Устройство для подводного охлаждения потока углеводородной смеси и способ подводного охлаждения потока углеводородной смеси
DEVICE FOR UNDERWATER COOLING OF FLOW OF HYDROCARBON MIXTURE AND METHOD OF UNDERWATER COOLING OF FLOW OF HYDROCARBON MIXTURE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к аппаратам подводного охлаждения углеводородной смеси, и может быть использовано в нефтедобывающей, газодобывающей, нефтеперерабатывающей, газоперерабатывающей и других отраслях промышленности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из существующего уровня техники известно устройство, относящееся к подводному теплообменнику и раскрытое в документе WO 2010/002272 А1 (опубликован 07.01.2010).
Известный из упомянутого документа теплообменник включает конвекционную теплообменную секцию в виде трубного пучка, предназначенную для теплообмена между перекачиваемым флюидом внутри труб трубного пучка и окружающей водой на противоположной стороне стенки труб трубного пучка, а также конвекционную теплообменную секцию со входом и выходом для морской воды, окруженную кожухом. Кроме того, известный теплообменник снабжен средством для управления сквозным потоком окружающей морской воды от входа к выходу морской воды в виде насоса. Посредством изменения частоты вращения привода насоса или путем управления дроссельным клапаном оператор может контролировать скорость теплообмена между флюидом, протекающим через конвекционную теплообменную секцию, и морской водой.
Недостатками данного технического решения являются: существенное снижение теплоотдачи при остановке насоса перекачки морской воды ввиду отсутствия требуемого потока морской воды; неэффективное использование процесса конвективного теплообмена из-за наличия кожуха с одним входным отверстием для морской воды; неиспользование эффекта увеличения теплообмена за счет противотока между потоком углеводородной смеси и хладоносителем; неравномерное распределение расходов по теплообменным трубам; разные скорости потоков в теплообменных трубах и подводящем и отводящем коллекторах.
Также, из документа US 2012/0103621 А1 (опубликован 03.05.2012) известна подводная система с подводным охладителем и метод для очистки подводного охладителя, которая содержит подводный охладитель и компрессор, расположенные последовательно в поточной линии системы. Известная подводная система дополнительно содержит линию рециркуляции, которая сконфигурирована так, что часть текучей среды с линии нагнетания компрессора рециркулируется обратно в подводящую линию подводного охладителя. Рециркуляционная линия используется для регулирования производительности компрессора и очистки подводного охладителя. В системе предусмотрено несколько вариантов подводных охладителей. В одном из вариантов охладитель содержит вертикальный трубопровод, соединенный с подводящим трубопроводом. После вертикального трубопровода установлен распределительный трубопровод, который разделяет поток жидкости в вертикальной трубе на три ветви. К каждой ветви распределительного трубопровода подключен впускной коллектор. Аналогичным образом подводный охладитель содержит отводящий трубопровод, который соединен с объединенным коллектором. К объединенному коллектору подсоединены три выпускных коллектора, которые предпочтительно расположены в более низком положении, чем впускные коллекторы. Между впускным коллектором и выпускным коллектором проходят теплообменные трубы. Подводный охладитель сконфигурирован таким образом, что теплообменные трубы подвергаются воздействию окружающей морской воды. Теплообменные трубы предпочтительно устанавливаются вертикально. Выпускные коллекторы и впускные коллекторы имеют наклон относительно горизонтальной плоскости. Практически вертикальная конфигурация теплообменных труб и наклонная конфигурация выходного коллектора и входного коллектора облегчают удаление песка и отложений из подводного охладителя. Подводный охладитель может иметь несколько секцией охлаждения. Подводный охладитель снабжен клапанными устройствами, которые сообщаются с системой управления для контроля и регулирования потоков. В другом варианте подводный охладитель содержит восемь охлаждающих секций, каждая из которых содержит впускной коллектор, имеющий подъем, и выпускной коллектор. Между впускным коллектором и выпускным коллектором каждой охлаждающей секции предусмотрены теплообменные трубы. Работает охладитель следующим образом. Охлаждаемая жидкость протекает по стояковой трубе. В верхней части поток жидкости разделяется и течет по четырем трубам в распределительные коллекторы четырех охлаждающих секций. После этого поток жидкости распределяется по охлаждающим секциям и стекает вниз по теплообменным трубам, которые подвергаются воздействию окружающей морской воды. Подводный охладитель снабжен одним или несколькими клапанными устройствами для контроля и регулирования потоков в каждой секции. Недостатками известных из документа US 2012/0103621 А1 технических решений являются существенное снижение теплоотдачи из-за: отсутствия принудительного движения потока морской воды; отсутствия направленного движения потока при естественной конвекции ввиду отсутствия кожуха; неиспользования эффекта противотока между потоком углеводородной смеси и хладоносителем; разных значений скоростей потока в теплообменных трубах, коллекторах и распределительных трубопроводах; образования отложений и застойных зон ввиду наличия резких изменений направления движения потока, когда горизонтальный подводящий трубопровод переходит в вертикальный.
Наиболее близким к заявленному изобретению является подводный охладитель, известный из документа US 2010/0252227 А1 (опубликован 07.10.2010).
Указанный подводный охладитель имеет вход для потока горячего флюида, выход для охлажденного флюида, охлаждающий блок, содержащий несколько змеевиков теплообменных труб, подвергаемых воздействию морской воды для охлаждения горячего флюида, а также средство для генерации потока морской воды через змеевики. Упомянутое средство для генерации потока морской воды через змеевики состоит из гребного винта и вращательного исполнительного механизма. Гребной винт устроен так, что при его работе он создает желаемый поток морской воды через змеевики, расположенные в морской воде. Охлаждающий блок известного охладителя заключен в кожух, или змеевики охлаждающего блока расположены в кожухах. Такая конфигурация позволяет направлять поток морской воды через змеевики теплообменных труб. Недостатками данного технического решения являются: существенное снижение теплоотдачи при остановке средства перекачки морской воды ввиду отсутствия требуемого потока морской воды; неэффективное использование процесса конвективного теплообмена из-за наличия кожуха с одним входным отверстием для морской воды; неиспользование эффекта увеличения теплообмена за счет противотока между потоком углеводородной смеси и хладоносителем; неравномерное распределение расходов по теплообменным трубам; разные скорости потоков в теплообменных трубах и подводящем и отводящем коллекторах.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание способа для подводного охлаждения потока углеводородной смеси и устройства для его реализации, конструктивные особенности которого позволяют максимизировать охлаждение потока углеводородной смеси и увеличить эффективность теплообмена между перекачиваемым флюидом как при работающем средстве генерирования потока морской воды, так и при неработающем средстве генерирования потока морской воды.
Упомянутая техническая проблема решается за счет того, что заявленное изобретение имеет в своем составе кожух специальной конструкции, имеющий расширение и дополнительные отверстия между входом и выходом кожуха с патрубками, а также вертикальные теплообменные секции, в которых происходит равномерное разделение расходов с обеспечением близкой скорости потока во всех трактах теплообменного пучка, при этом поток флюида направляется по теплообменным секциям по направлению сверху вниз, а генерируемый поток морской воды - по направлению снизу вверх, обеспечивая таким образом противоточную схему движения.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в увеличении теплового потока через поверхность теплообмена за счет обеспечения противоточной схемы движения теплоносителей, дополнительного поступления более холодных потоков морской воды через промежуточные между входом и выходом кожуха отверстия с патрубками и обеспечение равномерного теплообмена по сечениям охладителя ввиду одинаковых скоростей как потока углеводородной смеси, так и потока окружающей морской воды.
Также, посредством заявленного изобретения достигается увеличение эффективности теплообмена за счет:
прямолинейной конфигурации нижнего пояса кожуха, что обеспечивает стабилизацию потока для дальнейшего прямолинейного распространения вдоль теплообменных трубок,
восходящей ориентации патрубков подачи морской воды в сторону кожуха, что обеспечивает движение более холодных масс морской воды внутрь кожуха,
вертикальной компоновки теплообменных трубок и кожуха, наличия принудительного потока морской воды, что минимизирует обрастание устройства морскими организмами.
Кроме того, вертикальная компоновка теплообменных трубок и кожуха, а также расположение подводящего и отводящего трубопровода с диаметрально противоположных сторон, позволяет обеспечить возможность линейного расположения устройства относительно сопряженного оборудования, что упрощает компоновку на станции и обеспечивает оптимизацию размещения устройства на станции.
Негерметичный кожух обеспечивает близкие значения давления снаружи и внутри кожуха, что минимизирует толщину стенки кожуха и упрощает процессы изготовления и монтажа.
Выполнение теплообменных секций в виде одинаковых модулей обеспечивает унификацию охладителей, при этом их взаимная компоновка позволяет предусмотреть полости для вертикального размещения опорных и несущих элементов, что обеспечивает снижение общих габаритов устройства.
Более подробно, указанная проблема и заявленный технический результат соответственно решается и достигается за счет того, что устройство для подводного охлаждения потока углеводородной смеси содержит:
кожух и средство генерирования потока морской воды, выполненные с возможностью направления потока морской воды, причем
кожух содержит:
патрубки интенсификации притока морской воды,
нижний пояс,
верхний пояс,
средний пояс с расширением,
отверстие для вывода отводящего трубопровода;
подводящий трубопровод,
отводящий трубопровод,
множество вертикально расположенных пучков теплообменных трубок,
причем каждый из множества пучков теплообменных трубок содержит множество первых теплообменных секций, каждая из которых содержит множество вторых теплообменных секций, каждая из которых содержит множество теплообменных трубок;
множество первых верхних коллекторов и множество вторых верхних коллекторов;
множество первых нижних коллекторов и множество вторых нижних коллекторов;
при этом множество пучков теплообменных трубок, множество коллекторов, подводящий трубопровод и отводящий трубопровод выполнены с возможностью направления потока углеводородной смеси в направлении, противоположном направлению потока морской воды, с обеспечением последовательных равномерного разделения указанного потока по теплообменным трубкам после подводящего трубопровода и соединения потока перед отводящим трубопроводом.
Кроме того, указанная проблема и заявленный технический результат соответственно решается и достигается за счет того, что теплообменные трубки каждой из множества вторых теплообменных секций расположены по сторонам правильного шестиугольника и в центре данного шестиугольника, вторые теплообменные секции каждой из первых теплообменных секций расположены по сторонам правильного шестиугольника и в центре данного шестиугольника, первые теплообменные секции каждого из пучков теплообменных трубок расположены по сторонам правильного шестиугольника и в центре данного шестиугольника так, чтобы образовывать полости, выполненные с возможностью размещения опорных и несущих элементов.
Также, указанная проблема и заявленный технический результат соответственно решается и достигается за счет способа для подводного охлаждения потока углеводородной смеси, содержащего этапы, на которых:
подают поток углеводородной смеси в подводящий трубопровод устройства для подводного охлаждения потока углеводородной смеси;
посредством кожуха и средства генерирования потока морской воды устройства для подводного охлаждения потока углеводородной смеси направляют поток морской воды;
последовательно направляют поток углеводородной смеси в направлении, противоположном направлению потока морской воды, по подводящему трубопроводу, множеству первых верхних коллекторов и множеству вторых верхних коллекторов устройства для подводного охлаждения потока углеводородной смеси с обеспечением параллельного разделения потока углеводородной смеси для одновременного прохождения по множеству теплообменных трубок множества вторых теплообменных секций множества первых теплообменных секций множества пучков теплообменных трубок устройства для подводного охлаждения потока углеводородной смеси;
последовательно направляют поток углеводородной смеси из множества теплообменных трубок множества вторых теплообменных секций множества первых теплообменных секций множества пучков теплообменных трубок устройства для подводного охлаждения потока углеводородной смеси во множество вторых нижних коллекторов и первых нижних коллекторов с обеспечением параллельного соединения потока углеводородной смеси;
направляют поток углеводородной смеси после параллельного соединения потока углеводородной смеси в отводящий трубопровод устройства для подводного охлаждения потока углеводородной смеси.
Дополнительно, указанная проблема и заявленный технический результат соответственно решается и достигается за счет того, что скорости потока в теплообменных трубках и каждом из множества вторых верхних и вторых нижних коллекторов устройства для подводного охлаждения потока углеводородной смеси преимущественно равны.
Также, указанная проблема и заявленный технический результат соответственно решается и достигается за счет того, что скорости потока в каждом из множества вторых верхних и вторых нижних коллекторов и каждом из множества первых верхних и первых нижних коллекторов устройства для подводного охлаждения потока углеводородной смеси преимущественно равны.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеуказанные преимущества изобретения станут более очевидными из нижеследующего описания предпочтительного варианта его осуществления, данного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 показан общий вид устройства для подводного охлаждения потока углеводородной смеси;
на фиг. 2 изображен вид устройства для подводного охлаждения потока углеводородной смеси сверху;
на фиг. 3 показаны теплообменные секции и пучок теплообменных трубок;
на фиг. 4 показаны поперечное сечение пучка теплообменных трубок;
на фиг. 5, 6 изображены варианты реализации кожуха;
на фиг. 7 показано средство генерирования потока морской воды;
на фиг. 8 проиллюстрирован способ подводного охлаждения потока углеводородной смеси и устройство для реализации упомянутого способа.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее со ссылкой на прилагаемые чертежи описано устройство для подводного охлаждения потока углеводородной смеси и способ для подводного охлаждения потока углеводородной смеси в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения.
Как показано на фиг. 1 и фиг. 2, устройство для подводного охлаждения потока углеводородной смеси содержит:
множество пучков 1 теплообменных трубок,
кожух 2,
средство 3 генерирования потока морской воды,
подводящий трубопровод 4,
отводящий трубопровод 5.
Дополнительно, устройство для подводного охлаждения потока углеводородной смеси содержит опорные и несущие элементы (на фигурах не показаны).
На фиг. 3 проиллюстрировано, что каждый из множества пучков 1 теплообменных трубок содержит множество первых теплообменных секций 6, каждая из которых, в свою очередь, содержит множество вторых теплообменных секций 7. При этом, каждая из множества вторых теплообменных секций 7 содержит множество теплообменных трубок 8.
На фиг. 4 показано поперечное сечение, иллюстрирующее взаимное расположение теплообменных трубок 8.
Теплообменные трубки 8 каждой из множества вторых теплообменных секций 7 расположены по сторонам правильного шестиугольника и в центре данного шестиугольника, вторые теплообменные секции 7 каждой из первых теплообменных секций 6 расположены по сторонам правильного шестиугольника и в центре данного шестиугольника, первые теплообменные секции 6 каждого из пучков 1 теплообменных трубок расположены по сторонам правильного шестиугольника и в центре данного шестиугольника.
Также на фиг. 4 показана зона 10 расположения теплообменных трубок 8. При такой конфигурации заявленного устройства для подводного охлаждения потока углеводородной смеси в зонах 9 предусмотрено расположение упомянутых выше опорных и несущих элементов, которые условно не показаны.
Кожух 2 представляет собой диффузор и схематично показан на фиг. 5 и фиг. 6.
Кожух 2 содержит:
патрубки 11 интенсификации притока морской воды,
нижний пояс 12,
верхний пояс 13,
средний пояс 14 с расширением,
отверстие 15 для вывода отводящего трубопровода из теплообменной зоны.
В неограничивающем варианте осуществления изобретения поперечное сечение проточной части патрубков 11 интенсификации притока морской воды может иметь круглую форму. При этом, специалисту в данной области техники очевидно, что указанное поперечное сечение может также иметь и другие формы.
Патрубок 11 интенсификации притока морской воды либо его часть могут быть выполнены в виде конфузора 16, как показано на фиг. 6.
Средство 3 генерирования потока морской воды может быть выполнено в виде винта 17 с электромеханическим приводом 18, как показано на фиг. 7.
Работа устройства для подводного охлаждения потока углеводородной смеси схематично показана на фиг. 8.
Для обеспечения регулирования интенсивности теплообмена между потоком 19 углеводородной смеси и потоками 20 и 21 окружающей морской воды используется средство 3 генерирования потока морской воды, при этом для увеличения теплового потока, то есть максимизации охлаждения потока 19 углеводородной смеси и, как следствие, минимизации площади поверхности теплообменных трубок 8 используется противоточная схема движения, для чего теплообменные трубки 8 размещены вертикально, то есть перпендикулярно по отношению к уровню моря, поток 19 углеводородной смеси направляют по направлению сверху вниз, а для обеспечения направленного движения потоков 20 и 21 морской воды по направлению снизу вверх вдоль теплообменных трубок 8 используется кожух 2 вокруг множества пучков 1 теплообменных трубок.
При этом для обеспечения равномерного распределения потока 19 углеводородной смеси по теплообменным трубкам 8 с целью максимизации охлаждения потока 19 углеводородной смеси посредством последовательного направления потока 19 по подводящему трубопроводу 4, множеству первых верхних коллекторов 22, множеству вторых верхних коллекторов 23 последовательно разделяют поток 19 углеводородной смеси для параллельного прохождения по множеству теплообменных трубок 8 множества вторых теплообменных секций 7 множества первых теплообменных секций 6 множества пучков 1 теплообменных трубок.
Далее, посредством множества вторых нижних коллекторов 24, множества первых нижних коллекторов 25 осуществляют параллельное соединение разделенных как описано выше потоков в обратном порядке до отводящего трубопровода 5.
Соотношения поперечного сечения теплообменных трубок 8 с учетом их количества с поперечным сечением каждого из множества вторых верхних коллекторов 23 и каждого из множества вторых нижних коллекторов 24 выбирается таким, чтобы обеспечить равные значения скоростей потока в теплообменной трубке 8 и коллекторах 23 и 24.
Соотношения поперечного сечения каждого из множества вторых верхних коллекторов 23 и каждого из множества вторых нижних коллекторов 24 с учетом количества вторых теплообменных секций 7 с поперечным сечением каждого из множества первых верхних коллекторов 22 и каждого из множества первых нижних коллекторов 25 выбирается таким, чтобы обеспечить равные значения скоростей потока в коллекторах 23 и 24 и коллекторах 22 и 25.
Данный принцип соблюдается для всех теплообменных секций, подводящего и отводящего трубопроводов. Одинаковая скорость потока 19 углеводородной смеси для всех теплообменных трубок 8, включая коллекторы и подводящие и отводящие трубопроводы, способствует максимизации охлаждения потока 19 углеводородной смеси за счет минимизации возможных отложений на стенках с внутренней стороны трубок 8.
С целью максимизации охлаждения потока 19 углеводородной смеси кожух 2 содержит патрубки 11 интенсификации притока морской воды. При этом для выравнивания скорости потока морской воды вдоль теплообменных трубок 8 в каждом поперечном сечении кожуха 2 и обеспечения дополнительного притока морской воды с меньшей температурой с целью максимизации охлаждения потока 19 углеводородной смеси средний пояс устройства, содержащий патрубки 11 интенсификации притока морской воды, выполнен с расширением на такую величину, чтобы дополнительный приток потока 21 морской воды не вызывал изменения скорости общего потока морской воды.
Использование вертикальной компоновки теплообменных трубок и отсутствие изменения направления проточных трактов с горизонтального или нисходящего на восходящее исключает возникновение застойных зон и способствует удалению конденсата, гидратов и твердых включений, что увеличивает эффективность теплообмена.
Использование вертикальной компоновки теплообменных трубок в сочетании с противоточной схемой движения потоков увеличивает эффективность теплообмена при работающем средстве 3 генерирования потока морской воды.
Использование вертикальной компоновки теплообменных трубок в сочетании с противоточной схемой движения потоков также обеспечивает более эффективный теплообмен при естественной конвекции в случае неработающего средства 3 генерирования потока морской воды.
Необходимо понимать, что описанный выше для примера предпочтительный вариант осуществления изобретения не ограничивает объем настоящего изобретения. После ознакомления с настоящим описанием специалисты в данной области техники могут предложить множество изменений и дополнений к описанным вариантам осуществления, все из которых будут попадать в объем патентной защиты изобретения, определяемый нижеследующей формулой изобретения.