СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДАЧИ ОДОРАНТА ГАЗА В ГАЗОПРОВОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
GAS ODORANT AUTOMATIC SUPPLY INTO PIPELINE METHOD AND EQUIPMENT FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к трубопроводному транспорту, а именно к способам и установкам для дозированного ввода химреагентов в транспортируемый природный газ, и может быть использовано в газовой промышленности на газораспределительных станциях для подачи одоранта в поток газа с целью придания ему запаха.
Известен способ автоматической одоризации газа в газопроводе, при котором дозированный расход жидкости осуществляется непрерывно, а для регулирования величины этого расхода используют настроечное гидравлическое сопротивление (Справочник машиностроителя под ред. Н.С.Ачеркана. - М.: Машгиз, 1960, Т.2, с.649-651). К числу устройств, использующих такой способ, можно отнести, например, капельный одоризатор, в котором в качестве настроечного гидравлического сопротивления используют калиброванное сопло или игольчатый вентиль (Алиев Р.А. Белоусов В.Д. и др. Трубопроводный транспорт нефти и газа. - М.: Недра, 1988, с.89-93).
К недостаткам указанного способа и устройства относятся:
- зависимость величины расхода жидкости от величины перепада давления на настроечном гидравлическом сопротивлении, что требует учета этого дополнительного фактора при настройке величины расхода жидкости;
- сложная, в общем случае - индивидуальная, зависимость гидравлических характеристик настроечного гидравлического сопротивления от геометрии его проточной части (для игольчатого вентиля - от перемещения регулирующего органа), что в большинстве случаев требует проведения индивидуальной тарировки этого гидравлического сопротивления;
- возможность засорения настроечного гидравлического сопротивления в процессе эксплуатации и изменения вследствие этого его гидравлических характеристик, что требует проведения регулярных поверочных тарировок устройства.
Известен способ, при котором дозированную подачу жидкости осуществляют дискретно путем периодического заполнения от источника жидкости и опорожнения в магистраль потребителя мерной емкости постоянного объема, гидравлически связанной с нижней точкой источника жидкости и магистралью потребителя через обратные клапаны (Measurement training manual. Natural gas odorisation. Edited by C.F. Drake. Houston, Texas, United gas pipeline company. Measurement dept. Measurement Training Center, 1989, v.1, p.5-3, p.4-8). При этом величину расхода жидкости регулируют путем настройки частоты циклов заполнения и опорожнения мерной емкости, а также объема этой емкости. К числу устройств, реализующих данный способ, можно отнести, например, насосные системы подачи жидкости с регулированием частоты вращения привода насоса (Энциклопедия газовой промышленности. Под ред. К.С.Басниева. - М.: АО "ТВАНТ", 1994, с.567-570). В таких системах заполнение и опорожнение мерной емкости происходят в результате перемещения в ней поршня или плунжера.
Недостатками рассмотренного способа и устройства являются:
- наличие подвижных элементов и пар трения, работающих в среде подаваемой жидкости;
- наличие регулируемого привода насоса, преобразующего исходный вид энергии в возвратно-поступательное движение поршня или плунжера с заданной частотой.
Указанные недостатки усложняют и удорожают рассматриваемое устройство, тем самым ограничивают область применения этих устройств и заложенных в них способов.
Наиболее близким к заявляемому является способ автоматической подачи одоранта газа в газопровод, включающий подачу жидкости в газопровод с помощью мерной емкости, которую периодически заполняют жидкостью из сосуда и опорожняют в газопровод низкого давления путем создания давления газа в верхней точке мерной емкости за счет наддува ее газовой подушки от газопровода высокого давления и последующего дренажа этой подушки в газопровод низкого давления (RU 66002 U1, ОАО «ТУРБОГАЗ», 26.02.2007).
Этому способу соответствует устройство, содержащее сосуд с жидкостью, связанный гидролинией с мерной емкостью, имеющей датчик уровня жидкости в ней, газовый редуктор, регулирующую аппаратуру, и сообщающие их магистрали, подключенные также к газопроводу с установленным в нем регулятором давления, разделяющим его на газопровод высокого давления и газопровод низкого давления с установленным в последнем блоком измерения расхода газа, при этом газопровод высокого давления связан с газовым редуктором через первую магистраль, а газопровод низкого давления связан с верхней точкой сосуда через вторую магистраль и второй гидролинией с нижней точкой мерной емкости, причем верхняя точка мерной емкости расположена выше верхней точки сосуда и связана с ней через третью магистраль (RU 66002 U1, ОАО «ТУРБОГАЗ», 26.02.2007).
Недостатком известного способа и устройства является нерегулируемость величины и длительности импульса давления газа при открытии клапана. Этот недостаток вызван следующими причинами:
1. Время, в течение которого осуществляется течение газа через клапан, определяется не только временем подачи на привод этого клапана электрического импульса, но и инерционностью срабатывания этого клапана, зависящей как от конструкции клапана, так и от степени его износа (Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. Под ред. Г.Г.Гахуна. - Москва, Машиностроение, 1989 - с.328, 329). Таким образом, точность регулирования длительности импульса давления газа ограничена временем открытия и закрытия клапана.
2. Наличие негерметичности клапана, например, вследствие износа его уплотнений ведет к возникновению постоянных перетечек газа через эти уплотнения, в том числе при закрытом состоянии клапана.
3. Отказ клапана или отказ блока управления при открытом состоянии клапана может привести к возникновению постоянного потока газа через этот клапан.
Нерегулируемость величины и длительности импульса давления газа приводит к следующим явлениям:
1. При открытии клапана может происходить унос жидкости в газовые магистрали и нарушение штатного режима работы устройства.
2. Охлаждение газа при его расширении в результате дроссель-эффекта может привести к возникновению в магистралях устройства ледяных или гидратных пробок, изменяющих гидравлические характеристики магистралей.
Другим недостатком известного способа и устройства является наличие в мерной емкости объема переменной заправки, что приводит к изменению расхода жидкости, поступающей в газопровод по мере израсходования жидкости.
Технической задачей изобретения является повышение надежности функционирования и расширение области применения способа автоматической подачи одоранта газа в газопровод и устройства для его реализации - одоризатора.
Другой технической задачей изобретения является повышение точности дозирования жидкости путем учета переменной составляющей объема жидкости в мерной емкости.
Поставленная задача решается и технический результат достигается за счет того, что в способе автоматической подачи одоранта газа в газопровод, включающем подачу жидкости в газопровод с помощью мерной емкости, которую периодически заполняют жидкостью из сосуда и опорожняют в газопровод низкого давления путем создания давления газа в верхней точке мерной емкости за счет наддува ее газовой подушки от источника газа высокого давления и последующего дренажа этой подушки в приемник газа низкого давления, новым является то, что регулируют величину и продолжительность импульсов давления газа, создаваемых в верхней точке мерной емкости путем порционной подачи газа, в качестве источника газа высокого давления используют замкнутый объем емкости порционного дозирования газа, а в качестве приемника газа низкого давления используют сосуд с жидкостью.
Поставленная задача решается также и тем, что устройство для реализации способа содержит сосуд с жидкостью, связанный гидролинией с мерной емкостью, имеющей датчик уровня жидкости в ней, газовый редуктор, регулирующую аппаратуру, и сообщающие их магистрали, подключенные также к газопроводу с установленным в нем регулятором давления, разделяющим его на газопровод высокого давления и газопровод низкого давления с установленным в последнем блоком измерения расхода газа, при этом газопровод высокого давления связан с газовым редуктором через первую магистраль, а газопровод низкого давления связан с верхней точкой сосуда через вторую магистраль и второй гидролинией с нижней точкой мерной емкости, причем верхняя точка мерной емкости расположена выше верхней точки сосуда и связана с ней через третью магистраль, при этом новым является то, что устройство снабжено емкостью порционного дозирования газа и блоком управления, регулирующая аппаратура выполнена в виде нормально закрытого и нормально открытых клапанов с электроприводом, при этом нижняя точка сосуда связана с нижней точкой мерной емкости через гидролинию с установленным в ней нормально открытым клапаном, а в третьей магистрали, связывающей верхнюю точку сосуда с верхней точкой мерной емкости, установлен другой нормально открытый клапан, верхняя точка мерной емкости связана через нормально закрытый клапан с емкостью порционного дозирования газа, которая связана через третий нормально открытый клапан с газовым редуктором, а блок управления связан электрическими линиями с электроприводами клапанов, с блоком измерения расхода газа и с датчиком уровня жидкости.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности функционирования и расширение области применения способа автоматической подачи одоранта газа в газопровод и устройства для его реализации за счет регулирования величины и продолжительности импульсов давления газа, создаваемых в верхней точке мерной емкости путем порционной подачи газа от источника газа высокого давления в верхнюю точку мерной емкости. Технический результат достигается тем, что в качестве источника газа высокого давления используют замкнутый объем газа с регулируемым давлением этого объема, который целиком заполняют и опорожняют при каждом срабатывании клапана. Технический результат достигается также и тем, что при работе устройства измеряют объем жидкости в мерной емкости и корректируют с учетом этого объема частоту следования импульсов давления газа.
На фиг.1 показана схема выполнения устройства для реализации способа автоматической подачи одоранта газа в газопровод.
На фиг.2 показан характерный вид управляющих сигналов блока управления.
Устройство имеет в своем составе сосуд 1 с жидкостью 2. Нижняя точка сосуда 1 связана с нижней точкой мерной емкости 3 через гидролинию 4 и нормально открытый клапан 5 с электроприводом 6. Нижняя точка мерной емкости 3 сообщена с газопроводом низкого давления 7 через вторую гидролинию 8, верхняя точка которой расположена выше верхней точки сосуда 1. Газопровод высокого давления 9 связан с газопроводом низкого давления 7 через регулятор давления 10. Газовый редуктор 18 связан с газопроводом высокого давления 9 через первую магистраль 21. Газопровод низкого давления 7 связан с верхней точкой сосуда 1 через вторую магистраль 11. Верхняя точка мерной емкости 3 связана с верхней точкой сосуда 1 через третью магистраль 12 и нормально открытый клапан 13 с электроприводом 14. Верхняя точка мерной емкости 3 связана с емкостью порционного дозирования газа 15 через нормально закрытый клапан 16 с электроприводом 17. Емкость 15 связана с газовым редуктором 18 через нормально открытый клапан 19 с электроприводом 20. Устройство имеет в своем составе блок измерения расхода газа 22, например электромагнитный преобразователь расхода, который связан с блоком управления 23 электрической линией 24. Мерная емкость 3 оснащена датчиком 25 уровня жидкости в этой емкости. Датчик уровня жидкости 25 связан с блоком управления 23 электрической линией 26. Блок управления 23 связан с электроприводами 6, 14, 17, 20 электрическими линиями 27, 28, 29 и 30 соответственно.
На фиг.2 представлена характерная форма сигнала, поступающего от блока управления 23 на приводы 6, 14, 17, 20. На фиг.2 приняты следующие обозначения:
U - напряжение;
t - время;
1
U - электрическое напряжение срабатывания электроприводов 6, 14, 17, 20;
1
1
T=const - период времени, когда от блока управления 23 на электроприводы 6, 14, 17, 20 поступает напряжение U;
2
Т=var - период времени, когда напряжение на электроприводах 6, 14, 17, 20 отсутствует.
1
2
Для величин T и Т справедливо:
1≥
1потр,
ТT
2
2потр,
T≥Т
1потр
2потр
где T Т - времена, потребные соответственно для полного опорожнения и заполнения мерной емкости 3.
Из фиг.2 видно, что
1
2
2
1
1,
Т=T+T=var; t=t+T
где Т - общий период времени прохождения электрического импульса;
1
t - момент времени подачи напряжения на электроприводы 6, 14, 17, 20;
2
t - момент времени снятия напряжения с электроприводов 6, 14, 17, 20.
7
7
1
Устройство для осуществления способа работает следующим образом. Пусть по газопроводу низкого давления 7 осуществляют транспорт газа с переменным массовым расходом Q. Блок измерения расхода газа 22 измеряет величину Q и преобразует значение этой величины в электрический сигнал, поступающий на вход блока управления 23. Одновременно на вход блока управления 23 поступает сигнал с датчика уровня жидкости 25, характеризующий уровень жидкости 2 в мерной емкости 3. Поскольку геометрия мерной емкости 3 постоянна, сигнал с датчика уровня жидкости 25 однозначно определяет массу жидкости 2, находящейся в мерной емкости 3. Опрос датчика уровня жидкости 25 блоком управления 23 происходит в момент времени, предшествующий моменту t, т.е. предшествующий подаче напряжения на электроприводы 6, 14, 17, 20.
Блок управления 23 осуществляет преобразование по требуемой зависимости входных электрических сигналов от блока измерения расхода газа 22 и датчика уровня жидкости 25 в частоту f=1/Т электрических импульсов, поступающих на электроприводы 6, 14, 17, 20. Это приводит к периодическому открытию и закрытию клапанов 5, 13, 16, 19 по требуемой циклограмме.
Пусть в исходном положении сигнал от блока управления 23 отсутствует (клапаны 5, 13 и 19 открыты, а клапан 16 закрыт), давления в верхних точках мерной емкости 3 и сосуда 1 равны, нижние точки сосуда 1 и мерной емкости 3 сообщены. Сосуд 1 и мерная емкость 3 образуют систему сообщающихся сосудов. В результате жидкость 2 самотеком поступает из сосуда 1 через гидролинию 4 и клапан 5 в мерную емкость 3 до выравнивания уровней жидкости в сосуде 1 и емкости 3. Газ из газопровода высокого давления 9 через первую магистраль 21, газовый редуктор 18, клапан 19 заполняет объем емкости порционного дозирования газа 15. Давление газа в емкости порционного дозирования газа 15 в исходном положении определяется настройкой газового редуктора 18.
15
ред18
P=Р,
15
где P - давление газа в емкости порционного дозирования газа 15;
ред18
Р - давление настройки газового редуктора.
Давление в газопроводе низкого давления 7 определяется настройкой регулятора давления 10.
7
рег10
Р=Р,
7
где P - давление газа в газопроводе низкого давления 7.
рег10
P - давление настройки регулятора давления 10.
рег18
рег10
1потр
Регулятор давления 10 и газовый редуктор 18 настраивают таким образом, чтобы расширение порции газа в емкости порционного дозирования газа 15 от давления P до давления Р приводило к полному вытеснению жидкости 2 из мерной емкости 3 в газопровод низкого давления 7 через вторую гидролинию 8 за время, меньшее или равное T.
Газ из газопровода низкого давления 7 поступает через вторую магистраль 11 в верхнюю точку сосуда 1, давление в верхней точке 1 уравнено с давлением в газопроводе низкого давления 7.
1
15
7
После этого в момент времени t по сигналу от блока управления 23 происходит переключение клапанов 5, 13, 16 и 19 (открытие клапана 16 и закрытие клапанов 5, 13 и 19). При этом газ из емкости порционного дозирования газа 15 поступает через клапан 16 в верхнюю точку мерной емкости 3. В результате под действием перепада давления между емкостью порционного дозирования газа 15 и газопроводом низкого давления 7 (P-P) происходит вытеснение жидкости 2 газом из мерной емкости 3 в газопровод низкого давления 7.
2
3
После опорожнения мерной емкости 3 в момент времени t сигнал от блока управления 23 снимают и цикл "заполнение емкости 3 - опорожнение емкости 3" повторяется. Таким образом, однократное переключение клапанов приводит к поступлению в газопровод низкого давления 7 объема жидкости, находящейся в мерной емкости 3 V.
Для осредненного за период Т массового расхода жидкости 2 можно
записать:
cp
3
cp
3
Q=ρV/T=Q(T, V),
cp
где Q - средний расход жидкости 2;
ρ - плотность жидкости 2;
3
V - объем жидкости 2, находящийся в мерной емкости 3;
Т - общий период времени прохождения электрического импульса.
cp
3
Таким образом, существует однозначная зависимость между величинами Q, Т и V, что доказывает работоспособность заявляемого устройства, т.е. возможность регулирования расхода жидкости 2 в газопровод низкого давления 7 путем регулирования частоты f следования сигналов, поступающих от блока управления 23 на электроприводы клапанов 6, 13, 16 и 19 при переменной степени заправки мерной емкости 3 и при переменном расходе газа по газопроводу низкого давления 7.
7
7
Считаем, что за период Т величина Q остается постоянной (т.е. период времени Т пренебрежимо мал по сравнению с характерным временем изменения величины Q).
тр
тр
Полагая, что массовая концентрация жидкости 2 в газе, транспортируемом по газопроводу низкого давления 7, определяется отношением массы жидкости, поступившей в газопровод низкого давления 7 за период Т, к массе газа, прошедшего по газопроводу низкого давления 7 за тот же период, определяем частоту f, необходимую для поддержания требуемой массовой концентрации K жидкости 2 в газе, транспортируемом по газопроводу низкого давления 7.
тр
cp
7
3
7
3
тр
7,
K=Q/Q=ρV/(TQ)=ρVf/Q
тр
тр
7
3,
f=КQ/(ρV)
тр
где К - требуемая массовая концентрация;
cp
Q - средний расход жидкости 2;
7
Q - переменный массовый расход, проходящий по газопроводу низкого давления 7;
ρ - плотность жидкости 2;
3
V - объем жидкости 2 находящийся в мерной емкости 3;
Т - общий период времени прохождения электрического импульса;
тр
f - требуемая частота.