способ подготовки природного газа и автомобильная газонаполнительная компрессорная станция

Формула изобретения

1. Способ подготовки природного газа на установках по его обработке, включающий подведение к установке природного газа с исходным избыточным давлением, предварительную очистку газа от капельной влаги и механических примесей и осушку газа путем его охлаждения и выделения выпавшей влаги, отличающийся тем, что охлаждение газа проводят в две стадии, причем охлаждение газа на второй стадии проводят путем введения сжиженного газа непосредственно в поток охлаждаемого газа, на первой - путем теплообмена через теплообменную поверхность между подводимым газом и газом, полученным на второй стадии охлаждения, а выделение выпавшей влаги проводят после второй стадии охлаждения.

2. Автомобильная газонаполнительная компрессорная станция, содержащая узлы предварительной очистки природного газа, компремирования, аккумулирования и заправки баллонов и устройство для отделения выпавшей влаги от газа, отличающаяся тем, что автомобильная газонаполнительная компрессорная станция дополнительно снабжена узлом охлаждения входящего газа с двумя разделенными теплообменной поверхностью полостями, емкостью для хранения сжиженного газа и смесителем охлаждаемого и сжиженного газа, причем по ходу газа последовательно соединены между собой узел предварительной очистки природного газа, первая полость узла охлаждения, смеситель, устройство для отделения выпавшей влаги, вторая полость узла охлаждения и узлы компремирования, аккумулирования и заправки баллонов, а емкость для хранения сжиженного газа соединена со смесителем охлаждаемого и сжиженного газа.

3. Автомобильная газонаполнительная компрессорная станция по п.2, отличающаяся тем, что узел охлаждения входящего газа выполнен в виде каскада последовательно установленных одноходовых кожухотрубных теплообменников с кипящим слоем твердых частиц в трубном и/или межтрубном пространстве.

4. Автомобильная газонаполнительная компрессорная станция по п.2, отличающаяся тем, что станция дополнительно снабжена узлом сжижения природного газа, соединенным с емкостью для хранения сжиженного газа.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к газовой промышленности и, в частности, к установкам по обработке природного газа. К подобным установкам, прежде всего, относятся автомобильные газонаполнительные компрессорные станции (далее по тексту - АГНКС) и установки для получения сжиженного газа, приобретающие в настоящее время особую значимость, характеризуемую постоянно возрастающей потребностью промышленности в сжиженном газе. Обработка газа в АГКНС заключается в предварительной очистке природного газа, транспортируемого по магистральным газопроводам, от механических примесей и капельной влаги, осушке и сжатии газа до давления 20-25 МПа с последующей заправкой автомобильных баллонов. На установках для получения сжиженного газа также проходят указанные выше процессы предварительной очистки, осушки и компремирования с добавлением стадий, необходимых для ожижения природного газа. Значительную сложность представляет процесс осушки, проводимый в настоящее время с использованием различных технологических приемов, что связано в свою очередь с жесткими требованиями к заправляемому в автомобильные баллоны газу по содержанию в нем влаги. В соответствии с имеющимися стандартами для нормальной работы двигателей внутреннего сгорания, особенно в зимнее время, точка росы сжатого до 20 МПа газа должна составлять -30°С. Столь же высоки и требования к содержанию влаги в сжижаемом газе.

Известен способ подготовки природного газа, в котором осушку проводят путем взаимодействия природного газа с серной кислотой (см., например, патент России RU №2171131 «Способ осушки природного газа на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях и автомобильная газонаполнительная компрессорная станция», опубликован 27.07.2001). Основной недостаток способа состоит в необходимости периодического вывода серной кислоты и ее утилизации, а также в высоких капитальных затратах.

Известен способ подготовки природного газа, в котором для осушки природного газа используют адсорбенты (см., например, патенты России 1) RU №2187697 С2 «Компрессорная станция», дата публикации - 20.08.2002; 2) RU №2133874 C1 «Компрессорная станция», дата публикации - 27.07.1999; 3) RU №2267654, дата публикации 10.06.2006). Основной недостаток способа осушки природного газа с использованием адсорбентов состоит в необходимости регенерации последних, в росте габаритов и металлоемкости компрессорной станции.

Наиболее близким к настоящему изобретению является способ подготовки природного газа, в котором осушку газа до достижения необходимой величины влагосодержания проводят путем специальной организации потоков газа с использованием дросселирования и охлаждения (см., патент RU №2158380 C1 «Способ подготовки природного газа», дата публикации 27.10.2000). При достаточной простоте и целесообразности подобного процесса осушки газа основной недостаток данной АГНКС состоит в необходимости при поступлении исходного газа из магистрального газопровода иметь возможность сбрасывать часть газа в газопровод с пониженным давлением, что не всегда возможно.

Все более расширяющееся использование природного газа в качестве автомобильного топлива приводит к появлению новых типов АГНКС с улучшенными техническими и экономическими показателями. Типовые АГНКС состоят из узлов предварительной очистки газа, сжатия, включающего компрессорные установки с системой охлаждения, осушки газа, хранения с аккумуляторами сжатого газа и заправки сжатого газа с газозаправочными колонками (см., например, А.Х.Сафин и др. «Автомобильные газонаполнительные компрессорные станции», ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, Обзорная информация «Компрессорное машиностроение», серия ХМ-5, 1986 год, стр.2-4).

Известна АГНКС, снабженная для подготовки природного газа, по меньшей мере, двумя заполненными адсорбентом емкостями (см., например, патент RU №2187697 С2 «Компрессорная станция», дата публикации - 20.08.2002). Станции подобного типа имеют единый блок осушки и регенерации, в котором одну из емкостей используют для осушки газа, а вторую - для регенерации адсорбента. Недостатки станции по указанному изобретению состоят в высокой металлоемкости и повышенном расходе энергии.

Указанные недостатки в значительной мере устранены в АГНКС по патенту RU №2267654 «Автомобильная газонаполнительная компрессорная станция», дата публикации 10.06.2006. Однако, как и в предыдущем случае, основной недостаток состоит в необходимости использования дорогостоящих адсорбентов со сложными требованиями к их эксплуатации.

Наиболее близким к настоящему изобретению является патент RU №2171131 «Способ осушки природного газа на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях и автомобильная газонаполнительная компрессорная станция» (опубликован 27.07.2001). Основной недостаток данной станции связан с необходимостью использования серной кислоты и дорогостоящих материалов (платины) для изготовления электродов.

Техническая задача настоящего изобретения состоит в упрощении способа подготовки природного газа на установках по его обработке, в основном, за счет упрощения процесса осушки природного газа и в создании АГНКС, реализующей более целесообразный способ подготовки природного газа.

Технический результат при использовании настоящего изобретения состоит в организации простой и надежной подготовки природного газа к сжатию и ожижению, в стабилизации состава газа по содержанию паров воды после его подготовки, в упрощении конструкции и снижении металлоемкости автомобильной газонаполнительной компрессорной станции, в упрощении автоматизации АГНКС, а также в снижении эксплуатационных затрат.

Для достижения указанного результата в способе подготовки природного газа на установках по его обработке, включающем подведение к установке природного газа с исходным избыточным давлением, предварительную очистку газа от капельной влаги и механических примесей и осушку газа путем его охлаждения и выделения выпавшей влаги, охлаждение газа проводят в две стадии, причем охлаждение газа на второй стадии проводят путем введения сжиженного газа непосредственно в поток охлаждаемого газа, на первой - путем теплообмена через теплообменную поверхность между подводимым газом и газом, полученным на второй стадии охлаждения, а выделение выпавшей влаги проводят после второй стадии охлаждения.

Для достижения указанного результата автомобильная газонаполнительная компрессорная станция, содержащая узлы предварительной очистки природного газа, компремирования, аккумулирования и заправки баллонов и устройство для отделения выпавшей влаги от газа, дополнительно снабжена узлом охлаждения входящего газа с двумя разделенными теплообменной поверхностью полостями, емкостью для хранения сжиженного газа и смесителем охлаждаемого и сжиженного газа, причем по ходу газа последовательно соединены между собой узел предварительной очистки природного газа, первая полость узла охлаждения, смеситель, устройство для отделения выпавшей влаги, вторая полость узла охлаждения и узлы компремирования, аккумулирования и заправки баллонов, а емкость для хранения сжиженного газа соединена со смесителем охлаждаемого и сжиженного газа. Узел охлаждения входящего газа выполнен в виде каскада последовательно установленных одноходовых кожухотрубных теплообменников с кипящим слоем твердых частиц в трубном и/или межтрубном пространстве. Автомобильная газонаполнительная компрессорная станция дополнительно снабжена узлом сжижения природного газа, соединенным с емкостью для хранения сжиженного газа.

Сущность настоящего изобретения состоит в следующем.

Охлаждение природного газа за счет испарения сжиженного газа позволяет провести процесс в простейшей аппаратуре при простом смешении сжиженного газа и охлаждаемого газа. Для смешения может быть использован впрыск сжиженного газа непосредственно в поток охлаждаемого газа через форсунки или аппараты типа труба Вентури с подачей сжиженного газа в горловину последней. Для нормальной работы АГНКС может быть использован привозной сжиженный газ при наличии его производства в данном регионе или каждая АГНКС может быть снабжена собственной маломасштабной установкой для производства сжиженного газа, что в настоящее время не представляет технической сложности (см., например, патент России RU №2180081, дата публикации 27.02.2002). Охлаждение газа в основном за счет теплоты испарения сжиженного газа позволяет упростить процесс осушки газа до требуемых параметров по содержанию влаги. Не требуется применять достаточно дорогие адсорбенты (наиболее широко используемый способ осушки природного газа на АГНКС) и проводить их регенерацию.

При выполнении указанных выше требований по содержанию влаги в продукционном сжатом газе АГНКС температура, до которой следует охлаждать природный газ, зависит от его давления на входе. Например, при давлении на входе 1,2 МПа газ для выполнения требования по величине точки росы продукционного сжатого газа (р=20 МПа) t _росы=-30°С должен быть охлажден до температуры -52°С. Естественно, что природный газ при данной температуре не целесообразно направлять на дальнейшее сжатие. Целесообразно с помощью данного газа охладить входящий газ при теплопередаче через поверхность, а уже предварительно охлажденный газ далее охладить до конечной требуемой температуры путем впрыска сжиженного газа. При охлаждении газа содержащаяся в нем влага выпадает в виде снега и может быть выделена из газа на фильтрах (что и применено, например, в ранее упомянутом патенте RU №2158380).

Таким образом, в предлагаемом изобретении охлаждение, по сути, проводят в две стадии: на второй стадии температуру охлажденного на первой стадии природного газа далее снижают до конечного значения путем введения в охлаждаемый поток сжиженного газа, а на первой стадии входящий газ охлаждают газом, выходящим из второй стадии при конечной низкой температуре. Теплопередачу при этом осуществляют через поверхность теплообмена.

Очевидно, что на первой стадии охлаждения возможно применение традиционных теплообменников, например кожухотрубных. Однако следует особо отметить следующее. При охлаждении газа через стенку темперированное проведение процесса приводит неизбежно к выпадению влаги именно на разделяющей потоки стенке. Поверхность теплообмена зарастает льдом, что приводит к резкому замедлению процесса теплопередачи. Аппараты-теплообменники перестают выполнять требуемую функцию. Выход может быть найден в дублировании теплообменных аппаратов, при котором один теплообменник находится в работе, а второй в режиме оттаивания. При расчете АГНКС на работу с простоями оттаивание может быть предусмотрено именно в период простоя АГНКС. При этом оснащать АГНКС дублирующими аппаратами не следует.

В предлагаемом изобретении данная проблема решена иным более рациональным способом. В одном из вариантов АГНКС узел охлаждения входящего газа, реализующий первую ступень охлаждения в заявляемом способе, выполнен в виде каскада последовательно установленных одноходовых кожухотрубных теплообменников с кипящим слоем твердых частиц в трубном пространстве. Соответственно охлаждаемый газ, из которого в ходе охлаждения выпадает влага, подают также в трубное пространство. Во втором варианте кипящий слой твердых частиц имеет место и в трубном, и в межтрубном пространстве. В качестве твердых тел могут быть применены тела сферической формы или цилиндрической формы из, например, алюминия, что полностью исключает искрообразование. Кипящий слой твердых частиц полностью очищает трубу от выпавшего снега. Одновременно при этом многократно возрастают коэффициенты теплоотдачи, что способствует снижению габаритов кожухотрубных теплообменников и компенсирует усложнения при установке каскада аппаратов. Расчеты определяют, что величина теплообменной поверхности при применении простого противотока оказывается значительно большей, чем в случае использования каскада теплообменников даже при снижении средней разности температур по отдельным аппаратам.

Принципиальная схема АГНКС при реализации заявляемого способа подготовки природного газа на установках по его переработке приведена на чертеже.

АГНКС включает в себя узел предварительной очистки 1 природного газа, поступающего из магистрального газопровода, от капельной влаги и твердых включений и последовательно установленные узлы компремирования, аккумулирования и заправки баллонов 2 (на схеме изображены совместно). В АГНКС установлен также узел охлаждения входящего газа 3, реализующий первую стадию охлаждения в заявленном способе и имеющий две разделенные теплообменной поверхностью полости 4 и 5 (в общем случае трубное и межтрубное пространство кожухотрубного теплообменника или каскада кожухотрубных теплообменников). На выходе охлаждаемого газа из узла охлаждения 3 установлен смеситель 6 охлаждаемого и сжиженного газа, в котором осуществляется вторая стадия охлаждения в основном за счет испарения сжиженного газа, и далее устройство 7 для отделения выпавшей влаги. АГНКС снабжена емкостью 8 для хранения сжиженного газа. Таким образом, по ходу газа последовательно соединены между собой узел предварительной очистки 1, первая полость 5 узла охлаждения 3, смеситель 6, устройство для отделения выпавшей влаги 7, вторая полость 4 узла охлаждения 3 и узлы компремирования, аккумулирования и заправки баллонов 2. Емкость для хранения сжиженного газа 8 соединена со смесителем 6 охлаждаемого и сжиженного газа.

АГНКС работает следующим образом.

Природный газ из газопровода поступает для обработки на АГНКС и освобождается от капельной влаги и твердых включений в узле предварительной очистки 1 природного газа. Далее газ направляют в полость 5 узла охлаждения 3 (межтрубное пространство кожухотрубного теплообменника). Здесь газ охлаждают при теплообмене через поверхность с холодным газом. Из полости 5 газ направляют в смеситель 6, куда одновременно поступает сжиженный газ из емкости 8 для хранения сжиженного газа. Сжиженный газ, испаряясь, снижает температуру газового потока до конечной потребной величины. Из газового потока содержащаяся в нем в парообразном состоянии влага выпадает в виде снега и наледи на теплообменной поверхности. Газ, проходя далее устройство 7 для отделения выпавшей влаги, очищается и поступает в полость 4 узла охлаждения 3 (трубное пространство кожухотрубного теплообменника). Газ отдает холод потоку, проходящему в полости 5. Температура газа на выходе из полости 5, естественно, ниже, чем температура газа из газопровода. Далее газ направляют в узлы компремирования, аккумулирования и заправки баллонов 2.

Заявляемый способ целесообразно продемонстрировать следующим примером.

Пример. К автомобильной газонаполнительной компрессорной станции подводят 2000 нм³/час природного газа при температуре +12°С и давлении 12 бар. На первой стадии охлаждения природный газ охлаждают от +12°С до -47°С. На второй стадии охлаждения природный газ должен быть охлажден до -52°С. Согласно известным данным по теплоемкости и теплоте испарения сжиженного газа (приняты данные для метана) на вторую стадию охлаждения подаем 28,6 кг/час сжиженного газа. Применительно к технологической схеме АГНКС первую стадию охлаждения проводим в узле охлаждения входящего газа. В простейшем варианте узел охлаждения входящего газа представляет собой кожухотрубный теплообменник, разделенные теплообменной поверхностью полости являются трубным и межтрубным пространством теплообменника. Таким образом, при противоточном режиме газовый поток в межтрубном пространстве практически равен газовому потоку, проходящему по трубному пространству. Поданный в межтрубное пространство газовый поток изменяет температуру от +12 до -47°С. Поданный в трубное пространство газовый поток изменяет температуру от -52 до +7°С.

При реализации настоящего изобретения подготовка природного газа к обработке и проста, и надежна. Количеством подаваемого на испарение в смеситель сжиженного газа регулируют процесс охлаждения до нужной температуры с применением простейших устройств автоматизации. Тем самым достигается и стабилизация содержания влаги в газе, поступающем на дальнейшую обработку. Соответственно снижаются эксплуатационные затраты и металлоемкость станции по сравнению со станциями, применяющими иной способ подготовки природного газа. Упрощается конструкция АГНКС.