БЛОК ПОДГОТОВКИ ТОПЛИВНОГО, БУФЕРНОГО И РАЗДЕЛИТЕЛЬНОГО ГАЗОВ

Полезная модель относится к устройствам подготовки топливного, буферного и разделительного газов и предназначена для использования в газоперекачивающих агрегатах (ГПА), в качестве привода которых используются газотурбинные двигатели.
Широко известны блоки подготовки топливного газа для газотурбинных приводов ГПА. Известны также блоки подготовки буферного газа (называемого также уплотнительным) и блоки подготовки разделительного газа (называемого также барьерным, а в некоторых источниках - буферным) для нагнетателя (центробежного компрессора) ГПА. Например, такие блоки производятся ООО ГК «ПРОМТЕХ» (сайт компании, страница «О компании» / каталоги и презентации / Презентация ГК «ПРОМТЕХ» 2016 по адресу http://gc-promteh.ru/about/catalogs-and-presentations/, стр. 40-42 Презентации, последнее изменение 19.10.2016). Топливный газ - природный газ, служащий топливом для газотурбинного двигателя, буферный и разделительный газ используются соответственно в первой и второй ступени газодинамических уплотнений вала центробежного компрессора. В качестве буферного газа также используется природный газ, в качестве разделительного газа используется воздух от воздушного компрессора (воздуходувки) либо отбираемый с последних ступеней компрессора газотурбинной установки или азот, или двуокись углерода.
Как правило, такие блоки скомпонованы отдельно друг от друга, могут размещаться в отдельных теплоизолированных контейнерах и/или на раме. К примеру, известны блок подготовки топливного газа, блок подготовки буферного газа и блок подготовки барьерного газа, описанные в патенте на полезную модель RU №115843 (опубл. 10.05.2012) «Газоперекачивающий агрегат», фиг. 22, 23, 24, 25 описания к патенту RU №115843. Недостатком таких блоков являются большие размеры. Известны также по патенту на полезную модель RU №95762 (опубл. 10.07.2010) «Установка для подготовки и подачи буферного газа» и по патенту RU №90505 (опубл. 10.01.2010) «Газодожимная установка газокомпрессорной станции магистрального газопровода», содержащая устройство подготовки буферного природного газа. Недостатком последних устройств, кроме больших размеров, является также отсутствие резервирования в системе фильтрации. Известна также система уплотнений вала компрессора по патенту на полезную модель RU №96194 (опубл. 20.07.2010), использующая установку для получения азота или двуокиси углерода, которые используются в качестве разделительного газа.
Известна также система подогрева топливного и буферного газа по патенту на изобретение RU №2403521 (опубл. 10.11.2010), однако для подогрева газа в ней используются отдельные теплообменные устройства для каждого вида газа.
Известен агрегатный блок подготовки топливного газа ГПА компрессорной станции магистрального трубопровода по патенту на полезную модель RU №92934 (опубл. 10.04.2010), содержащий последовательно расположенные по ходу газа, соединенные трубопроводами: систему фильтрации, состоящую из параллельно установленных рабочего и резервного фильтров с коалесцирующими фильтрующими элементами с управляемыми клапанами на входе и выходе; узел замера расхода газа; систему подогрева, состоящую из двух взаимно резервирующих газомасляных подогревателей, с управляемыми клапанами на входе и выходе. После подогревателей газа часть газа направляется по трубопроводу подачи топливного газа через систему редуцирования, включающую две взаимно резервирующие нитки редуцирования, каждая из которых имеет управляемые клапаны на входе и выходе и содержит основной рабочий регулятор давления и последовательно установленный с основным дополнительный регулятор давления, в двигатель газотурбинной установки ГПА, при этом на выходе трубопровода подачи топливного газа установлен узел предохранительных клапанов, состоящий из двух взаимно резервирующих клапанов; для ручного сброса газа на свечу при обслуживании оборудования, проверки манометров, отключения импульсных линий регуляторов давления предусмотрены ручные клапаны перед фильтрами, после узла замера расхода газа, после подогревателей, после регуляторов давления. Остальной газ после подогревателей подается по трубопроводу в устройство подготовки буферного (уплотнительного) газа. Агрегатный блок содержит также устройство подготовки разделительного (барьерного) воздуха, который для этих целей отбирается с последних ступеней компрессора газотурбинной установки ГПА. Состав и компоновка устройств подготовки буферного газа и разделительного воздуха в описании аналога не раскрыты. Агрегатный блок содержит датчики давления, датчики перепада давления, датчики температуры, в качестве запорной арматуры применена электроприводная арматура, блок размещен в отдельном транспортабельном теплоизолированном контейнере с собственной системой вентиляции, обогрева, контроля загазованности, охранно-пожарной сигнализации, пожаротушения. Преимуществом такого блока, обеспечивающего одновременно подготовку топливного, буферного и разделительного газа, является уменьшение габаритов и площади, которую он занимает, по сравнению с приведенными выше аналогами, однако его компактность недостаточна, в том числе из-за применения теплоизолированного контейнера, из-за переоснащенности оборудованием, последнее также усложняет устройство и делает его неэффективным.
Устройство имеет несколько зон обслуживания, что осложняет работу персонала.
Известен также агрегатный блок подготовки топливного газа по патенту на полезную модель RU №78896 (опубл. 10.12.2008), имеющий общие с приведенным выше по патенту RU №92934 устройством признаки и недостатки. Блок содержит последовательно расположенные по ходу газа, соединенные трубопроводами: систему фильтрации, состоящую из параллельно установленных взаимно резервирующих фильтров с коалесцирующими фильтрующими элементами с управляемыми клапанами на входе и выходе; узел замера расхода газа, включающий турбинный счетчик газа с корректором или кориолисовый расходомер; систему подогрева, состоящую из двух взаимно резервирующих проточных электрических подогревателей, с управляемыми клапанами на входе и выходе. После подогревателей газа часть газа направляется по трубопроводу подачи топливного газа через систему редуцирования, включающую две взаимно резервирующие нитки редуцирования, каждая из которых имеет клапан на входе и регулируемый клапан на выходе и содержит основной рабочий регулятор давления и последовательно установленный с основным дополнительный регулятор давления, настроенный на более высокое давление, в двигатель газотурбинной установки ГПА, при этом на выходе трубопровода подачи топливного газа установлен узел предохранительных клапанов, состоящий из двух взаимно резервирующих клапанов; для ручного сброса газа на свечу при обслуживании оборудования, проверки манометров, отключения импульсных линий регуляторов давления предусмотрены ручные клапаны перед фильтрами, после узла замера расхода газа, после подогревателей, после регуляторов давления. Остальной газ после подогревателей подается по трубопроводу подачи буферного газа в устройство подготовки буферного (уплотнительного) газа. Агрегатный блок содержит также устройство подготовки разделительного (барьерного) воздуха, который для этих целей отбирается с последних ступеней компрессора газотурбинной установки ГПА. Состав и компоновка устройств подготовки буферного газа и разделительного воздуха в описании аналога не раскрыты. Агрегатный блок содержит датчики давления датчики температуры, в качестве запорной арматуры применена электроприводная арматура; содержит блок управления, связанный электрическими цепями с функциональными исполнительными элементами, блок размещен в отдельном транспортабельном теплоизолированном контейнере с собственной системой вентиляции, обогрева, контроля загазованности, охранно-пожарной сигнализации, пожаротушения. Это техническое решение принято за ближайший аналог предлагаемой полезной модели.
Перед авторами стояла задача создания компактной конструкции устройства для подготовки топливного, буферного и разделительного газов для ГПА с улучшенными эксплуатационными характеристиками за счет увеличения ресурса, уменьшения количества и площади зон обслуживания блока и повышения удобства обслуживания, а также за счет облегчения монтажа и сокращения сроков монтажа.
Поставленная задача решается созданием компактной конструкции блока подготовки топливного, буферного и разделительного газов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Для достижения указанного технического результата блок подготовки топливного, буферного и разделительного газов (далее - блок подготовки газов), содержащий последовательно расположенные по ходу газа, соединенные трубопроводами: два параллельно установленных взаимно резервирующих фильтра с коалесцирующими фильтрующими элементами; по меньшей мере, один подогреватель газа; после подогревателя газа часть газа направляется по трубопроводу подачи топливного газа через устройство редуцирования в двигатель газотурбинной установки; другая часть газа по трубопроводу подачи буферного газа подается в устройство подготовки буферного газа; содержащий также запорную, регулирующую и предохранительную, в том числе для сброса газа, трубопроводную арматуру; устройство замера расхода газа; средства измерений (датчики) давления, средства измерений (датчики) перепада давления, средства измерений (датчики) температуры и устройство подготовки разделительного газа, содержит сепаратор центробежный вихревой, установленный перед фильтрами с коалесцирующими фильтрующими элементами; два устройства замера расхода газа, одно из которых - устройство замера расхода топливного газа - установлено на трубопроводе подачи топливного газа перед регулятором давления; устройство подготовки буферного газа содержит последовательно расположенные по ходу буферного газа: клапан на входе трубопровода, второе устройство замера расхода газа - буферного газа, средства измерений (датчики) температуры и давления; устройство подготовки разделительного газа содержит трубопровод подачи разделительного газа с нагревателем и средствами измерений (датчиками) температуры, установленными до и после нагревателя, при этом в частном случае выполнения полезной модели в качестве разделительного газа использован азот; фильтры с коалесцирующими фильтрующими элементами снабжены средством измерений (датчиком) перепада давления; все устройства блока подготовки газов размещены на общей раме с каркасом и площадкой обслуживания фильтров с коалесцирующими фильтрующими элементами, при этом трубопроводная арматура сгруппирована в двух местах: трубопроводная арматура средств измерений (датчиков) перепада давления фильтров с коалесцирующими фильтрующими элементами и трубопроводная арматура средств измерений давления газа объединены на панели контрольно-измерительных приборов (КИП), размещенной на площадке обслуживания фильтров с коалесцирующими фильтрующими элементами, а трубопроводная арматура фильтров с коалесцирующими фильтрующими элементами размещена на передней (опорной) стороне блока; в качестве редуцирующего устройства использован регулятор давления «после себя»; в качестве устройства замера расхода газа использован электронный датчик расхода газа с преобразователем расхода вихревым.
Целесообразно оснастить устройство подготовки разделительного газа блоком фильтров предварительной очистки газа.
Целесообразно раму блока подготовки газов выполнить разборной, площадку обслуживания выполнить со съемными настилом и опорами для возможности монтажа/демонтажа подогревателя газа, части трубопровода подачи топливного газа с установленным регулятором давления и электронным датчиком расхода газа для ремонта и обслуживания, а также для проведения регламентных работ на блоке без снятия и разборки трубопроводов.
Устройство работает схожим с прототипом образом.
Природный газ поступает в сепаратор центробежный вихревой, где очищается от жидкости и механических загрязнений; затем поступает в один из фильтров с коалесцирующими фильтрующими элементами, где окончательно очищается, при этом благодаря средству измерений (датчику) перепада давления контролируется загрязнение фильтров, что позволяет вовремя производить их обслуживание; подогревается до нужной температуры в подогревателе газа; затем часть газа по трубопроводу подачи топливного газа поступает в устройство редуцирования, в качестве которого применен компактный регулятор давления «после себя», проходя через устройство замера расхода топливного газа; затем подготовленный топливный газ поступает в двигатель газотурбинной установки. Другая часть подогретого газа по трубопроводу подачи буферного газа, проходя через устройство замера расхода буферного газа, поступает на панель управления сухими газовыми уплотнениями центробежного компрессора ГПА. Благодаря предварительной очистке газа в сепараторе центробежном вихревом увеличивается ресурс фильтров с коалесцирующими фильтрующими элементами и систем подготовки топливного и буферного газов в целом, в том числе также благодаря лучшей защите трубопроводной арматуры и средств измерений от загрязнений. Кроме того, сепаратор центробежный улавливает залповые выбросы жидкости, что также повышает ресурс фильтров с коалесцирующими фильтрующими элементами, а также позволяет применить более компактные фильтры без отбойника жидкости. Дополнительным преимуществом применения сепаратора центробежного является снижение затрат за счет уменьшения частоты смены коалесцирующих фильтрующих элементов фильтров. Благодаря двум устройствам замера расхода газа производится более точный учет потребленного природного газа, в том числе подтверждается достаточный расход буферного газа для сухих газовых уплотнений компрессора. Кроме того, установка отдельного устройства замера расхода буферного газа позволяет контролировать прохождение газа через подогреватель газа в момент запуска двигателя и компрессора, так как буферный газ начинает подаваться в компрессор на 5-20 мин раньше, чем топливный газ в двигатель, что позволяет предотвратить перегрев и уход в аварию. Примененные средства измерений (датчики) расхода газа с преобразователем расхода вихревым более компактны по сравнению с устройствами, примененными в прототипе.
В устройство подготовки разделительного газа, включенное в блок подготовки газов, по трубопроводу подачи разделительного газа поступает газ, предпочтительно азот, нагреватель нагревает его до необходимой температуры, которая контролируется средствами измерений (датчиками) температуры, после чего газ поступает на сухие газовые уплотнения центробежного компрессора ГПА. Разделительный газ может очищаться в блоке фильтров предварительной очистки газа, что увеличивает ресурс устройства. В качестве разделительного газа может также использоваться воздух или двуокись углерода.
В остальном работа предлагаемого устройства схожа с работой прототипа.
Блок подготовки газов за счет объединения систем подготовки топливного, буферного и разделительного газов, уменьшения длины трубопроводов, сокращения количества трубопроводной арматуры, средств измерений (датчиков), применения компактных устройств замера расхода газа и редуцирования газа, компактных фильтров с коалесцирующими фильтрующими элементами, имеет меньший объем, габариты и занимает меньшую площадь. Уменьшается масса блока. Объединение систем и размещение средств измерений (датчиков) перепада давления и давления вместе с их трубопроводной арматурой на одной панели КИП, расположенной на площадке обслуживания, позволяет проводить контроль параметров в удобном для обслуживания месте, с этой же площадки производится обслуживание фильтров с коалесцирующими фильтрующими элементами. Трубопроводная арматура фильтров с коалесцирующими фильтрующими элементами размещена на передней (опорной) стороне блока. Таким образом, количество зон обслуживания блока подготовки газов сокращается, и он имеет больше вариантов размещения по сравнению с прототипом, он может быть расположен вдоль стены к ней вплотную или вдоль другого оборудования, в углу, что облегчает его монтаж. Объединение систем подготовки топливного, буферного и разделительного газа в одном блоке на одной раме облегчает монтаж и сокращает сроки монтажа этих систем. Разборная рама, съемные настил и опоры площадки обслуживания облегчают монтаж и обслуживание блока.
Выполнение блока подготовки топливного, буферного и разделительного газов, содержащего последовательно расположенные по ходу газа, соединенные трубопроводами: два параллельно установленных взаимно резервирующих фильтра с коалесцирующими фильтрующими элементами; по меньшей мере один подогреватель газа; после подогревателя газа часть газа направляется по трубопроводу подачи топливного газа через устройство редуцирования в двигатель газотурбинной установки, другая часть газа по трубопроводу подачи буферного газа подается в устройство подготовки буферного газа; содержащего также запорную, регулирующую и предохранительную, в том числе для сброса газа, трубопроводную арматуру; устройство замера расхода газа; средства измерений (датчики) давления, средства измерений (датчики) перепада давления, средства измерений (датчики) температуры; устройство подготовки разделительного газа, с сепаратором центробежным вихревым, установленным перед фильтрами с коалесцирующими фильтрующими элементами; содержащим два устройства замера расхода газа, одно из которых - устройство замера расхода топливного газа - установлено на трубопроводе подачи топливного газа перед регулятором давления; с устройством подготовки буферного газа, которое содержит последовательно расположенные по ходу буферного газа: клапан на входе трубопровода, второе устройство замера расхода газа - буферного газа, средства измерений (датчики) температуры и давления; с устройством подготовки разделительного газа, которое содержит трубопровод подачи разделительного газа с нагревателем и средства измерений (датчики) температуры, установленные до и после нагревателя, а в частном случае выполнения содержит также блок фильтров предварительной очистки газа; использование в частном случае в качестве разделительного газа азота; выполнение фильтров с коалесцирующими фильтрующими элементами со средством измерений (датчиком) перепада давления; размещение всех устройств блока подготовки газов на общей раме с каркасом и площадкой обслуживания фильтров с коалесцирующими фильтрующими элементами, локализация трубопроводной арматуры в двух местах: трубопроводной арматуры средств измерений (датчиков) перепада давления фильтров с коалесцирующими фильтрующими элементами и давления газа на панели КИП, размещенной на площадке обслуживания; а трубопроводной арматуры фильтров с коалесцирующими фильтрующими элементами - на передней (опорной) стороне блока; применение в качестве редуцирующего устройства регулятора давления «после себя»; использование в качестве устройства замера расхода газа электронного датчика расхода газа с преобразователем расхода вихревым; выполнение в частном случае рамы разборной, а площадки обслуживания со съемными настилом и опорами обеспечивает компактную конструкцию блока подготовки топливного, буферного и разделительного газов с улучшенными эксплуатационными характеристиками за счет обеспечения увеличения ресурса, уменьшения количества и площади зон обслуживания блока и повышения удобства обслуживания, а также за счет облегчения монтажа/демонтажа и сокращения сроков монтажа.
Предлагаемая конструкция иллюстрируется чертежами.
На фигуре 1 представлен общий вид блока подготовки газа в аксонометрической проекции, один из конкретных примеров воплощения полезной модели, на фигуре 2 представлен общий вид блока подготовки газа по фигуре 1 в ортогональной проекции, вид спереди, на фигуре 3 представлен разрез А-А по фигуре 2, на фигуре 4 - вид сбоку, на фигуре 5 - вид сверху, на фигуре 6 представлена схема газовая принципиальная блока подготовки газов, где 1 - сепаратор центробежный вихревой, 2 - фильтр с коалесцирующими фильтрующими элементами, 3 - подогреватель газа, 4 - трубопровод подачи топливного газа, 5 - устройство редуцирования, в качестве которого применен компактный регулятор давления «после себя», 6 - устройство замера расхода топливного газа, 7 - трубопровод подачи буферного газа, 8 - устройство замера расхода буферного газа, 9 - трубопровод подачи разделительного газа, 10 - нагреватель разделительного газа, 11 - панель КИП, 12 - площадка обслуживания фильтров 2, 13 - рама блока, А1-А10 - точки присоединения трубопроводов: А1 - подвод газа, А2 - отвод топливного газа, A3 - отвод буферного газа, А4 - подвод разделительного газа, А5 - отвод разделительного газа, А6 - дренаж конденсата с блока подготовки газа, А7 - сброс газа с фильтров 4 в атмосферу, А8 - сброс топливного газа на факел перед регулятором давления 5, А9 - аварийный сброс топливного газа на факел, А10 - продувочный трубопровод на факел.
В приведенном примере в качестве подогревателя газа 3 применен электрический подогреватель газа, выполненный в виде размещенных внутри проточной емкости трубчатых термоэлектрических нагревательных элементов (ТЭНов), в качестве нагревателя 10 применен электронагреватель, но в их качестве могут быть также применены газомасляный или газоводяной теплообменники или другие подходящие устройства. Подогревателей газа может быть несколько. В качестве средств измерений могут быть применены датчики давления, датчики перепада давления, термометры сопротивления, сигнализаторы уровня, а также измерительные приборы, например, манометры, термометры, другие подходящие средства измерений, при этом измерительные преобразователи и/или приборы визуального контроля могут размещаться на панели КИП 11.
Отличительными признаками предлагаемого устройства от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является то, что блок подготовки газов снабжен сепаратором центробежным вихревым, установленным перед фильтрами с коалесцирующими фильтрующими элементами; содержит два устройства замера расхода газа, одно из которых - устройство замера расхода топливного газа - установлено на трубопроводе подачи топливного газа перед регулятором давления; содержит устройство подготовки буферного газа включающее последовательно расположенные по ходу буферного газа: клапан на входе трубопровода, второе устройство замера расхода газа - буферного газа, средства измерений температуры и давления; включает устройство подготовки разделительного газа, содержащее трубопровод подачи разделительного газа с нагревателем и средствами измерений температуры, установленными до и после нагревателя, в частном случае выполнения содержащее также блок фильтров предварительной очистки газа; в качестве разделительного газа в частном случае выполнения полезной модели использован азот; фильтры с коалесцирующими фильтрующими элементами снабжены средством измерений перепада давления; все устройства блока подготовки газов размещены на общей раме с каркасом и площадкой обслуживания фильтров с коалесцирующими фильтрующими элементами; трубопроводная арматура сгруппирована в двух местах: трубопроводная арматура средств измерений перепада давления фильтров с коалесцирующими фильтрующими элементами и давления газа - на панели КИП, размещенной на площадке обслуживания; а трубопроводная арматура фильтров с коалесцирующими фильтрующими элементами - на передней (опорной) стороне блока; в качестве редуцирующего устройства применен регулятор давления «после себя»; в качестве устройства замера расхода газа применен электронный датчик расхода газа с преобразователем расхода вихревым; в частном случае рама выполнена разборной, а площадка обслуживания выполнена со съемными настилом и опорами.
Совокупность всех указанных существенных признаков позволила создать компактную конструкцию устройства для подготовки топливного, буферного и разделительного газов для ГПА с улучшенными эксплуатационными характеристиками за счет увеличения ресурса, уменьшения количества и площади зон обслуживания блока и повышения удобства обслуживания, а также за счет облегчения монтажа и сокращения сроков монтажа.
Заявляемое техническое решение блока подготовки газов может быть осуществлено в условиях промышленного производства с использованием стандартного оборудования, современных материалов и технологий. Блок подготовки газов собирается из стандартного электротехнического оборудования и приборов, применяются стандартные газовые фильтры и сепараторы, стандартные средства регулирования, контроля, измерения и автоматики, при его изготовлении используются стандартные металлические конструкции, металлопрокат, строительные материалы. В реализованном блоке подготовки газов были применены: датчики расхода газа ДРГ.М производства ОАО НПФ «СИБНА», проточный электрический нагреватель газа RACAE, фильтры коалесцеры ФГВ, сепаратор центробежный вихревой СЦВ производства ООО «РоСКом-ТехМаш», датчики избыточного давления, датчики абсолютного давления и датчики разности давлений производства ЗАО «ПГ Метран», манометры ОАО «Манотомь», термометры сопротивления ЗАО «СКВ Термоприбор», трубопроводная арматура ООО «ИК Энерпред-Ярдос» и других производителей, сигнализаторы уровня, регулятор давления «после себя» РД 410 У производства ЗАО «РУСТ-95», электронагреватель НГВА производства ООО «НПФ ИНОВА».
Характеристики блока подготовки газов представлены в таблице.
Авторами разработана конструкция блока подготовки топливного, буферного и разделительного газов, которая успешно реализована в газоперекачивающих агрегатах ГПА-1001 «Иртыш» и ГПА-0601 «Иртыш».