Научный задел. В Санкт-Петербургском горном университете вопросами хранения и транспортировки сжиженного прирдного газа уделяется внимание специалистов разных областей знаний. Оценку роста потребностей природного газа в сжиженном виде проводили ученые экономических направленностей, такие как Цветков П.С., Федосеев С.В., Череповицын А.Е., Липина С.А., Евсеева О.О., Катышева Е. Расчет оптимальных параметров эжекторного устройства производил ученый Ерохин А.П. в 1973 году, результаты исследования которого опубликованы в журнале «Записки горного института». Эффективность работы эжектора в нефтегазовом секторе подтверждена в диссертационных исследованиях Любина Е.А. Основным аспектам тепловых и гидравлических расчетов технологических линий сжиженного природного газа посвящены работы Шаммазова И.А. и Шалыгина А.В.

Текущее состояние. Производство, транспорт и хранение сжиженного природного газа (СПГ) является перспективным направлением в развитии газовой промышленности, благодаря ряду преимуществ топлива, таких как высокий показатель энергоемкости, сокращение занимаемого объема по сравнению с природным газом в газовоздушном состоянии, экологическая эффективность. Однако система хранения СПГ имеет ряд недостатков, один из которых   утилизация отпарного газа из резервуара СПГ путем сжигания на факеле или сброса в атмосферу. Также существуют попытки утилизации избытка паров компрессором, что в свою очередь имеет такие недостатки, как высокие капитальные вложения, эксплуатационные издержки, а также низкие показатели надежности. Авторами данной статьи предложено техническое решение такой проблемы, которое заключается в применении газового эжектора для утилизации отпарного газа

Решаемая проблема. Целью настоящей работы являлось обоснование возможности утилизации отпарного газа при хранении СПГ использованием газового эжектора, в качестве рабочего тела которого выступает природный газ высокого давления, поступающий из подводящего трубопровода. Основная идея предлагаемого технического решения заключается в следующем: в качестве эжектируемого (низконапорного) газа выступает отпарной газ, сбрасываемый из резервуара СПГ, а эжектирующего (высоконапорного) – газ, поступающий из источника высокого давления, в качестве которого выступает магистральный трубопровод природного газа. Высоконапорный поток может быть подведен и из любой другой технологической линии, имеющей высокое давление природного газа, достаточное для работы эжектора. Важно, чтобы эжектирующий поток был схож с отпарным газом по компонентному составу для возможности повторного использования их смеси. Задача исследования состояла в разработке и обосновании методики расчета рабочих характеристик и геометрических размеров эжектора, применимого для утилизации отпарных газов.

Методы исследования. В ходе исследования были использованы общенаучнные подходы и методы исследования. С целью постановки цели и задач исследования были использованы общелогические методы анализа и аналогии, которые заключались в проведение научного обзора, на основании которого была подтверждена и обоснована актуальность исследуемой проблемы. После чего был разработан алгоритм и схема утилизации паров СПГ, что может служить основой для проведения эксперимента. Однако, прежде чем перейти в этому методу необходимо было применить метод математического моделирования и формирования методики расчета, применимой для разработанного технического решения. Это необходимо для подтверждения эффективности разработанного способа сброса паров СПГ и исключения возможных нестыковок при выполнении эксперимента.

Результаты исследования. Результаты расчета, представленные в работе, демонстрируют применимость предложенного технического решения по усовершенствованию системы утилизации паров сжиженного природного газа применением газового эжектора на примере резервуара СПГ емкостью 300 м3. Предложенная методика расчета технологической обвязки резервуара с эжектором для утилизации отпарного газа включает расчет параметров отпарного газа в резервуаре СПГ, его термодинамических показателей при сбросе через предохранительный клапан и параметров эффективности, а также геометрических размеров эжектора. Это позволяет производить комплексный расчет системы утилизации паров на хранилищах СПГ с эжекторным устройством.

Детали исследования. В ходе исследования разработана технологическая схема утилизации паров СПГ с использованием эжектора (рисунок 1):

 

 

На основании данной схемы и разработанной методики в работе представлены следующие результаты исследования:

1. Расчеты параметров отпарного газа в резервуаре показали, что увеличение температуры окружающей среды на 20 °C приведет к изменению расхода отпарных газов на 8,7%, т.е. на 0,4% при 1 °C.

2. Применение эжектора позволяет повысить давление отпарного газа, сбрасываемого из резервуара от 0,32 МПа до 1,13МПа, что позволяет избежать необходимости использования для этой цели компрессора. Создание высокого давления отпарного газа актуально не только в резервуарных парках, но и на судах СПГ.

3. Эжектор, применимый для утилизации отпарного газа исключает сброс в атмосферу или сжигание на факеле, что предотвращает потерю топлива и выброс его в атмосферу. 

4. Значение коэффициента полезного действия устройства 14,6%), несколько превышает типичные показатели для газовых эжекторных систем. Указанное превышение может быть объяснено тем, что расчет предлагаемого эжектора был произведен при максимально допустимом коэффициенте эжекции, определяемом максимально допустимым расходом высоконапорного потока природного газа, а также высоком коэффициенте отношения давлений, полученном за счет высокого давления магистрального потока.

5. Мощность газового эжектора, затрачиваемая на компримирование, составляет 3451 кВт, это порядка в 60 раз больше, чем мощность работы компрессора (55кВт), однако, эта энергия преобразуется из магистрального потока природного газа, давление которого уже создано, что позволяет избежать подвода электроэнергии извне, а давление на выходе эжектора в 1,3 раза превышает давление нагнетания компрессора отпарного газа MIKUNI DN6-25BG2, описанного в работе.

6. Оценка габаритов эжектора с установленными необходимыми диаметрами   дает его длину порядка 2,8 метра и вес порядка 30 кг. С учетом стоимости труб из нержавеющей стали (5-6 $/погонный метр) и трудозатрат, идущих на изготовление газового эжектора, стоимость может быть оценена в 50 $. Эти показатели в 103 раза по металлоемкости и в 172 раза по стоимости ниже, чем в случае применения компрессора (3,1 т, 8600 $).

7. Компонентный состав рабочего потока эжектора, которым является природный газ магистрального трубопровода, схож с составом отпарного газа, что представляет возможность повторного сжижения и использования полученной смеси.

 

 

Заключение. Таким образом, предложенное техническое решение и методика расчета показали свою эффективность на этапе теоретического обоснования. Следует заключить, что разработанный способ утилизации паров сжиженного природного газа и методика оценки его эффективности могут быть подвергнуты натурным экспериментам и дальнейшему внедрению способа на вновь строящихся объектах, имеющих хранилища сжиженного природного газа.