RU2155303C1 - Method of cooling natural gas after compressor stations - Google Patents

Abstract

FIELD: cooling natural gas. SUBSTANCE: natural gas is cooled in succession in recuperative heat exchanger and then is energy dividing device made in form of shell-and- tube heat exchanger having gas ducts for escape of cold and heated gas, supersonic passages with profiled nozzles and diffusers where gas flow is divided into two flows: one flow passes through supersonic passages accelerating to Mach number M=2 to 5 and then enters compressor station by means of final stage compressor; second flow (which is cooled) enters gas duct from intertube space of energy dividing apparatus. Ratio of total temperature at supersonic passage inlet to total temperature at supersonic passage outlet ranges from 0.85 to 1.2. EFFECT: reduced temperature in outlet collector as compared with other cooling methods. 1 dwg

Description

Изобретение относится к транспортировке и использованию природного газа, в частности к последней стадии охлаждения газа после компрессорной станции (КС) для работы в летнее время в условиях Крайнего Севера при прохождении газопровода в зоне многолетнемерзлых пород. The invention relates to the transportation and use of natural gas, in particular to the last stage of gas cooling after a compressor station (KS) for operation in the summer in the Far North during the passage of a gas pipeline in the permafrost zone.

Известен способ глубокого охлаждения природного газа после КС с помощью пропановых или пропан-бутановых парокомпрессионных холодильных установок, работающих по замкнутому циклу (А.В. Язик "Системы и средства охлаждения природного газа".- М.: Недра, 1986, с. 119-123). A known method of deep cooling of natural gas after CS using propane or propane-butane vapor compression refrigeration units operating in a closed cycle (A.V. Yazik "Systems and means of cooling natural gas" .- M .: Nedra, 1986, p. 119- 123).

Главные недостатки известного способа - сложность эксплуатации и управления, высокая стоимость оборудования. The main disadvantages of this method are the complexity of operation and management, the high cost of equipment.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату с заявленным изобретением является известный способ охлаждения природного газа, согласно которому транспортируемый газ после КС поступает сначала в рекуперативный теплообменник прямого потока (РТО), где за счет теплообмена с газом обратного потока нагревается и подается в нагнетатель, в котором он нагревается при сжатии. Далее нагретый газ поступает в аппарат воздушного охлаждения (АВО), где охлаждается за счет теплообмена с атмосферным воздухом, и предварительно охлажденный в АВО газ далее доохлаждается в РТО за счет теплообмена с газом прямого потока, после чего газ направляется в детандер (расширительную машину) или через дроссельное устройство, где он охлаждается, далее поступает в газопровод, по которому движется до следующей КС. (см. Справочное пособие под ред. Н.И. Рябцева "Газовое оборудование, приборы и арматура" М.: Недра, 1985, с. 358-362). The closest in technical essence and the achieved result with the claimed invention is a well-known method of cooling natural gas, according to which the transported gas after KS first goes to a recuperative direct flow heat exchanger (RTO), where it is heated and fed to a supercharger through heat exchange with a return gas which he heats under compression. Next, the heated gas enters the air cooling apparatus (ABO), where it is cooled by heat exchange with atmospheric air, and the gas pre-cooled in the ABO is further cooled in the PTO by heat exchange with direct flow gas, after which the gas is sent to the expander (expansion machine) or through the throttle device, where it is cooled, it then enters the gas pipeline, through which it moves to the next compressor station. (see. Reference manual edited by NI Ryabtsev "Gas equipment, devices and fittings" M .: Nedra, 1985, p. 358-362).

Известный способ позволяет существенно улучшить процесс охлаждения и соответственно повысить технико-экономические показатели охлажденного газа, однако также сложен в эксплуатации, недостаточно эффективен в условиях многолетнемерзлых пород и требует значительных увеличений капитальных и эксплуатационных затрат и не позволяет получить необходимую температуру природного газа на выходе из коллектора системы охлаждения. The known method can significantly improve the cooling process and, accordingly, increase the technical and economic indicators of chilled gas, however, it is also difficult to operate, insufficiently effective in conditions of permafrost and requires significant increases in capital and operating costs and does not allow to obtain the required temperature of natural gas at the outlet of the system manifold cooling.

Техническим результатом предлагаемого способа по изобретению является большее снижение температуры газа в выходном коллекторе по сравнению с дроссельными методами, что достигается более простым способом по сравнению с использованием парокомпрессионных, детандерных и других холодильных машин. The technical result of the proposed method according to the invention is a greater decrease in the temperature of the gas in the outlet manifold compared to the throttle methods, which is achieved in a simpler way compared to the use of vapor compression, expander and other refrigeration machines.

Для достижения технического результата в способе охлаждения природного газа после КС, включающем последовательное воздушное охлаждение природного газа в АВО, охлаждение прямым потоком газа в РТО, заключительное глубокое охлаждение осуществляют в устройстве в виде кожухотрубного теплообменника, в котором часть газового потока в сверхзвуковых каналах разгоняется до числа Маха М=2-5 и, пройдя диффузоры, поступает через дожимной компрессор на вход КС, а другая часть газового потока из межтрубного пространства - (дозвукового канала) подается в газопровод. In order to achieve a technical result in a method of cooling natural gas after a compressor station, including sequential air cooling of natural gas in the air cooler, cooling with a direct gas stream in the PTO, final deep cooling is carried out in a device in the form of a shell-and-tube heat exchanger, in which part of the gas stream in supersonic channels is accelerated to a number Mach M = 2-5 and, after passing through the diffusers, enters through the booster compressor to the inlet of the compressor station, and the other part of the gas flow from the annulus - (subsonic channel) is supplied in the pipeline.

При этом температура торможения на выходе сверхзвуковых каналов T₁ относится к температуре торможения на входе в сверхзвуковые каналы Т₀ Т₁/T₀= 0,85-1,2 для реального газа, что обусловлено нагревом сверхзвукового потока газа за счет подвода тепла от дозвукового потока газа и охлаждением за счет падения давления в потоке (см. чертеж ).In this case, the braking temperature at the exit of supersonic channels T ₁ refers to the braking temperature at the entrance to supersonic channels T ₀ T ₁ / T ₀ = 0.85-1.2 for real gas, which is due to the heating of the supersonic gas flow due to the supply of heat from the subsonic gas flow and cooling due to pressure drop in the stream (see drawing).

В качестве аппарата воздушного охлаждения (АВО) в способе используют известные АВО - АВЗ-75, 2АВГ-75С и др. As the air cooling apparatus (ABO) in the method, the well-known ABOs are used - AVZ-75, 2AVG-75S, etc.

Используемое в данном способе энергоразделительное устройство отличается от известного устройства (RU 210 6581, 1998) тем, что в нем сверхзвуковое течение осуществляется не в одном канале, расположенном коаксиально внешней трубе, а в пучке с двумя трубными досками для профилированных сопел и диффузоров. Это позволяет резко увеличить поверхность теплообмена, практически не ухудшая теплообмен в межтрубном пространстве. The energy separation device used in this method differs from the known device (RU 210 6581, 1998) in that in it the supersonic flow is carried out not in one channel located coaxially to the outer pipe, but in a beam with two pipe boards for shaped nozzles and diffusers. This allows you to sharply increase the heat transfer surface, practically without compromising heat transfer in the annulus.

Не известны другие такие же изобретения, имеющие признаки, совпадающие со всеми признаками заявляемого способа по изобретению. Other similar inventions are not known having features that coincide with all the features of the proposed method according to the invention.

Сущность изобретения поясняется следующим. The invention is illustrated as follows.

Число Маха в сверхзвуковых каналах энергоразделительного устройства лежит в пределах М=2-5. При М < 2 эффект снижения температуры в дозвуковом потоке за счет восстановления температуры в сверхзвуковом потоке будет слишком мал. При М > 5 потребуются слишком большие перепады давлений на сверхзвуковых каналах, а это неоправданно увеличит мощность дожимного компрессора. The Mach number in the supersonic channels of the energy separation device lies in the range M = 2-5. When M <2, the effect of lowering the temperature in the subsonic flow due to the restoration of the temperature in the supersonic flow will be too small. At M> 5, too large pressure differences on supersonic channels will be required, and this will unreasonably increase the power of the booster compressor.

Отношение полных температур (температур торможения) на выходе сверхзвуковых каналов T₁ (после диффузоров) и входе в сверхзвуковые каналы Т₀ лежит в интервале T₁/T₀=0,85-1,2.The ratio of the total temperatures (braking temperatures) at the outlet of the supersonic channels T ₁ (after the diffusers) and the entrance to the supersonic channels T ₀ lies in the range T ₁ / T ₀ = 0.85-1.2.

При T₁/T₀ < 0,85 слишком сильно будет падать давление газа в сверхзвуковом канале или слишком велика массовая доля сверхзвукового потока газа, что приведет к неоправданному увеличению мощности не только дожимного компрессора, но и возможно основного газоперекачивающего агрегата.At T ₁ / T ₀ <0.85, the gas pressure in the supersonic channel will fall too much or the mass fraction of the supersonic gas flow will be too large, which will lead to an unjustified increase in the power of not only the booster compressor, but also the main gas pumping unit.

При T₁/T₀ > 1,2 эффективность теплопередачи в энергоразделяющем устройстве будет очень невысокой, что потребует искусственного развития поверхности, и, следовательно, значительного увеличения падения давления, что приведет к росту мощности дожимного компрессора и низкой эффективности работы энергоразделяющего устройства.When T ₁ / T ₀ > 1.2, the heat transfer efficiency in the energy-separating device will be very low, which will require artificial surface development, and, consequently, a significant increase in pressure drop, which will lead to an increase in the power of the booster compressor and low efficiency of the energy-separating device.

В нижеследующем примере представлено конкретное описание способа по изобретению. The following example provides a specific description of the method of the invention.

Пример
КС, расположенная в северном районе - городе Надым, имеет производительность газа 4•10³ нм³/ч, диаметр трубы в линейной части газопровода Д_н•δ = 1420 • 17 мм. Средняя температура воздуха в июле (самом теплом месяце) 287.9К, давление и температура природного газа во входном коллекторе P= 5,22МПа; Т= 283,5К, давление и температура в выходном коллекторе КС P= 7,46МПа, Т=314,7К.Example
The compressor station, located in the northern region - the city of Nadym, has a gas productivity of 4 • 10 ³ nm ³ / h, and the pipe diameter in the linear part of the gas pipeline is D _n • δ = 1420 • 17 mm. The average air temperature in July (the warmest month) is 287.9 K, pressure and temperature of natural gas in the inlet manifold is P = 5.22 MPa; T = 283.5K, pressure and temperature in the output collector of the compressor station P = 7.46MPa, T = 314.7K.

После КС газ поступает в АВО, где его температура снижается до 302,9К, затем в РТО, где его температура снижается до 292К. After CS, the gas enters the ABO, where its temperature drops to 302.9K, then to the PTO, where its temperature drops to 292K.

После этого газ поступает в энергоразделяющее устройство, где происходит его разделение на дозвуковой и сверхзвуковой потоки. В сверхзвуковых каналах газ разгоняется до числа Маха М=4,0 и имеет температуру торможения на выходе из диффузоров за счет нагрева от дозвукового газового потока и охлаждения за счет эффекта Джоуля-Томсона 276К (T₁/T₀=0,945, где Т₀ и T₁ соответственно начальная и конечная температуры (входная и выходная)).After that, the gas enters the energy-separating device, where it is divided into subsonic and supersonic flows. In supersonic channels, the gas accelerates to the Mach number M = 4.0 and has a braking temperature at the outlet of the diffusers due to heating from the subsonic gas flow and cooling due to the Joule-Thomson effect of 276K (T ₁ / T ₀ = 0.945, where T ₀ and T _1, respectively, the initial and final temperatures (input and output)).

Затем поток, вышедший из диффузоров сверхзвуковых каналов, с помощью дожимного компрессора подается на вход КС. Then, the stream emerging from the diffusers of supersonic channels is fed to the CS input with the help of a booster compressor.

Газ на выходе из дозвукового канала (межтрубного пространства) энергоразделяющего устройства имеет температуру 283К и затем подается в газопровод. The gas at the outlet of the subsonic channel (annular space) of the energy separating device has a temperature of 283 K and then is supplied to the gas pipeline.

В результате мы получаем на выходе КС температуру газа такую же, какой она была на входе КС, и при этом предотвращается опасность растепления многолетнемерзлых пород, расположенных под первой после КС опорой газопровода. As a result, we get the gas temperature at the gas outlet at the same temperature as it was at the gas inlet, and the risk of thawing of permafrost rocks located under the gas pipeline’s first support is prevented.

Claims (1)

Способ охлаждения природного газа после компрессорных станций, включающий охлаждение его атмосферным воздухом в аппаратах воздушного охлаждения, охлаждение прямым потоком в рекуперативном теплообменнике и глубокое охлаждение в холодильных аппаратах, отличающийся тем, что глубокое охлаждение осуществляют в энергоразделительном устройстве в виде кожухотрубного теплообменника, имеющего газоходы холодного и нагретого газа, пучок сверхзвуковых каналов с профилированными сверхзвуковыми соплами и диффузорами, при этом в энергоразделительном устройстве газ делится на два потока, один из которых в сверхзвуковых каналах разгоняется до числа Маха М = 2 - 5 и после этого газовый поток с помощью дожимного компрессора подают на вход компрессорной станции, а другой охлажденный поток газа из межтрубного пространства - дозвукового канала энергоразделительного устройства подают в газопровод, при этом отношение полной температуры на входе в сверхзвуковые каналы к полной температуре на выходе из сверхзвуковых каналов находится в интервале 0,85 - 1,2. A method of cooling natural gas after compressor stations, including cooling it with atmospheric air in air cooling apparatuses, direct flow cooling in a recuperative heat exchanger and deep cooling in refrigeration apparatuses, characterized in that deep cooling is carried out in an energy separation device in the form of a shell and tube heat exchanger having cold and heated gas, a bundle of supersonic channels with profiled supersonic nozzles and diffusers, while in the energy separation The gas separating device is divided into two streams, one of which in the supersonic channels is accelerated to the Mach number M = 2 - 5 and after that the gas stream is supplied to the compressor station inlet by the booster compressor, and the other cooled gas stream from the annulus is a subsonic energy separation channel devices are fed into the gas pipeline, while the ratio of the total temperature at the entrance to the supersonic channels to the total temperature at the exit of the supersonic channels is in the range of 0.85 - 1.2.