Мобильный компрессорный блок для перекачки паров сжиженного природного газа
MOBILE COMPRESSOR UNIT FOR PUMPING LIQUIDS OF LIQUEFIED NATURAL GAS

Настоящее изобретение относится к области вспомогательного компрессорного оборудования для транспортировки сжиженного природного газа, а именно к поршневым компрессорам, обеспечивающим откачку остаточных низкотемпературных паров сжиженного природного газа из транспортных, либо стационарных емкостей сжиженного природного газа. В частности изобретение может быть использовано с целью перекачки и поддержания заданного давления в транспортной емкости для перевозки сжиженного природного газа (далее СПГ).
Специфическими требованиями, предъявляемыми к компрессорам и системам сжиженного природного газа являются:
- возможность работы на парах сжиженного природного газа;
- применение взрывозащищенного оборудования;
- обеспечение надежной работы при температурах сжимаемой среды от минус 160°C;
- требования к минимальным габаритным размерам для обеспечения возможности транспортировки к месту использования;
- требование к давлению на выходе 0,5-0,7 МПа для обеспечения поддержания давления в транспортной емкости или емкости для хранения;
- требование по теплоизоляции процесса сжатия среды;
- низкий уровень вибрации для обеспечения установки в транспортабельном контейнере;
- повышенная автоматизация технологических процессов.
Для работы с криогенными средами необходимо использование технических решений, реализуемых в криогенной арматуре предназначенной для работы на продуктах, температура которых равна или ниже 120 К (минус 153°C):
- все узлы должны быть работоспособны в течение длительного времени при температуре криогенного продукта и при температуре окружающей среды;
- оборудование не должно быть значительным источником притока теплоты к криогенному продукту;
- конструкции узлов оборудования, находящихся в контакте с криогенными продуктами, должны удовлетворять условиям взрыво- и пожаробезопасности при работе на этих продуктах;
- узлы оборудования, работающие при криогенных температурах должны работать без смазки.
Известна система обработки сжиженного газа для судна, которая содержит грузовую цистерну, хранящую сжиженный природный газ (LNG), и двигатель, использующий LNG в качестве топлива. Система обработки сжиженного газа содержит: линию компрессора, выполненную с возможностью сжатия испаряющегося газа (Boil-Off Gas или BOG), образуемого в грузовой цистерне, посредством компрессора и подачи сжатого BOG в двигатель в качестве топлива; линию насоса высокого давления, выполненную с возможностью сжатия LNG, хранящегося в грузовой цистерне, посредством насоса и подачи сжатого LNG в двигатель в качестве топлива; и теплообменник, выполненный с возможностью сжижения части BOG, который сжимают с помощью компрессора, посредством обмена теплом с BOG, который отводят из грузовой цистерны и переносят в компрессор (патент на изобретение №2608451, МПК F02B 43/00, В63Н 21/14, публикация 20.12.2016 г.).
Недостатком известной системы является низкая мобильность (наличие крупногабаритных элементов - грузовая цистерна, двигатель, насос высокого давления и холодильника) и неудобство эксплуатации, связанное с отсутствием системы управления и удаленного контроля и отсутствием погодозащищенного контейнера и возможности мобильной транспортировки системы на место эксплуатации для откачки остаточных паров сжиженного природного газа (СПГ).
Известен поршневой компрессор компании «SIAD Macchine Impianti» (Италия) для паров сжиженного природного газа, работающий с криогенной средой температурой до 113 К (минус 160°C). Компрессор смонтирован на салазках для облегчения установки и запуска (сайт компании SIAD Macchine Impianti https://www.siadmi.com/web/siad-macchine-impianti/boil-off-gas-compressor).
Недостатком известного компрессора является низкая мобильность и неудобство эксплуатации, связанное с отсутствием системы управления и удаленного контроля и отсутствием погодозащищенного контейнера и возможности мобильной транспортировки компрессора на место эксплуатации для откачки остаточных паров.
Известна комплектная компрессорная установка для проведения сливо-наливных операций со сжиженными углеводородными газами (далее СУГ) в проектах ГНС и АГЗС, включающая установку компрессорную с 2-х ступенчатым газовым компрессором марки 2ГУ 0,5-0,55/1,3-11/11-16С или ГВ 0,5/1,5-11См (Рдифф.=11,0 атм) и электродвигателем мощностью 11,0 кВт, щит управления с датчиками давления и температуры, отделитель жидкости с выносным сигнализатором контроля уровня, рама установки и комплект запорной арматуры (сайт ГК «Газовик» https://gazovik-lpg.ru/cat/compressors/ku_2).
Недостатком известной комплектной компрессорной установки является то, что компрессоры и арматура применяются для сжиженных углеводородных газов, а в соответствии с п. 3.1 ГОСТ ISO 8973-2013 сжиженный углеводородный газ - это газ, который можно хранить и/или транспортировать в жидком состоянии при умеренном давлении и температуре окружающей среды. Следовательно, компрессоры и арматура для СУГ не обеспечивают возможность их применения для паров сжиженного природного газа (СПГ), которая является криогенной средой с температурой до 113 К (минус 160°C).
Известна автоматизированная компрессорная станция, размещенная в транспортабельном теплоизолированном замкнутом контейнере и включающая поршневой многоступенчатый компрессор высокого давления с приводом (патент РФ №135015, МПК F04B 41/00, публикация 2013 г.).
Конструктивное решение известной компрессорной станции не позволяет использовать ее для перекачки паров сжиженного природного газа.
Задачей создания предлагаемого изобретения является расширение арсенала технических средств, используемых для перекачки паров сжиженного природного газа.
Технический результат заключается в реализации указанного назначения и создание эффективной в работе и удобной в эксплуатации конструкции устройства, используемого для перекачки паров сжиженного природного газа.
Указанный технический результат достигается использованием мобильного компрессорного блока для перекачки паров сжиженного природного газа, который включает размещенные в транспортабельном теплоизолированном замкнутом контейнере поршневой V-образный двухрядный компрессор без смазки цилиндропоршневой группы, а также входной теплоизолированный трубопровод паров СПГ, сообщенный с полостью всасывания компрессора, и выходной теплоизолированный трубопровод паров сжиженного природного газа, сообщенный с полостью нагнетания компрессора. На входном трубопроводе перед компрессором последовательно по ходу движения среды установлены регулятор давления и буферная емкость, а на выходном трубопроводе после компрессора по ходу движения среды установлены буферная емкость и предохранительный клапан для сброса повышенного давления среды на свечу. На входном трубопроводе после регулятора давления установлен отсечной дистанционно управляемый клапан для возможности подключения блока к системе продувки полостей компрессора сжатым азотом. Все элементы блока, контактирующие с перекачиваемой средой, выполнены из хладостойкого материала и имеют теплоизоляцию.
Цилиндропоршневая группа компрессора содержит шток-поршни с поршневыми кольцами, выполненными из самосмазывающегося материала.
В качестве привода компрессора используется электрический двигатель.
Входной и выходной трубопроводы сообщены друг с другом дополнительным трубопроводом с установленным на нем запорным клапаном.
Для контроля давлений компрессора на входном и выходном трубопроводах установлены датчики давления с клапанными блоками.
Мобильный компрессорный блок для перекачки паров сжиженного природного газа содержит систему автоматического управления.
Контейнер блока состоит из технологического отсека и отсека управления.
В технологическом отсеке контейнера размещен, по меньшей мере, один баллон сжатого азота системы продувки полостей компрессора.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата приведенной совокупностью признаков.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема мобильного компрессорного блока для перекачки паров сжиженного природного газа; на фиг. 2 - поршневой компрессор; на фиг. 3 - компрессорный блок для перекачки паров сжиженного природного газа в контейнере - вид на плане; на фиг. 4 - то же, вид сбоку.
Мобильный компрессорный блок для перекачки паров сжиженного природного газа (см. фиг. 1) содержит компрессор с электроприводом 1, входной теплоизолированный трубопровод паров сжиженного природного газа 2, подключенный к криогенной емкости сжиженного природного газа, выходной теплоизолированный трубопровод паров сжиженного природного газа 3, подключенный к коллектору паров сжиженного природного газа. На трубопроводе 2 установлен последовательно по ходу движения среды регулятор давления 4, на входе в компрессор установлена буферная емкость 5, на выходном трубопроводе 3 после компрессора по ходу газа установлены буферная емкость 6, предохранительный клапан 7 для сброса повышенного давления газа на свечу 8. Для контроля давлений компрессора 1 на трубопроводах 2 и 3 установлены датчики давления 9 и 10 с клапанными блоками 11 и 12. Для ручного сброса паров сжиженного природного газа из компрессора на свечу предусмотрен кран 13. Для соединения трубопроводов 2 и 3 предусмотрен кран 14. Для обеспечения безопасности предусмотрен отсечной дистанционно управляемый клапан 15 и система продувки азотом 16, состоящая из баллонов 17 со сжатым азотом, редуктора 18 и клапана 19.
Компрессор для сжатия паров сжиженного природного газа (фиг. 2) является поршневым, V-образным, двухрядным, выполнен сухим (без смазки цилиндропоршневой группы) и включает электропривод (не показан), картер 20, коленчатый вал 21, два цилиндра 22, в каждом из которых установлены клапаны 23, шток-поршень 24 с поршневыми кольцами 25 из самосмазывающегося материала, уплотнение 26 штока-поршня 24, маслосниматель 27, выполненный с возможностью возврата протечек масла в картер 20 по трубопроводам 28 с гидрозатворами 29. Использование V-образной двухрядной конструкции компрессора обеспечивает пониженную вибрацию за счет уравновешенности сил инерции и возможность установки компрессора в контейнере. Компрессор также включает систему смазки механизма движения, обеспечивающую смазку коленчатого вала 21, подшипников и группы движения в картере 20 и содержащую нагреватель масла 30, масляный насос 31, масляный фильтр 32, датчики контроля давления 33 и температуры 34, манометр 35 и термометр 36. На компрессоре 1 размещены датчики системы вибродиагностики (не показаны).
Трубопровод 2, детали компрессора, контактирующие со средой (цилиндры 22, клапаны 23, шток-поршни 24, поршневые кольца 25, уплотнение 26, маслосниматель 27) трубопровод 3, регулятор давления 4, буферная емкость 5, буферная емкость 6, предохранительный клапан 7, свеча 8, клапанные блоки 11 и 12, краны 13 и 14, клапан 15 изготовлены из хладостойких материалов.
Для сокращения теплопритоков от окружающей среды к перекачиваемой среде трубопровод 2, трубопровод 3, регулятор давления 4, буферная емкость 5, буферная емкость 6, предохранительный клапан 7, краны 13 и 14, клапаны 15 имеют многослойную теплоизоляцию выполненную, например, обмоткой трубопровода 5-10 слоями полотна аэрогеля толщиной 10 мм (также может применяться теплоизоляция из полиуретана или базальтового волокна).
Мобильный компрессорный блок размещен в контейнере 37 (фиг. 4 и 5), разделенном на отсеки: технологический 38 и отсек управления 39.
Стены технологического отсека 38 контейнера 37 выполнены в виде сдвижных штор (не показаны), поэтому вентиляция технологического отсека может производиться естественным воздухообменом через расположенные в стенах отсеков проемы.
В технологическом отсеке 38 размещен компрессор 1, трубопроводы 1 и 2 (с размещенным на них оборудованием), система продувки азотом 16 и монтажный комплект 40 (оборудование, которое демонтируется на время транспортировки - электрический кабель, гибкие шланги и т.п.).
В отсеке управления 39 размещена система автоматического управления 41, включающая преобразователь системы вибродиагностики компрессора (не показан).
Для поддержания внутри отсека управления в холодное время года требуемой температуры (минимально допустимая температура 18°C) в отсеке управления предусмотрены электрические обогреватели (не показаны) связанные электрически с системой автоматического управления 41, которые могут регулироваться по показаниям температурного датчика внутри контейнера (не показан).
Для защиты от пожара в контейнере предусмотрена автоматическая система пожарной сигнализации 42, содержащая необходимые приборы, датчики, извещатели, оповещатели.
Использование мобильного компрессорного блока для перекачки паров сжиженного природного газа осуществляется следующим образом.
Мобильный компрессорный блок для перекачки паров сжиженного природного газа транспортируется на место применения контейнеровозом (транспортом, предусматривающим возможность перевозки стандартных морских контейнеров, с учетом грузоподъемности). После транспортировки блок устанавливается на подготовленную площадку. Подключаются электроэнергия, а также коммуникации (входной и выходной газопровод), которые посредством гибких соединений подключаются к источнику и потребителю сжиженного природного газа (например, входным трубопроводом - к штуцеру паровой фазы криогенного транспортировщика, а выходным к штуцеру заправочной колонки комплекса СПГ).
Пары сжиженного природного газа с температурой от минус 160°C до минус 130°C под небольшим избыточным рабочим давлением (не более 0,15 МПа) поступают во входной трубопровод 2, откуда поступают в регулятор давления 4, который обеспечивает постоянное давление на входе в компрессор (например, 0,1 МПа), после регулятора давления 4, пары СПГ попадают в емкость 5, где происходит очистка паров сжиженного природного газа. В емкости 5 обеспечивается снижение скорости потока, а ее объем обеспечивает стабильную работу компрессора без пульсаций потока. После емкости 5 пары СПГ поступают в компрессор 1, где происходит их сжатие. Сжатие паров СПГ происходит в цилиндрах 22 посредством возвратно-поступательного движения шток-поршней 24 с поршневыми кольцами 25 из самосмазывающегося материала. Самосмазывающийся материал (например, фторопласт Ф4К20 или суперфлувис) применяется вследствие того, что при температуре от минус 160 до минус 130°C компрессорные масла теряют свои свойства. Конструкция цилиндров 22 обеспечивает минимизацию теплопритоков из окружающей среды к клапанам и зоне сжатия, что приводит к минимальному повышению температуры среды и хорошему охлаждению цилиндров сжимаемой средой. Нагнетание паров сжиженного природного газа происходит через кольцевые комбинированные клапаны, выполненные, например, из хладостойкой нержавеющей стали. Возвратно-поступательное движение поршней обеспечивается коленчатым валом 21, который приводится во вращение электродвигателем (не показан).
Смазка групп движения в картере 20 (коленчатого вала 21, подшипников) обеспечивается масляной системой посредством масляного насоса 31. Очистка масла осуществляется масляным фильтром 32. Нагрев масла до необходимой температуры около 15-50°C обеспечивается взрывозащищенным нагревателем 30. Для контроля за работой масляной системы компрессора предусмотрены датчики контроля давления 33 и температуры 34, манометр 35 и термометр 36.
После компрессора 1 пары сжиженного природного газа с необходимым давлением направляются через емкость 6 потребителю. Для защиты компрессора и системы СПГ от повышения давления, вызванного испарением СПГ, на выходе компрессора предусмотрен предохранительный клапан 7, сбрасывающий избыточное давление на свечу. При необходимости возможен сброс на свечу вручную краном 13.
Для обеспечения возможности обслуживания и при аварийных ситуациях при нештатной работе компрессора возможно аварийное отключение магистрали от компрессора 1 посредством дистанционно-управляемого клапана 15 и продувка внутренних полостей компрессора инертным газом - сжатым осушенным азотом из системы продувки азотом 16, через редуктор 18 и кран 19, при этом отрываются краны 13 и 14, и все внутренние полости установки продуваются азотом и пары сжиженного природного газа сбрасываются на свечу.
Предусмотренная система пожарной сигнализации 42 при обнаружении пожара обеспечивает выдачу сигнала о пожаре в систему автоматического управления 41 и таким образом обеспечивает остановку и предотвращение аварии.
В системе автоматического управления 41 предусмотрена система вибродиагностики компрессора, а именно: на компрессоре установлено несколько датчиков контроля виброперемещения компрессора и в случае отклонения значений виброперемещения от норм, предупредительный сигнал передается в систему автоматического управления 41, для обеспечения диагностики и сервисного обслуживания компрессора.
Предлагаемый мобильный компрессорный блок для перекачки паров сжиженного природного газа может эффективно и надежно использоваться в системах сжиженного природного газа и обеспечивать откачку остаточных низкотемпературных паров сжиженного природного газа из транспортных, либо стационарных емкостей сжиженного природного газа.