках, расположенных между детандерами, смешивают со вторым потоком, составляющим 0-0.3 от общего расхода, который после предварительного подогрева в теплообменнике обеспечивает после срабатывания потенциальной энергии газа в параллельно расположенных детандерах температуру не менее T 273К, охлаждают в выходном теплообменнике, подают в конденсатосборник и выделяют из него жидкие фракции тяжелых углеводородов. Устройство, реализующее способ утилизации энергии технологических перепадов давления газа в системах транспортирования природного газа, содержит подключенные к источнику 1 газа высокого давления раздающий патрубок 2, один из отводов которого соединен через отсечные клапаны 3, 4 и стабилизатор давления 5 со входом в первую 6 или n-ю 7 вихревые трубы, а другой - через компенсационный трубопровод 8, содержащий последовательно расположенные отсечной клапан 9, входной теплообменник 10, отсечной клапан 11, параллельно установленный первый 12 и разделенный отсечным клапаном 13, n-е 14 компенсационные детандеры с электрогенераторами и муфтами 15, выходной теплообменник 16 и конденсатосборник 17, выходной смеситель 18 соединен с коллектором раздачи 19 газа низкого давления. Высокотемпературные выходы вихревых труб 6, 7 соединены трубопроводом горячего потока, содержащим последовательно расположенные входной теплообменник 10, первый 20, второй 21, n-й 22 промежуточные теплообменники, конденсатосборники 23, 24, 25, отсечные клапаны 26 и 27, обратный коллектор 28 с одним из входов смесителя 29, другой вход смесителя 29 соединен с низкотемпературным выходом вихревых труб 6, 7. Выход смесителя 29 соединен трубопроводом смешанного потока, содержащим последовательно расположенные отсечной клапан 30, первый 31, второй 32, n-й 33 дополнительные и замыкающий 34 детандеры, с муфтами и потребителями механической энергии 35, 36, 37, 38, теплообменники 20, 21, 22, отсечные клапаны 30, 40, 41, выходной теплообменник 16 с выходным смесителем 18. К трубопроводу смешанного потока после смесителя 29, промежуточных теплообменников 20, 21, 22 и детандеров 31, 32, 33, 34 присоединен через отсечные клапаны 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50 отводной коллектор 51. Трубопровод горячего потока через отсечные клапаны 52, 53, установленные за каждым из конденсатосборников 23, 24, через обратный коллектор 28 связан со входом в смеситель 29. 2 с. и 18 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в системах транспортирования газа для комбинированной выработки электроэнергии и сжиженного газа.

Известен способ сжижения природного газа - классический дроссельный цикл. Ожижение в нем основано исключительно на рекуперативной утилизации прямым потоком газа высокого давления холода несконденсировавшей части сжижаемого потока газа /1/. Технологически он заключен в охлаждении газа в рекуперативном теплообменнике, дросселировании и разделении образующейся в парожидкостной смеси в конденсатосборнике с выводом паров в рекуперативном теплообменнике, а жидкости - потребителю. Основным недостатком способа является малый коэффициент сжижения. Повышение коэффициента сжижения газа обычно достигается за счет введения в цикл дополнительных источников холодопроизводительности.

Известен способ утилизации потенциальной энергии газа, транспортируемого в магистральных трубопроводах для выработки механической энергии /2/. Сущность известного способа заключается в том, что сжатый газ направляют в детандерную установку, где газ расширяется и совершает работу, которая используется для приведения в движение различных механизмов, например компрессоров, генераторов и т.п. Кроме того, понижение температуры газа, вызванное его расширением, используется для охлаждения во внешних холодильных установках.

Недостатком этого способа утилизации потенциальной энергии газа является то, что освобождение потенциальной энергии газа, обусловленной его давлением, вызывает изменение термодинамических параметров газа еще до передачи его потребителю, что может привести к значению этих параметров, недопустимым эксплуатационным характеристикам технических средств, используемых в системах передачи газа потребителю. Так, слишком сильное расширение газа в детандерной установке может привести к падению давления ниже уровня, необходимого для нормальной работы, например, газораспределительной станции. Одновременно вызванное этим расширением переохлаждение газа (около минус 8^oC) может вызвать образование гидратов в виде кристаллов льда, что окажет неблагоприятное влияние на надежность работы газопровода и установленных в нем клапанов, фильтров, арматуры и пр., нарушит характер течения газа по технологическим магистралям и изменит свойства потребляемого газа.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ утилизации потенциальной энергии газа, транспортируемого в магистральных трубопроводах при редуцировании на ГРС, заключающийся в подаче магистрального газа высокого давления на очистку с последующим его ступенчатым расширением в турбодетандерах с получением в нем механической энергии для привода электрогенератора и охлажденного газа для использования его в теплообменнике и подаче полученного газа низкого давления потребителю /3/.

Для осуществления указанного способа служит устройство, содержащее детандер, связанный с потребителем его мощности, подогреватель газа, выполненный с патрубками подвода пара и отвода конденсата, последовательно установленные в трубопроводе, соединяющем между собой газопроводы высокого и низкого давления /4/. Подогрев газа перед турбиной до значений, обеспечивающих его положительную температуру за ней, позволил значительно увеличить полезную мощность, развиваемую этой турбиной в зависимости от расхода и величины подогрева газа с одновременным обеспечением круглогодичной надежной работы системы газоснабжения. Однако использование пара для подогрева природного газа существенно усложняет установку, т. к. требует наличия парового котла. Это приводит к тому, что применение такой установки целесообразно только на ГРП ТЭЦ с использованием низкотемпературного пара. Кроме того, надежность данной установки недостаточно велика, т.к. при повреждении трубной системы подогревателя может произойти попадание природного газа в конденсаторную полость, что недопустимо по условиям безопасности эксплуатации (последнее препятствует ее широкому внедрению на ГРС и ГРП ТЭЦ системы газоснабжения).

Известно устройство для реализации способа, содержащее установленные между магистральным трубопроводом и потребителем низкого давления фильтр, турбодетандер с электрогенератором, теплообменник, подключенный своим входом через отсечной клапан к выходу детандера, при этом фильтр соединен своим входом с магистральным трубопроводом, а выход теплообменника сообщен через отсечной клапан с потребителем /4/. Недостатком данного способа и устройства является то, что они работают только в одном диапазоне мощностей, давлений и температур и не рассчитаны на получение сжиженного газа.

Техническая задача изобретения - создание новой комплексной энергосберегающей технологии, обеспечивающей наиболее оптимальное использование энергии всего спектра перепадов давления и потребляемых расходов газа из магистрального трубопровода при редуцировании последнего на ГРС, для получения в максимальном количестве конечного полезного продукта, а именно электроэнергии и сжиженного газа.

Для решения технической задачи в способе утилизации потенциальной энергии сжатого природного газа при редуцировании на ГРС и ГРП, включающем подогрев газа, ступенчатое срабатывание потенциальной энергии в детандерах и подачу полученного газа низкого давления потребителю, согласно изобретению отбираемый из магистрального трубопровода газ разделяют на два неравных потока, один из которых направляют в вихревой энергоразделитель, где потенциальную энергию газа срабатывают и разделяют его на холодный и горячий потоки, причем горячий поток охлаждают в последовательно расположенных по ходу потока газа теплообменниках, подают в конденсатосборники и выделяют из него жидкие фракции тяжелых углеводородов, смешивают с холодным потоком газа из вихревой трубы, срабатывают потенциальную энергию смешанного потока осушенного газа в последовательно расположенных по ходу потока газа детандерах, нагревают в теплообменниках, расположенных между детандерами, смешивают со вторым потоком, который после предварительного подогрева в теплообменнике и последующего срабатывания потенциальной энергии газа в параллельно расположенных детандерах охлаждают в теплообменнике, подают в конденсатосборники и выделяют из него жидкие фракции тяжелых углеводородов.

Причем потенциальную энергию смешанного потока осушенного газа ступенчато срабатывают в детандерах, пневматически связанных между собой, а соотношение расходов горячего и холодного потоков на выходе из вихревой трубы составляет Q_х/Q_г = 1.2-2.3, при этом соотношение расхода газа, направляемого в вихревую трубу, задают равным 0.7..1.0 от общего расхода, направляемого потребителю, а соотношение давлений, срабатываемых в вихревой трубе, задают _ВТ= 2.3-2.5. Температура подогрева второго потока природного газа и суммарный перепад давлений на каждом из параллельно установленных компенсационных детандерах задают из условия обеспечения температуры газа на выходе из детандера не менее T 273 К.

Перепад давлений и количество компенсационных детандеров выбирают из условия срабатывания потенциальной энергии газа в режиме максимального расхода потребителем низкого давления, величина ее составляет _Т= 2.8-2.85. Ниже в качестве примеров реализации способа приведены основные параметры энергосберегающей системы, при этом соотношение перепадов давлений, срабатываемых на детандерах, и диапазоны температур, достигаемые в конденсатосборниках, в зависимости от количества детандеров в способе равны: - для схемы с 3 детандерами: _Т1= 2.8; _Т2= 2.8; _Т3= 2.1; T_к1 = 153 K; T_кв = 200 K; N₁= 0,56N. - для схемы с 4 детандерами: _Т1= 2.8; _Т2= 2.8; _Т3= 1.47; _Т4= 2.31, T_к1 = 205 K; T_кв = 192 K; N₂= 0.7N. - для схемы с 5 детандерами: _Т1= 2.8; _Т2= 2.8; _T3=1.1; _T4= 2.44; _T5= 1.2; T_k1 = 216 K; T_кв = 194 K; T_кв = 192 K; N₃= 0.8 N. Устройство для утилизации потенциальной энергии газа в системах его транспортирования, 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 выходом детандера и потребителем, отличающееся тем, что оно снабжено вихревыми трубами, промежуточными теплообменниками, стабилизатором давления, компенсационными, дополнительными и замыкающими детандерами и раздающим патрубком, один отвод которого, через стабилизатор давления соединен с вихревой трубой, а другой - с последовательно установленными друг за другом отсечными клапанами, входным теплообменником, параллельно установленными компенсационными детандерами с электрогенераторами и муфтами, выходным теплообменником с конденсатосборником, выходным смесителем и потребителем газа низкого давления, при этом высокотемпературный выход вихревой трубы соединяет трубопроводом горячего потока 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 клапаны связан со входом замыкающего детандера и потребителем газа низкого давления, при этом вход каждого дополнительного детандера соединен с выходами предыдущего детандера и теплообменника соответственно, а выход последнего по ходу потока газа теплообменника соединен со входом и выходом замыкающего детандера. Кроме того, устройство снабжено конденсатосборниками, установленными на выходе каждого из дополнительных теплообменников перед отсечными клапанами, а также блоком редукционных клапанов, соединенных через отсечные клапаны как с источником газа высокого давления, так и с потребителем газа низкого давления. Причем на выходе по крайней мере одного из дополнительных теплообменников установлены отсечные клапаны, обеспечивающие перепуск смешанного потока осушенного газа по отводному коллектору через замыкающий теплообменник к потребителю газа низкого давления, а на выходе по крайней мере одного из дополнительных детандеров установлены отсечные клапаны, соединяющие его со входом следующего дополнительного детандера с муфтой и потребителем механической энергии.

Далее устройство снабжено обратным коллектором, соединяющим выход по крайней мере одного из конденсатосборников через отсечные клапаны со смесителем потоков газа.

Утилизация в процессе редуцирования на ГРС потенциальной энергии сжатого газа, транспортируемого в магистральных трубопроводах, включающем разделение поступающего газа высокого давления на два неравных потока, с последующим энергетическим разделением большего из них в вихревой трубе на холодный, практически сухой и горячий, насыщенный тяжелыми углеводородами, потоки, последовательное охлаждение горячего потока в теплообменниках, установленных между ступенями расширения газа, подачу газа в конденсатосборники с отделением и сбором в них, по мере охлаждения газа, соответствующих жидких фракций тяжелых углеводородов, смешение очищенного от тяжелых углеводородных фракций газа с холодным сухим потоком от вихревых труб и ступенчатое срабатывание потенциальной энергии смешанного потока осушенного газа в нескольких последовательно включаемых по ходу потока детандерах с отводом механической энергии для привода электрогенератора или компрессора и позволяет обеспечить получение оптимального соотношения электроэнергии и сжиженного газа.

Введение в термодинамический цикл с помощью вихревых труб энергетического разделения потока поступающего газа позволяет осуществить низкотемпературную сепарацию природного газа.

Исследования, проведенные авторами, показали, что наибольшей эффективностью, с точки зрения энергетического и фазового разделения потока природного газа, обладают вихревые трубы с соотношением расходов холодного и горячего потоков газа на выходе, равным Q_х/Q_г = 1.2 - 2.3. Показано, что при соотношении расходов Q_х/Q_г, меньших 1.2, происходит значительное снижение температуры горячего потока, выходящего из вихревой трубы, а при Q_х/Q_г, больших 2.3, происходит резкое падение выхода жидкой фазы в горячем потоке газа.

Оптимизационные исследования, проведенные авторами, показали, что максимальное количество электроэнергии, вырабатываемой генераторами в предлагаемом способе утилизации, реализуется при перепадах давлений в вихревых трубах, равных _ВТ= 2.3-2.5. Найдено, что при перепадах давлений в вихревых трубах, больших _ВТ 2.5, происходит резкое снижение снимаемой с детандеров мощности из-за низкой эффективности вихревой трубы как струйной машины, с другой стороны, при перепадах давлений в трубе, меньших _ВТ< 2.3, происходит резкое замедление процессов энергетического и фазового разделения потоков исходного потока сжатого природного газа.

Введение разделения расхода потребляемого потока газа на две неравные части позволяет осуществить работу системы на нерасчетных режимах, т.е. в летний период эксплуатации, когда расход потребляемого газа на 25...30% ниже расхода в зимнее время.

Исследования, проведенные авторами, показали, что разделение потоков, направляемых в вихревые трубы, колеблется в диапазоне Q_ВТ/Q = 0.7-1.0. Максимальное значение соответствует режиму эксплуатации системы в летнее время года, когда весь поток, отбираемый от магистрального трубопровода, проходит через вихревые трубы. Нижнее значение Q_ВТ/Q определяется температурным режимом горячего потока выходящего из вихревых труб, который осуществляет подогрев газа на входе в компенсационные детандеры, обеспечивая им нормальные условия эксплуатации.

Введение ступенчатого охлаждения горячего, насыщенного тяжелыми углеводородами потока газа в теплообменниках позволяет выделить требуемые фракции тяжелых углеводородов.

Введение ступенчатого срабатывания потенциальной энергии в детандерах позволяет снизить потери на изоэнтропийное расширение газа и обеспечить регулирование степени охлаждения горячего потока, насыщенного фракциями тяжелых углеводородов.

Введение процесса смешения осушенного горячего потока с сухим холодным потоком позволяет увеличить суммарный расход газа, срабатываемого без ограничения по температуре выходящего газа на детандерах.

Введение подогрева второго потока газа вихревыми трубами позволяет, с одной стороны, охладить горячий поток, направляемый в систему сжижения газа, а с другой стороны, обеспечить срабатывание природного газа в компенсационных детандерах без выделения гидратных отложений.

Введение равной степени срабатывания потенциальной энергии газа на каждой ступени расширения в компенсационных и дополнительных детандерах позволяет реализовать безредукторный привод электрогенераторов.

Введение теплообменников между детандерами позволяет реализовать различные температурные режимы охлаждения горячего, насыщенного тяжелыми углеводородами потока газа.

Исследования, проведенные авторами, показали, что схема расположения детандеров и теплообменников, их количество оказывает существенное влияние на итоговую мощность, вырабатываемую электрогенераторами, и количество выделенных фракций сжиженного газа.

Введение разделительного патрубка позволяет разделить поток газа высокого давления на две части, одна из которых, большая, направляется в вихревые трубы, а другая - в компенсационные детандеры или через обходной коллектор в блок редукционных клапанов.

Введение вихревых труб позволяет осуществить энергетическое и фазовое разделение потока природного газа высокого давления.

Введение параллельно установленных компенсационных детандеров с электрогенераторами позволяет сработать потенциальную энергию газа, возникающую в результате суточных или сезонных колебания расхода потребляемого газа.

Введение муфт между детандерами и потребителями энергии позволяет предотвратить разрушение последних при авариях на детандерах или других потребителях энергии.

Введение входного теплообменника позволяет осуществить подогрев газа на входе в компенсационные детандеры или в блок редукционных клапанов.

Введение последовательно расположенных по направлению течения горячего потока из вихревых труб дополнительных теплообменников позволит осуществить ступенчатое охлаждение насыщенного тяжелыми углеводородами потока газа.

Введение конденсатосборников после теплообменников позволяет осуществить отделение от газа жидкой фазы требуемой фракции тяжелых углеводородов.

Введение последовательно расположенных по направлению течения смешанного потока дополнительных, разделенных теплообменниками детандеров позволяет осуществить ступенчатое срабатывание потенциальной энергии осушенного газа.

Введение отсечных клапанов перепуска газа в трубопроводах, связанных с детандерами, позволяет организовать аварийный сброс давления газа в атмосферу при поломке детандеров.

Введение обратного коллектора, соединяющего вход по крайней мере одного из конденсатосборников через отсечные клапаны со смесителем, позволяет увеличить расход осушенного газа на дополнительных детандерах.

Введение обводного коллектора, соединяющего выход каждого дополнительного теплообменника со входом в выходной теплообменник, позволяет реализовать заданные режимы выделения определенных фракций тяжелых углеводородов.

Введение отводов, соединяющих обводной коллектор с выходом дополнительных детандеров, позволяет реализовать заданные температурные режимы сепарации газа.

Введение обходного коллектора, соединяющего через блок редукционных клапанов источник газа высокого давления с потребителем газа низкого давления и компенсационным трубопроводом, обеспечивает эксплуатацию устройства в аварийных ситуациях.

Введение выходного теплообменника позволяет обеспечить подогрев газа низкого давления, направляемого потребителю.

Введение конденсатосборника на выходе из выходного теплообменника позволяет выделить жидкие фракции тяжелых углеводородов из газа, поступающего непосредственно после блока редукционных клапанов.

Введение параллельно установленных вихревых труб позволяет снизить их габаритные размеры и стабилизировать режимы их работы.

Введение стабилизатора давления позволяет обеспечить оптимальный режим работы вихревых труб в экстремальных ситуациях.

Введение отсечных клапанов в трубопроводах позволяет реализовать различные схемы утилизации перепада давления при редуцировании природного газа из магистрального трубопровода.

Сопоставительный анализ с прототипами /2/, /4/ показал, что заявляемый способ утилизации и устройство, его реализующее, существенно отличаются от известного способа и устройства, его реализующего, введением в единый технологический процесс энерго- и фазоразделения потока природного газа в вихревых трубах, использованием энергии горячего потока на подогрев второго потока газа, с целью более полного срабатывания потенциальной энергии природного газа в параллельно установленных компенсационных детандерах, ступенчатым охлаждением горячего, насыщенного тяжелыми углеводородами потока в теплообменниках, установленных на выходе детандеров и последовательным срабатыванием потенциальной энергии газа в n-дополнительных детандерах, причем количество дополнительных и компенсационных детандеров и теплообменников, а также схема их включения в работу определяется оптимальным соотношением, вырабатываемой электроэнергией и количеством полученного сжиженного газа.

Таким образом, заявляемый способ и устройство, его реализующее, соответствует критерию изобретения "новизны".

Известен способ утилизации потенциальной энергии газа при редуцировании на газораспределительных станциях, предполагающий последовательное срабатывание энергии газа в детандерах и промежуточный подогрев его в теплообменниках. Однако в известном способе и устройстве, его реализующем, в детандерах срабатывается неосушенный магистральный газ, что накладывает, при отсутствии предварительного подогрева, серьезное ограничение на степень расширения сжатого газа, т.к. температура на выходе не должна быть ниже 273К. С другой стороны, подогрев газа до исходной температуры в теплообменнике, использующем тепло сжигаемого газа, сводит к нулю утилизацию.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями, например с известным способом энергоразделения потока газа в вихревых трубах /6/, указало как на невозможность получения в них электрической энергии, так и на резкое снижение эффективности вихревых труб при работе на нерасчетных режимах эксплуатации.

Известен способ подогрева магистрального газа перед редуцированием в теплообменниках с помощью горячего потока, полученного от вихревой трубы /8/. Способ предназначен для обеспечения надежной работы регулятора давления при редуцировании газа. Известно, что степень редуцирования в известном способе /8/ ограничена допустимой степенью расширения газа в вихревых трубах. Превышение степени расширения газа выше допустимой величины ведет к снижению эффективности вихревых труб, в результате степень подогрева газа становится практически незаметной, т.е. способ перестает работать.

Известен способ утилизации, включающий подогрев и последовательное срабатывание потенциальной энергии сжатого газа в едином энергоблоке, состоящем из детандеров с генераторами и конденсатосборниками, расположенными в выходном сечении последнего. Недостатком данного способа является наличие одного энергоблока, мощность детандера которого резко снижается при значительных изменениях параметров газа на ГРС. В летнее время мощность детандеров понижается из-за снижения расхода ниже номинального и необходимости дросселировать газ на входе в детандер для обеспечения заданного давления на выходе из ГРС. Последнее приводит к снижению перепада давления на детандере и уменьшению удельной работы газа. В зимних условиях мощность детандеров снижается из-за снижения перепада давления (уменьшения удельной работы газа) и связанного с этим уменьшения расхода газа через детандер.

Использование предлагаемого соотношения потоков, направляемых в вихревые трубы и в компенсационные детандеры, равного 0.7...1.0, позволяет реализовать оптимальный режим работы вихревых труб при любых условиях эксплуатации, т.е. при значительных изменениях расхода газа высокого давления, чего в известных способах не предусматривалось.

Введение ступенчатого охлаждения горячего потока, выходящего из вихревых труб и насыщенного тяжелыми углеводородами, позволяет в полном объеме обеспечить выделение требуемых жидких фракций углеводородов путем низкотемпературной сепарации с помощью детандеров, чего в известных схемах не применялось.

Использование ступенчатого срабатывания потенциальной энергии сжатого газа в предлагаемом способе позволяет, в отличие от известных схем, добиться глубокой степени расширения газа /10/.

Использование в системе подачи смешанного потока утилизации потенциальной энергии осушенного газа с помощью последовательно соединенных между собой дополнительных детандеров позволяет осуществить регулируемый отвод энергии газа к энергопотребителям, что обеспечивает рациональное использование энергии и не допускает ее непроизводительных потерь /7/. При этом схема подключения детандеров определяется как уровнем давления в магистральном трубопроводе и расходом через ГРС, так и условиями выделения тех или иных углеводородных фракций из природного газа. Исследования, проведенные авторами, показали, что оптимальная схема предполагает подключение вихревых труб с тремя детандерами.

Таким образом в зависимости от величины давления в источнике природного газа и расхода возможна реализация той или иной последовательности срабатывания энергии в детандерах, причем в отличие от известного способа /4/, где процесс сепарации газа предполагает фазовое разделение предварительно охлажденного природного газа в конденсатосборнике на газовую и жидкую фазы, а поддержание номинального расхода через детандер осуществляется за счет закольцовки части потока сжатого в компрессоре с начальным потоком в детандере, в предлагаемом способе реализуется энергетическое и фазовое разделение природного газа в вихревых трубах, причем номинальный расход, соответствующий минимальному сезонному расходу, расширяется в дополнительных детандерах, а при срабатывании потенциальной энергии максимального расхода вводится компенсационный поток и срабатывание перепада давлений происходит в параллельно расположенных компенсационных детандерах, чего в известных способах и устройствах не использовалось.

Перед поступлением потребителю природный газ высокого давления энергетически разделяют по степени осушенности на три потока, причем первый из потоков, а именно поток сухого газа, используют, с одной стороны, для выработки механической энергии, а с другой для охлаждения насыщенного тяжелыми углеводородами второго потока природного газа с целью обеспечения требуемого температурного режима в конденсатосборниках, при этом оставшийся третий поток природного газа подогревают с последующим срабатыванием потенциальной энергии в параллельно расположенных компенсационных детандерах.

Таким образом, заявляемый способ утилизации потенциальной энергии сжатого газа, транспортируемого в трубопроводе, и устройство, его реализующее, соответствует критерию изобретения "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображено устройство для утилизации потенциальной энергии природного газа при редуцировании его на газораспределительных станциях. На фиг. 2 представлен вариант схемы установки для утилизации потенциальной энергии при редуцировании в двух детандерах, на фиг. 3 - вариант схемы установки из трех детандерах и на фиг. 4 - вариант схемы установки, состоящей из четырех детандеров.

Устройство для утилизации энергии технологических перепадов давления сжатого газа в системах транспорта природного газа (фиг. 1 ) содержит подключенные к источнику 1 газа высокого давления раздающий патрубок 2, один из отводов которого соединен через отсечные клапаны 3, 4 и стабилизатор давления 5 со входом в первую 6 или n-ю 7 вихревые трубы, а другой - через компенсационный трубопровод 8, содержащий последовательно расположенные отсечной клапан 9, входной теплообменник 10, отсечной клапан 11, параллельно установленные первый 12 и разделенный отсечным клапаном 13, n-е 14 компенсационные детандеры с электрогенераторами и муфтами 15, выходной теплообменник 16 и конденсатосборник 17, выходной смеситель 18 соединен с коллектором раздачи 19 газа низкого давления. Высокотемпературные выходы вихревых труб 6, 7 соединены трубопроводом горячего потока, содержащим последовательно расположенные входной теплообменник 10, первый 20, второй 21, n-й 22 промежуточные теплообменники, конденсатосборники 23, 24, 25, отсечные клапаны 26 и 27, обратный коллектор 28 с одним из входов смесителя 29, другой вход смесителя 29 соединен с низкотемпературным выходом вихревых труб 6, 7. Выход смесителя 29 соединен трубопроводом смешанного потока, содержащим последовательно расположенные отсечной клапан 30, первый 31, второй 32, n-й 33 дополнительные и замыкающий 34 детандеры, с муфтами и потребителями механической энергии 35, 36, 37, 38, теплообменники 20, 21, 22, отсечные клапаны 39, 40, 41, выходной теплообменник 16 соединен с выходным смесителем 18. К трубопроводу смешанного потока после смесителя 29, промежуточных теплообменников 20, 21, 22 и детандеров 31, 32, 33, 34 присоединен через отсечные клапаны 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50 отводной коллектор 51. Трубопровод горячего потока через отсечные клапаны 52, 53, установленные за каждым из конденсатосборников 23, 24 и обратный коллектор 28, связан со входом в смеситель 29.

Устройство также может быть снабжено обходным коллектором 54, который, с одной стороны, соединен через компенсационный трубопровод 8, входной теплообменник 10 и отсечной клапан 55 с источником 1 газа высокого давления, а с другой - через блок редукционных клапанов 56, перепускной клапан 57, смеситель 58, теплообменник 16 и конденсатосборник 17 с коллектором раздачи 19 газа низкого давления. Кроме того, устройство снабжено аварийными клапанами 59, 60, 61, установленными в трубопроводах подвода газа к детандерам, а блок редукционных клапанов 56 может быть через отсечной 62 и перепускной 57 клапана соединен напрямую с коллектором раздачи 19 газа низкого давления.

Способ утилизации потенциальной энергии газа, транспортируемого в магистральном трубопроводе при редуцировании на ГРС, осуществляется в устройстве следующим образом.

Газ источника 1 высокого давления, в данном случае магистрального газопровода, поступает в раздающий патрубок 2, где разделяется на два потока, один из которых поступает, при открытии отсечных клапанов 3, 4, через стабилизатор давления 5, в вихревые трубы 6, 7, в которых его энергетически разделяют на горячий и холодный потоки, затем горячий поток охлаждают в последовательно расположенных по ходу потока газа входном 10, промежуточных 20, 21, 22 теплообменниках и выделяют из него в конденсатосборниках 23, 24, 25 жидкие фазы тяжелых углеводородов, оставшийся газ подают в смеситель 29, где смешивают с холодным потоком из вихревых труб 6, 7, срабатывают потенциальную энергию смешанного осушенного потока в последовательно расположенных по ходу потока первом 31, втором 32, n-м 33 дополнительных и 34 замыкающем детандерах, нагревают в первом 20, втором 21, n-м 22 теплообменниках, расположенных между детандерами, смешивают в выходном смесителе 18 со вторым потоком, который при открытии отсечного клапана 9 нагревают во входном теплообменнике 10, срабатывают потенциальную энергию в параллельно установленных компенсационных детандерах 12, 14, охлаждают в выходном теплообменнике 16, подают в конденсатосборник 17, где из него выделяют жидкие фракции тяжелых углеводородов и подают в коллектор раздачи 19 газа низкого давления.

При необходимости получения низких температур в конденсатосборнике 23 закрывают отсечные клапаны 27, 39, открывают клапан 52, перепускают осушенный газ в смеситель 29. Поток после первого дополнительного детандера 32 нагревают в теплообменниках 20, 16 и направляют коллектор раздачи 19 газа низкого давления.

В случае получения заданной температуры в конденсатосборниках 23, 24, 25 смешанный поток осушенного газа направляют в следующие дополнительные детандеры 33, 34, минуя первый 20 или последующие 21 теплообменники. Так производят регулируемый отбор механической энергии природного газа с последовательным понижением давления газа, при котором его передают потребителю. Причем степень расширения газа в каждом дополнительном детандере задается из условия достижения заданного диапазона температур при определенном давлении в конденсатосборниках.