УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ГИДРАТОВ В ПРИРОДНОМ ГАЗЕ

Настоящая полезная модель относится к области транспортировки и переработки природного газа, и в частности к средствам для предотвращения образования гидратов в природном газе перед его редуцированием в составе газораспределительного и газоиспользующего оборудования, применяемого на объектах газовой промышленности, например в составе газораспределительных станций (ГРС) и блоков подготовки газа на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов.
Известно, что при редуцировании природного газа происходит образование гидратов, которые в виде твердых кристаллов оседают на стенках трубопроводов в местах установки ссужающих устройств, на клапанах регуляторов давления газа, в импульсных линиях контрольно-измерительных приборов (КИП). Наиболее благоприятные условия для образования гидратов возникают при падении температуры и давления, что влечет за собой уменьшение как упругости водяных паров, так и влагоемкости газа, в результате чего происходит образование гидратов.
В качестве методов по предотвращению гидратообразования применяют общий или частичный подогрев газа, местный подогрев корпусов регуляторов давления и ввод метанола в коммуникации газопровода.
Наиболее широко применим первый метод, второй менее эффективен, третий - очень дорогостоящий (Данилов А.А. Автоматизированные газораспределительные станции: Справочник. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2004, стр.16).
Для общего нагрева газа в газовой промышленности применяют водяные и огневые подогреватели.
Водяные подогреватели представляют собой теплообменные аппараты кожухотрубчатого типа, в которых в качестве теплоносителя применяется вода либо незамерзающая жидкость, которая подогревается в газовых водогрейных котлах различных модификаций (там же).
Недостатками указанных устройств является то, что для осуществления нагрева в составе узла подогрева газа необходимы мощные котельные установки и постоянные инженерные коммуникации по водо- и теплоснабжению, а также то, что даже при близком расположении теплообменников и котельной установки и хорошей теплоизоляции происходят потери тепла транспортируемого по трубопроводам горячего теплоносителя.
Известны огневые подогреватели прямого нагрева газа, содержащие огневую камеру, состоящую из основания, боковых и торцевых стенок, змеевик, горелку, байпасную линию, установку термобаллонов, контрольно-запальное устройство, дымовую трубу, блок автоматики контрольно-запального устройства и автоматику регулирования, включающую отсекатель, фильтр, регулятор давления, регулятор температуры, сбросной и электромагнитный клапаны и терморегулятор (там же, стр.18).
Недостатком известных подогревателей с прямым подогревом природного газа является, прежде всего, высокая опасность применения прямого нагрева газа. Поэтому прямой нагрев природного газа (без промышленного теплоносителя) в огневом подогревателе запрещен нормативными документами (Типовые технические требования на проектирование компрессорных станций (КС), дожимных компрессорных станций (ДКС) и дожимных компрессорных станций подземных хранилищ газа (ДКС ПХГ) ВРД 39-1.8-055-2002, п.7.6.6). Опасность связана с
возможностью превышения предельной температуры газа при снижении расхода газа и при нерасчетных режимах, а применяемая автоматика регулирования может не успевать за изменением параметров, так как скорость их изменения и инерционность процесса нагрева достаточно большие. Дополнительная опасность связана с тем, что даже при незначительной негерметичности, которую могут вызывать температурные деформации змеевика, происходит контакт природного газа с открытым пламенем, что влечет за собой пожар или взрыв.
Известны устройства общего нагрева газа, в которых нагрев осуществляется в кожухотрубчатом теплообменнике с непосредственным огневым подогревом, при этом экономию тепла осуществляют за счет уменьшения перепада давления на регуляторе давления, установленном на выходе из теплообменника, посредством увеличения затрат потенциальной энергии давления газа при его движении в нагреваемых каналах теплообменника за счет перераспределения расхода нагреваемого газа по отдельным теплообменным трубам пропорционально теплонапряженности их стенок, с учетом величины располагаемого давления газа на входе в теплообменник (патент РФ №2251644, публ. 2005 г.).
Недостатком известных подогревателей с прямым подогревом природного газа является высокая опасность их применения. Также недостатком является то, что при дросселировании газа внутри трубных пучков подогревателя газа происходит снижение давления, которое трудно контролировать и регулировать, так как при неизменном (нерегулируемом) проходном сечении, определяемом в основном геометрическими размерами применяемых трубок, перепад давления будет сильно изменяться при изменении входного давления и расхода подогреваемого газа. При этом расход и давление газа на входе в ГРС либо БПТГ в процессе работы может значительно меняться. Стоит также отметить, что потребная мощность на
подогрев газа остается неизменной, так как требуемый подогрев (Δt) в соответствии с законом Джоуля-Томпсона определяется суммарным падением давления от входа ГРС до его выхода (АР) и не имеет значения в каком из устройств (в подогревателе или редукторе) будет происходить редуцирование.
Известны электрические нагреватели для удаления гидрато-парафиновых образований из нефтяной или газовой скважины (патент РФ №2178062, публ. 2002 г.; патент РФ №2177533, публ. 2001 г.). Такие нагреватели содержат термоэлектрический нагреватель (ТЭН), в корпус которого залит высокотеплопроводный металл. Носовая часть нагревателя выполнена в виде конуса со смещенным центром, с резьбовой нарезкой на наружной поверхности, с прорезями на фланце со стороны, противоположной смещению центра носовой части, с выступающей частью фланца со стороны смещенного центра и с продольными и/или фигурными канавками на внутренней поверхности. На наружной и внутренней поверхностях трубчатого корпуса нарезаны со взаимным смещением винтовые канавки.
Известно также устройство для растопления гидратно-парафиновых пробок в насосно-компрессорных трубах нефтяных и газовых скважин, содержащее трубчатый корпус с установленными в нем электрическими нагревательными элементами и заполненный теплопроводным материалом, при этом корпус устройства заполнен теплопроводным материалом во всем объеме, внутри корпуса выполнены проходные отверстия с выходом в нижней торцевой части и на боковые стороны в верхней части корпуса, а электрические нагревательные элементы соединены между собой в нижней торцевой части корпуса и выполнены с уплотненной спиралью в зоне их соединения (патент РФ №6019, публ. 1998 г.).
Известные устройства приспособлены не для подогрева газа, а предназначены для разогрева и разложения твердых гидратных пробок.
Целью предлагаемой полезной модели является создание компактного устройства для подогрева природного газа перед его редуцированием в системе газораспределительных станций (ГРС) и блоков подготовки газа на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов, обеспечивающего предотвращение образования гидратов.
Предлагаемое устройство расширяет арсенал технических средств, используемых на объектах газовой промышленности для предотвращения образования гидратов в природном газе, позволяет сократить затраты природного газа на подогрев, уменьшить габаритные размеры системы подогрева газа, сократить выбросы продуктов сгорания в атмосферу.
Сущность предложенного технического решения заключается в следующем.
Устройство для предотвращения образования гидратов в природном газе перед его редуцированием в системе газораспределительных станций (ГРС) и блоков подготовки газа на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов содержит цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками газа и размещенный внутри корпуса электрический подогреватель газа. Электрический подогреватель газа выполнен в виде трубчатых термоэлектрических нагревательных элементов (ТЭНов), на которых равномерно по длине корпуса закреплены промежуточные перегородки, имеющие форму усеченного круга, диаметр которого меньше, чем внутренний диаметр корпуса, а площадь каждой усеченной перегородки составляет 0,5-0,9 площади круга.
Нагревательные элементы могут быть выполнены стержневыми трубчатыми, или U-образными.
U-образные нагревательные элементы могут иметь форму спирали.
Нагревательные элементы могут быть выполнены оребренными.
Электрический подогреватель газа выполнен во взрывозащищенном исполнении.
Одна из промежуточных перегородок размещена напротив входного патрубка для обеспечения разделения входного потока газа внутри корпуса в противоположных направлениях.
Наружная поверхность корпуса выполнена с теплоизоляцией.
Устройство снабжено датчиком температуры, контролирующим температуру наружной оболочки нагревательных элементов.
На фиг.1 показано предлагаемое устройство; на фиг.2 - сечение АА на фиг.1.
Предлагаемое устройство содержит корпус 1 с приваренными подводящим патрубком 2 и отводящим патрубком 3. Внутри корпуса 1 размещены термоэлектрические нагревательные элементы (ТЭНы) 4, приваренные к крышке 5. Крышка с закрепленными ТЭНами устанавливается и закрепляется в корпусе 1 при помощи фланцевого соединения. Для обеспечения достаточной продолжительности пребывания газа в подогревателе, для формирования потока перпендикулярно оси ТЭНов, и для дополнительной турбулизации потока нагреваемого газа, на пучке ТЭНов установлены промежуточные решетчатые перегородки 6. Перегородки имеют форму усеченного круга, диаметр Дп которого составляет 0,9 - 0,99 внутреннего диаметра Дк корпуса. Площадь каждой усеченной перегородки составляет 0,5-0,9 площади круга.
2
Для контроля за температурой газа и температурой оболочки нагревательных элементов в нагревателе предусмотрены соответствующие датчики 7. Подача электропитания на ТЭНы осуществляется через головку 8 во взрывозащищенном исполнении. Конструкция подогревателя (применяемые разъемные и неразъемные соединения) обеспечивает его работу при повышенных (до 120 кгс/см) давлениях.
Увеличение надежности крепления ТЭНов в подогревателе обеспечивается тем, что участок ТЭНа, приваренный к фланцу, имеет холодный участок в месте прохода через фланец, а одна из промежуточных перегородок размещена у входного патрубка так, что входящий поток газа дополнительно охлаждает холодный участок ТЭНов, и, таким образом, исключаются температурные деформации в месте закрепления ТЭНов.
Для увеличения поверхности и эффективности теплообмена в качестве нагревательных элементов могут применяться оребренные U-образные или стержневые ТЭНы, а также U-образные ТЭНы, имеющие форму спирали.
Для обеспечения возможности регулирования и безопасности эксплуатации подогреватель содержит датчики температуры, контролирующие температуру наружной оболочки ТЭНов и температуру выходящего природного газа.
С целью обеспечения безопасности эксплуатации могут применяться ТЭНы, имеющие во всем диапазоне рабочих напряжений температуру наружной оболочки не выше температуры, обеспечивающей безопасный нагрев природного газа.
Подогреватель также содержит прибор управления (не показан), обеспечивающий безопасное функционирование и регулирование температуры выходящего газа на основании сигналов датчиков температуры.
Работа подогревателя природного газа осуществляется следующим образом.
Природный газ после очистки и до редуцирования поступает в подогреватель газа через входной патрубок 2. При этом, благодаря установленной напротив входного патрубка распределительной решетке 6, поток разделяется и часть холодного газа направляется к месту крепления ТЭНов для их охлаждения. Основная часть потока по каналу образованному корпусом 1 и распределительными решетками 6 обтекает ТЭНы, нагреваясь,
таким образом, до заданной температуры. Температура природного газа и наружных оболочек ТЭНов контролируется установленными на выходе подогревателя датчиками температуры 7. По показаниям датчиков температуры прибором управления осуществляется регулирование температуры природного газа и безопасная эксплуатация подогревателя.
Предложенное устройство обеспечивает надежное предотвращение образования гидратов в природном газе при его редуцировании.
Предложенное устройство для подогрева газа расширяет арсенал технических средств, применяемых на объектах газовой промышленности для предотвращения образования гидратов в природном газе, позволяет отказаться от затрат природного газа на подогрев и выбросов вредных веществ (продуктов сгорания) в окружающую среду. При этом устройство подогрева газа имеет незначительные по сравнению с используемыми средствами габаритные размеры.