Устройство транспортировки и сепарации газообразных продуктов по трубопроводам
DEVICE FOR TRANSPORTING AND SEPARATING GASEOUS PRODUCTS VIA PIPELINES

Изобретение относится к транспортировке природных и других газов по магистральным газопроводам (при повышенном давлении), включая ответвления трубопроводов к газораспределительным и газокомпрессорным станциям и хранилищам газов.
Работа магистральных газопроводов осуществляется с различными давлениями от 3,0 МПа до 7,0 МПа. Магистральные газопроводы имеют значительную протяженность и проходят по местности со значительными перепадами по высотным отметкам, в различных климатических зонах со значительными температурными перепадами от -50°C до +50°C. Так как природный газ является многокомпонентной углеводородной смесью, то при данных условиях, в газопроводах возможно, при определенных параметрах фазовые изменения с выделением конденсата, также присутствие различных механических примесей.
Транспортируемый газ должен быть стабильным по компонентному составу и не иметь посторонних примесей. Из показателей эффективности трубопровод для транспортировки газообразных продуктов должен быть минимальных геометрических размеров (по диаметру), а сами газообразные продукты должны транспортироваться при максимально допустимой скорости.
Для решения этой задачи и призван поиск путей решения определения оптимально-допустимой скорости транспортировки газа, что позволит определить минимальный диаметр трубопровода и одновременно выделить и вывести из трубопровода нежелательные примеси из газа, для поддержания стабильного состава в процессе транспортировки газа по магистральному газопроводу.
Аналогом заявленного технического решения является «Способ осушки и очистки природного газа с последующим сжижением и устройство для его осуществления» по патенту РФ: RU 2496068 С1 от 20.10.2013, МПК F25J 3/06, B01D 53/26, B01D 45/12 - [1], который используется для осушки и очистки природного газа от влаги и нежелательных механических примесей.
По способу осушки и очистки природного газа [1] отсепарированный газ, представляющий легкие углеводороды, предварительно охлаждают в теплообменнике холодным потоком и направляют на дроссельное энергетическое разделение в сопле вихревой трубы, а холодный поток вихревой трубы, после рекуперации холода в теплообменнике, направляют в расходный сепаратор, из которого выводят в качестве товарных продуктов несконденсированную часть газа и сжиженную метановую фракцию. Несконденсированную часть газа могут использовать в качестве топливного газа по месту производства.
В изобретении [1] в качестве устройства для осуществления способа осушки и очистки природного газа используется многоступенчатый центробежный сепаратор, в корпусе которого находится сепарационный элемент - известный по авторскому свидетельству (А.С.) СССР: SU 837370 А1 от 15.06.1981, МПК B01D 45/12 - [2] и А.С. СССР: SU 889106 А1 от 15.12.1981, МПК В01В 3/06, 1981 г. - [3].
Устройства [2 и 3] представляют собой центробежные сепараторы с тремя ступенями разделения: первая - циклон (А), вторая - прямоточно-центробежный сепаратор прямоточно-сепарационный элемент (В); третья - сетчатый отбойник (С) - демистер.
Особенностью данных центробежных сепараторов с размещенными в них сепарационными элементами [2 и 3] является то, что каждый из сепараторов состоит из трех самостоятельных сепарационных ступеней разделения: А, В, С, в каждой из которых осуществляется полный цикл сепарационного процесса: ввод исходного потока газа, непосредственно сепарационный процесс в рабочем объеме аппарата и раздельный отвод очищенного газа и примесей. Причем, ввод исходного потока в центробежный сепаратор производится тангенциально, посредством патрубка тангенциального ввода, размещенного на корпусе центробежного сепаратора и сепарационного элемента.
Данный способ и устройство включает закрученную подачу исходного потока газа (на ступенях А и В) и осевое движение (на ступени С) в многоступенчатом центробежном сепараторе. В результате очистки и осушки природного газа, отделенные из газа влага и механические примеси выводятся в емкость-сепаратор сбора отделенных компонентов газа.
Несмотря на сравнительно высокую эффективность отделения из газа нежелательных примесей и влаги (до 98%), закрутка газового потока осуществляется посредством тангенциального ввода через патрубок, размещенный на корпусе центробежного сепаратора, т.е. за пределами устройства, что иногда не позволяет решить поставленную задачу - в частности, осуществить закрутку потока внутри устройства.
Прототипом заявляемого изобретения является «Способ транспортировки газообразных и жидких продуктов по трубопроводам» по патенту РФ: RU 2528545 С2 от 20.09.2014, МПК F17D 1/20, F15D 1/04 - [4]. Устройство для реализации способа по прототипу [4] содержит трубопровод с расположенным в стыке своих участков активатора вращения транспортируемого газообразного продукта, состоящего из цилиндрического соосного трубопроводу корпуса и установленных по окружности на своей внутренней поверхности направляющих лопаток, которые в центре трубопровода соединены на центральном обтекателе.
При этом устройство [4] содержит трубопровод с расположенными внутри него по всей длине трубопровода активаторами вращения транспортируемого продукта. Причем активаторы вращения расположены в стыках трубопроводов и содержат установленные по окружности на своей внутренней поверхности направляющие лопатки, которые в центре трубопровода могут быть соединены на центральном обтекателе. Конструктивная реализация устройства [4] может иметь несколько вариантов:
- активатор вращения с установленными по окружности на своей внутренней поверхности направляющими лопатками содержит корпус в виде отрезка трубы стыкуемого трубопровода, который с обеих сторон может быть вварен в трубопровод;
- активатор вращения с установленными по окружности на своей внутренней поверхности направляющими лопатками может содержать отдельный корпус в виде отрезка трубы, и при этом корпус активатора неподвижно закреплен внутри трубопровода.
Способ транспортировки газообразных и жидких продуктов по трубопроводам по прототипу [4] заключается в том, что создают избыточное давление газообразному продукту на входе в трубопровод и придают ему вращательное движение в активаторе вращения при помощи лопаток, соединенных на центральном обтекателе. При этом активаторы вращения расположены внутри трубопровода и по его длине придают вращательное движение транспортируемому продукту на всем протяжении трубопровода. Активаторы вращения, расположенные в стыках трубопроводов на северном полушарии Земли, придают транспортируемому продукту вращательное движение - направление по часовой стрелке (по направлению движения продукта), а на южном полушарии - направление движения против часовой стрелки. Величина угла наклона лопаток к направлению потока транспортируемого продукта пропорциональна его расчетной продольной скорости.
Недостатком прототипа [4], как устройства (и как способа) является то, что его технический результат направлен на повышение эффективности транспортировки газообразных и жидких продуктов и дополнительно не используется для очистки транспортируемого продукта. Так как во вращающемся потоке газа происходит расслоение легких и тяжелых компонентов газа, в том числе и различных примесей, в частности механических и конденсируемой влаги, которая не удаляется в процессе транспортировки газового потока по трубопроводу. К недостатку прототипа [4] также можно отнести то, что активаторы вращения размещены по всей длине трубопровода, что требует значительных трудозатрат и усложнения магистральных газопроводов на всей их протяженности.
Таким образом, указанные недостатки аналогов и прототипа ставят задачу осуществления закрутки потока транспортируемого продукта с созданием максимально эффективной газодинамической обстановки в зоне закрутки и возможности отделения нежелательных примесей из вращающегося потока и выведения их за пределы трубопровода, а очищенный и закрученный газовый поток направить по трубопроводу.
Технический результат заявленного устройства транспортировки и сепарации газообразных продуктов по трубопроводам состоит в повышении эффективности очистки от механических и жидкостных примесей в транспортируемом по магистральным или другим газопроводам высоконапорных газовых потоков.
Сущность заявленного технического решения состоит в том, что устройство содержит трубопровод с расположенным в стыке своих (смежных) участков активатором вращения транспортируемого газообразного продукта. Активатор вращения состоит из цилиндрического соосного трубопроводу корпуса и установленных по окружности на своей внутренней поверхности направляющих лопаток, которые в центре трубопровода соединены на центральном обтекателе. При этом активатор вращения содержит цилиндрический корпус большего, чем трубопровод диаметра и соединен с трубопроводом коническими участками при помощи сварки или фланцевого соединения. В цилиндрическом корпусе центральный обтекатель выполнен в виде конуса, соединенного по ходу газообразного продукта с отрезком трубы. Конус имеет наклонные тангенциальные сквозные прорези. В цилиндрическом корпусе после отрезка трубы в нижней его части установлен патрубок с защитным козырьком, которые образуют зону для сбора из газа выделенной влаги и примесей. Нижняя часть патрубка подсоединена к накопительной емкости, нижняя и верхние части которой снабжены соответственно трубопроводами с запорными вентилями.
На фиг. 1 представлен схематический разрез устройства транспортировки и сепарации газообразных продуктов по трубопроводам.
На фиг. 2 - разрез устройства, представленного на фиг. 1 по А-А.
На фиг. 3 - вид Б на козырек по фиг. 1.
На фиг. 1 представлены потоки: I - исходный газовый высоконапорный газовый поток; II - выходящий после очистки в устройстве газовый поток: III - газовый поток из сепаратора-накопителя; IV - вывод шлама из сепаратора-накопителя; V - шлам в сборнике корпуса активатора.
Элементы конструкции устройства транспортировки и сепарации газообразных продуктов по трубопроводам представлены на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 в следующих позициях: 1 - вид активатора вращения с фланцевыми соединениями 2 и 3, установленного в разъеме (в месте соединения участков) магистрального трубопровода соответственно 4 и 5; 6 - отрезок трубы (трубопровода) с фланцем 2; 7 - отрезок трубы (трубопровода) с фланцем 3; 8 и 9 - конусные переходники; 10 - цилиндрический корпус активатора вращения; 11 - лопатки активатора вращения; 12 - цилиндрический отрезок трубы (цилиндрическая часть обтекателя); 13 - конус центрального обтекателя с тангенциальными прорезями 14; 15 - козырек (заслонка), приваренный к конусному переходнику 9; 16 - шлам в нижней части цилиндрического корпуса активатора вращения (отстойник); 17 - патрубок вывода шлама из нижней части цилиндрического корпуса активатора вращения (отстойника); 18 - вентиль; 19 - накопительная емкость (сепаратор-накопитель); 20 - манометр, расположенный на трубопроводе сверху сепаратора-накопителя; 21 - газовый вентиль; 22 - вентиль отвода шлама из сепаратора - накопителя 19.
В - расстояние между цилиндрическим отрезком трубы (цилиндрической частью обтекателя) 12 и концом цилиндрического корпуса активатора вращения 10; Г - расстояние между цилиндрическим отрезком трубы (цилиндрической частью обтекателя) 12 и участком соединения конусного переходника 9 с отрезком трубы (трубопроводом) 7. Значения В и Г определяют объем сборника (отстойника) влаги и примесей в нижней части цилиндрического корпуса активатора вращения 10, ограниченного козырьком 15.
Устройство содержит трубопровод с расположенным в стыке своих участков (4) и (5) активатором (1) вращения транспортируемого газообразного продукта. Активатор (1) вращения содержит цилиндрический соосный трубопроводу корпус (10) большего, чем трубопровод диаметра и соединен с участками (4) и (5) трубопровода коническими участками (8) и (9) при помощи сварки или фланцевых соединений (2) и (3) через соответственно отрезки труб (6) и (7). В активаторе (1), на его внутренней поверхности по окружности цилиндрического корпуса (10) установлены направляющие лопатки (11), соединенные в центре трубопровода на центральном полом обтекателе, который выполнен в виде конуса (13), соединенного по ходу газообразного продукта с отрезком трубы (12). Конус имеет наклонные тангенциальные сквозные прорези (14). В цилиндрическом корпусе (10) после отрезка трубы (12) в нижней его части установлен патрубок (17) с защитным козырьком (15), которые образуют зону для сбора из газа выделенной влаги и примесей (16). Нижняя часть патрубка (17) через запорный вентиль (18) подсоединена к накопительной емкости (19) (сепаратору-накопителю), нижняя и верхние части которой снабжены соответственно трубопроводами с запорными вентилями (22) и (21). Газовый трубопровод с вентилем (21), снабженный манометром (20), служит для сброса давления из накопительной емкости (19) (сепаратора-накопителя). Жидкостный трубопровод с вентилем (22) служит для слива с накопительной емкости (19) (сепаратора-накопителя) отсепарированной в активаторе (1) влаги и примесей.
Заявленное устройство предлагается устанавливать в стыках газового трубопровода в районе размещения перекачивающих компрессорных станций (после них) или в районе размещения газораспределительных станций (ГРС), где имеются естественные технологические ответвления к компрессорным станциям и другому газовому оборудованию, а также имеется обслуживающий персонал.
Способ работы устройства транспортировки и сепарации газообразных продуктов заключается в создании избыточного давления транспортируемому газообразному продукту (газу - поток I) на входе в трубопровод (трубопроводы (4) и (6), соединенные фланцевым соединением (2)) и придания ему вращательного движения в активаторе вращения (1), выполненном в виде соосного цилиндрического корпуса (10) большего, чем трубопровод (4) диаметра с коническими участками (8) и (9). Одну часть потока газа направляют в наклонные тангенциальные сквозные прорези (14) конуса (13) центрального (полого) обтекателя, а другую часть потока газа направляют на направляющие лопатки (11), в результате чего обеим частям потока газа придают однонаправленное вращательное движение с разными тангенциальными (угловыми) скоростями. При этом тангенциальная скорость газа в отрезке трубы (12) центрального обтекателя превышает скорость газа на направляющих лопатках (11). В результате на выходе в районе конца отрезка трубы (12) получают наложение вращающихся частей обоих потоков с выделением из газа механических примесей и влаги (16), которые накапливают в нижней части корпуса (10) большого диаметра - зоне сбора выделенных механических примесей и влаги, образованной патрубком (17) с защитным козырьком (15). Далее выделенные механические примеси и влагу (16) по патрубку (17) через вентиль (18) направляют в накопительную емкость (19), из которой последние удаляют посредством трубопровода с запорным вентилем (22), а очищенный газ направляют в трубопровод (5) (трубопроводы (7) и (5), соединенные фланцевым соединением (3)), расположенный после цилиндрического корпуса (1). Из накопительной емкости (19) газовую фазу удаляют посредством трубопровода, оборудованного манометром (20) и запорным вентилем (21).
Таким образом, способ работы устройства транспортировки и сепарации газообразных продуктов, заключающийся в создании избыточного давления газообразному продукту на входе в трубопровод и придания ему вращательного движения в активаторе вращения при помощи лопаток, соединенных на центральном обтекателе, состоит в следующем:
Транспортируемый газообразный продукт при входе в цилиндрический корпус большего, чем трубопровод диаметра направляют в активатор вращения, при этом одну часть потока направляют в наклонные тангенциальные сквозные прорези конуса центрального обтекателя, а другую часть потока направляют на направляющие лопатки. В результате этого обеим (разделенным) частям потока газа придают однонаправленное вращательное движение с разными тангенциальными (угловыми) скоростями, при этом тангенциальная скорость газа в центральном обтекателе превышает скорость газа на направляющих лопатках. В результате на выходе в районе конца отрезка трубы получают наложение вращающихся частей обоих потоков, с выделением из транспортируемого газообразного продукта механических примесей и влаги (вследствие чего, происходит выделение примесей и влаги), которые накапливают в нижней части корпуса большого диаметра - зоне сбора выделенных механических примесей и влаги, образованной патрубком с защитным козырьком. Далее выделенные механические примеси и влагу по патрубку направляют в накопительную емкость, из которой последние удаляют посредством трубопровода с запорным вентилем, а очищенный газообразный продукт направляют в трубопровод расположенный после цилиндрического корпуса.
По сравнению с известными изобретениями, заявленное устройство имеет следующие преимущества:
- позволяет стабилизировать транспортируемый по магистралям газовый поток по составу, производить выделение нежелательных примесей, включая тяжелые компоненты и конденсируемую влагу;
- вращающийся поток позволяет осуществлять транспортировку газа с повышенными скоростями, что позволит снизить размеры труб, а следовательно, снизить металлозатраты;
- предлагаемое устройство может быть исполнено в виде типовых модулей, так как они устанавливаются в разъемах и имеют фланцевое соединение;
- установка данных модулей целесообразна на компрессорных станциях, где осуществляется компримирование (сжатие) газа для подпора магистральных участков трубопроводов и поддержания необходимого давления.
Предложенное техническое решение - устройство (для совместной) транспортировки и сепарации газообразных продуктов, содержащее лопаточный активатор вращения и центральный полый обтекатель в виде конуса с наклонными тангенциальными сквозными прорезями для закрутки газообразного потока с различными тангенциальными скоростями, позволяющими сепарировать из потока влагу и механические примеси, является новым для конструктивного решения устройства и, следовательно, соответствует критерию «новизна».
Вышеприведенная совокупность отличительных признаков заявленного устройства не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил известных технологий (способов) совместной транспортировки и сепарации газообразных продуктов по трубопроводам, что доказывает соответствию критерию «изобретательский уровень».
Конструктивная реализация заявленного изобретения с указанной совокупностью признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».
Источники информации
1. Патент РФ: RU 2496068 С1 от 20.10.2013, МПК F25J 3/06, B01D 53/26, B01D 45/12, Способ осушки и очистки природного газа с последующим сжижением и устройство для его осуществления.
2. Авторское свидетельство СССР: SU 837370 А1 от 15.06.1981, МПК B01D 45/12, Центробежный сепаратор.
3. Авторское свидетельство СССР: SU 889106 А1 от 15.12.1981, МПК В01В 3/06, Сепарационный элемент.
4. Патент РФ: RU 2528545 С2 от 20.09.2014, МПК F17D 1/20, F15D 1/04, Способ транспортировки газообразных и жидких продуктов по трубопроводам - прототип.