СИСТЕМА ПОДАЧИ ИНГИБИТОРА ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ В ТРУБОПРОВОД
POWER SUPPLY SYSTEM FOR HYDRATE FORMATION INHIBITOR IN PIPELINE

Изобретение относится к способу транспортировки газовых продуктов ингибирования образования в текучей среде гидратов, а именно к системам введения ингибирующих веществ в трубопроводы, и может быть использовано при ингибировании образования гидратов газа в трубопроводе, применяемом для транспортирования газообразных углеводородов.
В природном газе, как и в других углеводородных текучих средах, присутствуют диоксид углерода, сероводород и различные углеводороды, например метан, этан, пропан, нормальный бутан и изобутан. Было обнаружено, что с такими компонентами углеводородной текучей среды обычно взаимодействует в различных количествах вода. Когда такие компоненты углеводородной текучей среды или другие вещества, способные образовывать гидраты, вступают во взаимодействие с водой в условиях повышенного давления и пониженной температуры, могут образоваться гидраты клатратов. Гидраты клатратов представляют собой водные кристаллы, которые образуют вокруг молекул "гостя", например гидратообразующих углеводородов или газов, структуру, похожую на призму, некоторые гидратообразующие углеводороды включают метан, этан, пропан, изобутан, бутан, неопентан, этилен, пропилен, изобутилен, циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан и бензол, а также другие углеводороды.
Кристаллы гидрата газа или гидраты газа представляют собой класс гидратов клатрата и имеют особое значение при добыче и/или транспортировании природного газа и других углеводородных газообразных сред, они могут образовывать пробки в трубопроводе. Так, например, при давлении около 1 МПа этан может образовывать гидраты газа при температурах ниже 4°С, а при давлении 3 МПа этан может образовывать гидраты газа при температурах ниже 14°С. Такие температуры и давления являются обычными для многих рабочих условий, в которых добывают и транспортируют природный газ и другие углеводородные текучие среды /жидкости/.
Так как гидраты газа склонны к накапливанию, они могут образовывать в трубе или трубопроводе, применяемом для добычи и/или транспортирования природного газа или другой углеводородной текучей среды, гидратные пробки. Образование таких гидратных пробок может привести к простою оборудования при добыче, транспортировке и переработке углеводородного сырья и вследствие этого к существенным финансовым расходам. Кроме того, повторный запуск находящегося в простое оборудования, в частности оборудования в открытом море или транспортного оборудования, может быть затруднен вследствие того, что для безопасного удаления гидратных пробок необходимы значительные количества времени, энергии и материалов, а также различные механические приспособления.
Для предотвращения образования гидратных пробок в потоках углеводородной текучей среды или природного газа применяют разные меры. Такие меры включают поддержание внешних температуры и/или давления, препятствующих образованию гидратных пробок, а также введение ингибиторов гидратообразования, в качестве которых могут быть использованы антифриз, одноатомные спирты (например, метанол, этанол, пропанол, изопропанол), а также многоатомные спирты (этиленгликоль). С инженерно-технической точки зрения для поддержания внешних температуры и/или давления необходима модификация оборудования, например применение изолированного или снабженного рубашкой трубопровода. Такие модификации очень дорого осуществлять и воспроизводить.
2
В настоящее время в газовой промышленности в трубопроводы, в местах, где расположена различная арматура, на которой предпочтительно образуются гидраты, преимущественно подают метанол, а также моноэтиленгликоль и диэтиленгликоль для предотвращения гидратообразования (т.е. образования кристаллической структуры С+НО на узлах арматуры внутри трубопровода). Однако не исключено использование и других спиртов. Впрыск производится обычно через одну форсунку, которая устанавливалась по оси трубопровода.
Недостатком указанной системы впрыска метанола следует признать ее механическую уязвимость, поскольку по трубопроводу вместе с перемещаемым с большой скоростью (около 20÷40 м/с) газом перемещается значительное количество механических примесей, разрушающих как саму форсунку, так и систему, подводящую к форсунке метанол. Кроме того, регулировать расход метанола через одну форсунку невозможно, т.к. хороший распыл жидкости на форсунке происходит только при определенных параметрах и, в частности, при заданном расходе. При других расходах распыла жидкости через форсунку не будет.
Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать (патент RU 2413900) систему подачу метанола в трубопровод. Разработанная система содержит магистраль-источник метанола, на которой установлен первый регулирующий вентиль, до регулирующего вентиля магистраль-источник метанола содержит два патрубка подключения, к каждому из которых последовательно подключены первый запорный вентиль, фильтр и второй запорный вентиль, выходы вторых запорных вентилей подключены к входу диафрагмы замерной, выход которой подключен посредством второго регулирующего вентиля к входу обратного клапана, выход которого подключен через запорные вентили к входам форсунок.
Недостатком известной системы следует признать отсутствие связи количества вводимого метанола и влажности транспортируемого по трубопроводу углеводородного газа, что может привезти как к излишнему расходу метанола, так и к образованию газогидрата в трубопроводе из-за недостатка метанола.
Техническая задача, решаемая посредством разработанной системы, состоит в улучшении условий транспортирования углеводородных газов по трубопроводам.
Технический результат, получаемый при реализации разработанной системы, состоит в увеличении ресурса безаварийной работы за счет уменьшения отложения газогидрата на стенках трубопровода и запорной арматуре, а также оптимизации расхода метанола.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанную систему подачи метанола в трубопровод природного газа. Разработанная система содержит магистраль-источник ингибитора, далее два патрубка, подключенные к указанной магистрали, к каждому из которых последовательно подключены первый запорный кран, фильтр и второй запорный кран, выходы вторых запорных кранов подключены к входу датчика расхода ингибитора, выход которого подключен к входу обратного клапана, выход которого подключен через запорные краны с приводами к входам форсунок. Кроме того, система дополнительно содержит блок управления, а также, по меньшей мере, один из датчиков давления, температуры, расхода, влагосодержания и количества углеводородного газоконденсата в единице объема транспортируемого газа, установленных на трубопроводе, предпочтительно, но не исключительно, в районе точки ввода ингибитора, которые подключены к входу блока управления, выходы блока управления подключены к приводам запорных кранов, причем блок управления выполнен с возможностью в зависимости от измеренных параметров транспортируемого газа устанавливать оптимальный расход ингибитора, гарантирующего отсутствие гидратообразования, за счет включения необходимых запорных кранов, которые установлены на патрубках ввода ингибитора, а форсунки использованы различной производительности или с различными расходными характеристиками.
Система может дополнительно содержать первый контрольный манометр, установленный с возможностью измерения давления в магистрали-источнике ингибитора. Также система может дополнительно содержать второй контрольный манометр, установленный с возможностью измерения давления на выходе обратного клапана. Кроме того, система может дополнительно содержать запорный кран, установленный с возможностью сброса газа из трубопровода через форсунки для их очистки. В некоторых вариантах реализации расстояние между местами размещения форсунок в одном трубопроводе составляет от 0,03 до 5 м. Форсунки могут быть размещены по оси трубопровода и/или по диаметру трубопровода. Однако в некоторых вариантах реализации форсунки могут быть размещены в разных трубопроводах. Предпочтительно угол наклона форсунки относительно оси трубопровода составляет от 5° до 85°. Преимущественно каждая форсунка расположена на расстоянии от стенки трубопровода h=2H/D=0,02÷1,
где Н - расстояние оси отверстия форсунки от внутренней стенки трубопровода;
D - диаметр трубопровода.
Выход регулирующего клапана (КлР1) предпочтительно подключен к магистрали-источнику ингибитора.
Сущность разработанного технического решения состоит в использовании двух и более форсунок, установленных в стенках трубопровода для нескольких точек ввода ингибитора, при этом средства подачи ингибитора размещены, предпочтительно, вне трубопровода. При этом расход ингибитора через форсунки регулируют с использованием датчиков, определяющих характеристики проходящего по трубопроводу углеводородного газа, и блока управления, содержащего программное обеспечение, позволяющее регулировать расход ингибитора через форсунки в зависимости от измеренных характеристик транспортируемого газа. Оптимизация расхода ингибитора, с одной стороны, практически исключает перерасход ингибитора и, с другой стороны, появление газогидрата.
В дальнейшем сущность заявленного технического решения будет рассмотрена с использованием блок-схемы, на которой использованы следующие обозначения: КлР1 - клапан игольчатый регулирующий, Кр1-Кр8 - краны шаровые запорные, Ф1, Ф2 - фильтры, КлО1 - клапан обратный, PI - манометр, КрЗ1-КрЗ3 - краны шаровые запорные с электроприводом, FT - датчик расхода, Рф1-Рф3 - форсунки распылительные, Кр5 - кран продувки форсунок.
Ингибитор (в частном случае - метанол) от насоса через магистраль поступает по патрубкам на запорные краны Кр1 и Кр3, которые соединены соответственно с фильтрами очистки метанола Ф1 и Ф2 и запорными кранами Кр2 и Кр4. В рабочем состоянии открыт один из кранов Кр1 или Кр3, другой закрыт. При необходимости очистки одного из фильтров закрывают соседние с ним краны, например, для фильтра Ф1 - краны Кр1 и Кр2, фильтр извлекают и прочищают (или заменяют на другой, чистый), при этом краны Кр3 и Кр4 открыты, т.е. работает фильтр Ф2. Манометры до и после фильтров служат для определения степени загрязнения фильтров по перепаду давления на них.
Датчик давления FT и датчик параметров транспортируемого газа (на схеме не показан) служат, с использованием блока управления, для определения расхода ингибитора, необходимого для удаления гидратообразования при текущем расходе газа в магистральном трубопроводе.
Расход метанола регулируют открытием или закрытием кранов шаровых запорных КрЗ1-КрЗ3 с электроприводом, набирая соответствующее сочетание форсунок с разными расходными характеристиками. Обратный клапан КлО1 служит для предотвращения попадания газа в систему из магистрального трубопровода. Запорные краны КрЗ1-КрЗ3 служат для перекрытия подачи метанола на форсунки Рф1-Рф3. Клапан КлР1 предназначен для сброса избыточного расхода метанола в магистраль подачи метанола.
Форсунки Рф1-Рф3 могут включаться как совместно, так и по отдельности. Распыл может осуществляться как в направлении потока, так и против направления (предпочтительно).
Пример реализации системы
Метанол распыляют в трубе ⌀426×22, по которой идет природный газ. Давление газа в трубопроводе - 13,5 МПа, давление подачи - до 16,0 МПа. Фильтры обеспечивают тонкость очистки подаваемого метанола не выше 100 мкм, тонкость распыливания форсунками подаваемого метанола не более 100 мкм, что обеспечивает расход метанола от 30 до 200 кг/час.
Такой широкий диапазон распыла с использованием одной форсунки реализовать невозможно, поэтому используют форсунки с расходными характеристиками 15%, 25% и 60% от номинала, открывая эти форсунки клапанами КрЗ1-КрЗ3, получаем соотношения от номинала: 15%, 25%, 40%, 60%, 75%, 85%, 100% или 30, 50, 80, 120, 150, 170 и 200 кг/час соответственно, величина расхода определяется по датчику FT. Более тонкое регулирование может осуществляться клапаном игольчатым регулирующим КлР1.
Использование разработанной системы позволяет увеличить работу трубопровода между операциями очистки, по меньшей мере, в 2,9 раза.