Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СБРОСА ПАРОВ ИЗ РЕЗЕРВУАРА СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА (СПГ)

Изобретение относится к области хранения сжиженного природного газа (СПГ), в частности к обеспечению сброса паров из резервуара СПГ, и может быть использовано в криогенной газовой промышленности.

Известен способ обеспечения снижения давления в резервуаре сжиженного природного газа (СПГ) (Свод правил СП 240.1311500.2015 «Хранилища сжиженного природного газа. Требования пожарной безопасности»), который включает две независимые автоматические разгрузочные системы: закрытую систему газосброса через регулировочные клапаны для сжигания на факеле и систему газосброса через предохранительные клапаны на свечу рассеивания непосредственно в атмосферу.

Недостатком данного способа являются существенные потери сжиженного природного газа ввиду несовершенства схемы, не предусматривающей газоуравнительную систему в технологической обвязке резервуара.

Известен способ подготовки к переработке газообразной смеси легких углеводородов (патент РФ №2412227, опубл. 20.02.2011 г.), который включает сжатие газообразной смеси с получением жидкой фазы, содержащей компоненты смеси, причем сжатие газообразной смеси легких углеводородов с получением жидкой фазы осуществляют с использованием эжектора, при конденсации и абсорбции ее компонентов активным потоком, которым является вода или водно-органическая среда.

Недостатком данного способа является то, что при добавлении воды или водно-органических сред происходит смешение компонентов и появляется необходимость в дополнительном разделении потока для дальнейшей эксплуатации топлива.

Известен способ улавливания паров нефтепродуктов (патент РФ №2408852, опубл. 10.01.2010 г.), который заключается в снижении потерь нефтепродуктов от испарения за счет их откачки жидкостно-газовым струйным аппаратом (эжектором) и последующего сжатия в нем за счет энергии жидкой среды, подаваемой насосом под давлением 1,1-10 МПа.

Недостатком данного способа является то, что система включает в себя насос для создания высоконапорного потока жидкой среды, что влечет за собой дополнительные энергозатраты. Кроме того, способ не предусматривает откачку избытка паровой фазы резервуаров СПГ.

Известен способ для обработки отпарного газа на танкере СПГ с электрической гребной установкой и с функцией повторного сжижения (патент РФ №2481234, опубл. 10.05.2013 г.), при котором отпарной природный газ, образующийся в грузовом танке танкера для перевозки сжиженного природного газа, сначала охлаждают, затем сжимают до давления, подходящего для применения в двухтопливном дизель-электрическом двигателе гребной установки, а избыточный отпарной природный газ, который не использовался, подвергают повторному сжижению с помощью теплообменного аппарата и подают в грузовой танк.

Недостатком данного способа являются дополнительные энергозатраты, необходимые на сжатие отпарного газа компрессором для подачи в теплообменный аппарат.

Известен способ хранения сжиженного природного газа в транспортной емкости (патент РФ №2002990, опубл. 15.11.1993 г.), обеспечивающий хранение СПГ в транспортной емкости, который включает ее наполнение криожидкостью, хранение при избыточном давлении, отвод образующихся паров, их нагрев в теплообменнике и сброс в атмосферу. Безопасность хранения обеспечивается за счет сброса паров до минимального давления.

Недостатком данного способа является необходимость нагрева паров в теплообменнике, что влечет за собой дополнительные энергозатраты и потери нагретого топлива, которое сбрасывается в атмосферу.

Техническим результатом является исключение потерь углеводородов при осуществлении операций по периодическому и непрерывному сбросу паров при заполнении криогенных резервуаров и хранении в них СПГ.

Технический результат достигается тем, что снижение давления в резервуаре производится при отборе СПГ и избытка паров жидкостно-газовым эжектором, в камере которого производится смешение фаз, после чего двухфазный поток направляется в сепаратор по линии подвода двухфазного потока, где разделяется на фазы, газовая, направляется для технологических нужд резервуарного парка, а жидкая, при соответствии технических характеристик топлива, направляется обратно в хранилище.

Способ поясняется следующими фигурами:

фиг. 1 - алгоритм реализации способа сброса паров из резервуара СПГ;

фиг. 2 - принципиальная схема эжекторной системы для сброса паров СПГ,

где:

1 - резервуар СПГ;

2 - трубопровод для подачи СПГ;

3 - эжектор жидкостно-газовый;

4 - сепарационную емкость;

5 - задвижка;

6 - линия подвода СПГ в эжектор;

7 - линию подвода паровой фазы в эжектор;

8 - трубопровод-отвод газовой фазы;

9 - фильтр;

10 - манометр;

11 - термометр;

12 - линия подвода двухфазного потока;

13 - трубопровод-отвод СПГ.

Способ осуществляется следующим образом. По трубопроводу для подачи СПГ 2 (фиг. 1, 2) транспортируется СПГ и заполняет резервуар СПГ 1, в котором производится контроль давления. При хранении топлива возможно аварийное или периодическое повышение избыточного давления выше номинального. Тогда производится сброс избытка паров СПГ из резервуара для снижения давления. Для обеспечения откачки избытка топлива в технологическую обвязку резервуара СПГ включается жидкостно-газовый эжектор 3 таким образом, что жидкая фаза устремляется в смесительную камеру устройства по линии подвода СПГ в эжектор 6 за счет высоконапорного потока паровой фазы, поступающего по линии подвода паровой фазы в эжектор 7. Двухфазный поток, пройдя жидкостно-газовый эжектор, подается в сепарационную емкость 4 по линии подвода двухфазного потока 12, где разделяется на две фазы: газовую и жидкую. После чего газовая фаза используется в качестве технологических нужд резервуарного парка, направляясь по трубопроводу-отводу газовой фазы 8, а СПГ, при соответствии с требуемыми параметрами давления и температуры системы, контролируемые манометром 10 и термометром 11, транспортируется обратно в резервуар СПГ 1 по трубопроводу-отводу СПГ 13, пройдя очистку на фильтре 9. При несоответствии требуемым параметрам жидкая фаза направляется на подготовку, после чего также транспортируется обратно в резервуар СПГ 1. Откачка избытка топлива сопровождается уменьшением объема в резервуаре СПГ 1, что приводит к снижению давления в нем. Задвижки 5 оборудованы автоматикой и регулируют прохождение потока при необходимости включения в работу газоуравнительной системы.

Способ поясняется следующим примером. Рассмотрен случай, повлекший за собой сброс избытка газовой фазы за счет повышения температуры в резервуаре с 120 К до 140 К и соответственно увеличении давления насыщенных паров.

Для выполнения расчета, теоретически определены следующие параметры:

- состав смеси СПГ (CH₄=95,5%; С₂Н₆=2,3%; N₂=1,7% и др.);

- степень сжатия СПГ на входе в эжектор z=0,03671;

- температуру СПГ на входе в эжектор Т_ж=140 К;

- абсолютное давление СПГ на входе в эжектор Р_ж=1,102 МПа;

- давление пара на входе в эжектор (после повышения давления) Р_г=1,547МПа;

- расход откачиваемого топлива Q_ж0=4,9 м³/ед;

- давление насыщенных паров P_s=0,6375 МПа.

Исходные параметры соответствуют ГОСТ Р 56851-2016, в котором приведены термодинамические свойства СПГ для различных составов смеси.

Выбор аэродинамической схемы эжектора зависит от наиболее эффективных показателей коэффициента полезного действия (КПД), коэффициента эжекции и приведенной мощности. Таким образом, расчет определяющих показателей работы ЖГЭ необходимо производить по следующим формулам:

- коэффициент полезного действия (формула 1):

где Р_ж - абсолютное давление СПГ на входе в эжектор, МПа; Р_г - давление пара на входе в эжектор, МПа; Р_см - давление смеси на выходе из ЖГЭ, МПа; Q_г - расход рабочего потока газа, м³/ед; Q_ж - расход рабочего потока жидкости, м³/ед.

- коэффициент эжекции (внутренний коэффициент объемного расхода (формула 2):

где - максимальный коэффициент эжекции, зависящий от типа аэродинамической схемы (табл. 1), В_опт - эмпирический коэффициент, зависящий от типа аэродинамической схемы (таблица 1)., - приведенное давление рабочей жидкости;

- мощность, затрачивая на компримирование, при работе эжектора, с точностью до КПД насоса, МВт (формула 3):

- приведенная мощность, затрачиваемая на компримирование (формула 4):

Результаты расчета определяющих параметров приведены в таблице 1.

Наиболее высокие показатели эффективности обеспечивает первый тип аэродинамической схемы устройства.

Преимущество изобретения состоит в том, что газоуравнительная система резервуара СПГ позволяет сократить потери криогенного топлива путем отбора избытка паровой фазы жидкостно-газовым эжектором с конструктивными параметрами, обеспечивающими коэффициент полезного действия устройства 16% и мощность 0,016 МВт.