RU2151348C1 - Combined plant for liquefaction and storage of gases on basis of cryogenic refrigerating stirling machine - Google Patents

Abstract

FIELD: liquefaction and storage of gases. SUBSTANCE: combined plant is provided with refrigerating machine made in form of Stirling machine. Natural gas supply line connects main pipe line with refrigerating machine; this line is provided with adjusting valve, expansion gas turbine mounted on common shaft with electric generator and expansion tank. Liquefied gas drain line connects refrigerating machine with heat-insulated reservoir; this line is provided with Dewar flask, high-pressure pump and check valve. Liquefied gas evaporation line includes intake device, safety valve, compressor, check valve, receiver, filling valves and compressed gas bottles. Compressor is connected with expansion turbine by means of shaft through clutch. EFFECT: enhanced efficiency of systems. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области криогенной техники, криогенных газовых холодильных машин, работающих по обратному циклу Стирлинга, а также сжижения газов и их хранения, в основном природного газа. The invention relates to the field of cryogenic technology, cryogenic gas refrigeration machines operating on the reverse Stirling cycle, as well as liquefying gases and storing them, mainly natural gas.

Известно, что сжиженный природный газ рассматривается как перспективное жидкое топливо, а температура кипения сжиженных природных газов соответствует температуре -162^oC (113K) (Нефтегазовая вертикаль. Анал. журнал 9 - 10 (24 - 25), М., 1998, стр. 123). Однако существует проблема высокоэффективного получения и хранения сжиженного природного газа, как криогенной жидкости.It is known that liquefied natural gas is considered as a promising liquid fuel, and the boiling point of liquefied natural gases corresponds to a temperature of -162 ^o C (113K) (Oil and Gas Vertical. Anal. Journal 9 - 10 (24 - 25), M., 1998, p. 123). However, there is a problem of highly efficient production and storage of liquefied natural gas as a cryogenic liquid.

Известны устройства простейших газотурбинных установок, состоящих из камеры сгорания топлива, турбины, компрессора и узла нагрузки (электрогенератора) (Манушин Э.А., Михальцев В.Е., Чернобровкин А.П. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. М., "Машиностроение", 1977, стр. 13 - 14). Однако для получения полезной механической энергии (работы) в данных установках необходимо сжигать топливо. Known devices of the simplest gas turbine units, consisting of a fuel combustion chamber, a turbine, a compressor and a load unit (electric generator) (Manushin E.A., Mikhaltsev V.E., Chernobrovkin A.P. Theory and design of gas turbine and combined installations. M., "Mechanical Engineering", 1977, pp. 13-14). However, to obtain useful mechanical energy (work) in these plants, it is necessary to burn fuel.

Известны технические решения газовых турбин, в которых энергия сжатого газа при расширении преобразуется в работу одновременно с понижением температуры газа (Чечеткин А. В, Занемонец Н.А. Теплотехника: Учеб. для хим. - технол. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1986. - стр. 307). There are known technical solutions of gas turbines in which the energy of compressed gas is converted into work at the same time as the gas temperature decreases (Chechetkin A.V., Zanemonets N.A. Heat engineering: Textbook for chemical and technical special universities. - M .: High School, 1986. - p. 307).

Известны технические решения для газификации сжиженных газов перед их раздачей потребителям с применением насосов высокого давления (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М., 1961, стр. 287-288). Known technical solutions for the gasification of liquefied gases before distributing them to consumers using high pressure pumps (Questions of deep cooling. / Collection of articles edited by prof. MP Malkov /. Ed .: "Foreign Literature", M., 1961 , p. 287-288).

Известно устройство сосуда Дьюара для жидкого азота с вакуумно-порошковой изоляцией (Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., - М.: Энергоиздат, 1981, стр. 202). A device of the Dewar vessel for liquid nitrogen with vacuum-powder insulation is known (Sokolov E.Ya., Brodyansky V.M. Energy fundamentals of heat transformation and cooling processes: Textbook for universities. - 2nd ed., - M.: Energoizdat 1981, p. 202).

Известно, что ввиду внешних теплопритоков в емкостях с криогенными жидкостями образуется выпар (пары сжиженных газов), количество которого зависит от многих факторов: формы емкостей; типов теплоизоляции и т.д. (Р.Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр.250). Однако выброс выпара за пределы емкости для хранения сжиженных газов приводит либо к потери ценного продукта, либо к загрязению окружающей среды. It is known that due to external heat inflows in tanks with cryogenic liquids, vapor is formed (vapor of liquefied gases), the amount of which depends on many factors: the shape of the tanks; types of insulation, etc. (RB Scott. The technique of low temperatures. Translation under the editorship of prof. MP Malkov. M: Publishing House of Foreign Literature, 1962, p. 250). However, the release of vapor beyond the liquefied gas storage tank results in either the loss of a valuable product or environmental pollution.

Известно конструктивное решение стационарного резервуара (теплоизолированной емкости) для хранения сжиженного газа (кислорода) с вакуумно-перлитовой изоляцией (Р.Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова, М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 254). There is a known constructive solution of a stationary tank (heat-insulated tank) for storing liquefied gas (oxygen) with vacuum-perlite insulation (RB Scott. Low-temperature technology. Translation, edited by prof. MP Malkov, M .: Inostr. .Liter., 1962, p. 254).

Недостатком данного технического решения является то, что несмотря на достаточно хорошую изоляцию в резервуаре возникают потери сжиженного газа на испарение за счет внешних теплопритоков. The disadvantage of this technical solution is that despite a fairly good insulation in the tank there are losses of liquefied gas by evaporation due to external heat inflows.

Известно, что причиной низкого КПД реальных ожижителей газов является несовершенство применяемых холодильных циклов и способов сохранения холода (Р.Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. , М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 15). It is known that the reason for the low efficiency of real gas liquefiers is the imperfection of the used refrigeration cycles and methods of preserving the cold (RB Scott. Technique of low temperatures. Translation under the editorship of prof. MP Malkov., M .: Ed. Foreign letter ., 1962, p. 15).

Известно, что для сжижения газов используются различные циклы, например, с дросселированием или детандерные, однако в области криогенных температур (60 - 160 K) наиболее высокоэффективным циклом является цикл с холодильной машиной, работающей по циклу Стирлинга. Эффективность криогенных машин Стирлинга практически в 2 раза выше по сравнению с другими установками, применяемыми для сжижения газов (Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность. 1982, стр. 185 - 186). It is known that various cycles are used for gas liquefaction, for example, with throttling or expander, however, in the range of cryogenic temperatures (60 - 160 K), the most highly efficient cycle is the cycle with a refrigerating machine operating on the Stirling cycle. The efficiency of cryogenic Stirling machines is almost 2 times higher compared to other plants used for gas liquefaction (IP Usyukin. Installations, machines and apparatuses of cryogenic technology. M: Light and food industry. 1982, p. 185 - 186).

Известно устройство газовой холодильной машины "Филипса", работающей по обратному циклу Стирлинга, предназначенной для сжижения воздуха (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М., 1961, стр. 35). Однако, данная холодильная машина для сжижения природного газа ранее не применялась. A device of the gas refrigerating machine "Philips", working on the reverse Stirling cycle, designed to liquefy the air (Questions of deep cooling. / Collection of articles edited by prof. MP Malkov /. Ed .: "Foreign Literature", M ., 1961, p. 35). However, this refrigeration machine for liquefying natural gas has not previously been used.

Известна установка для сжижения газов и их хранения, содержащая линию подачи газообразного природного газа, соединяющую магистральный трубопровод с холодильной машиной, линию слива сжиженного газа, соединяющую холодильную машину с теплоизолированной емкостью, и линию выпара сжиженного газа (патент US N 3914949, F 25 J 1/02, 1975). Однако, в целях повышения эффективности установки в целом, целесообразно применить в качестве холодильной машины высокоэффективную холодильную машину, работающую по циклу Стирлинга. A known installation for liquefying gases and storing them, comprising a natural gas gas supply line connecting the main pipeline to the refrigeration machine, a liquefied gas discharge line connecting the refrigeration machine with an insulated tank, and a liquefied gas vaporization line (US Pat. No. 3,914,949, F 25 J 1 / 02, 1975). However, in order to increase the efficiency of the installation as a whole, it is advisable to use a highly efficient refrigerating machine operating according to the Stirling cycle as a refrigerating machine.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности систем и снижении материальных затрат при сжижении газов, а также решение экологических проблем, связанных с хранением сжиженных газов. The technical result that can be obtained by carrying out the invention is to increase the efficiency of systems and reduce material costs when liquefying gases, as well as solving environmental problems associated with the storage of liquefied gases.

Для достижения этого технического результата, комбинированная установка для сжижения газов и их хранения, содержащая линию подачи газообразного природного газа, соединяющую магистральный трубопровод с холодильной машиной, выполненной в виде машины Стирлинга, линию слива сжиженного газа, соединяющую холодильную машину с теплоизолированной емкостью, и линию выпара сжиженного газа, снабжена в линии подачи газообразного природного газа регулирующим клапаном, расширительной газовой турбиной на одном валу с электрогенератором, расширительной емкостью, в линии слива сжиженного газа сосудом Дьюара, насосом высокого давления и обратным клапаном, в линии выпара сжиженного газа заборным устройством в газосодержащей части емкости, предохранительным клапаном, компрессором, связанным с расширительной турбиной валом через муфту сцепления, обратным клапаном, ресиверной емкостью, заправочными клапанами и баллонами для сжатого газа. To achieve this technical result, a combined installation for liquefying gases and storing them, comprising a natural gas gas supply line connecting a main pipeline to a refrigeration machine made in the form of a Stirling machine, a liquefied gas discharge line connecting a refrigeration machine with a heat-insulated tank, and an evaporation line liquefied gas, equipped with a control valve in the gaseous natural gas supply line, an expansion gas turbine on the same shaft as an electric generator, expand tank, in the liquefied gas discharge line with a Dewar vessel, high pressure pump and non-return valve, in the liquefied gas evaporation line with a suction device in the gas-containing part of the tank, a safety valve, a compressor connected to the expansion turbine shaft through a clutch, a check valve, and a receiver tank, filling valves and cylinders for compressed gas.

Введение в состав комбинированной установки для сжижения газов и их хранения холодильной машины в виде машины Стирлинга, расширительной турбины, электрогенератора, расширительной емкости в линии подачи газа, сосуда Дьюара, насоса высокого давления в линии слива сжиженного газа, компрессора, связанного с турбиной валом через муфту сцепления, ресиверной емкости и баллонов для сжатого газа в линии выпара, позволяет получить новое свойство, заключающееся в высокоэффективном сжижении природного газа в конденсаторе холодильной машины с последующим сливом в емкость для хранения сжиженных газов за счет теплообмена с рабочим телом криогенной холодильной машины Стирлинга, а также снижение затрат мощности холодильной машины за счет предварительного охлаждения газа при расширении в газовой турбине с одновременным получением дополнительной электрической энергии и отсутствие выброса в окружающую среду выпара сжиженных газов из теплоизолированной емкости при их хранении. Introduction to the composition of the combined installation for liquefying gases and storing the refrigeration machine in the form of a Stirling machine, an expansion turbine, an electric generator, an expansion tank in the gas supply line, a Dewar vessel, a high pressure pump in the liquefied gas discharge line, a compressor connected to the turbine by a shaft through a coupling coupling, receiver capacity and cylinders for compressed gas in the vapor line, allows you to get a new property, which consists in highly efficient liquefaction of natural gas in the condenser of the refrigeration machine with traveling by draining into a container for storing liquefied gases due to heat exchange with the working fluid of a cryogenic Stirling refrigeration machine, as well as reducing the cost of power of the refrigeration machine by pre-cooling the gas during expansion in a gas turbine while receiving additional electric energy and the absence of emission of liquefied vapor into the environment gases from a thermally insulated container during storage.

На чертеже изображена комбинированная установка для сжижения газов и их хранения. The drawing shows a combined installation for liquefying gases and their storage.

В состав установки входит холодильная машина Стирлинга 1, линия подачи газообразного природного газа 2 из магистрального трубопровода 3, линия слива сжиженного газа 4, линия выпара сжиженного газа 5 и теплоизолированная емкость 6. Линия подачи природного газа 2 включает в себя регулирующий клапан 7, расширительную газовую турбину 8 с электрогенератором 9, расположенным на одном валу с турбиной 8, расширительную емкость 10 и соединяет магистральный трубопровод 3 с конденсатором (не показан) холодильной машины 1. Линия слива сжиженного газа 4 состоит из сосуда Дьюара 11, насоса высокого давления 12, обратного клапана 13 и соединяет конденсатор холодильной машины 1 с теплоизолированной емкостью 6 для хранения сжиженного газа. Линия выпара сжиженного газа 5 состоит из заборного устройства 14 в газосодержащей части емкости 6, предохранительного клапана 15, компрессора 16, связанного с валом турбины 8 через муфту сцепления 17, обратного клапана 18, ресиверной емкости 19, заправочных клапанов 20 и баллонов сжатого газа 21. The installation includes a Stirling chiller 1, a gaseous natural gas supply line 2 from the main pipeline 3, a liquefied gas discharge line 4, a liquefied gas evaporation line 5 and a heat-insulated container 6. The natural gas supply line 2 includes a control valve 7, a gas expansion valve a turbine 8 with an electric generator 9 located on the same shaft with the turbine 8, an expansion tank 10 and connects the main pipe 3 with a condenser (not shown) of the refrigeration machine 1. The liquefied gas discharge line 4 sost um from the dewar 11, a high pressure pump 12, check valve 13 and connects the condenser of the refrigerating machine 1 from 6 thermally insulated container for storing liquefied gas. The liquefied gas evaporation line 5 consists of an intake device 14 in the gas-containing part of the container 6, a safety valve 15, a compressor 16 connected to the turbine shaft 8 through a clutch 17, a check valve 18, a receiver tank 19, filling valves 20 and compressed gas cylinders 21.

Комбинированная установка для сжижения газов и их хранения работает следующим образом. Combined installation for liquefying gases and their storage works as follows.

Природный газ повышенного давления из магистрального трубопровода 3 по линии подачи 2 поступает в холодильную машину Стирлинга 1 для сжижения. Сжижение газа обуславливает постоянный перепад давления между трубопроводом 3 и холодильной машиной 1. Для регулирования подачи природного газа предусмотрен регулирующий клапан 7. Проходя через газовую турбину 8, газ расширяется, охлаждается и приводит во вращение вал турбины 8, на одном конце которого расположен электрогенератор 9, обеспечивающий получение электроэнергии, а на другом конце через муфту сцепления 17 - компрессор 16. Муфта 17, в основное время работы установки, отсоединяет компрессор 16 от турбины 8. Газ, предварительно охлажденный при прохождении турбины 8, поступает в расширительную емкость 10, а затем в конденсатор (не показан) холодильной машины 1 для сжижения. Сжиженный газ по линии слива 4 самотеком сливается в сосуд Дьюара 11, а затем насосом высокого давления 12 через обратный клапан 13 подается в теплоизолированную емкость 6. Обратный клапан 13 предотвращают движение рабочей среды в линии 4 в обратном направлении при отключении насоса 12. Natural gas high pressure from the main pipeline 3 through the supply line 2 enters the Stirling refrigeration machine 1 for liquefaction. Gas liquefaction causes a constant pressure drop between the pipeline 3 and the refrigeration machine 1. To regulate the supply of natural gas, a control valve 7 is provided. Passing through the gas turbine 8, the gas expands, cools and drives the turbine shaft 8, at one end of which there is an electric generator 9, providing electricity, and at the other end, through the clutch 17, the compressor 16. The clutch 17, in the main operating time of the installation, disconnects the compressor 16 from the turbine 8. The gas is pre-cooled minutes while passing the turbine 8 is supplied to the expansion tank 10 and then to a condenser (not shown) of the refrigerating machine 1 for liquefaction. Liquefied gas is drained by gravity to the Dewar vessel 11 by gravity, and then fed to the heat-insulated container 6 through a non-return valve 13 through a non-return valve 13. The non-return valve 13 prevents the fluid from flowing in line 4 in the opposite direction when the pump 12 is turned off.

За счет внешних теплопритоков в верхней части емкости 6 образуется выпар сжиженных газов. При достижении определенного давления срабатывает предохранительный клапан 15, что служит сигналом для подсоединения компрессора 16 к валу турбины 8 с помощью муфты сцепления 17. В результате этого по линии выпара 5 газообразный выпар через заборное устройство 14, предохранительный клапан 15 поступает в компрессор 16, где сжимается до высокого давления, и поступает через обратный клапан 18 в ресивер 19. Из ресивера 19 по мере его наполнения сжатый природный газ через заправочные клапана 20 подается в баллоны 21 для последующей раздачи потребителям. Due to external heat influx in the upper part of the tank 6, an evaporation of liquefied gases is formed. When a certain pressure is reached, the safety valve 15 is activated, which serves as a signal for connecting the compressor 16 to the turbine shaft 8 using the clutch 17. As a result, a gaseous vapor through the intake device 14 through the vapor line 5, the safety valve 15 enters the compressor 16, where it is compressed to high pressure, and enters through the non-return valve 18 to the receiver 19. From the receiver 19, as it is being filled, compressed natural gas is supplied through the filling valves 20 to the cylinders 21 for subsequent distribution to consumers.

Источники информации:
1. Нефтегазовая вертикаль. / Аналитический журнал/ 9 - 10 (24 - 25), М., 1998, стр. 123.Sources of information:
1. Oil and gas vertical. / Analytical journal / 9 - 10 (24 - 25), M., 1998, p. 123.

2. Манушин Э.А., Михальцев В.Е., Чернобровкин А.П. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. М., "Машиностроение", 1977, стр. 13-14. 2. Manushin E.A., Mikhaltsev V.E., Chernobrovkin A.P. Theory and design of gas turbine and combined installations. M., "Mechanical Engineering", 1977, pp. 13-14.

3. Чечеткин А. В., Занемонец Н.А. Теплотехника: Учеб. для хим.-технол. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1986, стр. 307. 3. Chechetkin A. V., Zanemonets N. A. Heat engineering: Textbook. for chemical technol. specialist. universities. - M .: Higher. school, 1986, p. 307.

4. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература". М., 1961, стр. 287 - 288. 4. Issues of deep cooling. / Sat articles edited by prof. M.P. Malkova. Publisher: "Foreign Literature". M., 1961, p. 287 - 288.

5. Соколов Е. Я. , Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., - М.: Энергоиздат, 1981, стр. 202. 5. Sokolov E. Ya., Brodyansky V.M. Energy fundamentals of heat transformation and cooling processes. Textbook manual for universities. - 2nd ed., - M .: Energoizdat, 1981, p. 202.

6. Р. Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова, М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 250. 6. R. B. Scott. Technique of low temperatures. Translation Ed. prof. M.P. Malkova, Moscow: Izd. foreign letter., 1962, p. 250.

7. Р. Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова., М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 254. 7. R. B. Scott. Technique of low temperatures. Translation Ed. prof. M.P. Malkova., Moscow: Izd. foreign letter., 1962, p. 254.

8. Р. Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова., М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 15. 8. R. B. Scott. Technique of low temperatures. Translation Ed. prof. M.P. Malkova., Moscow: Izd. foreign letter., 1962, p. 15.

9. Усюкин И. П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185 - 186. 9. Usyukin I. P. Installations, machines and apparatuses of cryogenic equipment. - M .: Light and food industry, 1982, p. 185 - 186.

10. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова. /Изд.: "Иностр. литература", М., 1961, стр. 35. 10. Issues of deep cooling. / Sat articles edited by prof. M.P. Malkova. / Publisher: "Foreign Literature", M., 1961, p. 35.

11. Патент US N 3914949, F 25 J 1/02, 1975 - прототип. 11. Patent US N 3914949, F 25 J 1/02, 1975 - prototype.

Claims (1)

Комбинированная установка для сжижения газов и их хранения, содержащая линию подачи газообразного природного газа, соединяющую магистральный трубопровод с холодильной машиной, линию слива сжиженного газа, соединяющую холодильную машину с теплоизолированной емкостью, и линию выпара сжиженного газа, отличающаяся тем, что холодильная машина выполнена в виде машины Стирлинга, линия подачи газообразного природного газа снабжена регулирующим клапаном, расширительной газовой турбиной на одном валу с электрогенератором, расширительной емкостью, линия слива сжиженного газа снабжена сосудом Дьюара, насосом высокого давления и обратным клапаном, линия выпара сжиженного газа снабжена заборным устройством в газосодержащей части емкости, предохранительным клапаном, компрессором, связанным с расширительной турбиной валом через муфту сцепления, обратным клапаном, ресиверной емкостью, заправочными клапанами и баллонами для сжатого газа. A combined apparatus for liquefying gases and storing gases, comprising a natural gas gas supply line connecting the main pipeline to the refrigeration machine, a liquefied gas discharge line connecting the refrigeration machine with a thermally insulated tank, and a liquefied gas vaporization line, characterized in that the refrigeration machine is designed as Stirling machines, the supply line of gaseous natural gas is equipped with a control valve, an expansion gas turbine on the same shaft with an electric generator, an expansion tank spine, the liquefied gas discharge line is equipped with a Dewar vessel, a high pressure pump and a non-return valve, the liquefied gas discharge line is equipped with a sampling device in the gas-containing part of the tank, a safety valve, a compressor connected to the expansion turbine shaft through a clutch, a non-return valve, a receiver tank, and refueling valves and cylinders for compressed gas.