Повышение качественных характеристик сжиженного природного газа на автомобильной газонаполнительной компрессорной станции города Первоуральска за счет отделения тяжелых углеводородов
М.
С. ЛебедевБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Лебедев
М.
С. Повышение качественных характеристик сжиженного природного газа на автомобильной газонаполнительной компрессорной станции города Первоуральска за счет отделения тяжелых углеводородов // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 11. – С.
1791–1795. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/86385.htm.
Аннотация. В статье излагается процесс производства сжиженного природного газа на автомобильной компрессорной станции, предлагается метод повышения качества продукта за счет внедрения дополнительного оборудования для отделения тяжелых углеводородов, которые в последующем можно использовать либо в качестве другого коммерческого продукта, либо на собственные нужды станции.
Ключевые слова:
сжиженный природный газ (спг), автомобильная газонаполнительная компрессорная станция (агнкс), тяжелые углеводороды
Текст статьи
Лебедев Михаил Сергеевич,магистркафедры «Теплоэнергетика и теплотехника» Уральского энергетического института ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», г.Екатеринбургborez1992@mail.ruПовышение качественных характеристик сжиженного природного газа на автомобильной газонаполнительной компрессорной станции
городаПервоуральск за счет отделения тяжелых углеводородов
Аннотация. В статье излагается процесс производства сжиженного природного газа на автомобильной компрессорной станции, предлагается метод повышения качества продукта за счет внедрения дополнительного оборудования для отделения тяжелых углеводородов, которые в последующем можно использовать либо в качестве другого коммерческого продукта, либо на собственные нужды станции.Ключевые слова:сжиженный природный газ (СПГ), автомобильная газонаполнительная компрессорная станция (АГНКС), тяжелые углеводороды.ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» активно работает впродвижении передовых энергои ресурсосберегающих экологически чистых технологий и оборудования. В первую очередь, это перевод автотранспорта на компримированный (сжатый) природный газ.В 2003 году
в структуре Общества был выделен филиал Управление «Уралавтогаз», который используя и развивая многолетний опыт ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург», активно реализует программу газификации автотранспорта Уральского региона. Более 80% транспорта ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» уже переведено на природныйгаз. Многие крупные предприятия Урала уже проанализировали экономический эффект использования природного газа в качестве моторного топлива и активно внедряют газобаллонные автомобили в своих автопарках.
Помимо компримированного природного газа, активно ведется внедрение сжиженного природного газа в качестве моторного топлива, а также для газификации отдаленных населенных пунктов. Управлением «Уралавтогаз» эксплуатируется 32 АГНКС, на одной из них (г.Первоуральск) реализована технология производства СПГ методом дросселирования с использованием фреоновой холодильной машины.Поскольку СПГ используется в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания (ДВС)автомобилей и локомотивов, он должен соответствовать определенным требованиям качественного и количественного состава. Эти требования устанавливает государственный стандарт ГОСТ Р 560212014 «Газ горючий природный сжиженный. Топливо для двигателей внутреннего сгорания и энергетических установок» [1]. Существует 3 марки СПГ:
марка А –сжиженный природный газ высокой частоты, обладающий постоянной теплотой сгорания, используемый в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания и энергетических установок с узкими пределами регулирования;
марка Б –сжиженный природный газ, используемый в качестветоплива для двигателей внутреннего сгорания;
марка В –сжиженный природный газ, используемый в качестве топлива для энергетических установок.Управление «Уралавтогаз» эксплуатирует два объекта по производству СПГ марки Б: комплекс СПГ на газораспределительной станции ГРС4 (9099% метана) и АГНКС г.Первоуральск (8090% метана). Для увеличения концентрации метананеобходимо отделять тяжелые углеводороды и диоксид углерода. На АГНКС г. Первоуральск эта технология не используется.В данной работе представлена возможная технология производства СПГ повышенного качества (увеличенная концентрация метана) на АГНКС г.Первоуральск. Технология производства СПГ на АГНКС г.Первоуральск следующая (рис. 1): газ с давлением 1,2 МПа входит в компрессоры, которые повышают его давление до 2025 МПа, осушается в адсорберах блока осушки и поступает в аккумулятор газа. Оттуда газ отбирается на сжижение: проходит через первый теплообменник, изобарно охлаждаясь обратным потоком низкого давления с 32 0С до 25 0С, затем через предварительный теплообменник, в котором он охлаждается фреоном из холодильной машины мощностью 200 кВт до 65 0С, далее проходит через заключительный теплообменник и охлаждается обратным потоком из сепаратора до 70 –80 0С. Затем охлажденныйгаз дросселируется через эжектор до 1,2 МПа, смешиваясь с эжектируемой средой –парами СПГ из емкости хранения. Температура газа снижается до 120 0С. Газ переходит в состояние влажного пара и поступает в сепаратор, где капли сжиженного газа отделяются отпаровой фазы, жидкость дросселируется до давления 0,4 –0,6 МПа и поступает в емкость хранения СПГ.
Рисунок 1. Технологическая схема производства СПГ на АГНКС г.Первоуральск
Зная состав входного газа (табл.1), определяютсяпарциальные давления и температуры конденсации и кристаллизации каждого компонента при данных давлениях по справочнику [2]. Согласно проведенным расчетам, температура конденсации углеводородов находится в пределах от 86 до 42,70С. Температура потока после предварительного теплообменника примерно 65 0С, после третьего теплообменника 70 –800С. Следовательно, основная часть углеводородов (кроме метана) начнет конденсироваться в этих двух теплообменниках. Процесс конденсации будет проходить до тех пор, пока парциальное давление компонента не станет равным давлению насыщения компонента при температуре в данной точке.
Таблица 1Состав входного газа
КомпонентОбозначениеОбъемная доля, %Метан
98,3Этан
0,591Пропан
0,181iбутан
0,0261hбутан
0,0267iпентан
0,0046hпентан
0,0033Гексан
0,0015Диоксид углерода
0,038Азот
0,8Кислород
0,0076Гелий
0,0141
Минимальная температура в процессе сжижения достигается в емкости хранения СПГ –1420С. Следовательно, компоненты с температурой кристаллизации выше 1420С будут переходить в твердое состояние: hбутан, hпентан, гексан. Диоксид углерода при парциальном давлении из газообразного переходит в твердое состояние (сухой лед) при температуре 96 –1000С (рис. 2). Такая температура достигается после дросселирования потока в эжекторе.
Рисунок 2. Диаграмма состояния диоксида углерода
Таким образом, частицы сухого льда необходимо улавливать после эжектора до входа в сепаратор. Для улавливания необходимо установить два механических фильтра: один в работе, другой в режиме продувки. При снижении давления газа после фильтра, необходимо переключиться на второй фильтр, а первый перевести в режим продувки.Для улавливания капель сконденсировавшихся углеводородов можно использовать каплеуловитель центробежного типа, установив его перед входом потока в эжектор, а механический фильтр для улавливания сухого льда –после эжектора перед сепаратором (рис. 3).
Рисунок 3. Предлагаемая технологическая схема производства СПГ на АГНКС г. Первоуральск с внедренным каплеуловителем и механическим фильтром
Смесь отделенных сконденсировавшихся углеводородов можно хранить в нетеплоизолированной емкости под давлением 67 бар.Средняя массовая концентрация пропана удовлетворяет требованию ГОСТ Р 520872003 «Газы углеводородные сжиженные топливные. Технические условия» [3] по составу топлива «пропанбутан автомобильный».Таким образом, имеется возможность использовать отделенный «тяжеляк» в качестве дополнительного коммерческого продукта –пропан бутан автомобильный. Кроме того, эта смесь может найти другое полезное применение. Ее можно сжигать в виде топлива для газосжигающего нагревателя природного газа, нагревающего газ до 300 0Сдля регенерации адсорберов блока осушки. Средняя теплота сгорания отделенной смеси углеводородов 49 МДж/кг с расходом 4,5 кг/с. В качестве нагревателя эффективнее использоватьвитой теплообменный аппарат с горелкой, расположенной внутри сердечника (рис. 4). Расчет проведен по справочнику [4]. Расход топлива составит 3,5 кг/с, а мощность всего нагревателя 36 кВт.
Рисунок 4. Общая конструкция нагревателя
К основным эксплуатационным затратам станции относятся затраты на электроэнергию тепловых электронагревателей адсорберов, а также потери СПГ, стравливаемые на свечу при образовании пробок из кристаллов диоксида углерода и тяжелых углеводородов в процессе перелива СПГ.При внедрении предлагаемого оборудования (каплеуловитель, фильтр, нагреватель газа) эксплуатационные затраты предприятия значительно снизятся, потери СПГ при переливе в сторонние емкости практически исключатся.Период окупаемости составит менее двух лет.На сегодняшний день доля СПГ в качестве моторного топлива растет, а следовательно и требования к его составу «ужесточаются». Возможность повышения качества СПГ засчет отделения сжиженного углеводородного газа становитсявсе более актуальной. Кроме того, соблюдая энергетическую стратегию страны по энергосбережению, отделяемый сжиженный углеводородный газ можно не просто «выбрасывать в атмосферу», а полезно использовать для регенерации адсорберов, тем самым экономить энергоресурс.
Ссылки на источники
1. ГОСТ Р 56021 –2014 Газ горючий природный сжиженный. Топливо для двигателей внутреннего сгорания и энергетических установок.
2. Н.Б. Варгафтик Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей, М., 1972, 720 с.
3. ГОСТ Р 52087 –2003 Газы углеводородные сжиженные топливные. Технические условия.
4. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. –М.: Энергия, 1973. –296 с.
СердечникВитые трубыГорелкаНагреваемыйгазВоздух+топливоПродукты сгоранияНагретый газ
городаПервоуральск за счет отделения тяжелых углеводородов
Аннотация. В статье излагается процесс производства сжиженного природного газа на автомобильной компрессорной станции, предлагается метод повышения качества продукта за счет внедрения дополнительного оборудования для отделения тяжелых углеводородов, которые в последующем можно использовать либо в качестве другого коммерческого продукта, либо на собственные нужды станции.Ключевые слова:сжиженный природный газ (СПГ), автомобильная газонаполнительная компрессорная станция (АГНКС), тяжелые углеводороды.ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» активно работает впродвижении передовых энергои ресурсосберегающих экологически чистых технологий и оборудования. В первую очередь, это перевод автотранспорта на компримированный (сжатый) природный газ.В 2003 году
в структуре Общества был выделен филиал Управление «Уралавтогаз», который используя и развивая многолетний опыт ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург», активно реализует программу газификации автотранспорта Уральского региона. Более 80% транспорта ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» уже переведено на природныйгаз. Многие крупные предприятия Урала уже проанализировали экономический эффект использования природного газа в качестве моторного топлива и активно внедряют газобаллонные автомобили в своих автопарках.
Помимо компримированного природного газа, активно ведется внедрение сжиженного природного газа в качестве моторного топлива, а также для газификации отдаленных населенных пунктов. Управлением «Уралавтогаз» эксплуатируется 32 АГНКС, на одной из них (г.Первоуральск) реализована технология производства СПГ методом дросселирования с использованием фреоновой холодильной машины.Поскольку СПГ используется в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания (ДВС)автомобилей и локомотивов, он должен соответствовать определенным требованиям качественного и количественного состава. Эти требования устанавливает государственный стандарт ГОСТ Р 560212014 «Газ горючий природный сжиженный. Топливо для двигателей внутреннего сгорания и энергетических установок» [1]. Существует 3 марки СПГ:
марка А –сжиженный природный газ высокой частоты, обладающий постоянной теплотой сгорания, используемый в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания и энергетических установок с узкими пределами регулирования;
марка Б –сжиженный природный газ, используемый в качестветоплива для двигателей внутреннего сгорания;
марка В –сжиженный природный газ, используемый в качестве топлива для энергетических установок.Управление «Уралавтогаз» эксплуатирует два объекта по производству СПГ марки Б: комплекс СПГ на газораспределительной станции ГРС4 (9099% метана) и АГНКС г.Первоуральск (8090% метана). Для увеличения концентрации метананеобходимо отделять тяжелые углеводороды и диоксид углерода. На АГНКС г. Первоуральск эта технология не используется.В данной работе представлена возможная технология производства СПГ повышенного качества (увеличенная концентрация метана) на АГНКС г.Первоуральск. Технология производства СПГ на АГНКС г.Первоуральск следующая (рис. 1): газ с давлением 1,2 МПа входит в компрессоры, которые повышают его давление до 2025 МПа, осушается в адсорберах блока осушки и поступает в аккумулятор газа. Оттуда газ отбирается на сжижение: проходит через первый теплообменник, изобарно охлаждаясь обратным потоком низкого давления с 32 0С до 25 0С, затем через предварительный теплообменник, в котором он охлаждается фреоном из холодильной машины мощностью 200 кВт до 65 0С, далее проходит через заключительный теплообменник и охлаждается обратным потоком из сепаратора до 70 –80 0С. Затем охлажденныйгаз дросселируется через эжектор до 1,2 МПа, смешиваясь с эжектируемой средой –парами СПГ из емкости хранения. Температура газа снижается до 120 0С. Газ переходит в состояние влажного пара и поступает в сепаратор, где капли сжиженного газа отделяются отпаровой фазы, жидкость дросселируется до давления 0,4 –0,6 МПа и поступает в емкость хранения СПГ.
Рисунок 1. Технологическая схема производства СПГ на АГНКС г.Первоуральск
Зная состав входного газа (табл.1), определяютсяпарциальные давления и температуры конденсации и кристаллизации каждого компонента при данных давлениях по справочнику [2]. Согласно проведенным расчетам, температура конденсации углеводородов находится в пределах от 86 до 42,70С. Температура потока после предварительного теплообменника примерно 65 0С, после третьего теплообменника 70 –800С. Следовательно, основная часть углеводородов (кроме метана) начнет конденсироваться в этих двух теплообменниках. Процесс конденсации будет проходить до тех пор, пока парциальное давление компонента не станет равным давлению насыщения компонента при температуре в данной точке.
Таблица 1Состав входного газа
КомпонентОбозначениеОбъемная доля, %Метан
98,3Этан
0,591Пропан
0,181iбутан
0,0261hбутан
0,0267iпентан
0,0046hпентан
0,0033Гексан
0,0015Диоксид углерода
0,038Азот
0,8Кислород
0,0076Гелий
0,0141
Минимальная температура в процессе сжижения достигается в емкости хранения СПГ –1420С. Следовательно, компоненты с температурой кристаллизации выше 1420С будут переходить в твердое состояние: hбутан, hпентан, гексан. Диоксид углерода при парциальном давлении из газообразного переходит в твердое состояние (сухой лед) при температуре 96 –1000С (рис. 2). Такая температура достигается после дросселирования потока в эжекторе.
Рисунок 2. Диаграмма состояния диоксида углерода
Таким образом, частицы сухого льда необходимо улавливать после эжектора до входа в сепаратор. Для улавливания необходимо установить два механических фильтра: один в работе, другой в режиме продувки. При снижении давления газа после фильтра, необходимо переключиться на второй фильтр, а первый перевести в режим продувки.Для улавливания капель сконденсировавшихся углеводородов можно использовать каплеуловитель центробежного типа, установив его перед входом потока в эжектор, а механический фильтр для улавливания сухого льда –после эжектора перед сепаратором (рис. 3).
Рисунок 3. Предлагаемая технологическая схема производства СПГ на АГНКС г. Первоуральск с внедренным каплеуловителем и механическим фильтром
Смесь отделенных сконденсировавшихся углеводородов можно хранить в нетеплоизолированной емкости под давлением 67 бар.Средняя массовая концентрация пропана удовлетворяет требованию ГОСТ Р 520872003 «Газы углеводородные сжиженные топливные. Технические условия» [3] по составу топлива «пропанбутан автомобильный».Таким образом, имеется возможность использовать отделенный «тяжеляк» в качестве дополнительного коммерческого продукта –пропан бутан автомобильный. Кроме того, эта смесь может найти другое полезное применение. Ее можно сжигать в виде топлива для газосжигающего нагревателя природного газа, нагревающего газ до 300 0Сдля регенерации адсорберов блока осушки. Средняя теплота сгорания отделенной смеси углеводородов 49 МДж/кг с расходом 4,5 кг/с. В качестве нагревателя эффективнее использоватьвитой теплообменный аппарат с горелкой, расположенной внутри сердечника (рис. 4). Расчет проведен по справочнику [4]. Расход топлива составит 3,5 кг/с, а мощность всего нагревателя 36 кВт.
Рисунок 4. Общая конструкция нагревателя
К основным эксплуатационным затратам станции относятся затраты на электроэнергию тепловых электронагревателей адсорберов, а также потери СПГ, стравливаемые на свечу при образовании пробок из кристаллов диоксида углерода и тяжелых углеводородов в процессе перелива СПГ.При внедрении предлагаемого оборудования (каплеуловитель, фильтр, нагреватель газа) эксплуатационные затраты предприятия значительно снизятся, потери СПГ при переливе в сторонние емкости практически исключатся.Период окупаемости составит менее двух лет.На сегодняшний день доля СПГ в качестве моторного топлива растет, а следовательно и требования к его составу «ужесточаются». Возможность повышения качества СПГ засчет отделения сжиженного углеводородного газа становитсявсе более актуальной. Кроме того, соблюдая энергетическую стратегию страны по энергосбережению, отделяемый сжиженный углеводородный газ можно не просто «выбрасывать в атмосферу», а полезно использовать для регенерации адсорберов, тем самым экономить энергоресурс.
Ссылки на источники
1. ГОСТ Р 56021 –2014 Газ горючий природный сжиженный. Топливо для двигателей внутреннего сгорания и энергетических установок.
2. Н.Б. Варгафтик Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей, М., 1972, 720 с.
3. ГОСТ Р 52087 –2003 Газы углеводородные сжиженные топливные. Технические условия.
4. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. –М.: Энергия, 1973. –296 с.
СердечникВитые трубыГорелкаНагреваемыйгазВоздух+топливоПродукты сгоранияНагретый газ
