Теоретические основы редуцирования давления природного газа

ǵdzǸȕȑȕȉȔȏȔ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ǹǬǵǷǬǹǯǾǬǸDZǯǬǵǸǴǵǩȂ
ǷǬǫǺǽǯǷǵǩǧǴǯȆǫǧǩDzǬǴǯȆ
ǶǷǯǷǵǫǴǵǪǵǪǧǮǧ

dzȕȔȕȊȗȇțȏȦ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
dzȕȘȑȉȇǩȕȒȕȊȋȇ 
ªǯȔțȗȇ-ǯȔȍȌȔȌȗȏȦ« 
2024


УДК 629.063.2+536.71::621.592.2/3 
ББК 39.76 
 
С59 
 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы : 
доктор технических наук, профессор кафедры процессов и аппаратов  
химических и пищевых производств ВолгГТУ, Волгоград,  
Голованчиков Александр Борисович 
доктор технических наук, профессор кафедры  
теплогазоводоснабжения ВоГУ, Вологда, 
Соколов Леонид Иванович 
 
 
 
Соковнин, О. М. 
С59  
Теоретические основы редуцирования давления природного газа : монография / 
О. М. Соковнин. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 192 с. : ил., табл.  
 
 
ISBN 978-5-9729-1639-9 
 
Рассмотрено редуцирование давления природного газа методами дросселирования в регуляторах давления и расширения в турбодетандерных агрегатах. Показано 
современное состояние устройств и технологий, применяемых для редуцирования 
давления газа, включая утилизацию энергии его избыточного давления. Представлен 
обзор основных уравнений состояния газов в их историческом развитии, разработаны 
математические модели процессов редуцирования давления реального газа в дроссельных регуляторах давления и турбодетандерах, приведено обсуждение и анализ 
полученных зависимостей параметров состояния природного газа от режимов работы 
редуцирующих устройств. С использованием эксергетического метода термодинамического анализа выполнена оценка энергетической эффективности редуцирования 
давления природного газа в дроссельных регуляторах давления и турбодетандерах. 
Даны примеры практического использования развитых теоретических положений для 
определения эффективности процесса редуцирования давления природного газа, имеющего различные начальные и конечные значения параметров состояния.  
Для научных работников, инженеров и аспирантов, занимающихся вопросами 
транспорта и распределения природного газа, повышения эффективности тепловых 
процессов. 
 
УДК 629.063.2+536.71::621.592.2/3 
ББК 39.76 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1639-9 
© Соковнин О. М., 2024 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
‹ Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

 
 
 
 
ǵǪDzǧǩDzǬǴǯǬ
 
Основные обозначения.................................................................................................................. 
5 
 
Введение ......................................................................................................................................... 
6 
 
I. Редуцирование давления природного газа в регуляторах давления  
и турбодетандерах 
........................................................................................................................ 
8 
1.1. Редуцирование давления природного газа в дроссельных регуляторах давления .......... 
8 
1.1.1. Принцип работы регулятора давления ........................................................................... 
8 
1.1.2. Анализ режимов работы и конструкций дроссельных регуляторов давления ......... 
10 
1.1.2.1. Двухступенчатое редуцирование давления ........................................................... 
10 
1.1.2.2. Работа регулятора при докритическом отношении давлений выхода-входа ..... 
13 
1.1.2.3. Использование вихревых регуляторов давления 
................................................... 
16 
1.1.2.4. Использование газодинамических регуляторов давления 
.................................... 
19 
1.2. Редуцирование давления природного газа в турбодетандерах ........................................ 
22 
1.2.1. Принцип работы и конструкции турбодетандерных установок ................................ 
22 
1.2.2. Использование турбодетандеров для редуцирования давления природного газа ...... 26 
1.2.2.1. Методы подогрева газа при его редуцировании в турбодетандерах ................... 
27 
1.2.2.2. Области применения турбодетандерного редуцирования давления газа ........... 
31 
1.2.2.3. Основные производители детандер-генераторных установок ............................. 
35 
Литература 
.................................................................................................................................... 
45 
 
II. Термодинамика процесса редуцирования давления природного газа ...................... 
50 
2.1. Термодинамика газового потока в редуцирующих устройствах 
..................................... 
50 
2.2. Основные уравнения состояния газов  ............................................................................... 
53 
2.2.1. Уравнение Ван-дер-Ваальса (V-d-W) ........................................................................... 
54 
2.2.2. Уравнение Редлиха – Квонга (RK) .................................................................................... 57 
2.2.3. Уравнение Пенга – Робинсона (PR) .................................................................................. 60 
2.2.4. Уравнения в вириальной форме ..................................................................................... 
63 
2.3. Расчет процессов редуцирования давления природного газа .......................................... 
73 
2.3.1. Расчет редуцирования природного газа в регуляторе давления. .................................. 74 
2.3.2. Расчет редуцирования природного газа в турбодетандере 
......................................... 
81 
2.4. Сравнительный анализ методов редуцирования давления природного газа 
.................. 
87 
Литература 
.................................................................................................................................... 
92 
 
III. Эксергетический анализ процесса редуцирования давления природного газа 
........ 98 
3.1. Основы эксергетического метода термодинамического анализа .................................. 
100 
3.2. Редуцирование давления природного газа в регуляторе давления................................ 
109 
3.3. Редуцирование давления природного газа в турбодетандере ........................................ 
119 
3.4. Эксергетическая оценка эффективности редуцирования давления  
природного газа ......................................................................................................................... 
127 
3.4.1. Редуцирование давления природного газа на ГРП водогрейной котельной .......... 
128 
3.4.2. Редуцирование давления природного газа на ГРС магистрального  
газопровода 
.............................................................................................................................. 
133 
Литература 
.................................................................................................................................. 
139 
3 

IV. Методы предотвращения гидратообразования при редуцировании  
давления природного газа 
...................................................................................................... 
142 
4.1. Нормативные требования к транспортируемому природному газу .............................. 
146 
4.2. Методы предотвращения образования газовых гидратов ............................................. 
.148 
4.2.1. Физические методы ...................................................................................................... 
148 
4.2.1.1. Методы предварительной подготовки газа 
.......................................................... 
149 
4.2.1.2. Температурный режим магистрального газопровода ......................................... 
152 
4.2.1.3. Технология холодного течения ............................................................................. 
154 
4.2.1.4. Технология прямого электрического нагрева трубопровода ............................. 
156 
4.2.1.5. Методы предотвращения гидратообразования на ГРС 
....................................... 
159 
4.2.2. Химические методы...................................................................................................... 
164 
4.2.2.1. Термодинамические ингибиторы гидратообразования ...................................... 
165 
4.2.2.2. Кинетические ингибиторы гидратообразования ................................................. 
172 
Литература 
.................................................................................................................................. 
178 
 
Заключение 
................................................................................................................................. 
183 
 
Summary 
...................................................................................................................................... 
186 
 
Contents ....................................................................................................................................... 
187 
 
 
 
4 

 
 
 
 
ǵǸǴǵǩǴȂǬǵǨǵǮǴǧǾǬǴǯȆ
 
D – диаметр, м; 
Gm, Gv – массовый (кг/с) и объёмный (м3/с) расход газа;  
N – мощность, Вт; 
R – газовая постоянная, Дж/кгÂК; 
S – площадь, м2;  
T – абсолютная температура, К; 
a – местная скорость звука, м/с; 
cp, cv – удельные изобарная и изохорная теплоёмкость газа, Дж/кгÂК; 
e, Ɛ – удельные эксергия и работа, Дж/кг; 
g – ускорение свободного падения, м/с2; 
h – удельная энтальпия, Дж/кг; 
k – показатель адиабаты; 
p – давление, Па; 
q – удельная теплота, Дж/кг; 
s – удельная энтропия, Дж/кгÂК; 
u – удельная внутренняя энергия, Дж/кг; 
v – удельный объём, м3/кг; 
w – скорость, м/с; 
z – коэффициент сверхсжимаемости (несовершенства) реального газа; 
ĮJT – коэффициент Джоуля – Томсона, К/МПа; 
Șe, Șt – эксергетический и термический коэффициенты полезного действия; 
— – молярная масса, кг/моль; 
ȡ – плотность, кг/м3; 
подстрочные индексы: 
1, 0, 2 – значения величин в сечениях входа (1–1), дросселирования (0–0) и 
выхода (2–2) регулятора давления и турбодетандера. 
 
 
 
5 

 
 
 
 
ǩǩǬǫǬǴǯǬ
 
Трубопроводный транспорт природного газа является наиболее распространённой технологией его доставки конечным потребителям. Транспортирование газа по магистральным газопроводам, исходя из экономических факторов, осуществляется при максимально высоком давлении, аналогично передаче электроэнергии на дальние расстояния по высоковольтным линиям электропередач, а в технологических установках конечных потребителей используется газ значительно меньших давлений. В связи с этим возникает необходимость редуцирования давления газа на газораспределительных станциях 
(ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП). 
Процесс редуцирования давления газа заключается в понижении его давления при протекании потока газа через редуцирующие устройства, в качестве 
которых могут использоваться дроссельные регуляторы давления либо турбодетандеры. В дроссельных регуляторах редуцирование давления производится 
пропусканием потока газа через сужающее устройство (дроссель), в турбодетандерах – адиабатным расширением газа в газовой турбине. Осуществление 
дроссельного редуцирования давления газа технически достаточно просто и 
надёжно, но при этом часть энергии избыточного давления газа безвозвратно 
теряется на преодоление сопротивления дросселя. Применение для редуцирования давления газа турбодетандеров, напротив, позволяет полезно утилизировать энергию избыточного давления газа, в частности, для выработки электроэнергии, однако требует значительных капитальных и эксплуатационных 
затрат.  
Снижение давления газа в процессе редуцирования влечёт за собой изменение и остальных параметров его состояния (температуры, удельного объёма). 
Особенностью процессов редуцирования давления как в регуляторах давления, 
так и в турбодетандерах является то, что в используемом на практике при их 
осуществлении диапазоне значений давлений и температур природный газ 
охлаждается. Поскольку при адиабатном расширении в турбодетандере в отличие от дросселирования в регуляторе давления газ, помимо расхода энергии на 
преодоление сопротивления трения, совершает полезную работу, то снижение 
его температуры оказывается больше, чем при дросселировании.  
Значительное охлаждение природного газа при редуцировании давления 
может вызывать конденсацию его тяжёлых фракций и влаги с образованием 
газовых гидратов и нарушение режима работы редуцирующих устройств. 
С целью предотвращения этого нежелательного явления при любом методе редуцирования давления предусматривается предварительный подогрев природного газа, обеспечивающий нормативное значение его температуры после редуцирования. Необходимость подогрева природного газа перед редуцирова6 

нием давления требует соответствующих затрат теплоты и оказывает существенное влияние на энергетическую эффективность процесса редуцирования 
в целом.  
В первой главе приведён анализ технологий редуцирования давления 
природного газа на ГРС и ГРП методами дросселирования и адиабатного расширения, особенностей конструкций и эксплуатации используемых для этих 
целей регуляторов давления и турбодетандеров, способов подогрева редуцируемого газа. Также сделан обзор современного состояния производства турбодетандерных агрегатов, применяемых для получения механической работы 
за счёт использования энергии давления сжатого газа.  
Во второй главе рассмотрены вопросы термодинамики газового потока в 
редуцирующих устройствах, основные уравнения состояния реального газа в 
их историческом развитии и методы расчёта редуцирования давления природного газа в регуляторах давления и турбодетандерах. Приведены разработанные на основе общего термодинамического подхода математические модели 
процессов редуцирования давления газа методами дросселирования и адиабатного расширения, учитывающие, что в процессе редуцирования давления природного газа отношение давлений выхода-входа, как правило, значительно 
ниже критического отношения давлений. С помощью разработанных моделей 
определены параметры процесса редуцирования давления природного газа 
при перепаде давления на редуцирующем устройстве ниже критического.  
В третьей главе изложены основы использования эксергетического метода термодинамического анализа для оценки энергетической эффективности 
редуцирования давления природного газа методами дросселирования в регуляторах давления и расширения в турбодетандерах. Приведены примеры практического использования эксергетического метода для анализа процессов редуцирования давления природного газа при различных начальных и конечных 
значениях параметров его состояния. Установлены количественные границы 
энергетической эффективности рассматриваемых методов редуцирования давления, сформулированы условия предпочтительного их применения.  
В четвёртой главе рассмотрены способы предотвращения образования газовых гидратов при редуцировании давления природного газа. Наряду с наиболее распространённым термическим способом излагаются и другие технологические приёмы предотвращения образования гидратов (осушка газа, введение 
химических реагентов и др.). Даётся анализ целесообразности применения указанных способов в зависимости от параметров процесса редуцирования давления природного газа. 
Автор с благодарностью примет все конструктивные замечания и пожелания по форме изложения и содержанию монографии, которые будут способствовать её улучшению. Их следует направлять по адресу osokovnin#mail.ru.  
 
 
 
7 

 
 
 
 
IǷǬǫǺǽǯǷǵǩǧǴǯǬǫǧǩDzǬǴǯȆǶǷǯǷǵǫǴǵǪǵǪǧǮǧ
ǩǷǬǪǺDzȆǹǵǷǧǼǫǧǩDzǬǴǯȆǯǹǺǷǨǵǫǬǹǧǴǫǬǷǧǼ
 
Основным методом редуцирования давления природного газа в настоящее время является дросселирование, которое осуществляется в регуляторах 
давления при течении газа через сужающее устройство (диафрагму, сопло) с 
регулируемым проходным сечением. В качестве альтернативы регуляторам 
давления в последние десятилетия стали применяться турбодетандеры (т. н. 
детандер-генераторные агрегаты – ДГА), в которых энергия избыточного давления газа при его адиабатном расширении используется для выработки механической или электрической энергии. 
Рассмотрим принципы работы регуляторов давления и турбодетандеров, 
развитие их конструкций и характерные особенности использования при редуцировании давления природного газа. 
 
 
 
ǷȌȋȚȝȏȗȕȉȇȔȏȌȋȇȉȒȌȔȏȦȖȗȏȗȕȋȔȕȊȕȊȇȎȇ
ȉȋȗȕȘȘȌȒȣȔȢȜȗȌȊȚȒȦșȕȗȇȜȋȇȉȒȌȔȏȦ
 
1.1.1. ǶȗȏȔȝȏȖȗȇȈȕșȢȗȌȊȚȒȦșȕȗȇ ȋȇȉȒȌȔȏȦ  
 
Дроссельный регулятор давления относится к регулирующей арматуре, 
предназначенной для регулирования параметров рабочей среды посредством 
изменения расхода или проходного сечения [1, 2]. По принципу действия дроссельные регуляторы давления подразделяются на регуляторы прямого и непрямого действия: у первых управляющее воздействие на регулирующее 
устройство (мембрану) осуществляется непосредственно дросселируемым потоком газа; у вторых – вспомогательным регулятором (пилотом) – Рис. 1.1.  
Принцип действия регулятора давления прямого действия (Рис. 1.1, а) основан на автоматическом поддержании баланса сил, действующих на  мембрану 2 со стороны задающего устройства 1 (пружины) и управляющего сигнала (выходного давления газа p2), который поступает в подмембранную камеру из газопровода по импульсной трубке 3. При повышении давления p2 
мембрана 2 и связанный с ней дроссельный клапан 5 перемещаются вверх, 
уменьшая проходное сечение дроссельного канала между седлом 4 и клапаном 5, что увеличивает сопротивление и влечёт за собой снижение давления 
на выходе. Напротив, падение выходного давления приводит к перемещению 
8 

вниз клапана 5, увеличению проходного сечения дроссельного канала и снижению его сопротивления, что повышает выходное давление.  
 
а) 
б) 
1 
3 
1 
pу 
2 
3 
3 
2 
3 
p2 
p1 
p2 
4 
p1 
4 
5 
5 
 
ǷȏȘ ǸȜȌȓȇȋȗȕȘȘȌȒȣȔȕȊȕȗȌȊȚȒȦșȕȗȇ ȋȇȉȒȌȔȏȦ 
ȖȗȦȓȕȊȕȇȏȔȌȖȗȦȓȕȊȕ ȈȋȌȐȘșȉȏȦ  
1 – ȎȇȋȇȥȠȌȌȚȘșȗȕȐȘșȉȕ, 2 – ȓȌȓȈȗȇȔȇ, 3 – ȏȓȖȚȒȣȘȔȇȦșȗȚȈȑȇ  
4 – ȘȌȋȒȕ, 5 – ȋȗȕȘȘȌȒȣȔȢȐȑȒȇȖȇȔ ȏȘȖȕȒȔȏșȌȒȣȔȢȐȕȗȊȇȔ 
p1, p2, pȚ – ȉȜȕȋȔȕȌȉȢȜȕȋȔȕȌȏȚȖȗȇȉȒȦȥȠȌȌȋȇȉȒȌȔȏȌ 
 
В регуляторе давления непрямого действия (Рис. 1.1, б) роль задающего 
устройства выполняет вспомогательный регулятор 1 (пилот), изменяющий величину усилия на мембрану 2 основного регулятора посредством управляющего давления pу. Повышение выходного давления передаётся по импульсным 
трубкам 3 в подмембранные полости основного и вспомогательного регуляторов, вызывает перемещение их дроссельных клапанов вверх и уменьшение 
проходных сечений дроссельных каналов. При этом управляющее давление 
pу = (p1 í p2) снижается, что увеличивает перепад давления на мембране 2 и 
скорость перемещения связанного с ней дроссельного клапана 5 по сравнению 
с регулятором давления прямого действия. Соответственно снижение выходного давления приводит к перемещению вниз дроссельных клапанов основного и вспомогательного регуляторов и увеличению проходных сечений их 
дроссельных каналов. Управляющее давление при этом повышается, также 
увеличивая перепад давления на мембране основного регулятора, что ускоряет 
процесс восстановления величины выходного давления.  
Регулятор давления непрямого действия позволяет учитывать и колебания входного давления: с ростом p1 дроссельный клапан пилота перемещается 
вверх и снижает управляющее давление, что, в свою очередь, вызывает перемещение вверх дроссельного клапана основного регулятора и снижение выходного давления p2. При снижении давления p1 перемещения дроссельных 
клапанов регуляторов изменяются на противоположные, обеспечивая повышение выходного давления p2. 
Таким образом, в регуляторах давления прямого и непрямого действия 
реализуется отрицательная обратная связь, при которой отклонение величины 
9 

регулируемого параметра (выходного давления газа) от равновесного значения запускает процесс компенсации возникшего отклонения, обеспечивая динамическую устойчивость работы регулятора. Использование пилота усиливает и ускоряет действие этой связи.  
Преимуществами регуляторов давления прямого действия являются простота конструкции и эксплуатации, надёжность работы, устойчивость процесса регулирования во всём диапазоне их пропускной способности, при этом 
неравномерность регулирования давления может составлять 10…20 % [3, 4]. 
Несмотря на относительно низкую точность регулирования давления, регуляторы давления прямого действия нашли широкое применение в системах газоснабжения: от коммунально-бытовых газораспределительных сетей с входным давлением 0.3 МПа и ниже до ГРС магистральных газопроводов I класса 
с давлением входа до 10 МПа. 
Регуляторы давления непрямого действия сложнее по конструкции и в 
эксплуатации, за счёт этого они обеспечивают более высокую скорость и точность регулирования: допускаемое отклонение от номинального давления составляет всего 1…3 % [3]. С учётом указанных характеристик, применение регуляторов давления непрямого типа оказывается наиболее эффективно в системах с большими расходами газа или при необходимости обеспечения высокой точности поддержания выходного давления газа, например, в промышленных установках, где требуется строго выдерживать технологические режимы проведения производственных процессов.  
 
 
 
1.1.2. ǧȔȇȒȏȎ ȗȌȍȏȓȕȉȗȇȈȕșȢ ȏȑȕȔȘșȗȚȑȝȏȐ 
ȋȗȕȘȘȌȒȣȔȢȜȗȌȊȚȒȦșȕȗȕȉȋȇȉȒȌȔȏȦ 
 
В зависимости от величины входного давления, производительности, требуемой точности регулирования выходного давления природного газа используются разнообразные конструкции регуляторов давления [5–8]. Вместе с тем 
можно выделить общие конструктивные особенности регуляторов высокого и 
среднего давления, определяющие термодинамику и энергетическую эффективность процесса редуцирования давления.  
 
 
1.1.2.1. ǫȉȚȜȘșȚȖȌȔȞȇșȕȌ ȗȌȋȚȝȏȗȕȉȇȔȏȌ ȋȇȉȒȌȔȏȦ 
 
Поскольку при высоком входном давлении редуцируемого газа имеют 
место значительные колебания его величины, то для стабилизации давления 
на выходе регулятора целесообразно применение двухступенчатого редуцирования, при котором на первой ступени давление снижается до промежуточного значения, а на второй – до выходного с высокой точностью. Кроме того, 
10