УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАКАЧКИ И ОТБОРА ГАЗА НА ПОДЗЕМНОМ ХРАНИЛИЩЕ
DEVICE FOR PUMPING AND SAMPLING OF GAS AT UNDERGROUND STORAGE

Предлагаемое техническое решение относится к области эксплуатации подземных хранилищ газа, создаваемых в растворимых породах, в первую очередь в каменной соли, и предназначено для ускорения процесса закачки и обеспечения пиковых отборов газа с получением экономической эффективности за счет сокращения горюче-смазочных материалов и электроэнергии.
Устройство может быть использовано в газовой, нефтяной, химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.
В настоящее время разработано достаточно много конструкций газоструйных устройств, специфика которых определяется в основном особенностью технологических процессов, в которых они задействованы.
Известна конструкция экспериментального газоструйного компрессора с устройством для осевого перемещения активного сопла (В.К.Щукин, И.И.Калмыков. Газоструйные компрессоры. М. 1963, «Машгиз», с.130).
К недостаткам этого газоструйного компрессора можно отнести нерациональное введение пассивного газового потока, отсутствие элементов по предотвращению гидратообразования в самом устройстве.
Наиболее близкой к предлагаемой является конструкция газового эжектора, включающая патрубки активного и пассивного потоков газа, сопло, приемную камеру, конфузор, камеру смешения с диффузором и кольцевым пространством, образованным между камерой смешения и ее корпусом (В.Н.Лось, С.В.Краснослободцев, В.Е.Павленко. Газовый эжектор с регулируемым геометрическим параметром. «Транспорт и подземное хранение газа», вып.7. ВНИИЭГазпром. М. 1988, с.6-8).
Данная конструкция газового эжектора, хотя и позволяет изменять ее рабочие характеристики, вместе с тем расположение штока со штифтовым соединением и соплом внутри патрубка активного газового потока препятствует формированию поля скоростей активного потока газа, истечение которого из сопла осуществляется со звуковыми или сверхзвуковыми скоростями. Кроме того, расположение патрубка для ввода пассивного потока газа на незначительном удалении от входа в камеру смешения создает теневую зону под патрубком с соплом, препятствующую формированию поля скоростей пассивного потока газа и повышающую необратимые потери газа при встрече двух смешиваемых потоков. Эти недостатки присущи многим конструкциям газовых эжекторов, применяемым в настоящее время при эксплуатации подземных хранилищ. Свободные пространства, создаваемые в них между камерой смешения, диффузором и корпусом газовых эжекторов, не имеют функционального назначения и обусловлены лишь особенностями конструктивного выполнения устройства.
Решаемая техническая задача заключается в создании устройства для закачки и отбора газа на подземном хранилище, в котором соблюдены оптимальные условия течения газовых потоков, с возможностью регулирования технических характеристик устройства.
В результате решения поставленной задачи обеспечиваются оптимальные условия течения газовых потоков, достигается возможность регулирования его технических характеристик при минимальном количестве сборочно-разборочных операций, быстрый монтаж и демонтаж устройства в трубопроводных коммуникациях при необходимости изменения конструктивных элементов проточной части или при выполнении ремонтных работ. Кроме того, исключается необходимость применения метанольного оборудования и огневых подогревателей. Экономический эффект от использования заявляемого устройства за один цикл эксплуатации подземного хранилища газа может составить 1703 тысяч рублей.
Решение указанной задачи осуществляется при использовании известного устройства, содержащего патрубки активного и пассивного потоков газа, сопло, приемную камеру, конфузор, камеру смешения с диффузором и кольцевым пространством, образованным между камерой смешения и ее корпусом. Согласно предлагаемому устройству патрубок активного потока газа с соплом установлен с возможностью перемещения в корпусе приемной камеры и закреплен в подвижных опорах, одна из этих опор размещена в приемной камере, а другая - в обечайке с фланцем, подсоединяемым к трубопроводу активного потока газа. Патрубок пассивного потока газа закреплен на корпусе приемной камеры под углом 45-60° к направлению движения активного потока газа и удален от входа в камеру смешения на расстояние не менее семи условных диаметров живого сечения между приемной камерой и патрубком активного потока газа. Корпус камеры смешения снабжен штуцерами для подачи и отвода теплоносителя в указанное кольцевое пространство, герметичность которого обеспечивается уплотнительными элементами.
Другое отличие устройства состоит в том, что патрубок активного потока газа закреплен в подвижных опорах посредством резьбовых соединений с одинаковыми шагом и профилем.
Отличие устройства состоит также в том, что на внутренние поверхности приемной камеры, конфузора, камеры смешения и диффузора нанесено эмалевое покрытие.
Формирование теоретического профиля скоростей, соответствующего установившемуся турбулентному течению, происходит на длине 50 диаметров трубопровода (Шевелев Ф.А. Исследование основных гидравлических закономерностей турбулентного движения в трубах. Гослитиздат по строительству и архитектуре. М. 1953). Однако для однофазных потоков считают, что основной участок формирования поля скоростей заканчивается на длине 7 диаметров трубопровода. Это условие принято и для предлагаемой конструкции устройства.
Значения угла наклона патрубка пассивного потока газа 45-60° обусловлены конструктивными соображениями, учитывающими наименьшее влияние теневой зоны под патрубком пассивного потока газа с соплом на формирование поля скоростей пассивного потока и сокращение гидравлических потерь за счет местных сопротивлений. В случае приближенного ввода пассивного потока к входному сечению камеры смешения возрастают необратимые потери газа, обусловленные смешением его потоков, обладающих различными давлениями.
Нанесение эмалевого покрытия на внутренние поверхности корпуса приемной камеры, конфузора, камеры смешения и диффузора препятствует коррозионному износу и улучшает работу устройства с точки зрения гидравлических потерь.
На фиг.1 показан продольный разрез устройства для закачки и отбора газа на подземном хранилище.
На фиг.2. графически представлен процесс закачки газа в подземное хранилище с использованием заявляемого устройства.
Устройство для закачки и отбора газа на подземном хранилище содержит патрубок 1 активного потока газа, перемещаемый в корпусе приемной камеры 2 вместе с соплом 3 Лаваля, предназначенным для подачи активного потока газа с расчетными параметрами в конфузор 4 приемной камеры. К конфузору 4 на шпильках крепится корпус 5 камеры смешения 6. На обечайке корпуса 5 камеры смешения 6 расположены два штуцера 7, предназначенные для подачи и отвода теплоносителя через кольцевое пространство 8, созданное между камерой смешения 6 и ее корпусом 5. Герметичность кольцевого пространства 8 обеспечивается кольцевыми уплотнениями 9, 10. К корпусу 5 камеры смешения 6 с помощью фланцевого соединения крепится диффузор 11, предназначенный для восстановления давления газовой смеси.
Патрубок 1 активного потока газа закреплен в подвижных опорах 12, 13, одна из которых, подвижная опора 12, установлена в приемной камере 2, а другая подвижная опора 13 - в обечайке 14 с фланцем, присоединяемым к трубопроводу активного потока газа (на фиг.1 не показан). Перемещение патрубка 1 активного потока газа в подвижных опорах 12, 13 осуществляется посредством резьбовых соединений, которые уплотнены уплотняющим элементом 15, грундбуксой 16 с накидными гайками 17.
Резьбовые соединения патрубка 1 активного потока газа, корпуса приемной камеры 2 и обечайки 14 с фланцем выполнены с одинаковыми профилем и шагом.
Вращение патрубка 1 активного потока газа и накидных гаек 17 осуществляется специальными ключами 18, 19. Расстояние перемещения патрубка 1 активного потока газа контролируется мерной линейкой 20. Патрубок 21 пассивного потока газа установлен на корпусе приемной камеры 2 и удален от входа в камеру смешения 6 на расстояние не менее семи условных диаметров живого сечения между приемной камерой 2 и патрубком 1 активного потока газа. Патрубок 21 пассивного потока газа установлен под углом 45-60° к направлению движения активного потока газа, чтобы поле скоростей пассивного потока газа могло формироваться практически без влияния теневой зоны газового потока, образующейся под патрубком 1, что позволяет более эффективно достигать звуковых или сверхзвуковых значений скоростей при встрече в конфузоре 4 пассивного потока газа с активным.
На внутренние поверхности корпуса приемной камеры 2, конфузора 4, камеры смешения 6 и диффузора 11 нанесено эмалевое покрытие.
Работа устройства для закачки и отбора газа на подземном хранилище осуществляется следующим образом.
В соответствии с расчетным режимом работы устройство для закачки и отбора газа на подземном хранилище собирается и устанавливается в газопроводных коммуникациях. Подвод активного потока газа осуществляется по свободному внутреннему пространству патрубка 1 активного потока газа, при этом длина этого патрубка (не менее семи калибров его живого сечения) достаточна для эффективного формирования поля скоростей газового потока перед входом его в сверхзвуковое сопло 3 Лаваля с минимальными потерями энергии. Ввод пассивного потока газа осуществляется через патрубок 21. Смешение газовых потоков различных давлений происходит в камере смешения 6 с установлением промежуточного давления смеси на выходе из диффузора 11.
Эксплуатация подземного хранилища осуществляется в широком диапазоне изменений давлений, от минимального (буферного) в начале закачки до максимального рабочего в конце закачки. Следовательно, работа заявляемого устройства при закачке газа будет также протекать при значительном изменении противодавлений, возникающих за диффузором 11.
На графическом изображении процесса закачки газа в подземное хранилище с использованием заявляемого устройства (фиг.2) показана зависимость коэффициента инжекции (U) от величины давления газа (Р), представленная отрезком АВ. При этом активным потоком газа, используемым в заявляемом устройстве, служит газ, подаваемый механическим компрессором. Участок ВС соответствует закачке газа с помощью только механического компрессора.
2
1
2
1
Из графика (фиг.2) видно, что для обеспечения совместной работы заявляемого устройства и механического компрессора потребуется изменение геометрических параметров упомянутого устройства, в том числе его основного геометрического параметра - соотношения f/f, в котором f и f - соответственно площади живых сечений камеры смешения 6 и сопла 3 Лаваля.
2
1
Изменение соотношения f/f в определенных пределах и получение оптимальных коэффициентов инжекции с помощью устройства для закачки и отбора газа на подземном хранилище осуществляется за счет перемещения патрубка 1 активного потока газа совместно с соплом 3 Лаваля. Для выполнения этой операции приостанавливается работа устройства, отворачиваются накидные гайки 17 с помощью специального ключа 19. При этом ослабляется воздействие уплотнительного элемента 15 на патрубок 1 активного потока газа.
Посредством специального ключа 18 перемещается патрубок 1 активного потока газа с соплом 3 Лаваля в осевом направлении, что обеспечивает функционирование устройства с другой рабочей характеристикой.
Изменение рабочей характеристики устройства для закачки и отбора газа на подземном хранилище обычно производится за счет перемещений патрубка 1 с соплом 3 относительно камеры смешения 6, что не может обеспечить режим закачки газа в широком диапазоне изменения давлений, поэтому потребуется замена сопла 3 Лаваля и камеры смешения 6 устройства. Особенно это относится к закачке газа, когда в заявляемом устройстве в качестве рабочей среды применяется предварительно сжатый газ, хранящийся в подземных резервуарах (Богданов Ю.М. и др. Патент РФ №2304555, B65G 5/00. 2007 г.).
Для замены сопла 3 в устройстве для закачки и отбора газа на подземном хранилище отвинчивается накидная гайка 17 ключом 19 для ослабления уплотнительного элемента 15, разъединяется фланец с обечайкой 14 от трубопровода активного потока газа и осуществляется перемещение обечайки 14 с фланцем по резьбовому соединению. Фланцевые соединения между корпусом приемной камеры 2 и конфузором 4, а также между патрубком 21 и трубопроводом пассивного потока газа разъединяются. После этого производится замена сопла 3. Перемещение подвижных опор 12, 13 возможно в двух направлениях и обеспечивается за счет резьбовых соединений с использованием цепного и специального ключей, что значительно упрощает сборочно-разборочные операции. Возможность перемещения подвижных опор 12, 13 в различных направлениях облегчает монтаж устройства в трубопроводных системах.
Сборка устройства осуществляется в обратном порядке. При необходимости, ослабляется гайка 17 на обечайке 14 с фланцем с последующим перемещением патрубка 1 активного потока газа ключом 18 в сторону подводящего газопровода активного потока газа. Для замены камеры смешения 6 разъединяется фланцевое соединение между корпусом 5 камеры смешения 6 и конфузором 4. После замены камеры смешения 6 сборка устройства осуществляется в обратном порядке.
При эксплуатации подземного хранилища с использованием предлагаемого устройства в нем происходят значительные перепады давления газа, которые приводят к температурным изменениям, вызванным эффектом Джоуля-Томпсона, что может способствовать образованию гидратов и забивке проточной части устройства. Для исключения этого нежелательного явления в устройстве для закачки и отбора газа на подземном хранилище в созданное между камерой смешения 6 и ее корпусом 5 кольцевое пространство 8 подается и отводится теплоноситель по специальным штуцерам 7. Герметичность кольцевого пространства 8 осуществляется уплотнениями 9, 10, расположенными на обоих концах внешней поверхности камеры смешения 6. В качестве теплоносителя в кольцевом пространстве 8 могут использоваться отработанные газы газомоторного двигателя компрессора, природный газ до или после аппарата воздушного охлаждения компрессорной станции, в зависимости от режима работы газоструйного устройства, техническая вода из системы охлаждения компрессорной станции или вода, используемая на бытовые нужды.
При длительной эксплуатации устройства для закачки и отбора газа на подземном хранилище, характеризующейся чередующимися простоями между закачкой и отбором газа, внутренние поверхности его проточной части подвергаются коррозии, поскольку в транспортируемом газе всегда содержится влага. Эти явления нежелательны, так как они в конечном итоге могут привести к изменению геометрических размеров элементов проточной части и соответственно к нарушению расчетной характеристики самого устройства. Для устранения нежелательных последствий в заявляемой конструкции устройства предложено наносить эмалевое покрытие в один или два слоя, например электроиндукционным методом, на внутренние поверхности приемной камеры 2, конфузора 4, камеры смешения 6 и диффузора 11. Покрытие внутренних поверхностей эмалью придает им стеклообразный вид и защищает их не только от коррозии, но и повышает рабочие характеристики устройства за счет сокращения гидравлических потерь.
Для ускорения монтажно-демонтажных работ при замене элементов проточной части устройства и регулировке ее основных геометрических размеров внешние резьбовые соединения выполнены с одинаковым профилем и шагом и унифицированными размерами уплотняющего элемента 15, грундбуксы 16 с накидной гайкой 17.
При использовании предлагаемой конструкции устройства для закачки и отбора газа на подземном хранилище не требуется применение специального метанольного оборудования и огневых подогревателей, обеспечивая тем самым экономическую эффективность его применения при эксплуатации подземного хранилища газа.