10.6. Анализ методов перемещения сжиженных углеводородных газов

На газонаполнительных и газоприемораздаточных станциях (ГПРС) [8] операции, связанные с приемом, хранением, перемещением и раздачей сжиженных газов, являются основными технологическими операциями. Они могут осуществляться путем использования гидростатического на­пора жидкости между освобождаемым и приемным резервуарами, насо­сами, компрессорами, нагревом верхнего слоя жидкости в освобождае­мом резервуаре и охлаждением жидкости в наполняемом резервуаре, со­зданием избыточного давления газа в паровом пространстве освобождаемого резервуара путем закачки в него инертного газа. Наряду с этим в настоящее время используются комбинированные методы перемещения: насосно-компрессорный, насосно-испарительный и перемещение насо­сами с помощью инжекторов.

Использование гидростатического напора. Слив сжиженных углеводородных газов осуществляется за счет разности уровней жидкости в опо­рожняемом и наполняемом резервуарах следующим образом. Опорожняемый и наполняемый резервуары соединяются по линиям паровой и жидкой фаз, и сжиженный пропан-бутан переливается за счет гидростатического напора столба жидкости, определяемого по формуле

(10.22)

где: Р_р, Р_ц — давление паровой фазы в резервуаре и цистерне; ΔP_тр— потери давления в трубопроводе жидкой фазы при скорости течения СУГ 1 м/с.

Для обеспечения достаточной скорости слива при одинаковых дав­лениях в емкостях необходимо, чтобы за счет гидростатического напора создавалась разность давлений не менее 0,07...0,1 МПа. При сливе пропанбутановых смесей эта величина будет составлять 13...20 м. Если паровые пространства резервуаров не соединены уравнительной линией, то в наиболее худших условиях, когда температура в транспортной цистерне будет на 10...15 °С ниже, чем в стационарной емкости, необходи­мо, чтобы разность геометрических уровней резервуаров компенсирова­ла и эту предельно возможную разность температур, и соответствующую ей разность давлений.

Преимущества перемещения газа за счет разности уровней следую­щие: исключительная простота конструктивного оформления, отсутст­вие механических агрегатов, надежность работы всех устройств, готов­ность схемы к работе в любое время, вне зависимости от наличия посто­ронних источников энергии.

Недостатки: возможность использования этого метода только в ме­стностях с гористым рельефом, увеличенные размеры площадки, боль­шие потери газа при отправлении его в виде остатков паров в цистернах, продолжительный слив. Поэтому указанный метод, несмотря на свою простоту, не может быть широко развит на практике.

Использование сжатого газа. При наличии вблизи ГНС или ГНП источника инертного газа необходимого давления выгодным методом перемещения сжиженного газа из резервуара в резервуар является за­качка инертного газа в паровое пространство освобождаемого резервуа­ра. Причем инертный газ можно подавать через регулятор давления или компрессором.

Если температура в сливаемой и наполняемой емкостях равна, то парциальное давление инертного газа в сливаемой емкости должно толь­ко компенсировать гидравлические потери в системе слива, составляю­щие 0,15...0,2 МПа.

По окончании слива смесь паров и газа необходимо выпустить в атмосферу или, если эта смесь горючая, — в городской газопровод.

Для перемещения сжиженного газа по рассмотренному методу необходимо учитывать растворимость в нем инертного газа. В качестве рабочей среды перемещения рекомендуются газы: технический азот, дву­окись углерода и природный газ. При все более увеличивающейся плот­ности газопроводной сети наиболее выгодным для этих целей мог бы быть природный газ, состоящий на 98,5 % из метана. Наличие же в при­родном газе значительного количества этана, хорошо растворяющегося в пропане и бутане, особенно в зимнее время, может привести к переходу этана в жидкость и к увеличению упругости паров сжиженного газа в ем­кости (баллоне) выше допустимых норм при последующем нагреве бал­лона до нормальной температуры. Поэтому при сливе содержание этана в природном газе не допускается выше 3...5 %.

Использование природного газа на обычных насосно-компрессор­ных ГПРС также выгодно, поскольку из-за высокой упругости и отсутст­вия конденсации паров природного газа резко сокращается расход пода­ваемого газа на вытеснение сжиженного. К недостаткам следует отнести большие потери сжиженных газов при выходе их в атмосферу и необхо­димость снабжения сжатым газом.

Выбор оптимальных режимов проводится с учетом производитель­ности и технологических особенностей ГНС и ГНП. Принципиальная технологическая схема слива и налива сжиженных газов заключается в том, что парциальное давление природного газа в опорожняемом сосуде поддерживается постоянным. При этом природный газ из магистраль­ного газопровода под давлением Р_гп > 1,7 МПа через узел редуцирования подается в паровое пространство опорожняемой емкости (железнодорожной цистерны, автоцистерны) и создает там давление, необходимое для вытеснения жидкости в резервуары базы хранения или непосредст­венно в наполнительное отделение Используемый в системе дифферен­циальный регулятор давления автоматически поддерживает парциаль­ное давление природного газа, превышающее упругость паров в опорож­няемом сосуде на 0,2...0,5 МПа. Для ускорения процесса слива давление газа-вытеснителя может быть увеличено.

Перемещение сжиженных углеводородных газов созданием разности температур в опорожняемом и наполняемом сосудах (нагревается сжиженный газ в освобождаемом резервуаре и охлаждается в наполняемом резервуаре). Из-за трудности его осуществления широкого применения этот метод не нашел, так как нужно прогревать всю массу сжиженного газа.

Подогреватель выполняется в виде змеевика и обогревается водой или паром.

Для создания разности температур можно охлаждать сжиженный газ в наполненном резервуаре. Для этого жидкий газ пропускается че­рез специальный теплообменник, охлаждаемый холодной водой или охлаждающим раствором. Охлаждать наполняемый резервуар можно также интенсивным испарением газа с отводом паров в газовые сети или в атмосферу.

Для поддержания перепада давления 0,15...0,2 МПа необходимо со­здать перепад температуры для пропана 5... 12 °С. Особенно выгодно при­менить данную схему, когда доставка сжиженного газа осуществляется по магистральному газопроводу и есть источник тепловых отходов (горячая вода, пар).

Перемещение сжиженных газов насосами. Перемещение сжиженных газов с помощью насосов является надежным, удобным способом, име­ющим малые энергетические затраты и капитальные вложения, однако для этого необходимы специальные самовсасывающие насосы или на­сосы, которые всегда находились бы под действием гидростатического напора столба жидкости. Кстати, железнодорожные цистерны только с верхним сливом сжиженного газа затрудняют применение чисто насос­ной схемы слива.

Для надежной работы насосов необходимо разработать такую технологическую схему, чтобы непосредственно у входного патрубка насоса жидкость имела некоторый запас удельной энергии (напора) сверх упругости паров. Только в этом случае будет обеспечена бескавитационная работа насоса.

Перемещение сжиженных газов насосно-инжекторным способом. Схема перемещения сжиженною газа насосно-инжекторным способом представ­лена на рис. 10.17. Инжектор работает с помощью жидкости (до 40...60 %), подаваемой насосом 4. В схему включен напорный сосуд 2, который слу­жит для постоянного залива жидкостью всасывающего патрубка насоса и сепарации паровой и жидкостной фаз после инжектора. Данная схема имеет замкнутое кольцо циркуляции сжиженного газа по пути: резервуар ин­жектор — напорный сосуд—насос — наполнительная рампа (другой резер­вуар, куда перекачивается жидкость) — резервуар. В этой схеме насос рабо­тает в области относительно постоянного и поэтому устойчивого режима, независимо от интенсивности отбора сжиженною газа на рампе.

Перемещение сжиженных газов компрессором. Компрессор отсасы­вает паровую (газовую) фазу из заполняемого резервуара и нагнетает ее в паровое пространство опорожняемой емкости. Таким образом создается разность давлении и сжиженный газ перекачивается в емкость с мень­шим давлением. Нагнетаемые компрессором пары сжиженного газа с повышенной температурой, соприкасаясь с поверхностью, подогревают верхний слой жидкости и способствуют испарению и дополнительному повышению давления в опорожняемой емкости. Отсасывание паров из заполняемого резервуара усиливает испарение и охлаждение жидкости, что тоже ускоряет процесс перемещения. Для эффективного ведения процесса слива необходимо поддерживать перепад давления между резервуарами в пределах от 0,15 до 0,3 МПа.

Рис. 10.17. Насосно-инжекторная технологическая схема с расположением инжектора в подземном резервуаре (а) или вне его (б):

I — резервуар; 2 — сепаратор-газоотделитель; 3 — вентиль для сброса паровой фазы;

4 — насос; 5 — инжектор; 6 — линия для сброса паров

Преимущества компрессорного способа перемещения сжиженных газов: конструктивная простота схемы, полнота опорожнения емкос­тей, возможность регулирования скорости слива изменением перепада давлений в емкостях, высокая производительность (0,3... 1,0 м³/мин).

Недостатки: большой расход энергии, наличие в эксплуатации слож­ного агрегата, необходимость в трубопроводах паровой и жидкой фаз.

Перемещение сжиженных газов с помощью насосов и компрессоров. На ГНС и ГНП главным образом применяют насосно-компрессорные технологические схемы, при работе по которым все сливоналивные операции осуществляют с помощью насосов и компрессоров. Слив сжиженного газа из железнодорожных цистерн, заполнение автоцистерн, удаление оста­точных паров из опорожненных резервуаров производятся компрессора­ми, заполнение баллонов сжиженным газом — насосами и компрессора­ми. Компрессоры создают в опорожняемом резервуаре давление, превы­шающее упругость паров сливаемой жидкости, что является необходимым условием нормальной работы насосов. Достоинствами насосно-компрес­сорной технологической схемы являются высокая производительность, надежность, полное опорожнение резервуара, широта технологического диапазона. К недостаткам следует отнести большие эксплуатационные расходы по ремонту и содержанию технологического оборудования.

Перемещение сжиженных газов с помощью насосов и испарителей. В районах Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока, где преоблада­ет низкая среднегодовая температура, в зимний период упругость паров пропан-бутана в резервуарах меньше 0,15 МПа, т.е. избыточное давление меньше 0,05 МПа. При этом отбирать пары из резервуаров базы хране­ния компрессором невозможно, так как снижается давление. Перемеще­ние сжиженных газов в этих случаях осуществляется с помощью испари­телей. При работе по рассматриваемой технологической схеме резервуа­ры хранилища и испарители соединяются трубопроводами по жидкой и паровой фазам. Повышение давления в паровом пространстве опорож­няемого резервуара достигается с помощью испарителей объемного или проточного типа. При этом пары сжиженных газов перегреваются за счет теплоты, принесенной извне.

Механизм операций слива с помощью объемных испарителей следующий. Пропан-бутаном наполняется один из испарителей, линия жидкой фазы от резервуаров отключается, подается теплоноситель. Сжи­женный газ в теплообменнике (объемном испарителе) подогревается, упругость паров повышается, затем пары с высокой упругостью подаются в опорожняемый резервуар, в котором создается повышенное давление, за счет чего и производится слив пропан-бутана.

В насосно-испарительной технологической схеме повышение дав­ления в паровом пространстве опорожняемого резервуара достигается с помощью испарителей объемного типа.

Они создают подпор, обеспечивающий нормальную работу насоса. Схема с использованием объемных испарителей применяется на ГНС большой производительности. На ГНС малой производительности и на ГРП слив сжиженного газа производят с помощью проточных испарите­лей. Опорожняемый резервуар по жидкой и паровой фазам соединяется с испарителем трубопроводами. Теплоноситель подводится к испарителю, где происходит испарение сжиженного газа и перегрев паров. Перегретые пары из испарителя поступают в опорожняемый ре­зервуар. Подача теплоносителя регулируется в зависимости от давления в опорожняемом резервуаре. Повышение давления в резервуаре способ­ствует нормальной работе насоса при сливе сжиженного газа и наполне­нии им баллонов.