ОДОРИЗАТОР ПРИРОДНОГО ГАЗА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к автоматическому регулированию расхода газообразной среды и может быть использована в различных отраслях промышленности, например, в процессе одорирования природного газа, где требуется пропорциональная подача одоранта в газовую магистраль при значительных колебаниях расхода газа, обусловленных суточными колебаниями потребления газа, в том числе и малых расходах.
2
6
1
6
Природный газ на основе метана в общем случае не имеет запаха. Перед поступлением к потребителю газ проходит определенные этапы подготовки, основные из которых очистка, дросселирование, одоризация. В процессе одоризации к газу добавляются компоненты, обладающие резким запахом. Одоризация проводится с целью оперативного обнаружения утечек газа и обеспечения безопасности эксплуатации газового оборудования. В качестве одорантов используют этилмеркаптан (СНS) и смесь природных меркаптанов, два разных сложных алкильных эфира акриловой кислоты (С-С); комбинацию или, по меньшей мере, одно соединение из группы, содержащей карбоновые кислоты, альдегиды, фенолы, анизолы. Возможно применение и других пахучих веществ:
Одорирование природного газа, движущегося по магистральным трубопроводам, осуществляется как правило на газораспределительных станциях (ГРС) после его редуцирования от давления р=6…12 МПа до давления р=0,2…0,6 МПа. При одоризации природного газа используются два основных способа подачи одоранта: введение непрерывное или дискретное в поток природного газа жидкого одоранта с его последующим испарением; введение в поток природного газа паров одоранта или газовой смеси, содержащей пары одоранта.
Устройства, реализующие подачу жидкого одоранта в газовый поток, представлены установками плунжерного типа (Данилов А.А., Петров А.И. Газораспределительные станции. С. Петербург. Изд-во «Недра», 1997; патент РФ №2153189, МПК G05D 7/00, опубликовано 2010. 07.20.).
3
3
Поскольку количество одоранта, вводимого в газовую среду, составляет 5…17 г.на 10000 нормальных м газа, то введение в поток жидкого одоранта используется преимущественно при стабильном и гарантированно большом расходе газа, Q>100 нм/час. При меньших расходах газа возникают чисто технические проблемы подачи, регулирования и измерения малых количеств жидкости, а при дискретной подаче одоранта возникает проблема однородности смешения одоранта с газом, удовлетворяющая требованиям технических условий. Отмеченные недостатки ограничивают применение устройств подачи жидкого одоранта в газовый поток установками плунжерного типа при малых расходах газа.
3
Известен одоризатор природного газа (патент №2399947, МПК G05D 7/00, опубл. 20.09.2010), наиболее близкий к заявляемому и содержащий термостатированную расходную емкость одорирующей жидкости с патрубком наддува и патрубком подачи одоранта, канал наддува газом высокого давления, сообщенный через расходный редуктор и эжектор с магистралью низкого давления, а через расходный редуктор и редуктор наддува - с патрубком наддува и через вентиль-смеситель - с патрубком подачи одоранта, расположенным в газовой полости емкости и сообщенным с магистралью низкого давления посредством переключателей через эжектор или через регулятор расхода одоранта. Регулятор расхода одоранта содержит центральное тело, установленное в корпусе с возможностью осевого перемещения посредством штока, связанного с механизмом привода, управляемого пневматическим сигналом от датчика перепада давления расходомера - сужающего устройства в магистрали низкого давления, при этом площадь проходного сечения канала, образованного центральным телом и корпусом, изменяется пропорционально расходу газа в магистрали низкого давления. Известное устройство не обеспечивает достаточной надежности и точности подачи одоранта в газовый поток при малых расходах газа, характерных для условий работы малых ГРС, Q<(1…50) нм/час, поскольку проходные сечения в гидравлической арматуре при малых расходах одоранта должны быть столь малыми, что вариации проходных сечений, происходящие по команде управляющих устройств, соизмеримы с вариациями проходных сечений обусловленных люфтами в устройстве центральное тело-корпус.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в расширении функциональных возможностей его работы, в том числе и при малых расходах газа, повышении надежности и точности подачи паров одоранта в магистраль прямо пропорционально расходу газа.
Технический результат достигается тем, что в одоризаторе природного газа (вариант 1), содержащем термостатированную расходную емкость с одорирующей жидкостью, с патрубком и каналом наддува и патрубком подачи одоранта, новым является то, что канал наддува сообщен через расходный редуктор с магистралью высокого давления, канал подачи одоранта сообщен с магистралью низкого давления через систему регулирования расхода одоранта, включающую пузырьковый дозатор-расходомер, который представляет собой колбу, наполненную разделительной жидкостью, в нижней части которой установлены жиклер подачи газообразного одоранта и ловушка-калибратор, обеспечивающая образование пузырьков равного объема, счетчик пузырьков, систему регулирования уровня столба жидкости в колбе.
Система регулирования уровня столба жидкости в колбе включает гидроцилиндр с поршнем, заполненный разделительной жидкостью и управляемый командным устройством по сигналу датчика расхода газа, установленного в магистрали низкого давления.
Система регулирования столба жидкости в колбе включает управляющий сильфон, сообщенный с одной стороны с магистралью низкого давления перед расходомером, а с другой стороны посредством рычажного механизма с управляемым сильфоном, полость которого заполнена разделительной жидкостью и сообщена с колбой.
Система регулирования столба жидкости в колбе включает расположенный в корпусе управляющий сильфон, полость которого сообщена с магистралью низкого давления перед расходомером, и управляемый сильфон, расположенный внутри полости управляющего сильфона, жестко связанный с ним, заполненный разделительной жидкостью и сообщенный с колбой.
В одоризаторе природного газа (вариант 2), содержащем термостатированную расходную емкость с одорирующей жидкостью, с патрубком наддува и патрубком подачи одоранта, канал наддува, новым является то, что канал наддува сообщен с приемником давления перед расходомером газа, установленным в магистрали низкого давления, а канал подачи одоранта соединен с магистралью низкого давления после выше упомянутого расходомера газа через систему регулирования расхода одоранта, включающую пузырьковый дозатор-расходомер, который представляет собой колбу, наполненную разделительной жидкостью, в нижней части которой установлены жиклер подачи газообразного одоранта и ловушка-калибратор, обеспечивающая образование пузырьков равного объема, счетчик пузырьков.
На фиг.1 представлена схема одоризатора природного газа (вариант 1), предназначенного для одорирования природного газа и обеспечивающего подачу одоранта в газовый поток пропорционально расходу газа при изменяемом (регулируемом) уровне столба жидкости в колбе расходомера - дозатора с помощью командного устройства.
На фиг.2 представлена схема пневмогидравлического регулирования уровня столба жидкости в колбе с помощью управляющего и управляемого сильфонов, соединенных рычажным механизмом (вариант 1).
На фиг.3 представлена схема пневмогидравлического регулирования уровня столба жидкости в колбе с помощью управляющего и управляемого сильфонов, соединенных между собой штоком (вариант 1).
На фиг.4 представлена схема одоризатора природного газа, предназначенного для одорирования природного газа и обеспечивающего подачу одоранта в газовый поток при неизменном уровне жидкости в колбе расходомера-дозатора (вариант 2).
Одоризатор включает: магистраль природного газа высокого давления 1, редуктор 2, блок редуцирования 3, датчик давления 4, расходомер с пневматическим выходным сигналом (сужающее устройство) 5, датчик перепада давления 6, магистраль природного газа низкого давления 7, бак с разделительной жидкостью 8, управляющий процессор 9, командное устройство 10, колбу 11, заполненную разделительной жидкостью 12, счетчик пузырьков (детектор сплошности) 13, ловушку-колибратор пузырьков 14, жиклер 15, магистраль слива разделительной жидкости 16, гидроцилиндр 17 с поршнем 18, регулировочный вентиль 19, реле 20, датчик температуры 21, нагреватель 22, магистраль слива одоранта 23, патрубок наддува 24, емкость с одорантом 25, термоизоляцию 26, уровнемер 27, электрические цепи передачи управляющих и измерительных сигналов 28, канал подачи смеси паров одоранта с газом в магистраль природного газа низкого давления 29, магистраль заправки одоранта 30, патрубок подачи смеси паров одоранта с газом 31.
Система регулирования уровня столба жидкости в колбе 11 (фиг.1) включает гидроцилиндр 17 с поршнем 18, заполненный разделительной жидкостью 12 и управляемый командным устройством 10 по сигналу датчика перепада давлений 6 на расходомере 5, установленном магистрали низкого давления 7.
Система регулирования столба жидкости в колбе 11 (фиг.2) включает управляемый сильфон 32 для подачи разделительной жидкости в колбу 11, шарнирную опору 33, рычаг 34, управляющий сильфон 35, полость которого сообщена с магистралью низкого давления перед расходомером 5. Управляющий сильфон соединен посредством рычажного механизма с управляемым сильфоном 32, полость которого заполнена разделительной жидкостью 12 и сообщена с колбой 11.
Система регулирования столба жидкости в колбе 11 (фиг.3) включает расположенный в корпусе 36 управляющий сильфон 41, полость которого сообщена с магистралью низкого давления 7 перед расходомером 5, и управляемый сильфон 40, расположенный внутри полости управляющего сильфона 41, заполненный разделительной жидкостью 12 и сообщенный с колбой 11. Управляющий сильфон 41 жестко связан с управляемым сильфоном 40 посредством штока 39. Упругость управляющего сильфона задается пружиной 38 с регулировочным винтом 37.
Устройство оснащено средствами регистрации расхода газа, расхода одоранта, давления и температуры рабочих сред и передачи измерительной информации на вышестоящий уровень. Регистрация измерительной информации, выработка управляющих сигналов и передача информации обеспечивается процессором 9.
Под расходомером-дозатором понимается комплекс оборудования, включающий колбу 11 с разделительной жидкостью 12, жиклер 15, ловушку-калибратор пузырьков 14, датчик сплошности 13. В качестве датчика сплошности используется прибор, принцип действия которого основан на различии физических свойств паровой и жидкой фаз. В качестве таких физических свойств используются различие коэффициентов ослабления, преломления, рассеяния при прохождении излучения через жидкую и паровую фазы либо различие электрических свойств (сопротивления, диэлектрической проницаемости и прочих) жидкой и паровой фаз. Расход одорирующей смеси определяется путем счета датчиком сплошности пузырьков, образующихся в разделительной жидкости при поступлении газовой смеси по магистрали 29 через жиклер 15 в колбу 11. Ловушка-калибратор 14 предназначена для формирования пузырьков одинакового размера.
3
В предлагаемом устройстве осуществляется подача одоранта в газовый поток пропорционально расходу природного газа, поступающего потребителю по магистрали низкого давления, в широком диапазоне вариаций расхода газа, в том числе и при малых расходах газа (1…50 н.м/час), характерных для работы мини ГРС) и обеспечивается высокая точность дозирования одоранта путем использования пузырькового расходомера-дозатора.
Исходное состояние системы: емкость 25 заправлена жидким одорантом до рабочего уровня, над жидкостью в емкости образована полость, в которой находиться газовая смесь из паров одоранта и природного газа. Жидкость в термостатированной расходной емкости 25 находится при определенной температуре, температура в емкости поддерживается постоянной с помощью нагревателя 22, работой которого управляет процессор 9 с помощью реле 20 по сигналу датчика температуры 21. В колбе 11 находиться разделительная жидкость, например, этиленгликоль, тосол или другая жидкость совместимая с парами одоранта и природным газом. Заправка колбы разделительной жидкостью осуществляется из бака 8.
4
5
9
7
11
12
13
4
5
9
7
11
12
13
Вентили В, В, В, В, B, B, B, предназначены для подготовки устройства к работе, заправки устройства рабочими средами, опорожнением емкостей. Во время работы одоризатора природного газа вентили В, В, В, В, В, B, В, закрыты.
п
г
г
г
п
г
г
г
г
г
г
0,5
При подаче газа потребителю блок редуцирования 3 на ГРС поддерживает постоянное давление газа, р≈0,105 МПа, в магистрали потребителя (магистрали низкого давления 7) независимо от расхода потребляемого газа. Это обеспечивается путем увеличения или уменьшения давления газа рперед расходомером 5. Таким образом, расход потребляемого газа пропорционален перепаду давлений Δр=(р-р), регистрируемого датчиком перепада давлений 6 и определяется уравнением G=c(2ρ×Δp), где р- плотность газа; с -константа, определяемая коэффициентом расхода расходомера 5 (сужающего устройства) и его площадью проходного сечения.
од
од
Н
п
од
Н
од
од
од
од
од
од
г
од
0,5
При неизменных температуре среды в емкости 25 количество паров одоранта в единице объема газовой смеси над жидкостью будет определяться давлением насыщенных паров одоранта и следовательно плотность одоранта тоже будет постоянной. Концентрация одоранта в смеси (природный газ + пары одоранта) может быть найдена из известных термодинамических соотношений (Физические величины: Справочник/ А.П.Бабичев, Н.А.Бабушкин, A.M.Братковский и др. -М.: Энергоатомиздат,1991. С1232). Расход паров одоранта, поступающих из емкости 25 по магистрали подачи одоранта 29 в магистраль низкого давления 7, будет зависеть от перепада давлений в магистрали подачи одоранта Δр=р-(Р+р), где р - давление смеси газа и паров одоранта в емкости 25, р - давление, создаваемое столбом Н разделительной жидкости в колбе 11. Расход смеси газа и паров одоранта определяется уравнением G=с(2ρΔр), где р - плотность смеси паров одоранта с газом, с - константа определяемая коэффициентом расхода магистрали подачи одоранта и проходными сечениями магистрали подачи одоранта. Следовательно, концентрация одоранта в газе будет неизменной, если отношение (Δр)/(Δр)=const.
Одоризатор осуществляет пропорциональную подачу одоранта в газовый поток двумя различными вариантами: 1-й вариант - путем изменения уровня жидкости в колбе расходомера-дозатора; 2-й вариант - путем подачи управляющего давления в пузырьковый расходомер-дозатор при неизменном уровне столба жидкости в колбе расходомера-дозатора.
од
ж
п
г
г
о
у
г
о
г
у
Н
о
y
r
o
но
o
y
у
Н
Н
но
у
г
од
од
Н
п
у
г
од
но
п
од
но
п
од
но
п
г
од
у
г
г
од
Одоризатор по варианту 1 работает следующим образом (фиг.1). Природный газ из магистрали высокого давления 1 после редуцирования в блоке 3 поступает в магистраль низкого давления 7. Емкость с одорантом через расходный редуктор 2 и канал наддува 24 сообщается с магистралью высокого давления и находиться под определенным давлением р, задаваемым давлением настройки редуктора 2, и в ней поддерживается определенная температура. Смесь природного газа и паров одоранта через патрубок 31, канал подачи газообразного одоранта 29 и систему регулирования расхода одоранта, включающую пузырьковый дозатор-расходомер, поступает в магистраль низкого давления 7, преодолевая давление слоя разделительной жидкости р в колбе 11 и давление р в магистрали низкого давления 7. Уровень жидкости в колбе 11 пузырькового расходомера-дозатора задается командным устройством 10, управляемым процессором 9. Командное устройство по сигналу управляющего процессора обеспечивает перемещение поршня 18 пропорционально величине перепада давлений Δр, измеряемого датчиком перепада давлений 6, таким образом, чтобы высота столба жидкости Н в колбе 11 находилась в линейной, обратно пропорциональной зависимости от Δр. Следовательно величина уровня жидкости в колбе 11 будет изменяться по следующему закону Н=Н-к×Δр, где Н - некий начальный уровень жидкости при Δр=0, к - размерная константа системы управления. Давление, создаваемое столбом разделительной жидкости будет определяться уравнением р=pgH=pgH - pgкΔp, где ρ - плотность разделительной жидкости, g - ускорение свободного падения. Введя обозначения ρgH=р (давление столба жидкости при неком начальном уровне H=const) и ρgк=с (константа системы управления), получим для величины давления р, создаваемого слоем разделительной жидкости выражение р=р-сΔр. С учетом принятых обозначений, перепад давлений в магистрали подачи одоранта будет определяться уравнением Δр=р-(р+р)=сΔр+(р-р-р). Поскольку давления р, р, р в процессе одорирования задаются и являются постоянными величинами, то задавая при настройке системы подачи одоранта величну (р-р-р)≈0 (пренебрежимо малую по сравнению с Δр), получим Δр=сΔр и, следовательно, будет выполняться условие (Δр)/(Δр)=const.
Таким образом, при неизменных размерах проходных сечений в магистралях подачи газа и одоранта и неизменных температурах сред отношение расходов газа и одоранта будет оставаться неизменным при вариациях расхода природного газа и пузырьковый расходомер дозатор будет обеспечивать подачу одоранта в газовый поток пропорционально расходу газа, в том числе и при малых расходах газа.
Схемы пневмогидравлического регулирования столба жидкости в колбе 11 при работе дозатора по варианту 1 представлены на фиг.2 и фиг.3. При увеличении или уменьшении расхода газа, поступающего в магистраль низкого давления 7, увеличивается или уменьшается давление перед расходомером 5, в результате чего уменьшается или увеличивается уровень жидкости Н в колбе 11 с помощью пневмогидравлической системы.
Согласно (фиг.2) управляющий сильфон 35 сообщен с магистралью низкого давления перед расходомером 5 и перемещается при вариациях давления, связанных с изменением расхода газа. Управляющий сильфон 35 посредством рычажного механизма соединен с управляемым сильфоном 32, полость которого заполнена разделительной жидкостью и сообщена с колбой 11. Рычажный механизм обеспечивает обратно пропорциональную зависимость между перепадом давления на расходомере и приводит к его перемещению. Перемещение управляющего сильфона через рычаг 34 передается на сильфон 32, полость которого заполнена разделительной жидкостью и соединена с колбой 11. Перемещение управляющего и управляемого сильфонов, соединенных рычагом 34 с опорой 33 обеспечивает обратно пропорциональную зависимость между давлением перед расходомером, а следовательно и перепадом давления Δpг и уровнем жидкости Н в колбе 11. Таким образом отношение (Δpг)/(Δрод)=const, как было изложено выше, и, следовательно, обеспечивается подача одоранта в газовый поток пропорционально расходу газа.
г
од
Согласно (фиг.3) пневмогидралическая система регулирования столба жидкости Н в колбе 11 содержит управляющий сильфон 41 и управляемый сильфон 40, расположенный внутри полости управляющего сильфона. Полость управляющего сильфона соединена с магистралью низкого давления перед расходомером 5, а полость управляемого сильфона соединена с колбой 11 и заполнена разделительной жидкостью. Сильфоны жестко связаны между собой посредством штока 39 и оснащены пружиной 38 и регулировочным винтом 37, позволяющим изменять жесткость управляющего сильфона. Вследствие изменения давления перед расходомером 5, а, следовательно и расхода газа, происходит перемещение управляющего и управляемого сильфонов, что приводит к изменению уровня Н жидкости в колбе 11 обратно пропорционально давлению, поскольку увеличение давления приводит к растяжению (увеличению объема) управляемого сильфона, а уменьшение к сжатию. Вследствие чего остается неизменным отношение давлений (Δр)/(Δр)=const, как было изложено выше, и, следовательно, обеспечивается подача одоранта в газовый поток пропорционально расходу газа.
o
од
г
о
о
о
г
г
о
г
од
г
Одоризатор по варианту 2 при неизменном уровне разделительной жидкости в колбе 11 работает следующим образом (фиг.4). Природный газ из магистрали высокого давления 1 после редуцирования в блоке 3 поступает в магистраль низкого давления 7. Емкость с одорантом через патрубок наддува соединена с приемником давления перед расходомером 5, что создает избыточное давление в емкости, превышающее давление в магистрали низкого давления после расходомера на величину Δpг. Смесь паров одоранта с газом из емкости 25 поступает в магистраль низкого давления через патрубок 31, магистраль подачи газообразного одоранта 29 и систему регулирования расхода одоранта, включающую пузырьковый расходомер-дозатор. Уровень жидкости в колбе 5 расходомера-дозатора в процессе работы одоризатора остается неизменным, H=const. Таким образом перепад давлений в магистрали подачи одоранта будет определяться выражением Δр=Δp-ρgH. Рекомендуемая величина уровня столба разделительной жидкости в колбе при работе дозатора по 2-му варианту составляет Н≈20…30 мм. Такой уровень разделительной жидкости создает давление р≈200…300 Па, что пренебрежимо мало по сравнению с перепадом давлений Δр на расходомере (минимальная величина перепада давлений при малых расходах газа составляет Δp=5…10 кПа). С учетом малости величины ρgH по сравнению с Δрбудет выполняться условие Δр≈Δр и, следовательно, обеспечивается подача одоранта в газовый поток пропорционально расходу газа, в том числе и при его малых расходах.
Таким образом в предлагаемом одоризаторе природного газа (вариант 1) сообщение канала наддува емкости одорантом с магистралью высокого давления, а канала подачи газообразного одоранта с магистралью низкого давления через систему регулирования расхода одоранта, включающую пузырьковый дозатор-расходомер, колбу, наполненную жидкостью, жиклер подачи газообразного одоранта, ловушку-колибратор пузырьков и систему регулирования столба жидкости в колбе расходомера-дозатора обеспечивает пропорциональную подачу одоранта в газовый поток, расширяет функциональные возможности одоризатора и повышает точность дозирования одоранта в широком диапазоне расходов газа, в том числе и при одорировании малых расходов газа.
В одоризаторе природного газа (вариант 2) сообщение канала наддува емкости с одорантом с приемником давления, установленным в магистрали низкого давления перед расходомером газа, а канала подачи одоранта с магистралью низкого давления после расходомера газа через систему регулирования расхода одоранта, включающую пузырьковый дозатор-расходомер, который представляет собой колбу, наполненную жидкостью, жиклер подачи газообразного одоранта, ловушку-колибратор пузырьков позволяет расширить диапазон расхода газа, при которых возможна контролируемая, пропорциональная одоризация, а также повысить точность подачи паров одоранта в магистраль прямо пропорционально расходу газа.
Одоризатор природного газа (вариант 1 и вариант 2) имеет минимальное количество подвижных элементов, что позволяет упростить конструкцию одоризатора и повысить надежность его работы.