УСТАНОВКА ДЛЯ ПОДГОТОВКИ И ПОДАЧИ БУФЕРНОГО ГАЗА

Полезная  модель относится к устройствам для подготовки буферного (уплотняющего) газа, используемого в сухих газодинамических уплотнениях (СГУ) нагнетателей природного газа, входящих в состав газоперекачивающих агрегатов (ГПА) на перекачивающих и дожимных газокомпрессорных станциях магистральных газопроводов.
Известно, что специфика эксплуатации СГУ нагнетателей ГПА на газокомпрессорных станциях магистральных газопроводов требует особенно тщательной подготовки буферного природного газа и барьерного воздуха для обеспечения работы СГУ и ГПА в целом.
2
Для обеспечения работы СГУ необходимо предусмотреть подачу буферного природного газа с заданными параметрами на всех режимах работы ГПА. Система подачи уплотняющего газа должна обеспечивать превышение давления уплотняющего газа над расчетным давлением на величину не менее чем 3,5 кгс/см на всех режимах работы ГПА, включая аварийный и нормальный останов, запуск ГПА, работа на режиме «Кольцо», режимы с малыми степенями сжатия, в точке подключения для обеспечения адекватного регулирования величины перепада «газ-газ».
Очистка буферного газа должна обеспечивать отсутствие в уплотняющем газе механических примесей более 10 мкм, 99,7% фильтрацию по влаге в точке подключения. Также критически важно не допустить потенциальной возможности конденсации влаги внутри полости установки картриджа и на самой уплотняющей паре из-за эффекта Джоуля-Томпсона при последовательном прохождении уплотняющего газа через запорную арматуру, уплотнительный зазор и свечи (Принцип действия, технологические стандарты и требования к проектированию и эксплуатации систем сухих газовых уплотнений, Степовиков С.Н., ООО «Кавказтрансгаз», Нефтегазовое дело, 2005, http://www.ogbus.ru).
Известно использование в центробежных компрессорах, турбинах и нагнетателях природного газа жидкости (масла) для «запирания» газовой среды высокого давления (патент РФ №2140577, публ. 1999 г.).
Недостатком известного технического решения является необходимость хранения, пополнения запаса, очистки и циркуляции запорной жидкости, возможный унос жидкости природным газом и вследствие этого загрязнение природного газа жидкостью.
Известна газодожимная установка газотурбинной электростанции, в которой проблема утечек рабочей среды решается за счет подачи в уплотнение уплотняющей среды с давлением, превышающим давление рабочей среды (патент РФ №2271458, публ. 2006 г.).
Недостатком известной установки является то, что для создания повышенного давления используется среда (водяной пар), отличная от рабочей среды (природный газ), а так как давление пара выше давления газа, то происходит попадание пара в топливный газ газотурбинного привода, что может негативно сказываться на работе топливной аппаратуры и газотурбинного привода. Также в известной установке отсутствуют средства для очистки водяного пара от загрязнений и капель размером более 1-5 мкм, кроме того, возможно выпадение конденсата (при охлаждении и редуцировании пара), что негативно влияет на работу уплотнений.
Известно использование сухих газодинамических уплотнений (например, уплотнение фирмы «Джон Крейн» - Газовые сухие уплотнения валов турбомашин, обзорная информация «Компрессорное машиностроение», вып. ХМ-5, ЦИНТИХИМнефтемаш, М., 1989, с.6-9) для предотвращения протечек рабочей газовой среды в компрессорах.
Однако, при малой скорости вращения при пусках или остановках в таких уплотнениях выделяется слишком много тепла трения, повышается температура колец, что приводит к выходу уплотнений из строя. Это типичный недостаток таких уплотнений и фирма рекомендует на подобных режимах работать минимальное по продолжительности время. Однако, это не всегда можно согласовать с регламентом работы нагнетателя природного газа в составе компрессорной станции.
Известна энергетическая газотурбинная установка, содержащая турбокомпрессор с камерой сгорания, дожимной компрессор топливного газа, внешний пусковой двигатель, автоматическую расцепную муфту (патент РФ №2111370, публ. 1998 г.).
В известной установки отсутствует возможность подготовки буферного природного газа требуемого качества для снабжения сухих газодинамических уплотнений в начальный момент запуска, когда давление буферного газа ниже давления рабочей среды и может происходить выход из строя уплотнения вследствие его загрязнения рабочей средой.
Известен способ получения инертных в углеводородной среде газожидкостных сред высокого давления с использованием силовой энергетической установки основанный на сжигании топливовоздушной смеси в камере сгорания силовой энергетической установки с последующим использованием продуктов горения в качестве инертных сред. Силовая энергетическая установка является приводом двухступенчатой насосно-компрессорной установки или хотя бы одной из ее ступеней, в которой в качестве первой ступени используется компрессорная установка, сжимающая воздух, а в качестве второй ступени - дожимное устройство, сжимающее газ при помощи проточного жидкостного поршня (бустерная установка) (патент РФ №2293860, публ. 2007 г.).
Недостатком известного способа является то, что устройство, дожимающее газ, выполнено в виде проточного жидкостного поршня и следовательно на выходе установки получается многофазная смесь (газ и жидкость) высокого давления, а буферный газ, применяемый в СГУ должен быть полностью очищен от капельной влаги и механических частиц, поэтому после дожимающего устройства необходимо предусматривать не менее 2 ступеней очистки газа (грубую и тонкую). Кроме того, возникает необходимость иметь в составе установки насосную установку для формирования проточного жидкостного поршня.
Наиболее близкой по технической сущности к настоящей полезной модели является газодожимная установка газокомпрессорной станции магистрального газопровода, содержащая устройство подготовки буферного природного газа для сухих газодинамических уплотнений (СГУ) нагнетателей природного газа, в которой устройство подготовки буферного природного газа выполнено в виде дожимного поршневого компрессора с электроприводом и включает систему фильтрации газа на входе и выходе установки, управляемую арматуру и блок автоматического управления. При этом поршневой компрессор выполнен однопоршневым, без смазки цилиндропоршневой группы, с использованием самосмазывающихся уплотнительных материалов и содержит на входе фильтр с коалесцирующим фильтрующим элементом и фильтр очистки от механических примесей на выходе (патент РФ №90505, публ. 2010 г.).
Для подготовки буферного газа СГУ необходимо иметь на объекте гарантированный источник электроэнергии. При отсутствии электроэнергии буферный газ требуемого давления не может быть получен, что снижает надежность и автономность газоперекачивающих агрегатов. В случае больших расходов буферного газа потребляемая мощность электропривода значительно возрастает, что увеличивает энергозатраты на газокомпрессорной станции, и в конечном итоге снижает эффективность транспортировки природного газа. В то же время в системах ГПА обращаются среды (сжатый воздух нагнетателя турбины, масло системы смазки) имеющие необходимое давление и имеющиеся в достаточном количестве, которые можно испльзовать для привода дожимающего компрессора без использования дополнительных источников энергии. Применение сжатого воздуха для привода бустерной установки более предпочтительно потому, что в сухих газодинамических уплотнениях ГПА помимо буферного газа применяется барьерный воздух, достаточного для пневмопривода давления (0,6-1,0 МПа) и в составе газокопрессорной станции (ГПА) существуют устройства для получения сжатого воздуха.
Известная установка рассчитана на обеспечение буферным газом всех газоперекачивающих агрегатов газокомпрессорной станции, в связи с чем имеет большие габаритные размеры, вес и энергопотребление. Возникает необходимость прокладки по территории газокомпрессорной станции трубопроводов буферного газа и установки ресиверов большого объема, что увеличивает расходы на строительство объекта и снижает эффективность использования компрессорной установки.
Более целесообразно в составе каждого ГПА иметь компактную бустерную установку, обеспечивающую буферным газом СГУ нагнетателя при необходимости, при этом давление нагнетания установки может быть снижено вследствие отсутствия гидравлических потерь в трубопроводах и арматуре в системе буферного газа газокомпрессорной станции, что позволяет сделать бустерную установку более компактной и эффективной.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание компактной, автономной, экономичной, эффективно работающей бустерной (дожимающей) установки для подготовки буферного (уплотняющего) природного газа, используемого в сухих газодинамических уплотнениях нагнетателей природного газа газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций магистральных газопроводов природного газа и других объектов газовой промышленности.
Предложенное техническое решение расширяет арсенал средств указанного назначения.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем.
Установка для подготовки и подачи буферного газа, используемого в сухих газодинамических уплотнениях нагнетателей природного газа магистральных газопроводов, включает систему подготовки и подачи буферного природного газа, управляемую арматуру и систему автоматического управления, при этом система подготовки и подачи буферного природного газа снабжена бустерным устройством, выполненным в виде дожимного поршневого компрессора с пневматическим приводом.
Поршневой компрессор выполнен бессмазочным, с, по меньшей мере, одним поршнем двойного действия.
Привод поршневого компрессора выполнен в виде, по меньшей мере, одного пневмоцилиндра одностороннего или двухстороннего действия.
Поршень компрессора может быть выполнен заодно с поршнем пневмопривода.
Система автоматического управления содержит пневмораспределитель во взрывозащищенном исполнении.
На выходах воздуха из пневмопривода установлены глушители.
Система подготовки и подачи буферного природного газа содержит на входе в компрессор фильтр с коалесцирующим элементом, а на выходе из компрессора - фильтр очистки от механических примесей.
Система подготовки газа содержит на входе в компрессор регулятор давления для обеспечения постоянного давления на всасывании компрессора.
Система подготовки и подачи буферного природного газа содержит на выходе компрессора регулятор давления для поддержания требуемого давления газа на выходе установки.
Система подготовки и подачи буферного природного газа содержит на выходе компрессора подогреватель газа для обеспечения требуемой температуры газа на выходе установки.
Система автоматического управления содержит средства подготовки подаваемого в пневмопривод воздуха управления.
Система автоматического управления содержит средства контроля давления воздуха управления и газа на входе и выходе установки.
Управляемая арматура включает электроприводные или пневмоприводные шаровые краны, установленные на входе и выходе газа и для сброса газа из контура компрессора на свечу,
Управляемая арматура включает установленный на выходе компрессора предохранительный сбросной клапан для предотвращения чрезмерного повышения давления газа.
Установка размещена на жестком каркасе.
Установка размещена в теплоизолированном контейнере и содержит обогревательные и вентиляционные устройства и датчики температуры, подключенные к системе автоматического управления установки.
Контейнер выполнен с двумя изолированными друг от друга отсеками.
На фиг.1 представлена принципиальная схема установки для подготовки и подачи буферного газа, используемого в сухих газодинамических уплотнениях нагнетателей природного газа магистральных газопроводов; на фиг.2 представлена заявляемая установка, расположенная на каркасе; на фиг.3 представлена схема поршневого компрессора с пневмоприводом; на фиг.4 представлена заявляемая установка, размещенная в контейнере (вид в плане).
Установка для подготовки и подачи буферного газа снабжена бустерным устройством, выполненным в виде дожимного поршневого компрессора 1 с пневматическим приводом 2.
Входной трубопровод установки 3 подключен к магистральному газопроводу (не показан), выходной трубопровод 4 установки подключен к коллектору буферного природного газа (не показан). На трубопроводе 3 последовательно по ходу газа установлены электроуправляемый клапан 5 и фильтр 6. Фильтр 6 может содержать коалесцирующие фильтрующие элементы для очистки газа на входе в компрессор от капельной влаги. На выходном трубопроводе 4 после компрессора по ходу газа установлены предохранительный клапан 7 для сброса повышенного давления газа на свечу 8, фильтр 9, управляемый клапан 10 для сброса газа на свечу 8, электроуправляемый клапан 11 и обратный клапан 12. Для отвода конденсата из фильтра 6 предусмотрен дренажный трубопровод 13 с кранами 14 и 15. Для продувки фильтра 9 установлен кран 16 для сброса загрязнений в дренажный трубопровод 13.
Подача рабочего тела в пневмопривод бустерного устройства осуществляется посредством трубопровода воздуха управления 17. Для подготовки воздуха управления может быть установлен блок подготовки (очистки, редуцирования) воздуха управления 18.
Для контроля засорения фильтров 6 и 9 могут быть установлены датчики перепада давления 19.
Для контроля за работой компрессора на трубопроводах газа 3 и 4 и трубопроводе воздуха управления 17 установлены датчики давления 20. На входном трубопроводе 3 установлен регулятор давления 21 для стабилизации давления газа на входе. На выходном трубопроводе 4 установлен регулятор давления 22 для поддержания давления газа на выходе компрессора. На выходном трубопроводе 4 может быть установлен подогреватель газа 23 для обеспечения требуемой температуры газа на выходе установки.
Система автоматического управления установки включает блок управления 24 с автоматом ввода резерва.
Компрессор с пневмоприводом для сжатия природного газа (см. фиг.3) является поршневым и выполнен сухим (без смазки цилиндропоршневой группы) с применением самосмазывающихcя уплотнительных материалов и включает один пневмоцилиндр двухстороннего действия 25, два цилиндра 26, два поршня двойного действия 27 с поршневыми кольцами из самосмазывающегося материала, два сальниковых блока 28 с сальниками из самосмазывающегося материала и возможностью сброса протечек на свечу 8. Поршни компрессора 27 могут быть выполнены заодно с поршнем пневмоцилиндра 25. Для управления подачей воздуха управления в пневмоцилиндр предназначен пневмораспределитель 29 с электрическим блоком 30. Учитывая, что в установке сжимается природный газ, электрический блок 30 пневмораспределителя 29 выполнен во взрывозащищенном исполнении. Электрический блок 30 электрически связан с блоком управления 24. Для снижения шума на выходе воздуха управления из пневмораспределителя 29 установлены глушители 31. Все узлы и системы установки размещены на жестком каркасе 32 (см. фиг.2).
Установка со всеми системами на каркасе 32 (см. фиг.4) размещена в теплоизолированном контейнере 33, содержащем два теплоизолированных отсека: технологический 34 и управления 35. В технологическом отсеке 34 размещена установка на каркасе 32 с оборудованием во взрывозащищенном исполнении, а в отсеке управления 35 размещен блок управления 24 с автоматом ввода резерва в общепромышленном исполнении. Для поддержания внутри контейнера в холодное время года требуемой температуры (минимально допустимая температура 5°С) контейнер 33 содержит электрические обогревательные устройства 36. Для принудительной вентиляции в случае высокой загазованности используется вентиляционное устройство 37, связанное электрически с блоком автоматического управления 24. Обогревательные и вентиляционное устройства 36 и 37 устройство могут регулироваться по показаниям температурного датчика 38, установленного внутри контейнера и подключенного к блоку автоматического управления установки 24. Для защиты от пожара и взрыва в контейнере может быть предусмотрена система контроля загазованности, охранно-пожарная сигнализация и взрывной клапан 39 в виде легко сбрасываемой панели контейнера, препятствующий разрушению всей установки при возможном взрыве природного газа.
Работает установка следующим образом.
Сжатый природный газ под рабочим давлением из входного магистрального газопровода от трубопровода 3 поступает через кран 5, фильтр 6, где происходит очистка газа от крупных частиц, влаги и масла. Очистка в фильтре 5 может осуществляться с применением коалесцирующего фильтрующего элемента. Проходя через материал фильтрующего элемента, капли жидкости, содержащиеся в газе, укрупняются и стекают по наружной поверхности фильтрующего элемента в полость сбора конденсата. Конденсат сбрасывается из полостей сбора конденсата через краны 14 и 15. Далее конденсат сбрасывается в дренажный трубопровод 13. После фильтра 5 газ поступает в компрессор 1, где происходит его сжатие. Сжатие газа происходит в двух в цилиндрах 26 посредством возвратно-поступательного движения поршней 27 двойного действия (часть комбинированных клапанов работает на всасывание, часть на нагнетание) с поршневыми кольцами из самосмазывающегося материала. Уплотнение поршней 27 осуществляется сальниковыми блоками 28 с сальниками из самосмазывающегося материала и возможностью сброса протечек на свечу 8. Возвратно-поступательное движение поршней 27 обеспечивается пневмоприводом 2, состоящим из одного пневмоцилиндра двойного действия 25 и поршня, выполненного заодно с поршнями компрессора 27.
Для работы пневмопривода 2 в установку по трубопроводу 17 подается сжатый воздух (давлением 0,6-1,0 МПа), который может проходить подготовку (очистку и редуцирование) в блоке подготовки воздуха управления 18. После блока подготовки воздух необходимого давления подается в пневмораспределитель 29, который поочередно подает воздух в одну и другую полость пневмоцилиндра 25 и стравливает воздух в атмосферу через глушители 31.
После компрессора 1 газ повышенного давления проходит в фильтр 9, где производится его очистка от механических частиц. Продувка фильтра 9 от загрязнений осуществляется краном 16 в дренажный трубопровод 13. При аварийном повышении давления на выходе компрессора открывается предохранительный клапан 7 и избыток газа сбрасывается на свечу 8. После фильтра 9 через кран 11 и обратный клапан 12 газ направляется по трубопроводу 4 в коллектор буферного газа - к потребителю (СГУ). Для сброса газа на свечу 8, например, после остановки компрессора, либо для обслуживания, предусмотрен управляемый кран 10.
Для контроля и управления компрессором предусмотрены датчики давления 20 на входе и выходе газа и на входе воздуха управления.
Для контроля за засорением фильтрующих элементов в фильтрах 6 и 9 предусмотрены датчики перепада давления 19. Для подогрева выходящего из компрессора газа установлен подогреватель газа 23. Для регулирования давления газа на входе и выходе установки могут быть установлены регуляторы давления 21 и 22 соответственно.
Предлагаемая установка предназначена для подготовки буферного природного газа, используемого в сухих газодинамических уплотнениях (СГУ) нагнетателей природного газа газоперекачивающих агрегатов для компрессорных станций магистральных газопроводов природного газа и других объектов газовой промышленности.
Установка может быть использована на объектах в контейнерном исполнении, либо в безконтейнерном варианте в составе газоперекачивающего агрегата (ГПА), при этом система управления установки может быть реализована в системе управления ГПА.
Предлагаемая компрессорная установка для подготовки буферного природного газа сухих газодинамических уплотнений нагнетателей природного газа может эффективно и надежно работать при изменении условий работы (рабочего давления, длительных простоях, постоянный безостановочный режим работы) в различных климатических условиях, обеспечивая необходимую производительность, давление и качество буферного природного газа, подаваемого в СГУ, увеличивая их ресурс.
Предлагаемая установка обладает высокой экономичностью и повышает автономность и надежность работы нагнетателей природного газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов природного газа.