УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ КОНДЕНСАТНЫХ ПРОБОК В ГАЗОПРОВОДЕ
DEVICE FOR AVOIDING CONDENSATE PLUGS FORMATION IN GAS PIPELINE

Изобретение относится к трубопроводному транспорту газа и может быть использовано на магистральных газопроводах, на шлейфах и коллекторах газовых месторождений для утилизации конденсата.
Известно устройство для предотвращения образования конденсатных пробок в газопроводе (см. а.с. СССР № 1467305, М. кл. F17D 1/02, 1989, бюл. № 11), включающее собственно трубопровод с наклонными участками и соединительными коленами.
Недостатком данного устройства является накопление конденсата при транспортировке газа пусть даже в рассредоточенном по сечению газопровода виде, что, в конечном счете, приводит к неизбежному образованию конденсатных пробок, а при отрицательных температурах окружающей трубопровод среды наблюдается образование зон замерзания, сопутствующих аварийным ситуациям.
Известно устройство для предотвращения образования конденсатных пробок в газопроводе (см. патент РФ № 2316692, МПК F17D 1/02. 2006, бюл. № 4), включающее собственно трубопровод с наклонными участками и соединительное колено с охватывающем каналом, в нижней части соединительного колена размещен сливной конденсатопровод, расположенный в воронкообразном охватывающем канале и соединенный с накопительной емкостью, расположенной ниже уровня промерзания грунта, при этом в накопительной емкости размещен трубопровод отвода конденсата, соосно укрепленный в вертикальном охватывающем канале.
Недостатком технического решения является не полное использование теплоты конденсации парообразной влаги в полостях охватывающего и воронкообразного охватывающего каналов из-за витания капелек конденсата, который получается из сконденсировавшегося пара на внешней поверхности наклонных участков, что значительно снижает коэффициент теплоотдачи и, соответственно, прогрев внешней поверхности соединительного колена, а это в конечном итоге увеличивает вероятность аварийных ситуаций, т.е. полностью не устраняет возможность образования конденсатных пробок.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности поддержания в условия отрицательных температур окружающей среды температурного режима в наклонных участках трубопровода и соединительного колена путем обеспечения пленочной конденсации на их наружных поверхностях, что увеличивает количество теплоты, передаваемое теплопроводностью и конвекцией транспортируемому газу.
Технический результат по поддержанию соответствующего температурного режима при эффективном использовании теплоты фазового перехода достигается в устройстве для предотвращения образования конденсатных пробок в газопроводе, включающем соответственно трубопровод с наклонными участками и соединительное колено с охватывающим каналом, в нижней части соединительного колена выполнен сливной конденсатопровод, расположенный в воронкообразном охватывающем колене и соединенный с накопительной емкостью, расположенной ниже уровня промерзания грунта, причем в накопительной емкости размещен трубопровод отвода конденсата, соосно укрепленный в вертикальном охватывающем канале, при этом на наружных поверхностях наклонных участков и соединительного колена выполнены винтообразные канавки, профиль которых имеет вид «ласточкин хвост».
На фиг.1 изображен рельефный участок газопровода, на фиг.2 - внешняя поверхность нисходящего участка газопровода с винтообразными канавками, на фиг.3 - внешняя поверхность соединительного колена с винтообразными канавками, на фиг.4 - внешняя поверхность восходящего участка газопровода с винтообразными канавками, на фиг.5 - профиль винтообразной канавки в виде ласточкина хвоста.
Устройство состоит из наклонных восходящего 1 и нисходящего 2 участков газопровода и соединительного колена 3, которые размещены в охватывающем канале 4. В нижней части соединительного колена 3 выполнен сливной конденсатопровод 5, расположенный в воронкообразном охватывающем канале 6 и соединенный с накопительной емкостью 7, при этом в накопительной емкости 7 размещен трубопровод отвода конденсата 8, соосно укрепленный в вертикальном охватывающем канале 9 и имеющий вентиль 10 для сбора конденсата. На наружной поверхности 11 нисходящего участка 2 выполнены винтообразные канавки 12, на наружной поверхности 13 соединительного колена 3 выполнены винтообразные канавки 14, на наружной поверхности 15 восходящего участка 1 газопровода выполнены винтообразные канавки 16, при этом профиль винтообразных канавок 12, 14, 16 имеет вид «ласточкин хвост».
Устройство для предотвращения образования конденсатных пробок в газопроводе работает следующим образом.
Наиболее опасными участками в части образования конденсатных пробок и замерзания конденсата является его восходящий участок 1 соединительное колено 3. Для предотвращения образования конденсатных пробок в газопроводе необходимо непрерывное удаление конденсата, а для устранения замерзания его осуществляется соответствующее поддержание температурного режима. Конденсат, образующийся в восходящем 1 и нисходящем 2 участках за счет охлаждения стенок в промерзлом грунте, стекает под действием силы тяжести по соединительному колену 3 через сливной конденсатопровод 5 в накопительную емкость 7, которая расположена ниже уровня промерзания грунта. В результате этого конденсат нагревается (соединительное колено 3 находится в зоне промерзания грунта) и легкокипящая фракция углеводородов, входящая в состав транспортируемого газа, испаряется и через воронкообразный охватывающий канал 6 поступает в охватывающий канал 4 газопровода. При этом пары конденсата, перемещаясь по охватывающему каналу 4, контактируют с внешней поверхностью соединительного колена 3, восходящего 1 и нисходящего 2 участков и постепенно конденсируются, выделяя при этом теплоту фазового перехода.
Мелкодисперсные капельки конденсата отрываются от внешней поверхности нисходящего 2 и восходящего 1 участков соединительного колена 3 и под действием силы тяжести устремляются в накопительную емкость 7. В результате воздействия на мелкодисперсные капельки конденсата потока испаряющейся легкокипящей фракции углеводородов наблюдается «витание» этих капелек и испарение их под воздействием теплоты поднимающегося из накопительной емкости 7 потока пара легкокипящей фракции. Известно, что коэффициент теплоотдачи в процессе капельной конденсации в 10-15 раз превышает коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации (см., например, Нащокин В. В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: - Высшая школа, 1980, 490 с., стр.398 ил.), а это приводит к тому, что в данном конденсатно-испарительном процессе основной теплообмен происходит не на поверхности охватывающего канала 4 и воронкообразного охватывающего канала 6, а в полости между внутренней поверхностью охватывающего канала 4, воронкообразного охватывающего канала 6 и наружными поверхностями восходящего 1 и нисходящего 2 участков газопровода и соединительного колена 3. В результате температурный градиент конденсата транспортируемого газа, образующегося в восходящем 1 и нисходящем 2 участках газопровода, уменьшается, стремясь к значениям, при которых может наступить его замерзание и, соответственно, образование конденсатных пробок, т.к. практически отсутствует передача теплоты от как фазового перехода при испарении мелкодисперсных капелек, так и конденсации пара легкокипящей фракции углеводородов к наружной поверхности восходящего 1 и нисходящего 2 участков газопровода, т.е. данная теплота преимущественно рассеивается в полости между внутренней поверхностью охватывающего канала 4, воронкообразного охватывающего канала 6 и наружными поверхностями восходящего 1, нисходящего 2 участков газопровода и соединительного колена 3.
В процессе контакта паров легкокипящей фракции углеводородов, входящих в состав транспортируемого газа, которая в виде конденсата поступает в накопительную емкость 7, с наружной поверхностью 11 нисходящего 2 и восходящего 1 участков газопровода образуется мелкодисперсные капли конденсата, которые, перемещаясь под действием центробежных сил, закручиваются в винтообразных канавках 12, коагулируют и образуют конденсатную пленку. Одновременно на наружной поверхности 15 восходящего 1 участка газопровода конденсируются также пары, поступающие из накопительной емкости 7, которая расположена ниже уровня промерзания грунта, и в виде мелкодисперсных капелек конденсата закручиваются в винтообразных канавках 16 и образуют конденсатную пленку. В результате наблюдается процесс, концентрированный на внешних поверхностях 11 и 15 нисходящего 2 и восходящего 1 участков газопровода, и теплота фазового перехода полностью посредством тепломассообмена и теплопроводности и последующей конвекции поступает к транспортируемому газу, т.к. выполнение винтообразных канавок 12 и 16 с профилем в виде ласточкина хвоста практически устраняет выпадение конденсата в полость между наружными поверхностями 11 и 15 нисходящего 2 и восходящего 1 участков газопровода и внутренней поверхностью охватывающего канала 4, т.е. в данном случае отсутствует рассеивание теплоты фазового перехода.
Собираемая в винтообразных канавках 12 и 16 конденсатная пленка под действием силы тяжести поступает в винтообразные канавки 14, расположенные на внутренней поверхности 13 соединительного колена 3, отдает оставшуюся часть теплоты фазового перехода сливному конденсатопроводу 5 и поступает в накопительную емкость 7, где закипает, т.к. в нее входит легкокипящая фракция углеводородов и цикл интенсификации тепломассообмена с поддержанием температурного режима путем эффективной передачи теплоты транспортируемому газу повторится. При этом обогрев трубопровода отвода конденсата 8 проходит аналогично в процессе конденсации паров жидкости в вертикальном охватывающем канале 9. Если наблюдается значительное накопление конденсата в емкости 7, то осуществляется его удаление посредством открытия вентиля 10 через трубопровод отвода конденсата 8. Процесс удаления конденсата из емкости осуществляется как вручную, так и автоматически (не показано).
Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что предотвращение замерзания конденсата достигается без дополнительных энергозатрат на поддержание соответствующего температурного режима в условиях отрицательных температур окружающей газопровод среды, а за счет эффективного использования теплоты фазового перехода при преимущественно пленочной конденсации паров легкокипящей фракции углеводородов, входящих в состав транспортируемого газа, путем выполнения на внутренних поверхностях наклонных участков трубопровода и соединительного колена винтообразных канавок, профиль которых имеет вид «ласточкина хвоста», что обеспечивает более полное осуществление передачи теплоты теплопроводностью и конвекцией транспортируемому газу, чем капельная конденсация, приводящая к частичному рассеиванию теплоты вне поверхности наклонных участков газопровода.