СПОСОБ ПРОВЕРКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ БЛОКОВ МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ
METHOD FOR CHECKING THE OPERABILITY OF MEMBRANE SEPARATION UNITS

Изобретение относится к газовой промышленности, в частности к процессу мембранного газоразделения.
Известен способ, близкий техническим решением к заявляемому изобретению - «Автоматическое управление множеством устройств процесса разделения и детектирования для количественного анализа проб», включающий количественную оценку различных составов проб, сбор информационный о пробах анализ проб, регистрация проб и сохранение данных (патент РФ №2587098, G01N 30/24, опубликовано 10.06.2016).
Недостатками известного технического решения является невозможность выявления в ходе эксплуатации установки мембранного выделения гелиевого концентрата, вышедшего из строя единичного устройства процесса разделения (мембранных элементов), а позволяет выявить группу мембранных элементов, среди которых есть неработающий элемент (элемент, работающий со сниженными газоразделительными характеристиками) и не позволяет выявить единичный мембранный элемент со сниженными характеристиками. Вывод из эксплуатации группы устройств газоразделения негативно повлияет на качество очистки природного газа от гелия, снижая эффективность работы всей установки; неэффективность их раздельного использования в процессе выявления неработающих мембранных элементов в составе установки мембранного выделения гелиевого концентрата, так как анализ проб газа по выходу из мембранных модулей на поточном газовом хроматографе не позволяет выявить единичный мембранный элемент, вышедший из строя.
Известен «Способ анализа результатов активного теплового неразрушающего контроля изделий из полимерных композиционных материалов», включающий проведение тепловизионного обследования, измерение заданных параметров, получение данных о заданных параметрах, вычисление заданных параметров (патент РФ № 2649247, G01N 25/72, G01J 5/60, опубликовано 30.03.2018).
Недостатком вышеуказанного технического решения является необходимость проведения тепловизионной съемки поверхности мембранного элемента под внешней стимуляцией, что невыполнимо в процессе эксплуатации установки мембранного выделения гелиевого концентрата без извлечения из нее тестируемых мембранных элементов; неэффективность их раздельного использования в процессе выявления неработающих мембранных элементов в составе установки мембранного выделения гелиевого концентрата, анализ проб газа по выходу из мембранных модулей на поточном газовом хроматографе не позволяет выявить единичный мембранный элемент, вышедший из строя, так как использование тепловизионного контроля за состоянием мембранных модулей также не целесообразно выполнять без данных по техническим параметрам работы мембранных модулей ввиду больших трудозатрат и ограниченной штатной численности обслуживающего установки мембранного выделения гелиевого концентрата.
Известен Способ проверки работоспособности мембран, включающий размещение мембранного элемента в герметичном корпусе с возможностью прохождения в нем рабочей среды, измерение заданных газоразделительных характеристик, определение заданных параметров (Патент РФ №2024845, G01N 15/08, опубликовано 15.12.1994 г.) взятый в качестве ближайшего аналога (прототип).
Недостатками ближайшего аналога являются невозможность проверить технические характеристики без вывода из работы части мембранных модулей, что приведет к снижению подготавливаемой продукции, также требуется использование эталонного элемента и жидкости для проверки физических характеристик, что в разы увеличивает трудозатраты и простой мембранного модуля, при этом эталонную жидкость необходимо периодически обновлять, а отработанную утилизировать, что потребует дополнительные материальные ресурсы, существуют высокие риски механического повреждения мембранных элементов, при монтаже или демонтаже из мембранного модуля, для проведения исследования по определению соответствия их характеристик паспортным данным.
Предлагаемое техническое решение устраняет вышеперечисленные недостатки, и направлено на определение работоспособности установки мембранного газоразделения по причине массового выхода мембранных элементов из строя и, тем самым, минимизировать риски снижения качества подготовленного газа путем выявления блока или блоков мембранного разделениям со сниженными газоразделительными характеристиками, такими как фактор разделения по паре гелий/метан и доля отбора газа в пермеат, эксплуатируемых в составе Установки мембранного газоразделения без остановки или вывода из работы блока или блоков мембранного разделения, содержащих ряды мембранных модулей, каждый из которых выполнен в виде герметичного корпуса с мембранными элементами.
Поставленная цель достигается тем, что Способ проверки работоспособности блоков мембранного газоразделения включает размещение мембранного элемента в герметичном корпусе с возможностью прохождения в нем рабочей среды, измерение заданных газоразделительных характеристик, определение заданных параметров, осуществляют последовательное выявление блока или блоков мембранного разделения со сниженными газоразделительными характеристиками, при этом каждый блок мембранного газоразделения состоит из рядов мембранных модулей в виде, по меньшей мере, одной ступени и расположен с возможностью отбора заданного количества проб на выходе из него, при этом отбор пробы осуществляют посредством открытия или закрытия, по меньшей мере, одного электромагнитного клапана, ряд мембранных модулей состоит из мембранных модулей, каждый из которых выполнен в виде герметичного корпуса, внутри которого размещают мембранный элемент и муляж мембранного элемента или два мембранного элемента, работающих параллельно, и муляж мембранного элемента, при этом герметичный корпус выполнен с возможностью прохождения в нем рабочей среды и с возможностью выхода их него трех потоков, представляющих собой объединенный поток, выходящих из 2-х мембранных элементов, и два потока, которые отводятся индивидуально из каждого мембранного элемента, осуществляют измерение технологических параметров работы блоков мембранного газоразделения, полученные значения фиксируют с возможностью вычисления газоразделительных характеристик и определения работоспособности блока мембранного газоразделения путем анализа вычисленных газоразделительных характеристик, сравнивая фактические значения с допустимым диапазоном значений газоразделительных характеристик, представляющих собой фактор разделения по паре гелий - метан и долю отбора газа в пермеат в отношении всех блоков мембранного разделениям с выявлением блока мембранного разделениям со сниженными газоразделительными характеристиками в виде максимальной степени снижения фактора разделения по паре гелий - метан и максимальной величины доли отбора газа в пермеат для первой ступени, в выявленном блоке мембранного разделения со сниженными газоразделительными характеристиками определяют работоспособность рядов мембранных модулей, осуществляя измерение заданных газоразделительных характеристик ряда мембранных модулей, фиксацию полученных значений и сравнение фактических значений с допустимым диапазоном значений газоразделительных характеристик, с выявлением ряда мембранных модулей со сниженными газоразделительными характеристиками, представляющих собой содержание гелия в подготовленном газе на выходе обследуемого ряда мембранных модулей первой ступени и содержание гелия в пермеате на выходе обследуемого ряда мембранных модулей последующей ступени, в выявленном ряду мембранных модулей со сниженной газоразделительной характеристикой в виде содержания гелия в подготовленном газе на выходе из каждого ряда мембранных модулей, определяют работоспособность мембранного модуля, осуществляя измерение заданной газоразделительной характеристикой мембранного модуля, фиксацию полученных значений и сравнение фактических значений с допустимым диапазоном значения газоразделительной характеристики в виде температурной депрессии, которую выявляют посредством тепловизионного обследования анализируемых заданных участков мембранных модулей ряда с выявленными нарушениями относительно остальных участков обследуемых мембранных модулей, с выявлением мембранного модуля со сниженной температурной депрессией, в выявленном мембранном модуле со сниженной температурной депрессией определяют работоспособность мембранных элементов со сниженной газоразделительной характеристикой, представляющей собой изменение содержания гелия в пермеате на выходе из каждого мембранного элемента проверяемого ряда, осуществляя измерение содержания гелия в пермеате, выходящего из мембранного элемента, фиксацию полученных значений с возможностью вычисления газоразделительной характеристики и сравнение фактических значений с допустимым диапазоном значения газоразделительной характеристики в виде содержания гелия в пермеате, выходящего из мембранного элемента, определяя мембранный элемент со сниженной газоразделительной характеристикой.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема установки мембранного выделения гелиевого концентрата, на фиг. 2 изображена схема отбора проб подготовленного газа в мембранном блоке первой ступени установки мембранного выделения гелиевого концентрата, на фиг. 3 изображены участки термографирования при тепловизионном контроле мембранного модуля, на фиг.4 изображена схема отбора проб пермеата в мембранном блоке второй ступени установки мембранного выделения гелиевого концентрата, на фиг.5 изображена принципиальная схема газовых потоков мембранного модуля установки мембранного выделения гелиевого концентрата, оснащенного двумя мембранными элементами, на фиг. 6 изображен алгоритм проверки работоспособности блоков мембранного разделения первой ступени установки мембранного выделения гелиевого концентрата, на фиг. 7 изображен алгоритм проверки работоспособности блоков мембранного разделения второй ступени установки мембранного выделения гелиевого концентрата.
Способ проверки работоспособности блоков мембранного газоразделения включает в себя осуществление последовательного выявления блока или блоков мембранного разделениям со сниженными газоразделительными характеристиками.
Каждый блок мембранного газоразделения состоит из рядов мембранных модулей в виде, по меньшей мере, одной ступени и расположен с возможностью отбора заданного количества проб на выходе из него, при этом отбор пробы осуществляют посредством открытия или закрытия, по меньшей мере, одного электромагнитного клапана.
Ряд мембранных модулей состоит из мембранных модулей, каждый из которых выполнен в виде герметичного корпуса с возможностью прохождения в нем рабочей среды и с возможностью выхода их него трех потоков, представляющих собой объединенный поток, выходящих из 2-х мембранных элементов, и два потока, которые отводятся индивидуально из каждого мембранного элемента.
Предварительно во внутрь мембранного модуля - герметичного корпуса размещают мембранный элемент и муляж мембранного элемента или два мембранных элемента, работающих параллельно, и муляж мембранного элемента.
Осуществляют измерение технологических параметров работы блоков мембранного газоразделения, а полученные значения фиксируют с возможностью вычисления газоразделительных характеристик, затем определяют работоспособность каждого блока мембранного газоразделения путем анализа вычисленных газоразделительных характеристик. Анализ осуществляют посредством сравнения фактических значений с допустимым диапазоном значений газоразделительных характеристик, представляющих собой фактор разделения по паре гелий - метан и долю отбора газа в пермеат в отношении всех блоков мембранного разделениям с выявлением блока мембранного разделениям со сниженными газоразделительными характеристиками в виде максимальной степени снижения фактора разделения по паре гелий - метан и максимальной величины доли отбора газа в пермеат для первой ступени, выявляя блок или блоки мембранного разделения со сниженными газоразделительными характеристиками.
В каждом выявленном блоке мембранного разделения со сниженными газоразделительными характеристиками определяют работоспособность рядов мембранных модулей, для чего измеряют заданные газоразделительные характеристики ряда мембранных модулей, после чего осуществляют регистрацию - фиксацию полученных значений с возможностью вычисления газоразделительных характеристик. Далее осуществляют сравнение фактических значений с допустимым диапазоном значений газоразделительных характеристик, представляющих собой содержание гелия в подготовленном газе на выходе обследуемого ряда мембранных модулей первой ступени и содержание гелия в пермеате на выходе обследуемого ряда мембранных модулей последующей ступени, выявляя ряд мембранных модулей со сниженными газоразделительными характеристиками.
В каждом выявленном ряду мембранных модулей со сниженной газоразделительной характеристикой в виде содержания гелия в подготовленном газе на выходе из него определяют работоспособность мембранного модуля, для этого измеряют заданную газоразделительную характеристику мембранного модуля, после чего фиксируют полученные значения с возможностью вычисления газоразделительной характеристики. Вычисленные фактические значения сравнивают с допустимым диапазоном значения газоразделительной характеристики в виде температурной депрессии. Температурную депрессию выявляют посредством тепловизионного обследования анализируемых заданных участков герметичного корпуса мембранных модулей ряда и определяют нарушения относительно остальных участков обследуемого мембранного модуля - герметичного корпуса в виде сниженной температурной депрессии, и тем самым выявляют мембранный модуль со сниженной температурной депрессией.
В каждом выявленном мембранном модуле со сниженной температурной депрессией определяют работоспособность мембранных элементов со сниженной газоразделительной характеристикой, представляющей собой изменение содержания гелия в пермеате на выходе из каждого мембранного элемента проверяемого ряда, для чего осуществляют измерение содержания гелия в пермеате, выходящего из мембранного элемента, фиксацию полученных значений с возможностью вычисления газоразделительной характеристики и сравнение фактических значений с допустимым диапазоном значения содержания гелия в пермеате, выходящего из мембранного элемента, после чего выявляют мембранный элемент со сниженным содержанием гелия в пермеате, выходящего из мембранного элемента.
Заявляемый способ подробнее раскрыт на следующем примере реализации.
Осуществляют определение работоспособности блоков мембранного разделения 1-ой и 2-ой ступени установки мембранного выделения гелиевого концентрата (далее по тексту - «УМВГК») на устройстве, выполненного с возможностью определения и анализа заданных технологических характеристик мембранных элементов, штатными известными средствами измерения, снабженного манометрами, термометрами, расходомерами, поточными хроматографами, обеспечивающих анализ газоразделительных характеристик блоков мембранного разделениям, рядов мембранных модулей и мембранных элементов.
Работоспособность блоков мембранного разделения 1 и 2 ступеней УМВГК, в процессе эксплуатации снижается в результате:
- нарушения механической прочности и целостности мембранных элементов (далее по тексту - «МЭ») и всех его составных частей;
- загрязнения МЭ механическими примесями;
- загрязнения МЭ капельными частицами (углеводороды С5+, вода, метанол);
- изменения свойств мембраны под действием компонентов природного газа (деградация мембраны).
Основными характеристиками МЭ, определяющими его эффективность и эксплуатационные свойства, являются проницаемость и селективность.
3
Проницаемость МЭ по гелию пропорциональна производительности МЭ по пермеату (м/ч), при которой обеспечиваются требуемые проектные показатели. Одним из основного проектного показателя Установки мембранного газоразделения является производительность МЭ по сырьевому газу, обеспечивающая проектное содержание гелия в подготовленном газе (на уровне 0,05% мольн.). Чем выше проницаемость мембраны по гелию, тем выше производительность МЭ.
Селективность процесса выделения гелия из природного газа можно оценить по величине фактора разделения по паре гелий-метан и доле отбора в пермеат. Чем выше фактор разделения по паре гелий-метан, тем ниже доля отбора газа в пермеат. При увеличении концентрации гелия в пермеате увеличивается фактор разделения по паре гелий-метан и снижается доля отбора газа в пермеат, т.е. гелий и прочие газы менее интенсивно переходят через селективный слой мембраны в пермеат.
Для повышения надежности эксплуатации большого количества мембранного оборудования, например, 1440 мембранных элементов, и сокращения возможных простоев Установки мембранного газоразделения в следствие выхода из строя мембранных элементов требуется решение задачи выявление мембранных элементов среди всего мембранного оборудования со сниженными газоразделительными характеристиками без останова (вывода из работы) блоков мембранного разделения и Установки мембранного газоразделения в целом. Отсутствие процедуры системного отслеживания и анализа газоразделительных характеристик блоков мембранного разделения может привести к постепенному выходу из строя единичных мембранных элементов. Достижение определенного суммарного числа вышедших из строя мембранных элементов может стать причиной снижения качества товарного газа (природного газа, очищенного от гелия до остаточного содержания 0,05% мольн.).
Заявляемое техническое решение предлагается использовать по алгоритмам контроля работоспособности блоков мембранного разделения 1-ой и 2-ой ступени, представленным в Фиг. 6 и Фиг. 7 соответственно.
Проверка работоспособности блока мембранного разделения проводится в стабильном режиме работы Установки мембранного газоразделения, например, УМВГК, при содержании гелия в объединенном потоке подготовленного газа на уровне 0,050-0,053% мольн. (определяют по показаниям поточного хроматографа 1, при открытом электромагнитном клапане 2, фиг.2).
Для контроля содержания гелия в подготовленном газе на выходе из блока мембранного разделения 1-й ступени (далее по тексту - «БМР1») установлен поточный хроматографический комплекс 1. Схема отбора проб подготовленного газа представлена на фиг. 2. В БМР1 предусмотрено семь точек отбора проб подготовленного газа: одна точка (3) на общем коллекторе 4 объединенного потока подготовленного газа (переключение электромагнитным клапаном 2, и по одной точке отбора (5-10) подготовленного газа на каждом из шести рядов БМР1 (переключение электромагнитными клапанами 11-16.
Определение работоспособности БМР1 с выявлением МЭ со сниженными газоразделительными характеристиками в составе блока осуществляют следующим образом:
- Шаг 1. Устанавливают режим периодической проверки i-го БМР1, стабильный режиме работы Установки мембранного газоразделения, при содержании гелия в объединенном потоке подготовленного газа на уровне 0,050-0,053% мольн.
- Шаг 2. Производят измерение и фиксация в специальном журнале основных технологических параметров работы i-го БМР1.
- Шаг 3. Результаты измерений технологических параметров работы i-го БМ1, полученные в Шаге 2, фиксируют в расчетный файл (математический аппарат расчетного файла построен на теоретических принципах настоящей методики) для вычисления газоразделительных характеристик i-го БМР1, в т.ч.:
- производительности БМР1 по сырьевому газу, обеспечивающая содержание гелия в подготовленном газе 0,050-0,053 % мольн;
- производительности БМ1 по пермеату;
- фактора разделения по паре гелий-метан ();
- доли отбора в пермеат по показаниям расходомеров;
- доли отбора в пермеат по результатам хроматографического анализа.
- Шаг 4. С помощью расчетного файла выполняют определение работоспособности i-го БМ1 путем сравнения его фактических газоразделительных характеристик (производительность блока по сырьевому газу, фактор разделения по паре гелий - метан) с допустимым диапазоном. Недопустимым является увеличение доли отбора в пермеат более 6,2%.
При этом, результаты первой после ввода в эксплуатацию проверки i-го БМ1 фиксируются как начальные характеристики блока. При каждой следующей проверке оценивается изменение текущих характеристик i-го БМ1 относительно начальных с учетом поправки на содержание легкопроникающих компонентов (гелий, диоксид углерода, водород) в сырьевом газе.
При выявлении изменений характеристик блока несоответствующих допустимым и/или доле отбора в пермеат более 6,2% выполняют переход к шагу 5 или переходят к проверке следующего БМР1.
- Шаг 5. Выполняют проверку рядов мембранного модуля (далее по тексту - «ММ») в составе БМР1 (точки отбора 5 -10). Выдают команду на открытие клапана 11 для переключения на отбор проб подготовленного газа с ряда ММ точки отбора 5 в составе БМР1.
- Шаг 6. Определяют содержание гелия в подготовленном газе  по показаниям хроматографа 1 и выдается команда на закрытие клапана 11.
- Шаг 7. Выдается команда на открытие клапана 12 для переключения на отбор проб подготовленного газа с ряда ММ точки отбора 6 в составе БМР1.
- Шаг 8. Определяют содержание гелия в подготовленном газе,  по показаниям хроматографа, выдается команда на закрытие клапана 12.
- Шаг 9. Выдается команда на открытие клапана 13 для переключения на отбор проб подготовленного газа с ряда ММ точки отбора 7 в составе БМР1.
- Шаг 10. Определяют содержание гелия в подготовленном газе  по показаниям хроматографа 1, выдается команда на закрытие клапана 13.
- Шаг 11. Выдается команда на открытие клапана 14 для переключения на отбор проб подготовленного газа с ряда ММ точки отбора проб 8 в составе БМР1.
- Шаг 12. Определяют содержание гелия в подготовленном газе  по показаниям хроматографа 1, выдается команда на закрытие клапана 14.
- Шаг 13. Выдается команда на открытие клапана 15 для переключения на отбор проб подготовленного газа с ряда ММ точки отбора проб 9 в составе БМР1.
- Шаг 14. Определяют содержание гелия в подготовленном газе по показаниям хроматографа 1. Выдается команда на закрытие клапана 15.
- Шаг 15. Выдается команда на открытие клапана 16 для переключения на отбор проб подготовленного газа с ряда ММ точки отбора проб 10 в составе БМР1.
- Шаг 16. Определяют содержание гелия в подготовленном газепо показаниям хроматографа 1.
MMn-MMn+2
- Шаг 18. Последовательно с помощью расчетного файла выполняют проверка содержания гелия в подготовленном газе на выходе из каждого ряда МБР 1 (C) на соответствие допустимому диапазону:
1
0 <  С < 0,07
где  -содержания гелия в подготовленном газе на выходе из каждого ряда, % мольн.
MMn
MMn+2
- Шаг 19. Если  не соответствует диапазону, указанном в шаге 18, оператор ставит в журнале отметку (-*) и переходит к шагу 23.
- Шаг 20. Если все обследуемые ряды i-го БМР1 соответствуют диапазону, указанному в шаге 18, проводят проверку корректности результатов измерений содержания гелия в подготовленном газе каждого ряда i-го БМР1. Необходимо проверять, чтобы все отборы на средства измерения, открыты или закрыты правильно; средства измерения поверены, исправны, срок поверки не истек; проверить условия проведения замеров; проверить условия эксплуатации средства измерения на соответствие паспортным требованиям.
- Шаг 21. Если результаты определения газоразделительных характеристик рядов i-го БМР1 корректны, переходят к шагу 22. Если в результатах определения газоразделительных характеристик рядов i-го БМР1 выявлены ошибки, проводят повторную проверку каждого ряда i-го БМР1 по содержанию гелия в подготовленном газе.
- Шаг 22. Проводят проверку корректности определения газоразделительных характеристик i-го БМР1 аналогично алгоритму, описанному в шаге 20. Если в результатах определения газоразделительных характеристик i-го БМР1 в режиме периодической проверки выявлены ошибки, проводят повторную проверку i-го БМР1. Если результаты определения газоразделительных характеристик i-го БМР1 корректны, переходят к проверке следующего i-го БМР1.
MMn
MMn+2
- Шаг 23. Фиксируют все ряды -*и проводится их дальнейшее обследование согласно шагам 24-31.
- Шаг 24. По итогам обследования рядов БМР1 проводят Термографирование в виде тепловизионного обследования ММ в рядах с отметкой о несоответствии значений газоразделительных характеристик.
Термографирование проводят для всех трех ММ проблемного ряда в целях выявления проблемного (проблемных) МЭ в части перетоков газа и негерметичностей внутри МЭ. Для обследования ММ используют переносной тепловизор. Области термографирования 17 и 18 представлены на фиг. 3. Термографирование носит качественный характер. При осмотре областей, обозначенных на фиг. 3, определяют наличие участков с разницей температур 2°С и более, сравнивают полученные тепловые изображения мембранных модулей между собой.
- Шаг 25. При обнаружении ММ с участками пониженной температуры (перепад температур 2°С и более), в журнале, ставится отметка для соответствующего МЭ (МЭ*), оператор переходит к шагу 27.
MMn
MMn+2
MMn
MMn+2
.
- Шаг 26. Если участки с температурной депрессией более 2°С отсутствуют, проводится проверка корректности результатов тепловизионного обследования ММ в составе ряда - (наличие и сроки поверки тепловизора, исправность тепловизора, соответствие условий эксплуатации тепловизора паспортным требованиям). Если в результатах обследования выявлены ошибки, проводят повторное тепловизионное обследование ММ в составе ряда -* Если результаты тепловизионного обследования корректны, проводят проверку корректности результатов измерений содержания гелия в подготовленном газе каждого ряда i-го БМ в соответствии с шагом 20 и шагом 21.
к
- Шаг 27. Фиксируют МЭ с отметкой (МЭ*). При выявлении несоответствий допустимым изменениям (наличие на поверхности ММ участков с температурной депрессией более 10°С) ставится отметка МЭ* (критическое изменение), оператор переходит к шагу 29.
- Шаг 28. Для ММ, включающих МЭ с отметкой (МЭ*) без критических изменений тепловизионное обследование проводят при каждом последующем мониторинге.
MMn
MMn+2
MMn
MMn+2
к
- Шаг 29. На ряду -с МЭ устанавливают шесть пробоотборников на пермеатные потоки, выходящие из каждого МЭ в -*.
- Шаг 30. Определяют содержание гелия в пермеатных потоках шести МЭ ряда по данным хроматографа 1. Из полученной выборки исключают максимальное и минимальное значения, определяют среднее значение по формуле:
где  - среднее содержания гелия в пермеате одного ряда, % мольн;
- содержания гелия в пермеатном потоке, выходящем из МЭ, % мольн.
- Шаг 31. С помощью расчетного файла выполняют проверка допустимого изменения содержания гелия в пермеате Δ для каждого МЭ в составе ряда:
-  < ⋅0,3 + 0,06⋅ + 0,0008
где  - содержание гелия в пермеате с МЭ в составе ряда, % мольн.
х
- Шаг 32. Если условие шага 31 не выполняется, т.е. изменение содержания гелия в пермеате на выходе из каждого МЭ проверяемого ряда i-го БМ1 не соответствует допустимому диапазону, оператор в Журнале (Приложение 3) ставит отметку «МЭ» и переходит к шагу 34.
- Шаг 33. Если условие шага 31 выполняется, т.е. изменение содержания гелия в пермеате на выходе из каждого МЭ проверяемого ряда i-го БМР1 соответствует допустимому диапазону, проводят проверку корректности результатов тепловизионного обследования ММ в составе проверяемого (проблемного) ряда i-го БМР1, перейдя к шагу 26 методики.
*кх
Шаг 34. МЭ с отметками по результатам хроматографической и тепловизионной проверки (МЭ) извлекают из i-го БМР1 с целью последующего тестирования на опытном стенде и принятия решения о дальнейшей эксплуатации, регенерации или отбраковке МЭ.
Определение работоспособности БМР2 с выявлением МЭ со сниженными газоразделительными характеристиками в составе блока осуществляют следующим образом:
Для контроля содержания гелия в пермеате на выходе из БМР2 установлен поточный хроматографический комплекс 19. Схема отбора проб пермеата для хроматографического анализа в БМР2 представлена на фиг. 4.
В БМР2 для отбора проб пермеата на хроматографический анализ предусмотрено заданное количество точек:
- первая точка отбора 20 на общем коллекторе 21 объединенного потока пермеата, переключение электромагнитным клапаном 22;
- двенадцать точек точек на каждом ряду БМР2 (6 точек с каждой стороны ряда), переключение электромагнитными клапанами 23-34;
- тридцать шесть точек отбора проб на выходе из каждого МЭ, переключение электромагнитными клапанами 35-70.
- Шаг 1. Устанавливают режим периодической проверки i-го БМР2 в соответствии режимом работы первой ступени установки мембранного газоразделения.
- Шаг 2. Производят измерение и фиксация в специальном журнале основных технологических параметров работы основных технологических параметров работы i-го БМР2.
- Шаг 3. Результаты измерений технологических параметров работы i-го БМР2, полученные в Шаге 2, вносят в расчетный файл (математический аппарат расчетного файла построен на теоретических принципах, настоящей методики) для вычисления газоразделительных характеристик i-го БМР2
- Шаг 4. С помощью расчетного файла выполняют определение работоспособности i-го БМР2 путем сравнения его фактических показателей проницаемости и селективности. Недопустимым является увеличение доли отбора в пермеат более 30%.
При этом, результаты первой после ввода в эксплуатацию проверки i-го БМР2 фиксируют как начальные характеристики БМР2. При каждой следующей проверке оценивают изменение текущих характеристик i-го БМР2 относительно начальных с учетом поправки на содержание легкопроникающих компонентов (гелий, диоксид углерода, водород) в сырьевом газе.
При выявлении изменений характеристик блока несоответствующих допустимым и/или доле отбора в пермеат более 30% выполняется переход к шагу 5, в противном случае переходят к проверке следующего i-го БМР2.
- Шаг 5. Для каждого ряда БМР2 проводят последовательный анализ содержания гелия сначала в потоке пермеата, выходящего из трех первых МЭ (например, МЭ 71, МЭ 72, МЭ 73), а затем из трех вторых МЭ (МЭ 89, МЭ 90, МЭ 91 и т.д.) одного ряда, для чего выдается команда на открытие соответствующего клапана, например, сначала клапана 35, а затем 36 и так далее.
- Шаг 6. Последовательно определяют содержание гелия в пермеатном потоке, выходящем из трех МЭ с одной стороны каждого ряда (например, для группы МЭ 71, МЭ 72, МЭ 73 определяют величину . Из полученной выборки исключают максимальное и минимальное значения, определяют среднее значение по формуле:
где  - среднее содержания гелия в пермеате на выходе из каждого ряда, % мольн;
- содержания гелия в пермеате, выходящем из трех МЭ с одной стороны из каждого ряда БМ2.
- Шаг 7. Выполняют проверку допустимого изменения содержания гелия в пермеатном потоке, выходящем из трех МЭ с одной стороны из каждого ряда:
/ - / > 0,1·+ 0,06⋅ + 0,0008
- Шаг 8. Если условие шага 7 выполняется, в журнале ряду присваивается отметка (*) и осуществляется переход к шагу 11.
- Шаг 9. Если по результатам проверки содержания гелия в пермеатных потоках (шаг 7) рядов с отметкой не выявлено, проводят определение корректности результатов проверки допустимого изменения содержания гелия в пермеате на каждом ряду i-го БМ2. Необходимо проверить, что все отборы на средства измерения, открыты/закрыты правильно; средства измерения поверены, исправны, срок поверки не истек; проверить условия проведения замеров; проверить условия эксплуатации средства измерения на соответствие паспортным требованиям. При выявлении ошибок проводят повторную проверу содержания гелия в пермеатных потоках, выходящей с одной стороны каждого ряда i-го БМ2, в соответствии с шагами 5-7. Если результаты проверки допустимого изменения содержания гелия в пермеате на каждом ряду i-го БМ2 корректны, осуществляют переход на шаг 10.
- Шаг 10. Проводят проверку корректности определения газоразделительных характеристик i-го БМР2 аналогично алгоритму, описанному в шаге 9. Если в результатах определения газоразделительных характеристик i-го БМР2 в режиме периодической проверки выявлены ошибки, проводят повторную проверку i-го БМР2. Если результаты определения газоразделительных характеристик i-го БМР2 корректны, переходят к проверке следующего i-го БМР2.
т
кр
- Шаг 11. По итогам обследования рядов БМР2 проводят тепловизионное обследование ММ в рядах с отметкой в соответствии с шагом 23. При обнаружении ММ с участками пониженной температуры (перепад температур 2-10°С), в журнале ставится отметка для соответствующего МЭ (МЭ). При обнаружении ММ с участками пониженной температуры с перепадом температур более 10°С, ставится отметка МЭ. Оператор переходит к шагу 12.
МЭ1.1
.
- Шаг 12. Для обследованного тепловизором ряда с отметкой проводят определение содержания гелия в потоке пермеата на выходе из каждого индивидуального МЭ, для чего выдается команда на открытие соответствующего клапана (например, для анализа пермеата из МЭ 71 открывается клапан 35). Определяют содержание гелия в пермеатном потоке (например, для МЭ 71 определяется С)
1
- Шаг 13. Выполняют проверку допустимого изменения содержания гелия в пермеате каждого МЭ проверяемого ряда с отметкой:
/ - / > 0,3⋅+ 0,06⋅ + 0,0008
где  - среднее содержания гелия в пермеате на выходе из каждого ряда, % мольн;
- содержания гелия в пермеатном потоке, выходящем из одного МЭ ряда, % мольн.
х
- Шаг 14. Если условие шага 13 выполняется, оператор ставит отметку о несоответствии изменения содержания гелия в пермеате анализируемого МЭ ряда допустимым изменениям в Журнале (МЭ), в противном случае отметка не ставится. Если по результатам проверки содержания гелия в потоке пермеата на выходе из каждого индивидуального МЭ с отметкой не выявлено, проводят определение корректности результатов анализа пермеатных потоков на выходе из каждого индивидуального МЭ аналогично описанной в шаге 8. Если результаты корректны, осуществляется переход к проверке корректности результатов измерений содержания гелия в пермеатных потоках рядов i-го БМР2 в соответствии с шагом 9. Если в результатах определения газоразделительных характеристик МЭ ряда с отметкой выявлены ошибки, проводят повторную проверку каждого МЭ ряда с отметкой тепловизором и по содержанию гелия в пермеате.
кр
х
- Шаг 15. Определяют МЭ с отметками, поставленными по результатам тепловизионного обследования (МЭ, шаг 11) и проверяют содержания гелия в пермеате (МЭ, шаг 12 - шаг 14).
*кх
- Шаг 16. МЭ с отметками по результатам хроматографической и тепловизионной проверки (МЭ) извлекают из i-го БМ2 с целью последующего тестирования на опытном стенде и принятия решения принятия решения о дальнейшей эксплуатации, регенерации или отбраковке МЭ.
Пример конкретного выполнения.
Способ проверки работоспособности блоков мембранного газоразделения был осуществлен для УМВГК, расположенной на Чаяндинском НГКМ (реализованная в УМВГК двухступенчатая схема извлечения гелия, и содержащей блоки мембранного разделения 1-й и 2-й ступени газоразделения, в состав блока мембранного разделения (далее по тексту - «БМР») входят восемнадцать мембранных модулей (далее по тексту - «ММ»), расположенные на металлоконструкции, фильтр-сепаратор перед входом на ММ, трубопроводы с необходимой ЗРА и КИП и А (фиг. 2). В каждом ММ размещены два мембранных элемента (фиг. 3). Общее количество мембранного оборудования для шести технологических линий УМВГК - 33 БМР в первой ступени и 7 БМР во второй ступени
108, дожимную компрессорную станцию 109 (далее по тексту - «ДКС»),
предназначенную для сжатия газообразного потока пермеата второй ступени 108 до 16,6
МПа (изб) с целью последующей закачки в пласт на долгосрочное хранение, межступенчатую компрессорную станцию 110, предназначенную для сжатия газообразного потока пермеата первой ступени 104 до 10,0 МПа и подачи на вход второй ступени 108 мембранного разделения, при этом пермеат первой ступени – это пермеат, выходящий из БМР1 при давлении 0,1 МПа (изб), содержащий 8-10 % мольн. гелия, пермеат второй ступени - это пермеат, выходящий из БМР2 при давлении 0,2 МПа (изб.), содержащий 27- 30 % мольн. гелия.
Предварительно во внутрь ММ (фиг. 5) размещают МЭ 111 и муляж МЭ 112, при этом ММ представляет собой герметичный корпус, который выполнен с возможностью прохождения внутри него рабочей среды в виде сырьевого газа и с возможностью выхода их него потоков.
БМР представляет собой ряды ММ и расположен с возможностью отбора заданного количества проб на выходе из него, при этом отбор проб осуществляют посредством открытия или закрытия электромагнитных клапанов.
Проверку работоспособности БМР проводили в стабильном режиме работы
УМВГК, при содержании гелия в объединенном потоке подготовленного газа на уровне
0,050-0,053 % мольн., который определяют по показаниям поточного хроматографа 1, установленный на выходе из БМР, при этом электромагнитный клапан 2 был открыт (фиг.2).
Посредством поточного хроматографического комплекса 1 осуществлялся контроль за содержанием гелия в подготовленном газе на выходе из БМР 1, при этом отбор пробы подготовленного газа осуществлялся согласно схемы (фиг. 2). В БМР 1 было предусмотрено семь точек отбора проб подготовленного газа: одна точка на общем коллекторе объединенного потока подготовленного газа, переключение осуществлялось посредством электромагнитного клапана, и по одной точке отбора подготовленного газа на каждом из шести рядов БМР 1.
Работоспособность БМР 1 определялась с выявлением МЭ со сниженными газоразделительными характеристиками в составе БМР 1 посредством измерения газоразделительных характеристик, фиксацию полученных значений и вычисления значения газоразделительных характеристик:
- производительности БМР1 по сырьевому газу, обеспечивающая содержание гелия в подготовленном газе 0,050-0,053% мольн;
- производительности БМР1 по пермеату;
- фактора разделения по паре гелий-метан ();
- доли отбора в пермеат по показаниям расходомеров;
- доли отбора в пермеат по результатам хроматографического анализа.
Полученные значения анализировали, и при выявлении изменений характеристик блока несоответствующих допустимым и/или доле отбора в пермеат более 6,2% выполняют проверку следующего БМР1.
В процессе работы БМР1-А-2 было выявлено снижение его производительности.
Состав сырьевого газа по легкопроникающим компонентам (гелий, водород, углекислый газ) в соответствии с данными поточного хроматографа существенно не изменялся. Ранее в процессе планового периодического обследования БМР1-А-2 сделана отметка для МЭ 13.1* в ряду ММ13-ММ15 по результатам тепловизионного обследования. Проведено внеплановое тепловизионное обследование ряда ММ13-ММ15 БМ1-А-2, на поверхности корпуса ММ13 отмечено наличие участков с температурной депрессией 10-11°С.
Для подтверждения снижения газоразделительной эффективности ММ были установлены пробоотборники на пермеатные потоки, выходящие из 6 МЭ ряда, получены следующие результаты:
Из полученной выборки исключили минимальное и максимальное значения ( и ), определили среднее значение содержания гелия в пермеате одного ряда:
Определили допустимое изменение содержания гелия в пермеате для МЭ обследуемого ряда Δ:
Выполнили проверку допустимого изменения содержания гелия в пермеате для каждого МЭ в составе ряда в сравнении с усредненным значением по ряду . Для МЭ 13.1 выявлено несоответствие допустимому изменению Δ:
С учетом результатов тепловизионного обследования было обнаружено, что изменения являются критическими, было рекомендовано извлечение МЭ 13.1 из БМ1-А-2 с последующей заменой новым МЭ.
Получение технического результата от использования заявляемого технического решения возможно в условиях стабильного технологического режима УМВГК:
1. Для обследуемых блоков мембранного разделения 1-ой ступени установки:
- Давление сырьевого газа на входе в блок 9,8-10,2 МПа (абс);
- Давление пермеата на выходе из блока 0,19-0,21 МПа (абс);
- Температура сырьевого газа на входе в блок 48-52°С;
- Производительность блока, обеспечивающая содержание гелия в подготовленном газе на уровне 0,050-0,053% мольн.;
- Содержание гелия в подготовленном газе на выходе из блока 0,050-0,053% мольн.
2. Для обследуемых блоков мембранного разделения 2-ой ступени установки:
- Давление сырьевого газа на входе в блок 10,12-10,15 МПа (абс);
- Давление пермеата на выходе из блока 0,29-0,31 МПа (абс);
- Температура сырьевого газа на входе в блок 48-52°С;
- Производительность блока, обеспечивающая содержание гелия в подготовленном газе на уровне 0,050-0,053% мольн.;
- Содержание гелия в подготовленном газе на выходе из блока 0,050-0,053% мольн.
Предлагаемые, в заявляемом техническом решении, к анализу технологические параметры работы мембранного оборудования УМВГК, позволяют сделать вывод о работоспособности блоков мембранного разделения:
- Давление сырьевого газа, МПа (изб);
- Давление пермеата, МПа (изб);
- Температура сырьевого газа, °С;
- Температура пермеата, °С;
3
- Расход сырьевого газа (производительность БМР1 по сырьевому газу), ст. м/ч;
3
- Расход пермеата (производительность БМР1 по пермеату), ст. м/ч;
- Компонентный состав сырьевого газа;
- Компонентный состав подготовленного газа;
- Компонентный состав пермеата;
- Перепад давления (гидравлическое сопротивление), МПа.
МЭ со сниженным газоразделительными характеристиками, извлекаются из БМР1 и БМР2 и повторно проходят процедуру контроля на устройстве.
Заявляемое техническое решение позволяет повысить качество подготовленного газа за счет повышении качества определения работоспособности Установки мембранного газоразделения по причине возможного массового выхода мембранных газоразделительных элементов из строя без остановки или вывода из работы блока или блоков мембранного газоразделения и тем самым минимизировать риски снижения качества подготовленного газа.