Способ утилизации энергии расширения газа и утилизационная энергетическая установка для осуществления этого способа

006459 Предлагаемые способ и установка предназначены для использования в системах снижения давления природного газа от высокого, например от давления скважины или магистрального газопровода, до давления, необходимого потребителю. Предшествующий уровень техники Известны способы снижения давления газа, поступающего из скважины или из магистрального газопровода, путем дросселирования и устройства (редукторы, вентили, краны и т.д.) для осуществления этих способов (Политехнический словарь. М.: изд. Советская энциклопедия, 1977, с. 153, 420). Эти способы и устройства для их осуществления не утилизируют энергию расширения газа и образующийся при этом холод. При этом требуются сложные устройства и затраты дополнительной энергии для предотвращения засорения редукторов влагой и льдом, образующимися при их работе. Известен способ утилизации энергии расширения природного газа при снижении его давления от магистрального или от давления скважины до необходимого давления путем преобразования энергии расширения газа в механическую энергию (RU 2117173, МПК 6 F 02 С 1/02, 1996). Этот способ осуществляют в утилизационной энергетической установке, вход которой соединен с выходом из скважины или с магистралью газопровода газа с повышенным давлением, а выход - с магистралью газа с пониженным давлением или с потребителем газа. Эта утилизационная энергетическая установка содержит детандер,например расширительную турбину, и кинематически связанный с детандером преобразователь механической энергии, например электрогенератор. Такие способ и установка позволяют утилизировать энергию расширения газа при снижении его давления. Однако, эти способ и установка не создают возможности утилизации холода, образующегося при расширении газа. Такие способ и установка имеют сниженный КПД. Известен способ утилизации энергии расширения газа при снижении его давления от высокого до необходимого путем преобразования энергии расширения газа в механическую энергию с одновременным использованием охлажденного при снижении давления газа в качестве хладагента для получения холода (SU, А 1, 844797). Однако этот способ предусматривает снижение давления газа в один этап и потому имеет сниженный общий КПД. Известна утилизационная энергетическая установка для утилизации энергии расширения газа и использования образующегося при этом холода (RU 2013616, МПК F 02 С 6/00, 1994). Однако эта установка имеет невысокий КПД, т.к. в ней происходят снижение давления газа и утилизация холода в один этап. Раскрытие изобретения В основу настоящего изобретения положена задача повышения утилизации холода, создающегося при снижении давления природного газа; выработки больших количеств энергии и холода, а также повышения общего КПД способа и установки утилизации энергии расширения природного газа. Поставленная задача в предлагаемом способе решается тем, что в известном способе утилизации энергии природного газа при снижении давления газа от повышенного, например магистрального, до необходимого давления путем преобразования энергии расширения газа в механическую энергию с использованием охлажденного при снижении давления газа в качестве хладагента новым является снижение давления природного газа в два или более последовательных этапов и одновременное использование по меньшей мере части газа после первого и/или после соответствующего последующего этапа снижения давления природного газа в качестве хладагента для получения и использования холода. При этом другую часть природного газа после первого и/или после соответствующего последующего этапа снижения давления природного газа или весь природный газ, использованный в качестве хладагента, используют для последующего этапа преобразования энергии расширения природного газа в механическую энергию. Благодаря поэтапному снижению давления природного газа и использованию в качестве хладагента всего природного газа или части природного газа после первого и/или после соответствующего последующего этапа снижения давления природного газа повышается общее КПД способа. Поставленная задача решается в предлагаемом устройстве тем, что установка для утилизации энергии расширения природного газа, содержащая детандер, например, расширительную турбину, вход которой соединен со скважиной или с магистралью газопровода с природным газом повышенного давления, а выход - с магистралью природного газа с пониженным давлением, содержит детандер, например расширительную турбину, а также кинематически связанный с детандером преобразователь механической энергии, например электрогенератор. В этой установке имеется по меньшей мере один теплообменник,выходной патрубок которого соединен с выходом детандера, например с выходом расширительной турбины. Новым в предлагаемом устройстве является то, что детандер утилизационной энергетической установки, например расширительная турбина, выполнен из двух или более частей, расположенных по ходу снижения давления природного газа; в установке также выполнены два или более теплообменникахолодильника, причем входной патрубок со стороны хладагента каждого теплообменника-холодильника соединен с выходом соответствующей части детандера, а количество теплообменников-холодильников не менее количества частей детандера.-1 006459 Такое усовершенствование утилизационной энергетической установки позволяет повысить КПД этой установки и количество вырабатываемого холода. В утилизационной энергетической установке выход предыдущей части детандера может быть соединен одновременно как со входом последующей части детандера, так и со входным патрубком со стороны хладагента соответствующего теплообменника-холодильника, а выходной патрубок со стороны хладагента одного или более теплообменника-холодильника - с магистралью газа с пониженным давлением или с потребителем газа. При этом поток рабочего тела разветвляется, и часть потока рабочего тела отбирается для утилизации холода. Это улучшает термодинамический рабочий цикл установки. Такое усовершенствование повышает КПД установки. Одновременно создается возможность для оптимального регулирования работы детандера при изменении режима работы. В утилизационной энергетической установке выход предыдущей части детандера может быть соединен только со входным патрубком со стороны хладагента одного или каждого теплообменникахолодильника, расположенного между двумя частями детандера, а выходной патрубок со стороны хладагента этого же теплообменника-холодильника, расположенного между двумя частями детандера, может быть соединен со входом рабочего тела последующей части детандера. Тогда в одном или в каждом теплообменнике-холодильнике происходит дополнительный нагрев рабочего тела (газа). Это улучшает термодинамический рабочий цикл установки. Такое усовершенствование дополнительно повышает КПД установки путем утилизации тепла хладагента, нагретого в результате теплообмена в теплообменнике-холодильнике. Одновременно создается возможность для оптимального регулирования работы детандера при изменении режима работы путем изменения количества и/или температуры нагреваемого в теплообменниках-холодильниках рабочего газообразного, или жидкого тела, или нескольких рабочих тел. Краткое описание чертежей На фиг. 1 представлена схема утилизационной энергетической установки, включающей расширительную газовую турбину, имеющую часть высокого давления и часть низкого давления, два теплообменника-холодильника и электрогенератор. На фиг. 2 представлена схема утилизационной энергетической установки, включающей расширительную газовую турбину, имеющую часть высокого давления, часть среднего давления и часть низкого давления, три теплообменника-холодильника и электрогенератор. На фиг. 3 представлена схема утилизационной энергетической установки, включающей расширительные газовые турбины высокого давления, среднего давления и низкого давления, три теплообменника-холодильника и три электрогенератора. Изобретенные способ и установка иллюстрируются описаниями вариантов их лучшего осуществления, причем варианты осуществления способа утилизации энергии расширения газа описаны при изложении работы вариантов осуществления установки. Вариант 1 (фиг. 1). Утилизационная энергетическая установка содержит расширительную газовую турбину, состоящую из соосно расположенных части 1 высокого давления (ЧВД 1) и части 2 низкого давления (ЧНД 2). Вход ЧВД 1 соединен с магистралью 3 газа с повышенным давлением. Эта магистраль 3 может являться магистральным газопроводом природного газа высокого или среднего давления, газопроводом газораспределительной станции, тепловой электростанции, котельной, скважины в месте добычи природного газа и т.д. (эти объекты на чертежах не показаны). С единым валом ЧВД 1 и ЧНД 2 кинематически или непосредственно связан вал электрогенератора 4, подающего электрический ток потребителю 5 электрической энергии. Выход ЧВД 1 соединен как со входом ЧНД 2, так и со входным патрубком со стороны хладагента теплообменника-холодильника 6. Выходной патрубок со стороны хладагента теплообменника-холодильника 6 соединен с магистралью газа с пониженным давлением, по которой газ подают потребителю 7. На выходе газа из ЧНД 2 расширительной газовой турбины установлен теплообменникхолодильник 8, входной патрубок со стороны хладагента которого соединен с выходом газа из ЧНД 2 расширительной газовой турбины, а выходной патрубок со стороны хладагента теплообменникахолодильника 8 - с магистралью газа с пониженным давлением, подающей газ потребителю 9 газа. Утилизационная энергетическая установка работает следующим образом. Природный газ из магистрали 3 с повышенным давлением газа поступает в ЧВД 1, вращая последнюю, расширяясь и охлаждаясь. Часть этого природного газа поступает в ЧНД 2, а другая часть - на входной патрубок со стороны хладагента теплообменника-холодильника 6. Частично охлажденный и частично снизивший давление газ проходит через теплообменник-холодильник 6. Затем природный газ с необходимым давлением поступает к потребителю 7 газа. Другая часть газа, поступившая в ЧНД 2 расширительной газовой турбины, дополнительно совершает работу, снижает давление и охлаждается. Из ЧНД 2 этот газ поступает во второй теплообменникхолодильник 8, где газ нагревается, а холод от газа отбирается. Затем природный газ с пониженным давлением поступает потребителю 9 газа. Расширительная газовая турбина, включающая ЧВД 1 и ЧНД 2,вращает электрогенератор 4. Электрический ток поступает потребителю 5 электрического тока.-2 006459 Холод может быть использован для морозильных камер, ледовых катков и т.п., а также для сжижения природного газа, добываемого из скважин. Полезная работа, совершаемая газом при расширении,может быть использована в том числе для сжижения газа и энергоснабжения отдельно стоящей скважины природного газа. Вариант 2 (фиг. 2). Утилизационная энергетическая установка включает расширительную газовую турбину, содержащую расположенные на одном валу часть 10 высокого давления (ЧВД 10), часть 11 среднего давления(ЧСД 11) и часть 12 низкого давления (ЧНД 12). Вход ЧВД 10 соединен с магистралью 13 газа с повышенным давлением. Выход ЧВД 10 соединен как со входом ЧСД 11, так и со входным патрубком со стороны хладагента теплообменника-холодильника 16. Выход газа из теплообменника-холодильника 16 соединен с потребителем 17 газа с пониженным давлением. Выход ЧСД 11 соединен как со входом ЧНД 12, так и со входным патрубком со стороны хладагента теплообменника-холодильника 18. Выход газа из теплообменника-холодильника 18 соединен с потребителем 19 газа с пониженным давлением. Выход ЧНД 12 соединен со входным патрубком со стороны хладагента теплообменника-холодильника 20. Выход газа из теплообменника-холодильника 20 соединен с потребителем 21 газа с пониженным давлением. Утилизационная энергетическая установка работает следующим образом. Природный газ из магистрали 13 с повышенным давлением газа поступает в ЧВД 10, вращая последнюю, расширяясь и охлаждаясь. Часть этого природного газа поступает в ЧСД 11, вращая последнюю, расширяясь и охлаждаясь, а другая часть поступает на входной патрубок со стороны хладагента теплообменника-холодильника 16, из которого природный газ поступает к потребителю 17 природного газа с пониженным давлением. Давление, необходимое потребителю 17 газа, может быть выше, чем давление, необходимое остальным потребителям 19 и 21 природного газа. Другая часть потока газа совершает работу в ЧСД 11, дополнительно снижает давление и охлаждается. Далее поток природного газа разветвляется. Одна часть этого потока поступает на входной патрубок со стороны хладагента теплообменника-холодильника 18, из которого природный газ поступает потребителю 19 газа. Остальной поток природного газа поступает на вход ЧНД 12, вращая последнюю, расширяясь и охлаждаясь. Затем природный газ поступает в теплообменникхолодильник 20, из которого поступает к потребителю 21 природного газа с пониженным давлением. Расширительная газовая турбина вращает электрогенератор 14, вырабатывающий ток для потребителя 15 электрической энергии. Холод может быть использован для морозильных камер, ледовых катков и т.п., а также для сжижения природного газа, добываемого из скважин. Полезная работа, совершаемая газом при расширении,может быть использована в том числе для сжижения газа и энергоснабжения отдельно стоящей скважины природного газа. Вариант 3(фиг. 3). Утилизационная энергетическая установка включает расширительную газовую турбину 22 высокого давления (ТВД 22), вход которой соединен с магистралью 23 природного газа с повышенным давлением. Вал ТВД 22 кинематически или непосредственно связан с электрогенератором 24, который электрически соединен с потребителем 25 электрической энергии. Выход ТВД 22 соединен со входным патрубком со стороны хладагента, иначе говоря, со входом по газу, теплообменника-холодильника 26. Выход по газу теплообменника-холодильника 26 соединен со входом расширительной газовой турбины 27 среднего давления (ТСД 27). Вал ТСД 27 кинематически или непосредственно связан с электрогенератором 28, который электрически соединен с потребителем 29 электрической энергии. Выход ТСД 27 соединен с входным патрубком со стороны хладагента, иначе говоря, со входом по газу, теплообменникахолодильника 30. Выход по газу теплообменника-холодильника 30 соединен со входом газовой расширительной турбины 31 низкого давления (ТНД 31). Вал ТНД 31 кинематически или непосредственно связан с электрогенератором 32, который электрически соединен с потребителем 33 электрической энергии. Выход ТНД 31 соединен со входом по газу теплообменника-холодильника 34. Выход по газу теплообменника-холодильника 34 соединен с потребителем 35 природного газа низкого давления. Утилизационная энергетическая установка работает следующим образом. Природный газ из магистрали 23 с повышенным давлением газа поступает в ТВД 22, вращая последнюю, расширяясь и охлаждаясь. Из ТВД 22 газ поступает в теплообменник-холодильник 26, в котором холод утилизируется, а газ нагревается и расширяется. Далее газ поступает в ТСД 27, вращая последнюю, расширяясь и охлаждаясь. Затем газ поступает в теплообменник-холодильник 30, в котором холод утилизируется, а газ нагревается и расширяется. Из теплообменника-холодильника 30 нагревшийся и расширившийся газ поступает в ТНД 31, вращая последнюю, расширяясь и охлаждаясь. Из ТНД 31 газ поступает в теплообменникхолодильник 34, в котором холод утилизируется, а природный газ нагревается и расширяется. Затем природный газ поступает к потребителю 35 газа с пониженным давлением. ТВД 22, ТСД27 и ТНД 31 вращают соответственно электрогенераторы 24, 28 и 32, которые подают ток соответственно потребителям 25, 29, 33 электрической энергии. Электрогенераторы 24, 28 и 32 могут быть подключены к единой электрической сети.-3 006459 Благодаря поэтапному охлаждению газа в ТВД 22, ТСД 27 и ТНД 31 и поэтапному нагреванию в теплообменниках-холодильниках 26 и 30 происходит повышение общего КПД утилизационной энергетической установки. Промышленная применимость Изобретение может быть использовано для решения широкого круга практических задач получения дополнительной энергии и недорогого холода. Изобретение может применяться при выходе природного газа с повышенным давлением непосредственно из скважин для добычи газа, а также при снижении давления газа от магистрального давления до давления, необходимого потребителю и т.д. В приведенных вариантах лучшего осуществления изобретения в качестве детандера использована расширительная газовая турбина. Однако вместо расширительной газовой турбины может быть использован детандер любого типа, в частности поршневой или роторный детандер, в том числе состоящий из частей высокого и низкого давления или из частей высокого, среднего и низкого давления. Вместо и/или одновременно с электрогенератором могут быть использованы турбины, насосы, вентиляторы, лебедки, иные преобразователи механической энергии. Описанные в вариантах лучшего осуществления изобретения утилизационные энергетические установки могут быть расположены непосредственно у скважин природного газа, если давление природного газа при выходе из скважины превышает давление, необходимое для магистрального газопровода. При этом холод может быть использован для сжижения природного газа, добываемого из скважин. Полезная работа, совершаемая газом при расширении, может быть использована в том числе для сжижения газа и энергоснабжения отдельно стоящей скважины природного газа. Предлагаемые утилизационные энергетические установки весьма эффективны в местах соединения магистрального газопровода с установками подачи природного газа крупным потребителям (электростанциям, сетям бытового природного газа в населенных пунктах). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ утилизации энергии расширения природного газа при снижении его давления от повышенного до необходимого путем преобразования энергии расширения природного газа в механическую энергию с использованием охлажденного при снижении давления газа в качестве хладагента для получения холода, отличающийся тем, что снижение давления природного газа осуществляют в два или более последовательных этапов одновременно с преобразованием энергии расширения природного газа в механическую энергию на каждом из этих этапов, причем по меньшей мере часть природного газа после первого и/или после соответствующего последующего этапа снижения давления природного газа используют в качестве хладагента для получения холода, а другую часть природного газа после первого и/или после соответствующего последующего этапа снижения давления природного газа или весь природный газ, использованный в качестве хладагента, используют для последующего этапа преобразования энергии расширения природного газа в механическую энергию. 2. Утилизационная энергетическая установка, содержащая детандер, вход которого соединен со скважиной или с магистралью (3) природного газа с повышенным давлением, кинематически связанный с детандером преобразователь (4) механической энергии, а также по меньшей мере один теплообменник-холодильник (8), входной патрубок которого со стороны хладагента соединен с выходом детандера,а выходной патрубок - с магистралью газа с пониженным давлением или с потребителем (9) газа, отличающаяся тем, что детандер выполнен из двух или более частей (1, 2), расположенных по ходу снижения давления природного газа, причем в установке выполнено количество теплообменников-холодильников(6, 8) не менее количества частей детандера, а входной патрубок со стороны хладагента соответствующего теплообменника-холодильника соединен с выходом соответствующей части детандера (1, 2). 3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что выход предыдущей части (10, 11) детандера соединен одновременно как с входом последующей части (11, 12) детандера, так и с входным патрубком со стороны хладагента соответствующего теплообменника-холодильника (16, 18), а выходной патрубок со стороны хладагента одного или более теплообменников-холодильников (16, 18) соединен с магистралью природного газа с пониженным давлением или с потребителем (17, 19) природного газа. 4. Установка по п.2, отличающаяся тем, что выход предыдущей части (22, 27) детандера соединен только с входным патрубком со стороны хладагента теплообменника-холодильника (26, 30), а выходной патрубок со стороны хладагента одного или более теплообменников-холодильников (26, 30) соединен с входом рабочего тела последующей части (27,31) детандера. 5. Установка по п.2, отличающаяся тем, что детандер выполнен в виде расширительной турбины.