УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ КОНДЕНСАТНЫХ ПРОБОК В ГАЗОПРОВОДЕ
DEVICE FOR PREVENTING FORMATION OF CONDENSATE PLUGS IN GAS LINE

Изобретение относится к трубопроводному транспорту газа и может быть использовано на магистральных газопроводах, на шлейфах и коллекторах газовых месторождений для утилизации конденсата.
Известно устройство для предотвращения образования конденсатных пробок в газопроводе (см. патент РФ №2316692 МПК F17D 1/02, 2006, бюл. №4), включающее собственно трубопровод с наклонными участками и соединительное колено с охватывающим каналом, в нижней части соединительного колена размещен сливной конденсатопровод, расположенный в воронкообразном охватывающем канале и соединенный с накопительной емкостью, расположенной ниже уровня промерзания грунта, при этом в накопительной емкости размещен трубопровод отвода конденсата, соосно укрепленный в вертикальном охватывающем канале.
Недостатком технического решения является неполное использование теплоты конденсации парообразной влаги в полостях охватывающего и воронкообразного охватывающего каналов из-за витания капелек конденсата, который получается из сконденсировавшегося пара на внешней поверхности наклонных участков, что значительно снижает коэффициент теплоотдачи и соответственно прогрев внешней поверхности соединительного колена, а это в конечном итоге увеличивает вероятность аварийных ситуаций, т.е. полностью не устраняет возможность образования конденсатных пробок.
Известно устройство для предотвращения образования конденсатных пробок в газопроводе (см. патент РФ №2378564 МПК F17D 1/02, 2008), включающее собственно трубопровод с наклонными участками и соединительное колено с охватывающим каналом, в нижней части соединительного колена выполнен сливной конденсатопровод, расположенный в воронкообразном охватывающем канале и соединенный с накопительной емкостью, расположенной ниже уровня промерзания грунта, при этом в накопительной части емкости размещен трубопровод отвода конденсата, соосно укрепленный в вертикальном охватывающем канале, на наружных поверхностях наклонных участков и соединительного колена выполнены винтообразные канавки, профиль которых имеет вид «ласточкин хвост».
Недостатком данного устройства является образование зон налипания фракций углеводородов как при капельной, так и, преимущественно, при пленочной конденсации, что не только увеличивает гидравлическое сопротивление движению сконденсировавшегося потока по наружной поверхности соединительного колена, но и приводит к резкому снижению количества теплоты, передаваемого теплопроводностью и конвекцией внешним поверхностям восходящего и нисходящего участков газопроводов, размещенных в охватывающем канале, а это не устраняет вероятность аварийных ситуаций и приводит к дополнительным энергозатратам на транспортировку газа.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности поддержания в условиях отрицательных температур окружающей среды температурного режима в наклонных участках трубопровода и соединительного колена за счет устранения образования налипания фракций углеводорода на внешнюю поверхность соединительного колена путем непрерывного их стряхивания в полость охватывающего канала за счет создания постоянных термовибраций при выполнении соединительного с винтообразными канавками с профилем в виде «ласточкина хвоста» из биметалла, что увеличивает количество теплоты, передаваемое теплопроводностью и конвекцией транспортируемому газу.
Технический результат по поддержанию соответствующего температурного режима при эффективном использовании теплоты фазового перехода достигается в устройстве для предотвращения образования конденсатных пробок в газопроводе, включающем соответственно трубопровод с наклонными участками и соединительное колено с охватывающим каналом, в нижней части соединительного колена выполнен сливной конденсатопровод, расположенный в воронкообразном охватывающем колене и соединенный с накопительной емкостью, расположенной ниже уровня промерзания грунта, причем в накопительной емкости размещен трубопровод отвода конденсата, соосно укрепленный в вертикальном охватывающем канале, при этом на наружных поверхностях наклонных участков и соединительного колена выполнены винтообразные канавки, профиль которых имеет вид «ласточкиного хвоста», причем соединительное колено выполнено из биметалла, при этом материал биметалла со стороны винтообразных канавок имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала биметалла с внутренней поверхности соединительного колена.
На фиг.1 изображен рельефный участок газопровода, на фиг.2 - внешняя поверхность нисходящего участка газопровода с винтообразными канавками, на фиг.3 - внешняя поверхность соединительного колена из биметалла с винтообразными канавками, на фиг.4 - внешняя поверхность восходящего участка газопровода с винтообразными канавками, на фиг.5 - профиль винтообразной канавки в виде «ласточкина хвоста» из биметалла соединительного колена.
Устройство состоит из наклонных восходящего 1 и нисходящего 2 участков газопровода и соединительного колена 3, которые размещены в охватывающем канале 4. В нижней части соединительного колена 3 выполнен сливной конденсатопровод 5, расположенный в воронкообразном охватывающем канале 6, и соединен с накопительной емкостью 7, при этом в накопительной емкости 7 размещен трубопровод отвода конденсата 8, соосно укрепленный в вертикальном охватывающем канале 9 и имеющий вентиль 10 для сбора конденсата. На наружной поверхности 11 нисходящего участка 2 выполнены винтообразные канавки 12, на наружной поверхности 13 соединительного колена 3 выполнены винтообразные канавки 14, на наружной поверхности 15 восходящего участка 1 газопровода выполнены винтообразные канавки 16, при этом профиль винтообразных канавок 12, 14, 16 имеет вид «ласточкина хвоста». Соединительное колено 3 выполнено из биметалла 17, причем материал 18 биметалла 17 со стороны винтообразных канавок 14 имеет коэффициент теплопроводности (алюминий с коэффициентом теплопроводности 204 Вт/(м·гр), (см., например, стр.312, Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: 1980 - 469 с., ил.) в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности 85 Вт/(м·гр) (см. стр.312, Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: 1980-469 с., ил.) материала 19 биметалла 17 со стороны внутренней поверхности 20 соединительного колена 3.
Устройство для предотвращения образования конденсатных пробок в газопроводе работает следующим образом.
Наиболее опасными участками в части образования конденсатных пробок и замерзания конденсата является его восходящий участок 1, соединительное колено 3. Для предотвращения образования конденсатных пробок в газопроводе необходимо непрерывное удаление конденсата, а для устранения замерзания его осуществляется соответствующее поддержание температурного режима. Конденсат, образующийся в восходящем 1 и нисходящем 2 участках за счет охлаждения стенок в промерзлом грунте, стекает под действием силы тяжести по соединительному колену 3 через сливной конденсатопровод 5 в накопительную емкость 7, которая расположена ниже уровня промерзания грунта. В результате этого конденсат нагревается (соединительное колено 3 находится в зоне промерзания грунта) и легкокипящая фракция углеводородов, входящая в состав транспортируемого газа, испаряется и через воронкообразный охватывающий канал 6 поступает в охватывающий канал 4 газопровода. При этом пары конденсата, перемещаясь по охватывающему каналу 4, контактируют с внешней поверхностью соединительного колена 3, восходящего 1 и нисходящего 2 и постепенно конденсируются, выделяя при этом теплоту фазового перехода.
Мелкодисперсные капельки конденсата отрываются от внешней поверхности нисходящего 2 и восходящего 1 участков соединительного колена 3 и под действием силы тяжести устремляются в накопительную емкость 7. В результате воздействия на мелкодисперсные капельки конденсата потока испаряющейся легкокипящей фракции углеводородов наблюдается «витание» этих капелек и испарение их под воздействием теплоты поднимающегося из накопительной емкости 7 потока пара легкокипящей фракции. Известно, что коэффициент теплоотдачи в процессе капельной конденсации в 10-15 раз превышает коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации (см., например, стр.398, Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: 1980-469 с., ил.), а это приводит к тому, что в данном конденсатно-испарительном процессе основной теплообмен происходит не на поверхности охватывающего канала 4 и воронкообразного канала 6, а в полости между внутренней поверхностью охватывающего канала 4, воронкообразного охватывающего канала 6 и наружными поверхностями восходящего 1 и нисходящего 2 участков газопровода и соединительного колена 3. В результате температурный градиент конденсата транспортируемого газа, образующегося в восходящем 1 и нисходящем 2 участках газопровода, уменьшается, стремясь к значениям, при которых может наступить его замерзание и соответственно образование конденсатных пробок, т.к. практически отсутствует передача теплоты от как фазового перехода при испарении мелкодисперсных капелек, так и конденсации пара легкокипящей фракции углеводородов к наружной поверхности восходящего 1 и нисходящего 2 участков газопровода, т.е. данная теплота преимущественно рассеивается в полости между внутренней поверхностью охватывающего канала 4, воронкообразного охватывающего канала 6 и наружными поверхностями восходящего 1, нисходящего 2 участков газопровода и соединительного колена 3.
В процессе контакта паров легкокипящей фракции углеводородов, входящих в состав транспортируемого газа, которая в виде конденсата поступает в накопительную емкость 7, с наружной поверхностью 11 нисходящего 2 и восходящего 1 участков газопровода образуется мелкодисперсные капли конденсата, которые, перемещаясь под действием центробежных сил, закручиваются в винтообразных канавках 12, коагулируют и образуют конденсатную пленку. Одновременно на наружной поверхности 15 восходящего 1 участка газопровода конденсируются также пары, поступающие из накопительной емкости 7, которая расположена ниже уровня промерзания грунта, и в виде мелкодисперсных капелек конденсата закручиваются в винтообразных канавках 16 и образуют конденсатную пленку. В результате наблюдается процесс, концентрированный на внешних поверхностях 11 и 15 нисходящего 2 и восходящего 1 участков газопровода, и теплота фазового перехода полностью посредством тепломассообмена и теплопроводности и последующей конвекции поступает к транспортируемому газу, т.к. выполнение винтообразных канавок 12 и 16 с профилем в виде «ласточкина хвоста» практически устраняет выпадение конденсата в полость между наружными поверхностями 11 и 15 нисходящего 2 и восходящего 1 участков газопровода и внутренней поверхностью охватывающего канала 4, т.е. в данном случае отсутствует рассеивание теплоты фазового перехода. Из-за наличия шероховатостей на внутренней поверхности 20 соединительного колена 3 фракции углеводородов, обладая более высокой вязкостью, чем конденсирующаяся из паров вода, налипают, образуя очаги нарастания загрязнений, что приводит к резкому возрастанию аэродинамического сопротивления движению газа как по восходящему 1 и нисходящему 2 участкам, так и магистральному газопроводу в целом, а это соответствует дополнительным энергозатратам при транспортировке газа. Для устранения данного явления соединительное колено 3 выполняется из биметалла 17, тогда при перемещении конденсата из легкокипящей фракции углеводородов во внутренней полости винтообразных канавок 14 теплота с более высокой температурой передается материалу 18, а одновременно с этим материалу 19 биметалла 17 передается теплота с меньшей температурой процесса конденсации влаги, образующейся в нисходящем 2 и восходящем 1 участках газопровода. В результате образуется разница температур от 5 и более градусов и соответственно температурный градиент по толщине соединительного колена 3 образует термовибрации (см., например, Дмитриев В.П. Биметаллы, Пермь, 1991-438 с., ил.), которые практически исключают процесс налипания на материале 19 биметалла 17. При этом термовибрации материала 18 со стороны винтообразных канавок 14, особенно в полости в виде «ласточкина хвоста», интенсифицируют теплообмен, т.к. перемещение конденсирующейся массы по вибрирующей поверхности устраняет образование по объему конденсата на паровой прослой, на порядок снижающий теплоту фазового перехода (см., например, Кубателадзе С.С. Основы теории теплообмена, Новосибирск, 1990-548 с., ил.) и, как следствие, улучшает эффективную передачу теплоты транспортируемому газу, т.е. сопутствует предотвращению образования конденсатных пробок в газопроводе.
Собираемая в винтообразных канавках 12 и 16 конденсатная пленка под действием силы тяжести поступает в винтообразные канавки 14, расположенные на внутренней поверхности 13 соединительного колена 3, отдает оставшуюся часть теплоты фазового перехода сливному конденсатопроводу 5 и поступает в накопительную емкость 7, где закипает, т.к. в нее входит легкокипящая фракция углеводородов и цикл интенсификации тепломассообмена с поддержанием температурного режима путем эффективной передачи теплоты транспортируемому газу повторится. При этом обогрев трубопровода отвода конденсата 8 проходит аналогично в процессе конденсации паров жидкости в вертикальном охватывающем канале 9. Если наблюдается значительное накопление конденсата в емкости 7, то осуществляется его удаление посредством открытия вентиля 10 через трубопровод отвода конденсата 8. Процесс удаления конденсата из емкости осуществляется как вручную, так и автоматически, на фиг. не показано.
Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что предотвращение замерзания конденсата достигается без дополнительных энергозатрат на поддержание соответствующего температурного режима в условиях отрицательных температур окружающей газопровод среды, а за счет устранения налипания конденсирующихся фракций углеводородов и наблюдаемого последующего образования зон дополнительного термического сопротивления передачи теплоты фазового перехода транспортируемому газу путем выполнения соединительного колена из биметалла таким образом, что материал биметалла со стороны винтообразных канавок профилем в виде «ласточкина хвоста» имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала биметалла со стороны внутренней поверхности соединительного колена, а это в конечном итоге повышает эффективность предотвращения образования конденсатных пробок и улучшает эксплуатацию газопровода в изменяющихся погодно-климатических условиях со снижением аэродинамического сопротивления и соответственно энергозатрат на транспортирование природного газа.