Модульная установка сепарации и транспортировки газа по трубопроводам
MODULAR INSTALLATION FOR SEPARATION AND TRANSPORTATION OF GAS THROUGH PIPELINES

Изобретение относится к сепарационной очистке газообразных продуктов, находящихся под давлением, транспортируемых по магистральным и другим трубопроводам, поступающим для переработки или использования его в качестве энергоносителя на промышленных предприятиях или на объектах гражданского строительства.
Также, возможно использование изобретения в нефтедобывающей промышленности, в частности, на месторождениях, при обустройстве скважин во входном дроссельном штуцере, на установках УНТС в узле очистке и редуцирования, на отводах магистральных газопроводах с использованием перепада давлений установки.
Установку можно размещать параллельно, с редуцирующим устройством на трубопроводах ГРС, где перепады давлений составляют интервалы от 2,5-7,5 МПа, до давлений в распределительной сети 0,2-0,12 МПа.
Используемый на объектах газ, должен быть стабильным по составу находящихся в нем углеводородных компонентов, а также допустимых компонентов нежелательных примесей таких как углекислота, сернистые соединения, водный конденсат и механические примеси.
Известно изобретение на устройство RU 869796 Α1 В01D 45/12 от 03.10. 1981 [1] - устройство для очистки транспортируемого газа, содержащее корпус с размещенной коаксиально внутри него секцией, на входе которой установлены завихрители, причем фильтрующий элемент в виде усеченного конуса с определенным отношением (1,2-2,5) к диаметру фильтрующего элемента, а лопатки завихрителей установлены под углом к оси фильтрующего элемента.
Недостатки:
- наличие фильтрующего элемента приводит к постепенной забивке фильтрующего элемент, который необходимо периодически менять пористый материал, что приводит к необходимой остановке устройства и прекращению работы установки, что влечет неудобства в непрерывности производства;
- необходимость наличия расходного материала вызывает дополнительные расходы и технологически недопустимые остановки в работе и неоправданные затраты.
Известно, также устройство «Способ транспортировки газообразных и жидких продуктов по трубопроводам и устройство для его осуществления» по патенту РФ: RU 2528545 С2 F17D 1/20, F17D 1/20/09, от 31.08.2014 [2].
Устройство для реализации способа по патенту [2] представляет собой отрезок трубопровода с расположенным в стыке участков активатора вращения транспортируемого газообразного продукта, состоящего из цилиндрического, соосно расположенному трубопроводу корпуса и установленных по окружности на своей внутренней поверхности направляющих лопаток, которые в центре трубопровода соединены на центральном обтекателе.
Активатор может содержать отдельный корпус, в виде отрезка трубы, внешний диаметр которого, равен внутреннему диаметру трубопровода, а внутренние кромки цилиндрического корпуса скошены, при этом корпус активатора неподвижно закреплен внутри трубопровода. Активаторы вращения придают вращательное движение поступающего потока газа на всем протяжении трубопровода.
Недостатки устройства по патенту [2]:
- целью изобретения является повышение эффективности транспортировки газообразных и жидких продуктов во вращающемся потоке образуется газожидкостная смесь, состоящая из составляющих фаз, которые транспортируются, без их разделения и сепарации фаз.
- активаторы вращения размещены на всем протяжении трубопровода, что практически не реально, а при реализации потребует значительных капиталовложений и трудозатрат, поэтому нецелесообразно это решение.
Пртотипом заявляемого изобретения является «Устройство транспортировки и сепарации газообразных продуктов по трубопроводам» по патенту РФ: RU 2670283 C1 F17D 1/20, F15D 1/04, от 12.04.2017 [3].
Сущность устройства состоит в том, что устройство транспортировки и сепарации газообразных продуктов по трубопроводам содержит трубопровод с расположенным в стыке своих смежных участков активатора вращения транспортируемого газа, состоящего из соосно размещенного трубопровода корпуса и установленных по окружности на своей внутренней поверхности направляющих лопаток активатора, которые соединены в центре обтекателя. При этом, активатор вращения содержит цилиндрический корпус большего, чем трубопровод диаметра и соединен с трубопроводом коническими участками при помощи сварки или фланцевого соединения. В цилиндрическом корпусе центральный обтекатель выполнен в виде конуса, соединенного по ходу газообразного продукта с отрезком трубы. Конус имеет наклонные тангенциальные сквозные прорези. В цилиндрическом корпусе после отрезка трубы в нижней его части установлен патрубок с защитным козырьком, которые образуют зону для отбора из газа выделенной влаги и примесей. Нижняя часть патрубка подсоединена к накопительной емкости.
Работа устройства состоит в создании избыточного давления газообразному продукту на входе в трубопровод и придания ему вращательного движения в активаторе вращения при помощи лопаток, соединенных на центральном обтекателе. Транспортируемый газообразный продукт при входе в цилиндрический корпус большего, чем трубопровод диаметра направляют в активатор вращения, при этом одну часть потока направляют в наклонные тангенциальные сквозные прорези конуса центрального обтекателя, а другую часть потока направляют на направляющие лопатки. В результате этого обеим разделенным частям потока газа придают однонаправленное вращательное движение с разными тангенциальными (угловыми) скоростями, при этом тангенциальная скорость газа в центральном обтекателе превышает скорость газа на направляющих лопатках.
В результате, на выходе в районе конца отрезка трубы получают наложение вращающихся частей обеих потоков, с выделением из транспортируемого газообразного продукта механических примесей и влаги, вследствие чего, происходит выделение примесей и влаги. Их накапливают в нижнюю часть корпуса большого диаметра - зона сбора выделенных механических примесей и влаги, образованной патрубком с защитным козырьком. Далее, выделенные механические примеси и влагу направляют в накопительную емкость, из которой последние удаляют, посредством трубопровода с запорным вентилем, а очищенный газообразный продукт направляют в трубопровод, расположенный после цилиндрического корпуса.
Основные недостатки прототипа:
- принятая конструкция активатора с лопастными активаторами позволяет осуществлять создание вращательного движения потока преимущественно в вертикальной плоскости, по осевой цилиндрического корпуса. В этом случае, во вращающемся потоке газа на периферийную область будет выделяться только часть взвесей, за счет тангенциальной составляющей, а часть будет выноситься по осевой направляющей, что является недостатком;
- установка лопастного активатора, вращающегося в вертикальной плоскости в корпусе устройства, большего диаметра, чем основной трубопровод существующих сетей газопровода, что требует дополнительных объемов капитальных затрат;
- сепарационный отбор нежелательных примесей газообразных продуктов требует дополнительного обустройства и внешних коммуникаций для отвода сепарируемых компонентов из газа, что не технологично.
Указанные недостатки были учтены в предлагаемом изобретении, которые рассмотрим более подробно.
Основными целями являлись:
- организовать более эффективное завихрение напорного потока газа, которое может быть многоступенчатым и комбинированным завихрением;
- отвод выделенных взвесей конденсата и примесей необходимо организовать как можно раньше, сразу после их образования (укрупнения) и концентрации в периферийной области, не допуская вторичного уноса.
Технический результат и сущность заявленного технического решения модульной установки сепарационной очистки и транспортировки газа по трубопроводам, заключается в следующем. В цилиндрическом корпусе, являющемся частью трубопровода, соосно размещена со свободным продольным перемещением и возможностью съема, модульная цилиндрическая вставка меньшего диаметра по отношению к корпусу и равной длине корпуса, при этом между корпусом и модульной цилиндрической вставкой образовано кольцевое пространство, закрытое с торцов цилиндрическими кольцевыми заглушками, а внутри кольцевого пространства размещены опорные направляющие ребра. Внутреннее пространство модульной цилиндрической вставки разделено на четыре секции, из которых в первой секции размещен тангенциально-осевой завихритель, состоящий из лопастей, симметрично установленных по конической образующей с углом наклона лопастей к осевой. При этом входные концы лопастей закреплены во втулке меньшего диаметра, по отношению к концам лопастей, закрепленных по окружности большого диаметра. Втулка и концы лопастей закреплены посредством крепежных решеток, установленных на внутренней поверхности модульной вставки.
Во второй секции установлен конический патрубок, который вплотную примыкает к центральной части, образующей лопастей большого диаметра, а выход конического патрубка со стороны малого диаметра соосно вплотную примыкает к входу первого из трех последовательно, соосно размещенных тангенциальных патрубков, которые вплотную примыкают своими основаниями друг к другу. Тангенциальные патрубки имеют равные длины, но разные диаметры, увеличивающиеся последовательно по ходу газового потока газа. При этом тангенциальные патрубки закреплены посредством двух крепежных решеток к внутренней цилиндрической поверхности вставки, при этом внутренняя часть каждого патрубка перфорирована сквозными отверстиями по всей цилиндрической поверхности, причем с наружной стороны патрубка имеются винтообразные лопасти с направляющими от центра к периферии, а в четвертой секции соосно размещен цилиндроконический направляющий патрубок, с двумя конусами, установленными на входе и выходе цилиндрической образующей вставки, причем, на ее поверхности имеются наклонные тангенциальные сквозные прорези.
В нижней части модульной цилиндрической вставки имеются сквозные отверстия и два ряда сепарационных отбойников, в виде отогнутых под углом пластин к внутренней цилиндрической образующей и сквозных отверстий, под отогнутыми пластинами, размещенными на границе раздела между третьей и четвертой секциями.
На выходном участке четвертой секции в верхней половине модульной цилиндрической образующей отсутствуют сквозные отверстия.
Вывод отсепарированного конденсата и примесей из кольцевого пространства за пределы установки производят посредством патрубка и размещенного на нем запорного вентиля.
Техническое решение установки сепарационной очистки и транспортировки газа по трубопроводам представлено на фигуре 1 и на фигуре 2. При этом, на фигуре 1 представлен схематический разрез модульной установки соосной в стыке фланцевого разъема трубопровода, включающего корпус установки сепарационной очистки и транспортировки газа по трубопроводам. На фигуре 2 представлено сечение в разрезе цилиндрического корпуса на входе в завихритель 1-й ступени.
На фигуре 1 представлено деление горизонтальных участков корпуса установки на секции: А - первая секция; В - вторая секция; С - третья секция; G - четвертая секция.
На фигуре 1 и фигуре 2 представлены технологические потоки: I - ввод исходного потока газа; II - вывод газа с установки после сепарационной очистки; III - вывод отсепарированного конденсата и примесей; ой
Элементы конструкции модульной установки сепарационночистки и транспортировки газа по трубопроводам представлены на фигуре 1 и фигуре 2, включая следующие: 1 - корпус цилиндрической трубы; 2, 3 - фланцевые соединения, установленные на трубопроводе в местах стыка участков трубопровода; 4 - корпус модульной цилиндрической вставки; 5 - цилиндрические кольцевые заглушки; 6 - лопасти тангенциально-осевого завихрителя; 7 - втулка, соединяющая основания лопастей тангенциально-осевого завихрителя; 8 - крепежная решетка, соединяющая втулку с корпусом модульной цилиндрической вставки; 9 - крепежная решетка концов лопастей завихрителя; 10 - конический патрубок; 11 - опорные направляющие ребра; 12 - тангенциальный патрубок первой ступени; 13 - винтообразные лопасти тангенциального патрубка первой ступени; 14 - отверстия в тангенциальном патрубке первой ступени; 15 - крепежная решетка первой и второй ступеней тангенциальных завихрителей; 16 - тангенциальный патрубок второй ступени; 17 - отверстия в тангенциальном патрубке второй ступени; 18 - винтообразные лопасти тангенциального патрубка второй ступени; 19 - кольцевое пространство; 20 - тангенциальный патрубок третьей ступени; 21 - отверстия в тангенциальном патрубке третьей ступени; 22 - винтообразные лопасти третьей ступени; 23 - заглушка с отверстием на выходе тангенциального патрубка третьей ступени; 24 - цилиндроконическая направляющая 25 - входной конус цилиндроконической направляющей; 26 - крепежная решетка цилиндроконической направляющей; 27 - выходной конус цилиндроконической направляющей; 28 - тангенциальные наклонные прорези в цилиндрической части цилиндроконической направляющей; 29 - сепарационные отбойники; 30, 31, 32 - сквозные отверстия в корпусе модульной цилиндрической вставки; 33 - патрубок вывода отсепарированного конденсата и примесей; 34 - запорный вентиль.
Техническая сущность модульной установки сепарационной очистки и транспортировки газа по трубопроводам заключается в том, что содержащей трубопровод с расположенным в стыке своих участков лопастного активатора вращения транспортируемого газа, состоящего из цилиндрического соосного трубопроводу корпуса 1 равного диаметра с трубопроводом при помощи сварки или фланцевого соединения 2, 3, при этом в цилиндрическом корпусе соосно размещена модульная цилиндрическая вставка меньшего диаметра по отношению к корпусу и равной длины корпуса, при этом между корпусом 1 и цилиндрической вставкой 4 образовано кольцевое пространство 19 для отвода отсепарированной жидкости. Причем, кольцевое пространство закрыто с торцов цилиндрическими кольцевыми заглушками 5, а внутри кольцевого пространства размещены опорные направляющие ребра 11, а внутреннее пространство цилиндрической вставки разделено на четыре секции (А), (В), (С) и (G), из которых в первой секции (А) размещен тангенциально-осевой завихритель, состоящий из лопастей 6, симметрично установленных по конической образующей с углом наклона лопастей к осевой, при этом входные концы лопастей закреплены во втулке 7 меньшего диаметра, по отношению к концам лопастей 6, закрепленных по окружности большего диаметра, причем втулка и концы лопастей закреплены посредством крепежных решеток 8 и 9, установленных на внутренней поверхности вставки 4. Во второй секции (В) установлен конический патрубок 10, который вплотную примыкает к центральной части, образующей лопастей большего диаметра. Выход конического патрубка со стороны малого диаметра соосно вплотную примыкает к входу первого 12 из трех последовательно, соосно размещенных тангенциальных патрубков 12, 16, 20, которые вплотную примыкают своими основаниями друг к другу, причем патрубки имеют равные длины, но разные диаметры, увеличивающиеся последовательно по ходу газового потока. При этом, тангенциальные патрубки закреплены посредством двух крепежных решеток 15, 15а к внутренней цилиндрической поверхности вставки.
Внутренняя часть каждого патрубка перфорирована сквозными отверстиями 14, 17, 21 по всей цилиндрической поверхности, причем с наружной стороны патрубка имеются винтообразные лопасти 13, 18, 22 с направляющими от центра к периферии, а в четвертой секции (G) соосно размещен цилиндроконический направляющий патрубок 24 с двумя конусами 23, 27, установленными на входе и выходе цилиндрической образующей, примем на ее поверхности имеются наклонные тангенциальные сквозные прорези 28, а в секции (G) в нижней части модульной цилиндрической вставки имеются сквозные отверстия 30, 31 и два ряда сепарационных отбойников 29, в виде отогнутых под углом пластин к внутренней цилиндрической образующей и сквозных отверстий 32, под отогнутыми пластинами, которые размещены на границе раздела между третьей и четвертой секциями, а на выходном участке четвертой секции, при этом в секции (G) в верхней половине диаметра цилиндрической образующей отсутствуют сквозные отверстия, а выход отсепарированного конденсата и примесей (поток III) из нижней части кольцевого пространства за пределы установки осуществляют посредством патрубка 33 и размещенного на нем запорного вентиля 34.
2
Предлагаемое изобретение - модульную установку сепарационной очистки предлагается устанавливать в стыках газового напорного газопровода, преимущественно на байпасах магистральных трубопроводов с давлениями порядка от 12 до 75 кг/см, а также на врезках в магистральные газопроводы, на газораспределительных станциях (ГРС) и газокомпрессорных станциях, на товарно-сырьевых базах и хранилищах сжиженных газов, в газодобывающей промышленности, для очистки газа от механических примесей, в установках низкотемпературной сепарации (УНТС).
Для съема и замены модульной вставки установки, необходимо ее вынуть через фланцевый разъем 2 или 3 из основного корпуса 1. Это возможно, поскольку модульная вставка соосно установлена внутри корпуса 1, перемещение поступательное внутри основного корпуса осуществляется благодаря скользящим опорные направляющие ребрам 11, установленных на наружной поверхности цилиндрической образующей модульной вставки. Пластин-ребер для центровки модульной вставки может быть порядка от 4 до 8, с равномерной разбивкой по периметру цилиндрической образующей корпуса вставки, установленных на корпусе вставки (путем приварки или винтового крепления) в 2 ряда: на начальном и выходящем участках вставки на расстояниях от фланцевых разъемов порядка 400 мм, при ориентировочной общей длине 1,6-2,2 м (в зависимости от диаметра магистрального или другого трубопровода).
Способ работы модульной установки сепарационной очистки и транспортировки газа по трубопроводам заключается в подаче напорного газа (поток I) в корпус 1, в котором размещена модульная вставка 4, в которой осуществляют создание вращательного завихренного потока газа в тангенциально-осевом завихрители 6 (секция А) После чего, часть потока направляют (секции В и С) в периферийную область внутреннего пространства модульной вставки 4, а другую часть центрального потока газа отбирают посредством направляющего конуса 10 и направляют в трехступенчатый тангенциальный завихритель (секция С), состоящий их трех последовательно установленных по осевой тангенциальных патрубков 12, 16, 20. В результате, центральная часть закрученного на входе тангенциально-осевого завихрителя последовательно проходит по внутреннему пространству тангенциальных патрубков. Из тангенциальных патрубков закрученный поток частично выходит струями посредством отверстий14, 17, 21 в цилиндрических корпусах тангенциальных патрубков, а затем выходящие струи газа дополнительно закручиваются посредством, находящихся на наружной поверхности патрубков винтообразных лопастей 13, 18, 22 и выходят, встречаясь с периферийным завихренным потоком из тангенциально-осевого завихрителя 6. В результате наложения встречных закрученных частей потоков происходит дополнительное выделение сконденсированных капель влаги, которая поступает в секцию G.
Другая часть центрального потока, выходящая из внутреннего пространства тангенциальных патрубков поступает в цилиндроконический завихритель 24, из которого также выходят две части потока, одна выходит из полости патрубка и конической направляющей 27 при расширении после конической части, а другая, проходя центральную часть с тангенциальными прорезями 28 закручивается и на выходе из цилиндрической части 24 проходя тангенциальные прорези 28, в результате встречных струй укрупняется в результате изменяющихся механических и термодинамических изменений параметров укрупняясь в капли, которые отбираются посредством сепарационных отбойнков29 и имеющихся отверстий 30, 31, 32. Вывод укрупненных капель конденсата осуществляется в кольцевое пространство, а затем, посредством патрубка 33 и запорного вентиля 34 выводится за пределы модульной установки (поток III).
По сравнению с известными изобретениями, заявленная установка имеет следующие преимущества:
- благодаря наличию модульной вставки, предлагаемая установка может быть использована в опытно-промышленных установках, когда требуется проверить эффективность подготовки различных газовых и газожидкостных смесей. С помощью данной установки, могут отрабатываться различные режимы работы с изменяемыми конструкциями статических активаторов-завихрителей потока, изменениями проходных сечений сквозных окон винтообразных каналов, с учетом отвода отсепарированного конденсата и примесей;
- установка, являющаяся модульной, может быть установлена на байпасной линии, на ответвлениях от магистрального газопровода, для отработки оптимального режима работы и на время ремонта аварийного участка магистрального газопровода; когда установка может быть включена на рабочий режим, на время ремонта.
- в качестве завихрителей потока используют тангенциально-осевые и тангенциальные, сочетание которых имеет существенные преимущества, заключающиеся в том, что комбинирование разнонаправленных потоков в данном изобретении позволяют наиболее эффективно выделять конденсируемые пары и механические примеси. Это достигается за счет взаимодействия периферийного потока закрученного тангенциально-осевым завихрителем с встречным угловыми, завихренными потоками, газа выходящими в перпендикулярном направлении тангенциальных струй из тангенциальных завихрителей трех ступеней;
- используемые завихрители и их применение в комбинированном сочетании способствуют увеличению времени пребывания жидкой фазы в жидко-капельном состоянии, а следовательно, преимущественно под действием центробежной составляющей скорости, своевременно выведены в кольцевые сборники без вторичного ее уноса;
Предложенное техническое решение - модульная установка по сепарационной очистке и транспортировки газа по трубопроводам, многоступенчатую сепарационную очистку закрученного потока посредством использования двух разных типов завихрителей позволяет более эффективно выделять из газожидкостного потока конденсат и примеси, что является новым конструктивным решением для устройств типа модульной установки и, следовательно, соответствует критерию «новизна».
Вышеприведенная совокупность отличительных признаков заявленного устройства - установки не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил известных установок совместной сепарации и транспорта газообразных продуктов по трубопроводам, что доказывает соответствию критерию «изобретательский уровень».
Источники информации
1. (SU) 869796 Α1 В01D 45/12 от 03.10. 1981.
2. Патент RU 2528545 С2 F17D 1/20, F17D 1/20/09 от 31.08.2012.
3. Патент RU 2670283 С2 F17D 1/20, F15D 1/04 от 12.04.2017 - прототип.