СПОСОБ УСТРАНЕНИЯ ЗАКУПОРИВАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ КРИОГЕННЫХ СИСТЕМ ПРОИЗВОДСТВА, ХРАНЕНИЯ, ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И УТИЛИЗАЦИИ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА КРИСТАЛЛИЗОВАВШИМИСЯ КОМПОНЕНТАМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА
METHOD FOR ELIMINATING PIPELINE BLOCKAGE IN CRYOGENIC SYSTEMS FOR PRODUCTION, STORAGE, USE AND UTILISATION OF NATURAL GAS BY CRYSTALLISED COMPONENTS AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION OF THE METHOD

Предлагаемая группа изобретений относится к газовой промышленности, конкретно к технологии производства, хранения, использования и утилизации сжиженного природного газа (далее - СПГ), а также к способам очистки внутренних поверхностей трубопроводов и удалению пробок (закупориваний), в том числе к предупреждению перемерзания трубопроводов.
4
2
6
3
8
4
10
5
12
6
14
Природный газ (далее - ПГ) является многокомпонентной смесью углеводородных газов, основу которой составляет метан (СН). В меньших количествах содержатся более тяжелые углеводороды, такие как: этан (СН), пропан (СН), бутан (СН) пентана (СН), гексан (СН) и ниже. В качестве примесей ПГ содержит азот, кислород, гелий, углекислый газ, а также пары воды.
Компоненты, входящие в состав СПГ, растворены в метане, поэтому их относительное содержание (концентрация) в растворе подчиняется закону растворимости. В случае превышения концентрации какого-либо компонента пределов растворимости при текущем значении давления и температуры, компонент выходит из раствора в виде твердой фазы - кристаллов. Если количество твердой фазы значительно, то возможно закупоривание каналов трубопроводов и арматуры криогенных сосудов, а также трубопроводов и арматуры газоиспользующего оборудования потребителя.
2
2
2
2
Как правило, в процессе производства СПГ исходный сырьевой газ очищается от примеси углекислого газа (далее - СО) до остаточных содержаний много меньших предела растворимости. Но при хранении и перегрузках СПГ метан неизбежно испаряется, что приводит к укреплению раствора СО или иных компонентов СПГ в метане до линии насыщения, а при дальнейшем его испарении - к выпадению твердой фазы СО, который может связывать тяжелые углеводороды, образуя комплексы или к выпадению твердой фазы иных компонентов СПГ. Существует проблема устранения закупориваний трубопроводов кристаллами СО или иных компонентов СПГ, способных привести к нарушению работы оборудования или к его отказу.
Известны основные устройства и методы устранения закупоривания трубопроводов.
Например, длинномерный трубопровод, способ устранения в нем пробки и способ транспортировки по нему материала (патент РФ на изобретение №2538143, опубл. 10.01.2015 г.). Длинномерный трубопровод содержит внешнюю трубу, эластичную внутреннюю трубу, межтрубное пространство между внешней трубой и внутренней трубой и снабжен, по меньшей мере, одним устройством для подачи текучей среды, а внешняя труба снабжена, по меньшей мере, одним вводным устройством для подачи текучей среды в межтрубное пространство между внешней трубой и внутренней трубой, которое сообщается с устройством для подачи текучей среды. Способ устранения пробки во внутренней трубе длинномерного трубопровода заключается в том, что в межтрубное пространство между внешней трубой и внутренней трубой посредством вводного устройства вводится текучая среда, после чего текучая среда транспортируется в межтрубном пространстве между внешней трубой и внутренней трубой в направлении длины длинномерного трубопровода. Используемую текучую среду преимущественно выбирают из группы, состоящей из азота, воздуха, диоксида углерода, нефти, спирта, воды и гидравлической жидкости.
Однако в способе устранения пробки по вышеуказанному патенту РФ №2538143 эффективно доставить текучую среду в заглушенный трубопровод с одним входом невозможно по причине того, что, как правило, трубопровод протяженный, узкий и имеет конструктивные особенности в виде колен и изгибов (фитинги), являющихся гидравлическими сопротивлениями, гасящими колебания текучей среды. Другим недостатком данного способа является то, что для его реализации необходимо, чтобы трубопровод был двустенным.
Из уровня техники известен непрямой нагреватель жидкости (патент на изобретение US 10502368, опубл. 17.03.2019 г.) и способ нагрева газа с использованием нагревателя. Нагреватель, предусмотренный для нагревания потока природного газа, содержит сосуд, который, в свою очередь, содержит теплоноситель, теплообменную трубку, проходящую через сосуд и, по меньшей мере, частично погруженную в теплоноситель, при этом теплообменная трубка может быть нагрета греющим газом, чтобы позволить греющему газу течь внутри теплообменной трубки, чтобы испарить теплоноситель и, по меньшей мере, один теплообменник, который выполнен с возможностью соединения с источником второй жидкости для нагрева, теплообменник расположен так, что вторая жидкость может быть нагрета испарившимся теплоносителем.
К недостаткам нагревателя по вышеуказанному патенту US 10502368 можно отнести увеличение площади поперечного сечения и кратное повышение теплопритоков в криогенный трубопровод, который, как правило, специально сконструирован таким образом, чтобы трубопровод заполнения-опорожнения обладал наибольшим термическим сопротивлением и обеспечивал минимальные теплопритоки к хранящемуся в сосуде СПГ. Другим недостатком является усложненная конструкция трубопровода и ухудшение паспортных характеристик сосуда. Криогенный сосуд для обеспечения возможности реализации описанного выше способа должен быть заблаговременно оснащен греющим трубопроводом (при изготовлении), то есть способ нельзя использовать для раскупоривания трубопроводов, находящихся на данный момент в эксплуатации криогенных сосудов.
Известен способ обнаружения и раннего предупреждения блокировки трубопровода (патент на изобретение TW 201017026, опубл. 21.10.2013 г.). В заранее определенном месте трубопровода устанавливают нагревательный элемент и определенную температуру. Нагревательный элемент нагревает трубопровод, а для контроля температуры нагрева нагревательного элемента и для определения фактической температуры трубопровода используется температурный контроллер. Далее происходит сбор и регистрация температурного сигнала каждого контроллера температуры через устройство сбора данных. Собранная устройством сбора данных информация отображается через персональный компьютер. При первоначальной эксплуатации трубопровода осуществляется наблюдение за изменением температуры и сбор данных. Собранные данные преобразовываются в таблицу кривых нормального нагрева. Диспетчер, обслуживающий трубопровод, наблюдает за состоянием изменения температуры каждого контроллера температуры на персональном компьютере и сравнивает с вышеупомянутой таблицей кривых нормального нагрева. Когда изменение температуры является относительное аномальным состоянием, то становится известно, что трубопровод заблокирован.
Недостаток вышеуказанного способа состоит в том, что его можно реализовать, только если сконструировать специальный сосуд (трубопровод), а для эксплуатируемых на данный момент трубопроводов он не подходит. Также если нагревательный элемент находится на расстоянии от места образования пробки, потребуется подвод большого количества тепла, что сделает данный процесс энергозатратным и дорогим. Если закупорка образуется в месте, не оснащенном датчиками, (например, в начале трубы, выдающей СПГ), то ее не удастся диагностировать и ликвидировать. Способ требует постоянного присутствия человека, принимающего решения об отогреве, и осуществляющего управление системой на основании предварительных полученных характеристик (кривых). Способ не может быть применен для криогенных сосудов, работающих под давлением в связи с тем, что трубопроводы, подверженные закупориванию, как правило, расположены в межстенном теплоизолирующем пространстве, что препятствует их оснащению датчиками и нагревательными элементами, необходимыми для реализации способа.
Известны также способ и система использования лазера для очистки трубопроводов от углеводородов (заявка на изобретение US 2009205675, опубл. 21.10.2009 г.). Способ включает размещение лазерной головки в трубопроводе, подлежащему очистке от углеводородов; подачу лазерного луча с помощью лазерной головки; использование лазерного луча для очистки трубопровода, транспортирующего углеводороды. Лазерный луч направляется в лазерную головку из источника лазерного излучения, который размещен за пределами трубопровода и оптически соединен с лазерной головкой, которая может быть помещена в транспортное средство.
2
Эффективно доставить лазерный луч до места закупорки на практике нельзя, учитывая конструктивные особенности сосуда (наличие колен, различных изгибов трубы - фитинги), а также из-за невыполнимости обязательного условия оптической зеркальности стенок трубопровода, для придания ему свойств световода. Другим недостатком вышеуказанного способа является то, что спектр излучения лазера должен совпадать со спектром поглощения примеси «пробки», но, так как ее состав может изменяться в широких пределах (СО, парафины, газовые гидраты, водяной лед и т.д.), необходимо использовать параметрический лазер, что не представляется возможным реализовать. Также осуществление данного способа предполагает предварительное обезжиривание, что невозможно реализовать на закупоренном трубопроводе.
01
11
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является радиоволновой метод определения местоположения гидратных пробок в газопроводах (Шибико А.В., Магистерская диссертация «Радиоволновой метод определения местоположения гидратных пробок в газопроводах», 2018 г., с. 30-34, 37-39), который используется для обнаружения местоположения инородных объектов в трубопроводах, путем зондирования линии передачи СВЧ импульсом наносекундной длительности с последующей фиксацией времени прохода отраженного от неоднородности импульса к входному концу волновода. Трубопровод рассматривается как круглый волновод, в который аксиально через радиопрозрачное окно с фторопластовой вставкой вводится мощное микроволновое излучение. Передача энергии в круглом волноводе осуществляется путем возбуждения волны H, которая на любых неоднородностях трансформируется в низшие типы волн, например, в волну Н. Использование в рассматриваемом методе обнаружения инородных объектов в трубопроводах времени в качестве информативного параметра, требует разработки программного обеспечения для непосредственного измерения времени прохождения импульса (далее - ВИ) и передачи полученных данных на персональный компьютер (далее - ПК) оператора. Программа рассчитана на оператора, который подключает макет с установки к трубопроводу и запускает СВЧ генератор, СВЧ импульс которого через специальное окно ввода вводится в трубопровод. Оператор анализирует состояние участков магистрального газопровода на экране монитора ПК. При нахождении гидратного образования интерфейс программы позволяет осуществить индикацию отметки отраженного импульса от гидратной пробки на контролируемом участке трубы. После обнаружения гидратной пробки оператор сообщает о необходимости принятия мер по ее устранению главному супервайзеру объекта.
Недостатком способа, принятого за прототип, является то, что он позволяет решать только проблему обнаружения газогидратной пробки и определения ее местоположения. Устранение пробки должен выполнить супервайзер объекта с сервисной бригадой, но так как это происходит в межстенном пространстве, в условиях вакуума, доступ к месту закупорки для персонала невозможен.
2
Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является оперативное устранение закупоривания каналов криогенных трубопроводов кристаллическим СО или иными компонентами СПГ, без внесения конструктивных изменений в обслуживаемое техническое устройство.
Техническим результатом, на достижение которого направлены заявляемые изобретения, является уменьшение потерь СПГ и исключение временного ухудшения теплоизолирующих свойств вакуумной изоляции сосуда или трубопровода на время устранения закупоривания.
Технический результат достигается тем, что способ устранения закупоривания трубопроводов криогенных систем производства, хранения, использования и утилизации СПГ кристаллизовавшимися компонентами заключается в том, что в трубопровод, расположенный в теплоизолирующем межстенном пространстве и в полости сосуда, вводят СВЧ излучение. Осуществляют доставку СВЧ излучения к местам закупоривания, используя трубопровод в качестве волновода. СВЧ энергию преобразовывают в поля волн высших типов в местах изгибов и неоднородностей трубопровода, которые являются элементами волнового сопротивления обслуживаемого сосуда. Электромагнитную энергию волн высших типов накапливают и преобразуют в тепловую энергию, сдвигая равновесие в сторону повышения растворимости по меньшей мере одного кристаллизовавшегося компонента СПГ в метане.
Устройство для устранения закупоривания трубопроводов криогенных систем производства, хранения, использования и утилизации СПГ кристаллизовавшимися компонентами (далее - Устройство) состоит из взрывонепроницаемого корпус, СВЧ генератора, направленного ответвителя, волноводного перехода, радиопрозрачной диафрагмы, измерителя мощности, системы охлаждения тепловыделяющих элементов СВЧ генератора, трубопровода-волновода, а в качестве нагревательных элементов используют элементы волнового сопротивления трубопроводов сосуда.
Заявка относится к группе изобретений, связанных между собой настолько, что они образуют единый изобретательский замысел. Единство изобретения соблюдено по следующему основанию: - одно техническое решение предназначено для осуществления другого (устройство для осуществления способа в целом или одного из его действий). Объект по п. 1 формулы относится к способу в целом, а объект по п. 5 формулы относится к Устройству, которое предназначено для осуществления способа по п. 1 в целом.
Таким образом, заявляемые технические решения (2 объекта) связаны между собой настолько, что они образуют единый изобретательский замысел и соответствуют всем критериям, предъявляемым к изобретению, и обеспечивают получение нового технического результата.
Заявляемая группа изобретений поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 показана схема Устройства для реализации способа, на фиг. 2 показан волноводный переход, на фиг. 3 показано сменное стыковочное устройство, на фиг. 4 показана система охлаждения тепловыделяющих элементов СВЧ генератора, на фиг. 5 показана схема реализации способа устранения закупоривания трубопроводов криогенных систем производства, хранения, использования и утилизации СПГ кристаллизовавшимися компонентами.
На вышеуказанных фигурах цифрами обозначены элементы:
1 - взрывонепроницаемый корпус;
2 - СВЧ генератор;
3 - направленный ответвитель;
4 - волноводный переход;
5 - измеритель мощности;
6 - вход направленного ответвителя;
7 - первый выход направленного ответвителя;
8 - второй выход направленного ответвителя;
9 - вход волноводного перехода;
10 - второй конец (выход) волноводного перехода;
11 - радиопрозрачная диафрагма;
12 - радиальное уплотнение (резиновые кольца);
13 - трубопровод обслуживаемого сосуда;
14 - сменное стыковочное устройство;
15 - разрывная мембрана;
16 - перфорированная вставка;
17 - камера охлаждения;
18 - тепловыделяющий элемент с наибольшей мощностью тепловыделения;
19 - электронная плата;
20 - опоры;
21 - вентилятор;
22 - герметичный воздушный канал;
23 - элементы волнового сопротивления (ЭВС);
24 - пробка (закупоривание);
25 - сосуд;
26 - сквозные отверстия.
Предлагаемый способ устранения закупоривания трубопроводов криогенных систем производства, хранения, использования и утилизации СПГ кристаллизовавшимися компонентами с помощью Устройства для реализации способа осуществляется следующим образом. СВЧ излучение, генерируют СВЧ генератором 2 (падающее излучение), с помощью направленного ответвителя 3 направляют в волноводный переход 4 и далее через радиопрозрачную диафрагму 11, которой оснащен второй конец волноводного перехода 10, вводят в трубопровод обслуживаемого сосуда 13 (далее - трубопровод), расположенный в теплоизолирующем межстенном пространстве и в полости сосуда 25. Через второй выход 8 направленного ответвителя ответвляют отраженное излучение, уровень которого измеряют измерителем мощности 5.
Момент ввода СВЧ излучения в полость трубопровода определяют по достижению перепадом давления допустимой величины на контролируемом участке трубопровода, по изменению величины отраженного излучения от номинального значения на контролируемом участке трубопровода.
Изменение мощности отраженного излучения свидетельствует о наличии пробки (закупоривания) 24.
2
Если пробка 24 обнаружена, то через трубопровод 13, расположенный в теплоизолирующем межстенном пространстве и в полости сосуда 25, который используют в качестве волновода, осуществляют доставку СВЧ излучения к местам закупоривания. СВЧ энергию преобразовывают в поля волн высших типов, накапливают электромагнитную энергию волн высших типов и преобразуют ее в тепловую энергию в местах изгибов и неоднородностей трубопровода, которые являются элементами волнового сопротивления 23 сосуда (далее - ЭВС). С помощью тепловой энергии параметры среды сдвигают в сторону повышения растворимости СО или иных кристаллизовавшихся компонентов СПГ в метане. ЭВС 23 нагревают за счет поглощения СВЧ энергии, как описано выше. Тепло от разогретого ЭВС 23 передают к последующим участкам трубопровода за счет теплопроводности последнего.
2
В случае, если частоту излучения согласовывают с одним из максимумов поглощения СО или с иными кристаллизовавшимися компонентами СПГ в метане, эффект от подвода СВЧ энергии удваивается, так как нагрев обеспечивается как непосредственно поглощением энергии веществом пробки 24, так и подводом тепла от разогретого ЭВС 23.
Происходит раскупоривание каналов трубопроводов 13 и запорно-регулирующей арматуры сосудов 25. Таким образом, работа оборудования восстанавливается.
Устройство, с помощью которого осуществляют способ устранения закупоривания трубопроводов криогенных систем производства, хранения, использования и утилизации СПГ кристаллизовавшимися компонентами, включает корпус 1, являющийся взрывонепроницаемой оболочкой, внутри которой размещен СВЧ генератор 2, например, магнетронного типа, состоящий из электронной платы 19 с расположенными на ней электронными компонентами и магнетроном, направленный ответвитель 3, разделяющий падающее и отраженное излучение, измеритель мощности 5. Направленный ответвитель 3 ответвляет отраженный сигнал для измерения этого сигнала измерителем мощности 5. Электронная плата 19 закреплена внутри корпуса 1 на опорах 20. Вход направленного ответвителя 6 соединен с излучателем магнетрона. Также внутри взрывонепроницаемой оболочки расположена часть волноводного перехода, которая сопрягается с первым выходом направленного ответвителя 7 (выходом падающей волны) посредством фланцевого хомутового соединения, и система охлаждения тепловыделяющих элементов СВЧ генератора, с помощью которой охлаждают тепловыделяющий элемент с наибольшей мощностью тепловыделения 18, например, магнетрон. Второй выход направленного ответвителя 8 (выход отраженной волны) соединен с входом измерителя мощности отраженного излучения.
10
11
Волноводный переход 4 служит для согласования конструктивных характеристик выхода направленного ответвителя и трубопровода 13 с одновременным изменением, по необходимости, вида распространяющейся волны, например, Н в прямоугольном волноводе на Н в круглом.
Вход волноводного перехода 9 по конфигурации и размерам канала полностью соответствует, а по конструктивному исполнению соединительного устройства согласован с конструктивным исполнением выхода направленного ответвителя.
Второй конец волноводного перехода 10 имеет круглое сечение, диаметр которого равен внутреннему диаметру трубопровода 13, цилиндрическую форму наружной поверхности и проходит через стенку корпуса через герметичное радиальное уплотнение 12. Кроме того, второй конец волноводного перехода 10 оснащен радиопрозрачной диафрагмой 11, являющейся окном для ввода электромагнитной энергии, уплотненной известным способом, например, с помощью резиновых колец, и заканчивается фланцевым соединением для обеспечения стыковки с трубопроводом 13 и вводом в его внутреннюю полость СВЧ энергии. Поскольку электромагнитная волна выбранного типа имеет длину менее критической для данного сечения трубопровода 13, последний будет являться волноводом, транспортирующим электромагнитную энергию на большое расстояние с минимальными потерями. Расположенные по ходу трубопровода конструкционные элементы (сочленения, повороты, фитинги и т.д.) по отношению к волноводному тракту являются ЭВС 23 - неоднородностями, в которых происходит возникновение волн высших типов с выделением тепловой энергии за счет поверхностных токов на проводящих элементах конструкции. Участок трубопровода, выполненный преимущественно с плотным термодинамическим контактом с ЭВС 23 трубопровода 13, за ЭВС 23 трубопровода 13 является проводником тепловой энергии к лежащим за ним участкам трубопровода.
Для обеспечения возможности охлаждения тепловыделяющих элементов, например, магнетрона и сохранения взрывозащищенности в Устройстве предусмотрена система охлаждения тепловыделяющих элементов СВЧ генератора, которая состоит не менее, чем из двух патрубков и камеры охлаждения 17. Патрубки проходят через цилиндрические отверстия корпуса и сообщаются с камерой охлаждения 17, в которой размещен тепловыделяющий элемент, например, магнетрон. Дополнительно в одном из патрубков воздушного канала установлен вентилятор 21, который принудительно прокачивает воздух таким образом, что он омывает поверхность с наибольшей температурой, элемента с наибольшей выделяемой тепловой мощностью 18, например, магнетрона и охлаждает его. Элементы системы охлаждения тепловыделяющих элементов СВЧ генератора образуют единый герметичный воздушный канал 22 внутри взрывонепроницаемого корпуса 1.
Взрывонепроницаемый корпус 1 снабжен необходимым количеством отверстий для элементов Устройства. Через данные отверстия пропущены и уплотнены известным способом, например, с помощью резиновых колец, патрубки системы охлаждения тепловыделяющих элементов СВЧ генератора и один из концов волноводного перехода. Цилиндрические отверстия корпуса, благодаря уплотнениям, не пропускают атмосферу вовнутрь и обеспечивают возможность линейного перемещения патрубков системы охлаждения, а также волноводного перехода 4 в целях компенсации температурного расширения последних.
Охлаждение тепловыделяющих элементов СВЧ генератора, в частности тепловыделяющего элемента с наибольшей мощностью тепловыделения 18, например, магнетрона, может осуществляться с помощью воздушной системы охлаждения, также с помощью замкнутой системы жидкостного охлаждения или другим известным способом охлаждения, например, с помощью теплоотвода в корпус Устройства.
На случай нарушений герметичности уплотнений диафрагмы 11 в волноводном переходе 4 выполнен ряд сквозных отверстий 26, отделенных от окружающей среды разрывной мембраной 15, с целью предотвращения повышения давления внутри корпуса. Мембрана также предотвращает проникновение в полость Устройства взрывоопасной смеси ПГ и воздуха.
2
Для того, чтобы способ и Устройство для реализации способа работали наиболее эффективно, необходимо удалять загрязнители вместе с рабочей средой. Загрязнителями являются твердая фаза СО или иные кристаллизовавшиеся компоненты СПГ. Удаление загрязнителей вместе с рабочей средой осуществляется с помощью стыковочного устройства 14. Стыковочное устройство 14 должно быть подобрано по внутреннему диаметру и присоединительным размерам, соответствующим трубопроводу 13. Стыковочное устройство 14 выполнено сменным для обеспечения возможности подключения к Устройству и к сосудам с различными внутренними диаметрами и присоединительными размерами.
Для повышения эффективности работы способа и Устройства для его реализации, а также для обеспечения возможности превентивного облучения отложений загрязнителей, не дожидаясь полного закупоривания трубопроводов, предусмотрено сменное стыковочное устройство 14, выполненное в виде тройника со вставкой 16. Вставка 16 представляет собой трубку, стенка которой перфорирована рядом отверстий таким образом, что суммарное проходное сечение отверстий в стенке вставки больше или равно условному проходу патрубков вставки. Диаметр каждого из отверстий в стенке вставки меньше диаметра, критического для прохождения СВЧ излучения, то есть, через который невозможно прохождение СВЧ излучения с данной длиной волны.