PL230197B1 - Sposób redukcji ciśnienia paliw gazowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób redukcji ciśnienia paliw gazowych do zastosowania w stacjach gazowych.

Wtradycyjnych stacjach gazowych redukcja ciśnienia gazu prowadzona jest w procesie dławienia przepływu gazu na zaworze redukcyjnym. Spadek temperatury podczas rozprężania gazu na zaworze redukcyjnym wynosi około 4,5-6°C przy spadku ciśnienia o 1 MPa i jest uzależniony od składu chemicznego gazu i jego aktualnych parametrów (ciśnienia i temperatury). Z uwagi na ryzyko kondensacji pary wodnej, jak również ryzyko tworzenia się hydratów przy niskiej temperaturze gazu po redukcji ciśnienia, w stacjach gazowych stosuje się układy podgrzewania gazu przed rozprężaniem. W praktyce, proces podgrzewania gazu realizowany jest w taki sposób, aby minimalna temperatura gazu na wyjściu reduktora była wyższa od temperatury punktu rosy wody oraz temperatury na krzywej tworzenia się hydratów.

W przypadku zastosowania w stacji gazowej rozprężarki zamiast zaworu redukcyjnego, gaz przepływający przez rozprężarkę wykonuje pracę kosztem spadku entalpii. Jednocześnie podczas rozprężania gaz gwałtownie się ochładza. Spadek temperatury gazu w rozprężarce jest znacznie większy niż w przypadku klasycznego reduktora. Jest on funkcją składu chemicznego gazu, aktualnych parametrów gazu oraz dodatkowo sprawności wewnętrznej rozprężarki. W przypadku zastosowania rozprężarki w stacji gazowej należy mieć na uwadze podobnie jak w przypadku reduktora konieczność budowy układu podgrzewania gazu przed rozprężaniem z uwagi na możliwość tworzenia się hydratów. W przypadku zastosowania układu z rozprężarką o wysokiej sprawności, gaz jest podgrzewany do temperatury znacznie wyższej niż w przypadku układów z reduktorem. Jednak zaletą instalacji do redukcji ciśnienia gazu z wykorzystaniem rozprężarekjest możliwość napędu generatorów prądu elektrycznego, co oznacza, że w przypadku stosowania tego typu redukcji ciśnienia gazu jednocześnie produkowany jest w stacji gazowej prąd elektryczny.

Oprócz wartości temperatury, jednym z ważniejszych parametrów układu jest stosunek ciśnienia gazu przed i po rozprężaniu (stopień redukcji □). Stopnie redukcji mają podstawowe znaczenie z punktu widzenia mocy mechanicznej dostępnej na wale rozprężarki, przez co decydują o ilości energii elektrycznej produkowanej w stacji. W praktyce, w przypadku stacji gazowych wysokiego ciśnienia zasilających sieci dystrybucyjne, stopnie redukcji są w zakresie 4 < □ < 14, przy których najczęściej spotykane są dwustopniowe układy rozprężania gazu, z podgrzewaniem gazu przed każdym stopniem. W przypadku układów wielostopniowych, zwykle dobiera się jednakowy stopień redukcji na każdym stopniu, gdyż dzięki temu spadki temperatury gazu na każdym ze stopni są w przybliżeniu równe. Drugim poza stopniem redukcji parametrem decydującym o ilości produkowanej energii elektrycznej jest natężenie przepływu gazu. Czym większy jest strumień objętości gazu tym bardziej opłacalne jest stosowanie rozprężarek w celu wykorzystania energii sprężonego gazu do produkcji energii elektrycznej. Jednocześnie im większy strumień objętości gazu i im większe stopnie redukcji, tym większy strumień ciepła potrzebny do podgrzania gazu i tym większe koszty eksploatacji stacji gazowej wynikające z kosztów produkcji ciepła.

Znane rozwiązania charakteryzują się ujemnym bilansem energetycznym. Stacje tego typu wymagają dostarczania energii z zewnątrz co wymusza ich współpracę ze źródłami ciepła.

Nieoczekiwanie okazało się, że jeśli redukcji ciśnienia podda się gaz osuszony można całkowicie zrezygnować z podgrzewania gazu. To oznacza, że zamiast podgrzewania gazu należy zastosować jego osuszanie. Osuszanie gazu ziemnego nie polega na całkowitym usunięciu pary wodnej. Wystarczy usunąćją wtakim stopniu, aby zapobiec skropleniu się wody w temperaturze minimalnej procesu. Oznacza to, że zadowalające jest osuszenie gazu do takiego poziomu, aby temperatura punktu rosy wody była o około 5°C niższa od minimalnej temperatury, w jakiej może znaleźć się gaz ziemny.

Sposób według wynalazku polega na tym, że strumień gazu ziemnego lub mieszaniny gazów zawierający parę wodną kierowany jest do kolumny absorpcyjnej i kontaktowany w przeciwprądzie z ciekłym absorbentem, korzystnie glikolem trietylenowym. Osuszony gaz kieruje się do turboekspandera a następnie kieruje do sieci. Absorbent zawierający wodę poddaje się rozprężaniu na reduktorze ciśnienia a następnie wstępnie podgrzewa w wymienniku ciepła i przesyła na kolumnę destylacyjną, pełniącą funkcję desorbera. W kolumnie destylacyjnej woda zostaje usunięta z roztworu i odprowadzona w strumieniu pary za pośrednictwem skraplacza na górze kolumny. Ciepło do regeneracji roztworu absorbenta dostarczane jest za pośrednictwem elektrycznego reboilera zasilanego energią elektryczną

PL230 197 Β1 z generatora napędzanego turboekspanderem. Po regeneracji absorbent przesyłany jest do wymiennika ciepła, w którym odzyskiwane jest ciepło. Następnie przepompowywany jest przez drugi wymiennik ciepła, w którym dodatkowo oddaje ciepło do strumienia gazu po czym kierowany jest do absorbera.

Zgodnie z wynalazkiem instalacja podgrzewania gazu w stacji gazowej jest zastąpiona instalacją osuszania gazu, jednocześnie na potrzeby redukcji ciśnienia gazu stosuje się rozprężarkę zamiast klasycznego reduktora. To rozwiązanie umożliwia odzyskanie energii, która przy tradycyjnym rozwiązaniu polegającym na dławieniu przepływu gazu jest bezpowrotnie rozpraszana. Moc dostępna na wale rozprężarki wykorzystana jest do napędu generatora prądu elektrycznego. Energia elektryczna z generatora wykorzystana jest do zasilania instalacji osuszania gazu. Przeprowadzone badania wykazały, że energia odpadowa strumienia gazu odzyskana w procesie rozprężania na rozprężarce w pełni pokrywa zapotrzebowanie na energię potrzebną do procesu osuszania gazu. Przedstawiony sposób postępowania pozwala zatem na całkowite wyeliminowanie zapotrzebowania na energię pierwotną do realizacji procesu redukcji ciśnienia, którą do tej pory była energia chemiczna paliwa gazowego zużytego na potrzeby produkcji ciepła w układzie podgrzewania gazu.

Przeprowadzono analizę termodynamiczną układu na bazie parametrów eksploatacyjnych rzeczywistej stacji gazowej, w której przyjęto rozwiązanie polegające na zastosowaniu ciągu redukcyjnego z instalacją osuszającą gaz w procesie absorpcji wraz z turboekspanderem pracującym w układzie monitorującym. Uzyskane rezultaty pokazały możliwość zbilansowania energii układu turboekspander-osuszacz i potwierdziły, że proponowane rozwiązanie pozwala na całkowite wyeliminowanie zapotrzebowania na energię pierwotną w stacji gazowej. Rozwiązanie pozwala zatem na skonstruowanie zeroenergetycznej stacji gazowej. Jednocześnie obliczenia przeprowadzone przy różnych wartościach przepływu i stopnia redukcji ciśnienia gazu wykazały, że odpowiednio wysokie wartości przepływu i stopnia redukcji pozwalają na uzyskanie dodatniego bilansu energii netto układu turbogenerator-osuszacz, przy którym możliwe jest wytwarzanie energii elektrycznej w stacji w ilościach przekraczających potrzeby własne stacji. Stacja skonstruowana na bazie proponowanego rozwiązania pracująca w takich warunkach byłaby plus-energetyczną stacją gazową.

Przedmiot wynalazku pokazano na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schemat technologiczny modułu osuszania i redukcji ciśnienia gazu, Fig. 2 przedstawia schemat technologiczny zeroenergetycznej stacji gazowej a Fig. 3 przedstawia schemat blokowy zeroenergetycznej stacji gazowej z zaznaczonym modułem osuszania i redukcji ciśnienia gazu.

Przykład.

Instalacja do redukcji ciśnienia paliw gazowych pokazana na Fig. 1 składa się z następujących elementów:

- pompa, 2 - kolumna absorpcyjna absorber, 3 - wymiennik ciepła I, 4 - reduktor ciśnienia, 5 - wymiennik ciepła II, 6 - turboekspander, 7 - regenerator absorbenta, 8 - skraplacz, 9 - reboiler, 10 -strumień gazu wilgotnego, 11 - roztwór absorbenta z wodą, 12 - roztwór absorbenta po redukcji ciśnienia, 13 - roztwór absorbenta po wstępnym podgrzaniu, 14 - strumień pary, 15 - absorbent po regeneracji, 16 - absorbent po wstępnym schłodzeniu, 17 - sprężony absorbent, 18 - absorbent po schłodzeniu, 19 - strumień gazu suchego, 20 - gaz po podgrzaniu, 21 - gaz po redukcji ciśnienia.

Schemat technologiczny zeroenergetycznej stacji gazowej pokazany na Fig. 2 składa się z następujących elementów:

- filtr, 2 - absorber wody, 3 - wymiennik ciepła I, 4 - zawór szybkozamykający, 5 - reduktor monitorujący, 6 - turboekspander, 7 - zawór upustowy (opcjonalnie), 8 - rejestrator ciśnienia i temperatury, 9 - regulator ciśnienia na przewodzie obejściowym, 10 - złącza izolujące, 11 - zespoły zaporowo-upustowe, 12 - nawanialnia gazu, 13 - reduktor ciśnienia.

Proces osuszania gazu ziemnego odbywa się na kolumnie absorpcyjnej. Para wodna zawarta w strumieniu gazu ziemnego jest pochłaniana przez absorbent kontaktowany ze strumieniem gazu w przeciwprądzie. Absorbent zawierający wodę jest następnie rozprężany na reduktorze ciśnienia, wstępnie podgrzewany na wymienniku ciepła i przesyłany na kolumnę destylacyjną, pełniącą funkcję desorbera. W kolumnie destylacyjnej woda zostaje usunięta z roztworu i odprowadzona w strumieniu pary za pośrednictwem skraplacza na górze kolumny destylacyjnej. Ciepło do regeneracji roztworu dostarczane jest za pośrednictwem elektrycznego reboilera zasilanego energią elektryczną z generatora napędzanego turboekspanderem. Po regeneracji absorbent jest przesyłany do wymiennika ciepła, w którym odzyskiwane jest ciepło. Następnie przepompowywany jest przez drugi wymiennik ciepła, w którym dodatkowo oddaje ciepło do strumienia gazu (19) z powrotem do absorbera. Strumień gazu po redukcji ciśnienia kierowany jest do sieci.

PL230 197 Β1

Przeprowadzono weryfikację metody rozprężania gazu ziemnego wysokometanowego z wykorzystaniem instalacji osuszającej gaz na bazie glikolu trietylenowego (TEG) dla stacji gazowej wysokiego ciśnienia o przepustowości 62 130 kg/h (90 260 m³/h) o ciśnieniu wejściowym 2,9 MPa i ciśnieniu wyjściowym 270 kPa, przy udziale masowym pary wodnej w mieszaninie gazu ziemnego na poziomie 1%. Skład gazu ziemnego (udziały masowe) CH4 97%; C2H6 0,3%; C3H8 0,3%; C4H10 0,4%; N2 0,9%; CO2 0,1%; Woda 1%.

Dane dotyczące rozwiązań technicznych elementów instalacji przedstawiono w Tablicach 1-4.

Tablica 1. Dane dotyczące aparatów chemicznych instalacji redukcji ciśnienia gazu

Nazwa	Średnica (m)	Liczba pólek	Rodzaj wypełnienia	Całkowita wysokość wypełnienia (m)
Kolumna absorbera	1,17	2	strukturalne	3
Kolumna regeneratora	0,6	2	strukturalne	3

Tablica 2. Dane dotyczące wymienników ciepła w instalacji redukcji ciśnienia gazu

Wymiennik Ciepła	(III)	(VII)
Typ	Płaszczowo rurowy	Płaszczoworurowy
Średnica płaszcza [mm]	739	739
Liczba rur w wiązce	160	160
Podziałka rur [mm]	50	50
Rozmieszczenie rur w płytach sitowych	Trójkątne (30 stopni)	Trójkątne (30 stopni)
Przepływ czynnika	Jednobiegowy	Jednobiegowy
Położenie płaszcza	poziome	poziome
Długość płaszcza [mm]	800	800
Wymiary rur
Średnica zewnętrzna [mm]	20	20
Średnica wewnętrzna [mm]	16	16
Grubość rur [mm]	2	2
Długość rur [m]	6	6
Materiał rur	stal	stal
Przewodność [W/m-Kl	45	45
Całkowity współczynnik przenikania ciepła U [kJ/hm2-C]	325,9720886	1063,166355
UA [kJ/C-h]	19662,17316	64128,6837
Spadek ciśnienia płaszcz [kPa]	40	40
Spadek ciśnienia rura [kPa]	70	70
Powierzchnia wymiany ciepła [m2]	60,31	60,31

PL 230 197 Β1

Tablica 3. Dane dotyczące przewodów instalacji redukcji ciśnienia gazu

Lp	Prędkość	Strumień Qr	A	D	DN
-	m/s	m3/h	m2	ΠΊ	mm
1	20	2778	0,038614	0,222	220
2	2	10,08	0,001401	0,042	40
3	2	19,25	0,002676	0,058	60
4	2	37,72	0,005243	0,082	80
5	20	1067	0,014831	0,137	125
6	2	11,31	0,001572	0,045	40
7	2	10,47	0,001455	0,043	40
8	2	10,4	0,001446	0,043	40
9	2	9,606	0,001335	0,041	40
10	20	2868	0,039865	0,225	250
11	20	3190	0,044341	0,238	250
12	20	22420	0,311638	0,630	600

Tablica 4. Dane dotyczące maszyn przepływowych i pozostałych aparatów instalacji redukcji ciśnienia gazu

Nazwa	Moc (kW)	Przepływ (tys. kg/h)	Ciśnienie (kPa)	Temperatura (°C)
wejście	wyjście	wejście	wyjście
Reduktor ciśnienia (II)	-	11,46	2900,0	172,0	5,3	7,9
Pompa (V)	11,01	10,82	61,3	2900,0	129,1	129,6
Turboekspander (VI)	3298,0	61500	2850,0	270,0	7,1	-92,2
Skraplacz (VIII)	211,9	0,64	102,0	102,0	115,5	99,3
Reboiler (IX)	1567,0	10,82	101,3	101,3	122,7	204,4

Zastrzeżenia patentowe

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób redukcji ciśnienia paliw gazowych, znamienny tym, że strumień gazu ziemnego lub mieszaniny gazów zawierający parę wodną kierowany jest do kolumny absorpcyjnej i kontaktowany w przeciwprądzie z ciekłym absorbentem, następnie osuszony gaz kieruje się do turboekspandera a następnie kieruje do sieci przy czym absorbent zawierający wodę poddaje się rozprężaniu na reduktorze ciśnienia a następnie wstępnie podgrzewa w wymienniku ciepła i przesyła na kolumnę destylacyjną, w której usuwa się wodę z roztworu i odprowadza ją w strumieniu pary za pośrednictwem skraplacza na górze kolumny a ciepło do regeneracji roztworu absorbenta dostarcza się za pośrednictwem elektrycznego reboilera zasilanego energią elektryczną z generatora napędzanego turboekspanderem natomiast absorbent po regeneracji przesyłany jest do wymiennika ciepła a następnie przepompowywany jest przez drugi wymiennik ciepła po czym kierowany jest do absorbera.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako ciekły absorbent stosuje się glikol trietylenowy.