Спосіб утилізації енергії розширення газу й утилізаційна енергетична установка для здійснення цього способу

Запропоновані спосіб і установка призначені для використання в системах зниження тиску природного газу від високого, наприклад від тиску свердловини чи магістрального газопроводу, до тиску, необхідного споживачу. Відомі способи зниження тиску газу, що надходить із свердловини чи з магістрального газопроводу, шляхом дроселювання, і пристрої (редуктори, вентилі, крани і т.д.) для здійснення цих способів. [Политехнический словарь, Μ., изд. «Советская энциклопедия», 1977, стр.153, 420]. Ці способи і пристрої для їх здійснення не утилізують енергію розширення газу і холод, що утворюється при цьому. При цьому потрібні складні пристрої і витрати додаткової енергії для запобігання засмічення редукторів вологою і льодом, що утворюються при їх роботі. Відомий спосіб утилізації енергії розширення природного газу при зниженні його тиску від магістрального чи від тиску свердловини до необхідного тиску шляхом перетворення енергії розширення газу в механічну енергію. [RU 2117173, МПК6 F02С11/02, 1996] Цей спосіб здійснюють в утилізаційній енергетичній установці, вхід якої з'єднаний з виходом із свердловини чи з магістраллю газопроводу газу з підвищеним тиском, а вихід -з магістраллю газу зі зниженим тиском чи із споживачем газу. Ця утилізаційна енергетична установка містить детандер, наприклад розширювальну турбіну, і кінематично зв'язаний і детандером перетворювач механічної енергії, наприклад електрогенератор. Такі спосіб і установка дозволяють утилізувати енергію розширення газу при зниженні його тиску. Однак, ці спосіб і установка не створюють можливості утилізації холоду, що утворюється при розширенні газу. Такі спосіб і установка мають знижений ККД. Відомий спосіб утилізації енергії розширення газу при зниженні його тиску від високого до необхідного шляхом перетворення енергії розширення газу в механічну енергію з одночасним використанням охолодженого при зниженні тиску газу як холодоагенту для одержання холоду. [SU, А1, 844797] Однак цей спосіб передбачає зниження тиску газу в один етап і тому має знижений загальний ККД. Відома утилізаційна енергетична установка для утилізації енергії розширення газу і використання холоду, що утворюється при цьому. [RU 2013616, МПК F02С6/00, 1994]. Однак ця установка має невисокий ККД, тому що в ній відбуваються зниження тиску газу й утилізація холоду в один етап. В основу даного винаходу покладена задача підвищення утилізації холоду, що утворюється при зниженні тиску природного газу; вироблення більших кількостей енергії і холоду, а також підвищення загального ККД способу й установки утилізації енергії розширення природного газу. Поставлена задача в запропонованому способі вирішується тим, що у відомому способі утилізації енергії природного газу при зниженні тиску газу від підвищеного, наприклад, магістрального, до необхідного тиску шля хом перетворення енергії розширення газу в механічну енергію з використанням газу, охолодженого при зниженні тиску, як холодоагенту, новим є зниження тиску природного газу в два чи більше послідовні етапи, і одночасне використання, щонайменше, частині газу після першого і/або після відповідного наступного етапу зниження тиску природного газу, як холодоагенту для одержання і використання холоду. При цьому інша частина природного газу після першого і/або після відповідного наступного етапу зниження тиску природного газу чи весь природний газ, використаний як холодоагент, використовують для наступного етапу перетворення енергії розширення природного газу в механічну енергію. Завдяки поетапному зниженню тиску природного газу і використанню як холодоагенту усього природного газу чи частини природного газу після першого і/або після відповідного наступного етапу зниження тиску природного газу підвищується загальний ККД способу. Поставлена задача вирішується в запропонованому пристрої тим, що установка для утилізації енергії розширення природного газу, що містить детандер, наприклад, розширювальну турбіну, вхід якої з'єднаний з свердловиною чи з магістраллю газопроводу з природним газом підвищеного тиску, а ви хід - з магістраллю природного газу зі зниженим тиском, містить детандер, наприклад, розширювальну турбіну, а також кінематично зв'язаний з детандером перетворювач механічної енергії, наприклад електрогенератор. У цій установці є, щонайменше, один теплообмінник, вихідний патрубок якого з'єднаний з виходом детандера, наприклад із виходом розширювальної турбіни. Новим у запропонованому пристрої є те, що детандер утилізаційної енергетичної установки, наприклад розширювальна турбіна, виконаний із двох чи більш частин, розташованих по ходу зниження тиску природного газу; в установці також виконані два чи більш теплообмінникихолодильники, причому вхідний патрубок з боку холодоагенту кожного теплообмінникахолодильника з'єднаний з виходом відповідної частини детандера, а кількість теплообмінниківхолодильників не менше кількості частин детандера. Таке удосконалення утилізаційної енергетичної установки дозволяє підвищити ККД цієї установки і кількість холоду, що виробляється цією установкою. В утилізаційній енергетичній установці вихід попередньої частини детандера може бути з'єднаний одночасно як із входом наступної частини детандера, так і з вхідним патрубком з боку холодоагенту відповідного теплообмінника-холодильника, а вихідний патрубок з боку холодоагенту одного чи більш теплообмінника-холодильника - з магістраллю газу зі зниженим тиском чи зі споживачем газу. При цьому потік робочого тіла розгалужується, і частина потоку робочого тіла відбирається для утилізації холоду. Це поліпшує термодинамічний робочий цикл установки. Таке удосконалення підвищує ККД установки. Одночасно створюється можливість для оптимального регулювання роботи детандера при зміні режиму роботи. В утилізаційній енергетичній установці вихід попередньої частини детандера може бути з'єднаний тільки з вхідним патрубком з боку холодоагенту одного чи кожного теплообмінникахолодильника, розташованого між двома частинами детандера, а вихідний патрубок з боку холодоагенту цього ж теплообмінника-холодильника, розташованого між двома частинами детандера, може бути з'єднаний із входом робочого тіла наступної частини детандера. Тоді в одному чи в кожному теплообміннику-холодильнику відбувається додаткове нагрівання робочого тіла (газу). Це поліпшує термодинамічний робочий цикл установки. Таке удосконалення додатково підвищує ККД установки шляхом утилізації тепла холодоагенту, нагрітого в результаті теплообміну в теплообміннику-холодильнику. Одночасно створюється можливість для 5 оптимального регулювання роботи детандера при зміні режиму роботи шляхом зміни кількості і/або температури робочого газоподібного чи рідкого тіла чи декількох робочих тіл, що нагріваються в теплообмінниках-холодильниках. Короткий опис креслень. На Фіг.1 наведена схема утилізаційної енергетичної установки, що включає розширювальну газову турбіну, що має частину високого тиску і частину низького тиску, два теплообмінникихолодильники й електрогенератор. На Фіг.2 наведена схема утилізаційної енергетичної установки, що включає розширювальну газову турбіну, що має частину високого тиску, частину середнього тиску і частину низького тиску, три теплообмінники-холодильники, і електрогенератор. На Фіг.3 наведена схема утилізаційної енергетичної установки, що включає розширювальні газові турбіни високого тиску, середнього тиску і низького тиску, три теплообмінникихолодильники і три електрогенератори. Винайдені спосіб і установка ілюструються описами варіантів їх кращого здійснення, причому варіанти здійснення способу утилізації енергії розширення газу описані при викладі роботи варіантів здійснення установки. Варіант 1. (Фіг.1) Утилізаційна енергетична установка містить розширювальну газову турбіну, що складається із частини 1 високого тиску (ЧВТ 1), і частини 2 низького тиску (ЧНТ 2), розташованих совісно. Вхід ЧВТ 1 з'єднаний з магістраллю 3 газу з підвищеним тиском. Ця магістраль 3 може бути магістральним газопроводом природного газу високого чи середнього тиску, газопроводом газорозподільної станції, теплової електростанції, котельні, свердловини в місці видобутку природного газу, тощо. (Ці об'єкти на кресленнях не показані.) З єдиним валом ЧВТ 1 і ЧНТ 2 кінематично чи безпосередньо зв'язаний вал електрогенератора 4, що подає електричний струм споживачу 5 електричної енергії. Вихід ЧВТ 1 з'єднаний як із входом ЧНТ 2, так і з вхідним патрубком з боку холодоагенту теплообмінника-холодильника 6. Вихідний патрубок з боку холодоагенту теплообмінника-холодильника 6 з'єднаний з магістраллю газу зі зниженим тиском, по якій газ подають споживачу 7. На виході газу з ЧНТ 2 розширювальної газової турбіни встановлено теплообмінникхолодильник 8, вхідний патрубок з боку холодоагенту якого з'єднаний з виходом газу з ЧНТ 2 розширювальні газові турбіни, а вихідний патрубок з боку холодоагенту теплообмінникахолодильника 8 - з магістраллю газу зі зниженим тиском, що подає газ споживачу 9 газ у. Утилізаційна енергетична установка працює в такий спосіб. Природний газ з магістралі 3 з підвищеним тиском газу, надходить у ЧВТ 1, обертаючи останню, розширюючись і охолоджуючись. Частина цього природного газу надходить у ЧНТ 2, а інша частина - на вхідний патрубок з боку холодоагенту теплообмінника-холодильника 6. Частково охолоджений газ , що частково знизив тиск, проходить через теплообмінник-холодильник 6. Потім природний газ з необхідним тиском надходить до споживача 7 газу. Інша частина газу, що надійшла в ЧНТ 2 розширювальної газової турбіни додатково виконує роботу, знижує тиск і охолоджується. З ЧНТ 2 цей газ надходить у др угий теплообмінникхолодильник 8, де газ нагрівається, а холод від газу відбирається. Потім природний газ зі зниженим тиском надходить споживачу 9 газу. Розширювальна газова турбіна, що включає ЧВТ 1 і ЧНТ 2, обертає електрогенератор 4. Електричний струм надходить споживачу 5 електричного струму. Холод може бути використаний для морозильних камер, льодових ковзанок і т.п., а також для скраплення природного газу, що добувається із свердловин. Корисна робота, яку здійснює газ при розширенні, може бути використана, у тому числі для скраплення газу й енергопостачання свердловини природного газу, яка стоїть окремо. Варіант 2. (Фіг.2) Утилізаційна енергетична установка включає розширювальну газову турбіну, що містить розташовані на одному валу частин у 10 високого тиску (ЧВТ 10), частин у 11 середнього тиску (ЧСТ 11) і частину 12 низького тиску (ЧНТ 12). Вхід ЧВТ 10 з'єднаний з магістраллю 13 газу з підвищеним тиском. Вихід ЧВТ 10 з'єднаний як із входом ЧСТ 11, так і з вхідним патрубком з боку холодоагенту теплообмінника-холодильника 16. Вихід газу з теплообмінника-холодильника 16 з'єднаний зі споживачем 17 газу зі зниженим тиском. Вихід ЧСТ II з'єднаний як із входом ЧНТ 12, так і з вхідним патрубком з боку холодоагенту теплообмінника-холодильника 18. Вихід газу з теплообмінника-холодильника 18 з'єднаний зі споживачем 19 газу зі зниженим тиском. Вихід ЧНТ 12 з'єднаний із вхідним патрубком з боку холодоагенту теплообмінника-холодильника 20. Вихід газу з теплообмінника-холодильника 20 з'єднаний зі споживачем 21 газу зі зниженим тиском. Утилізаційна енергетична установка працює в такий спосіб. Природний газ з магістралі 13 з підвищеним тиском газу надходить у ЧВТ 10, обертаючи останню, розширюючись і охолоджуючись. Частина цього природного газу надходить у ЧСТ 11, обертаючи останню, розширюючись і охолоджуючись, а інша частина надходить на вхідний патрубком з боку холодоагенту теплообмінника-холодильника 16, з якого природний газ надходить до споживача 17 природного газу зі зниженим тиском. Тиск, необхідний споживачу 17 газу, може бути вище, ніж тиск, необхідний іншим споживачам 19 і 21 природного газу. Інша, частина потоку газу виконує роботу в ЧСТ 11, додатково знижує тиск і охолоджується. Далі потік природного газу розгалужується. Одна частина цього потоку надходить на вхідний патрубок з боку холодоагенту теплообмінника-холодильника 18, з якого природний газ надходить споживачу 19 газу. Решта потоку природного газу надходить на вхід ЧНТ 12, обертаючи останню, розширюючись і охолоджуючись. Потім природний газ надходить у теплообмінник-холодильник 20, з якого надходить до споживача 21 природного газу зі зниженим тиском. Розширювальна газова турбіна обертає електрогенератор 14, що виробляє струм для споживача 15 електричної енергії. Холод може бути використаний для морозильних камер, льодових ковзанок, тощо, а також для скраплення природного газу, що добувається із свердловин. Корисна робота, яку здійснює газ при розширенні, може бути використана, у тому числі для скраплення газу й енергопостачання свердловини природного газу, яка стоїть окремо. Варіант 3. (Фіг.3) Утилізаційна енергетична установка включає розширювальну газову турбіну 22 високого тиску (ТВТ 22), вхід якої з'єднаний з магістраллю 23 природного газу з підвищеним тиском. Вал ТВТ 22 кінематично чи безпосередньо зв'язаний з електрогенератором 24, що електрично з'єднаний зі споживачем 25 електричної енергії. Вихід ТВТ 22 з'єднаний із вхідним патрубком з боку холодоагенту, інакше кажучи, із входом по газу, теплообмінника-холодильника 26. Вихід по газу теплообмінника-холодильника 26 з'єднаний із входом розширювальної газової турбіни 27 середнього тиску (ТСТ 27). Вал ТСТ 27 кінематично чи безпосередньо зв'язаний з електрогенератором 28, який електрично з'єднаний зі споживачем 29 електричної енергії. Вихід ТСТ 27 з'єднаний із вхідним патрубком з боку холодоагенту, інакше кажучи"," із входом по газу, теплообмінника-холодильника 30. Вихід по газу теплообмінника-холодильника 30 з'єднаний із входом газової розширювальної турбіни 31 низького тиску (ТНТ 31). Вал ТНТ 31 кінематично чи безпосередньо зв'язаний з електрогенератором 32, що електрично з'єднаний зі споживачем 33 електричної енергії. Вихід ТНТ 31 з'єднаний із входом по газу теплообмінника-холодильника 34. Вихід по газу теплообмінника-холодильника 34 з'єднаний зі споживачем 35 природного газу низького тиску. Утилізаційна енергетична установка працює в такий спосіб. Природний газ з магістралі 23 з підвищеним тиском газу, надходить у ТВТ 22, обертаючи останню, розширюючись і охолоджуючись. З ТВТ 22 газ надходить у теплообмінник-холодильник 26, у якому холод утилізується, а газ нагрівається і розширюється. Далі газ надходить у ТСТ 27, обертаючи останню, розширюючись і охолоджуючись. Потім газ надходить у теплообмінник-холодильник 30, у якому холод утилізується, а газ нагрівається і розширюється. З теплообмінника-холодильника 30 газ, що нагрівся і розширився, надходить у ТНТ 31 обертаючи останню, розширюючись і охолоджуючись. З ТНТ 31 газ надходить у теплообмінник-холодильник 34, у якому холод утилізується, а природний газ нагрівається і розширюється. Потім природний газ надходить до споживача 35 газу зі зниженим тиском. ТВТ 22, ТСТ 27 і ТНТ 31 обертають відповідно електрогенератори 24, 28 і 32, що подають струм відповідно споживачам 25, 29, 33 електричної енергії. Електрогенератори 24, 28 і 32 можуть бути підключені до єдиної електричної мережі. Завдяки поетапному охолодженню газу у ТВТ 22, ТСТ 27 і ТНТ 31 і поетапному нагріванню в теплообмінниках-холодильниках 26 і 30 відбувається підвищення загального ККД утилізаційної енергетичної установки. Винахід може бути використаний для рішення широкого кола практичних задач отримання додаткової енергії і недорогого холоду. Винахід може застосовуватися при виході природного газу з підвищеним тиском безпосередньо зі свердловин для видобутку газу, а також при зниженні тиску газу від магістрального тиску до тиску, необхідного споживачу, то що. У приведених варіантах кращого застосування винаходу як детандер використана розширювальна газова турбіна. Однак, замість розширювальної газової турбіни може бути використаний детандер будь-якого типу, зокрема поршневий чи роторний детандер, що складається, у тому числі, з частин високого і низького тиску, чи з частин високого, середнього і низького тиску. Замість і/або одночасно з електрогенератором можуть бути використані турбіни, насоси, вентилятори, лебідки, інші перетворювачі механічної енергії. Описані у варіантах кращого застосування винаходу утилізаційні енергетичні установки можуть бути розташовані безпосередньо біля свердловин природного газу, якщо тиск природного газу при виході зі свердловини перевищує тиск, необхідний для магістрального газопроводу. При цьому холод може бути використаний для скраплення природного газу, що добувається зі свердловин. Корисна робота, яку здійснює газ при розширенні, може бути використана, у тому числі для скраплення газу й енергопостачання свердловини природного газу, яка стоїть окремо. Запропоновані утилізаційні енергетичні установки дуже ефективні в місцях з'єднання магістрального газопроводу з установками подачі природного газу великим споживачам (електростанціям, мережам побутового природного газу в населених пунктах).