БЛОК ОСУШКИ МОБИЛЬНОЙ КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПРИМИРОВАННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА

Полезная модель относится к вспомогательным устройствам компрессорных установок для подготовки природного газа, а именно к устройствам для осушки природного газа, входящим в состав мобильных компрессорных станций для получения компримированного природного газа, который может применяться в качестве газомоторного топлива.
3
Известно, что специфика применения компримированного природного газа в качестве газомоторного топлива требует особенно тщательной очистки от влаги, концентрация паров воды должна быть не более 9,0 мг/м (п.9 табл.1 ГОСТ27577-2000 «Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия») что соответствует точке росы не выше минус 60°С.
Известна установка для получения осушенного сжатого воздуха, содержащая двухступенчатый компрессор с фильтрами и межступенчатым холодильником, адсорбер, обратный клапан, сборник сухого воздуха, которая снабжена фильтром, установленным между адсорбером и продувочным клапаном, электропневматическим клапаном, установленным в спускном тракте фильтра (патент РФ №2058184 публикация 1996 г.).
Недостатком указанной установки является отсутствие возможности непрерывной работы - получения осушенного сжатого воздуха, в связи с тем, что в установке предусмотрен только один периодически регенерируемый адсорбер, при этом на время регенерации (нагрев и охлаждение) производство осушенного воздуха будет невозможно. Кроме того, данная установка не может быть применена для тонкой осушки природного газа в связи с тем, что для качественной осушки (до точки росы не выше минус 60°С) целесообразно применять цеолиты, для регенерации которых необходима температура продувочного газа не ниже плюс 280°С в течение не менее 4 часов. Для регенерации адсорбента в известной установке используется неосушенный горячий воздух, сжатый до давления ниже рабочего и несколько выше атмосферного, полученный при переводе компрессора на холостой ход, при этом требуемой температуры для качественной регенерации адсорбента достичь невозможно.
Известна установка подготовки импульсного газа для пневмосистем запорно-регулирующих устройств магистральных газопроводов, включающая систему трубопроводов, систему электрооборудования, блок автоматического управления, и подключенный к транспортному газопроводу природного газа блок осушки и очистки газа, содержащий последовательно подключенные по ходу движения газа водомаслоотделитель, промежуточный фильтр, по меньшей мере, один регенерируемый адсорбер, имеющий наружный обогрев посредством размещенных по наружному контуру баллона адсорбера электрических нагревателей (патент РФ №36484, публикация 2004 г.).
Недостатком известной установки подготовки импульсного газа является то, что при регенерации адсорбента используется часть осушенного газа. При этом товарный осушенный газ теряется и выбрасывается в атмосферу, что экономически невыгодно и приводит к загрязнению атмосферы. Дополнительным недостатком является то, что нагрев адсорбента, осуществляемый ТЭНами, расположенными снаружи адсорбера неэффективен вследствие того, что площадь контакта между ТЭНом и корпусом адсорбера очень мала (фактически контакт по линии), большая часть теплового потока направлена наружу (а не внутрь адсорбера), необходимо разогреть весь корпус адсорбера, после чего нагревается адсорбент, температура в центре адсорбера может не достигнуть значения температуры ТЭНов, что вызывает большой расход потребляемой при регенерации адсорберов электроэнергии. При некачественном и неравномерном нагреве адсорбента не может осуществляться качественная регенерация, что влечет некачественную осушку газа в следующем цикле работы адсорбера.
Известен способ удаления определенного газообразного оксида с использованием высокочастотных катализаторов, в котором для удаления присутствующего в газе оксидного соединения исходный поток пропускают через слой растительного угля при температуре ниже 150°С, в результате чего происходит адсорбция оксида углем, после этого угольный слой подвергают воздействию энергии высокочастотного излучения в диапазоне 915-5000 МГц, выделяя из угля поглощенный оксид и восстанавливая его адсорбционные свойства (патент US №5246554, публикация 1993 г.).
Недостатками указанного способа является его низкая эффективность, связанная с тем, что при высоких температурах (близких к 150°С) уголь адсорбирует вещества хуже, чем при нормальной температуре, а при регенерации адсорбента воздействием энергии высокочастотного излучения необходимо производить нагрев всего объема адсорбента, так как газообразный оксид не нагревается при воздействии высокочастотного излучения, что приводит к потере большого количества времени и энергии. Эксплуатационным недостатком способа является то, что не обеспечивается непрерывный процесс удаления газообразного оксида, так как необходимо время для проведения регенерации адсорбента.
Известен способ десорбции растворителя из активированного угля, в котором насыщенный растворителем активированный уголь нагревают электромагнитным полем сверхвысокой частоты в импульсном режиме и одновременно пропускают через него предварительно ионизированный азот (патент РФ №2027490, публикация 1995 г.).
Недостатком указанного способа является необходимость применения дополнительного оборудования для проведения процесса десорбции (такого как источник азота, ионизатор азота, водяной конденсатор паров десорбата), а также необходимость сложной системы управления и повышенной точности и надежности применяемых устройств для обеспечения требуемой температуры адсорбента и синхронности импульсов нагрева и подачи азота. Кроме того, указанный способ не может быть применен для осушки природного газа, так как природный газ, имея углеводородный состав, может частично поглощаться на угле.
2
Известен способ регенерации адсорбента, содержащегося в адсорбере блока осушки сжатого газа, включающий нагрев адсорбента электрическим полем СВЧ и последующее удаление десорбированных компонентов, в котором перед нагревом проводят разгрузку адсорбера до давления, на 2-5 кгс/см превышающего атмосферное давление, нагрев адсорбента ведут до 200-250°С в течение 1-5 мин (в зависимости от объема адсорбера), десорбированные компоненты удаляют в течение 10-30 с при сообщении адсорбера с атмосферой (патент РФ №2168360, публикация 2001 г.).
2
Недостатком известного способа является то, что данный способ регенерации адсорбента неэффективен в связи с тем, что количество влаги, которое способен поглотить газ в объеме адсорбера, (то есть его способность удерживать пары воды) при давлении регенерации 2-5 кгс/см ниже количества влаги, которое содержится в адсорбенте перед регенерацией. При нагреве насыщенного адсорбента электрическим полем СВЧ происходит десорбция воды в объем адсорбера, и в замкнутом объеме поглощается только часть влаги (которую может поглотить газ при имеющемся давлении), остальная влага либо остается в объеме адсорбента, либо конденсируется на стенках адсорбера и при сбросе газа из адсорбера остается внутри адсорбера, что приводит к некачественной регенерации и, как следствие, к некачественной осушке газа в следующем цикле работы.
Кроме того недостатком является необходимость при регенерации сброса части газа в атмосферу, что экономически нецелесообразно (в случае осушки газа, имеющего высокую стоимость), либо неприменимо (в случае осушки газа, представляющего опасность для человека или окружающей среды).
Известно устройство для регенерации адсорбента от газообразных примесей содержащее вакуумный теплоизоляционный корпус, заполненный жидким азотом, внутри которого размещен сосуд с адсорбентом, который пронизан нагревателем, при этом сосуд соединен с магистралью подачи газовой смеси и вакуумным насосом, в котором нагреватель представляет из себя СВЧ-источник, работающий в диапазоне частот 300 МГц - 300 ГГц, выполненный в виде магнетрона, соединенного через волновод с согласованной нагрузкой (патент РФ №2058183, публикация 1996 г.).
Недостатком известного устройства является сложность и низкая надежность вакуумной теплоизоляции - при потере герметичности корпуса резко снижается теплоизолирующая способность и может происходить испарение жидкого азота. Также недостатком является заполнение вакуумного теплоизоляционного корпуса жидким азотом, что усложняет конструкцию адсорбера и вспомогательного оборудования и снижает температуру адсорбента у стенок сосуда, что делает нагрев адсорбента от расположенного в центре нагревателя неравномерным, и требуемая для регенерации адсорбента высокая температура не обеспечивается. Дополнительным недостатком единичного СВЧ нагревателя, размещенного в центре, является неравномерность создаваемого электромагнитного поля (что в бытовых СВЧ-печах устраняется вращающимся столом), что приводит к неравномерному нагреву адсорбента. В связи с этим регенерация адсорбента осуществляется некачественно. Кроме того, указанное устройство нельзя использовать для непрерывной осушки природного газа, так как предусмотрен только один периодически регенерируемый сосуд с адсорбентом.
Задачей полезной модели является создание блока осушки газа, лишенного указанных недостатков и обеспечивающего требуемое по нормативным документам качество газа в мобильных компрессорных станциях для компримирования природного газа, а также повышение эффективности и надежности работы блока осушки газа путем улучшения нагрева и качества регенерации, и повышение экономичности путем снижения потребления электроэнергии и исключения потерь газа в блоке осушки газа.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем.
Блок осушки мобильной компрессорной станции для получения компримированного природного газа включает в себя систему трубопроводов, запорную управляемую арматуру, систему управления, систему регенерации, и содержит, по меньшей мере, два параллельно подключенных и последовательно регенерируемых адсорбера. Каждый адсорбер содержит корпус с размещенным в нем адсорбентом, и, по меньшей мере, один нагреватель адсорбента, выполненный в виде работающего в диапазоне частот от 300 МГц до 300 ГГц магнетрона. Каждый адсорбер содержит также средство для повышения равномерности электромагнитного поля СВЧ нагревателя адсорбента.
Нагреватели адсорбента могут размещаться внутри адсорбера.
Нагреватели адсорбента могут размещаться снаружи адсорбера, в этом случае корпус адсорбера выполнен из материала, пропускающего электромагнитное поле СВЧ нагревателя адсорбента, а адсорбер с нагревателем адсорбента размещены в кожухе, выполненном из материала, не пропускающего электромагнитное поле СВЧ нагревателя адсорбента.
Нагреватель адсорбента имеет фиксированную рабочую частоту 2,45 ГГц.
В качестве средства для повышения равномерности электромагнитного поля СВЧ нагревателя адсорбента может быть использован инвертор, либо две дополнительные антенны, либо вращающийся распределитель микроволн, либо отражатели микроволн.
Выход каждого адсорбера блока осушки соединен со входным трубопроводом мобильной компрессорной станции дополнительным трубопроводом с установленном на нем невозвратным клапаном, а система регенерации дополнительно содержит установленный на выходе из адсорберов вакуумный насос для удаления из адсорберов продуктов десорбции в емкость для сбора конденсата.
Для отвода продуктов десорбции из регенерируемого адсорбера в дренаж система регенерации дополнительно содержит замкнутый контур циркуляции осушенного природного газа, включающий последовательно установленные циркуляционный насос, теплообменник и водомаслоотделитель.
2
3
В качестве адсорбента может быть применен синтетический цеолит типа NaX, либо синтетический цеолит типа КА, либо активированный оксид алюминия (АlО), либо силикагель.
Система управления блока осушки может содержать установленный на выходном трубопроводе узел измерения влажности природного газа.
Система управления блока осушки может содержать установленный на входном трубопроводе узел измерения влажности природного газа.
Система управления выполнена с возможностью переключения адсорберов по показанию узла измерения влажности природного газа.
Система управления содержит блок автоматического управления с информационной панелью, на которую выводятся значения параметров работы блока осушки.
Все узлы и системы блока осушки размещены на жестком каркасе.
Все узлы и системы блока осушки могут быть размещены на жестком каркасе мобильной компрессорной станции для получения компримированного природного газа.
Все узлы и системы блока осушки могут быть размещены в контейнере мобильной компрессорной станции для получения компримированного природного газа.
На фиг.1 представлена принципиальная схема мобильной компрессорной станции для получения компримированного природного газа; на фиг.2 представлена принципиальная схема блока осушки; на фиг.3 представлена конструкция адсорбера с внутренним расположением нагревателя; на фиг.4 представлена конструкция адсорбера с наружным расположением нагревателя,
Мобильная компрессорная станция для получения компримированного природного газа (см. фиг.1) содержит трубопровод 1, подключенный на входе в станцию к магистральному газопроводу, трубопровод 2, подключенный на выходе станции к потребителям природного газа. К трубопроводу 1 подключен блок осушки 3, через запорно-регулирующую арматуру (не показана). Из блока осушки 3 выходит трубопровод осушенного газа 4, подключенный к дожимающему компрессору 5. Компрессор соединен с баллонной секцией для хранения газа высокого давления 6, из которой по трубопроводу 2 газ поступает потребителю. Для сброса газа из адсорберов перед регенерацией блока осушки предусмотрен трубопровод 7 с установленным невозвратным клапаном 8. Для сброса конденсата из блока осушки предусмотрен трубопровод 9. Для аварийного сброса газа из блока осушки предусмотрена свеча 10. В случае низкого давления газа в магистральном газопроводе на трубопроводе 1 может быть установлен дожимающий компрессор 11.
Блок осушки (см. фиг.2) включает в себя последовательно подключенные к входу трубопровода 1 водомаслоотделитель 12, промежуточный фильтр 13, два параллельно подключенных адсорбера 14 и 15 и концевой фильтр 16, соединенный с трубопроводом 4. Адсорберы 14 и 15 подключены к входному и выходному трубопроводу через управляемые краны 17, 18, 19, 20 соответственно. Водомаслоотделитель 12 и промежуточный фильтр 13 через управляемые клапаны соответственно 21 и 22 соединены с емкостью сбора конденсата 23 и дренажной линией 9, куда производится периодическая продувка. Сброс газа из адсорберов 14 и 15 перед регенерацией осуществляется через управляемые краны 24 и 25 соответственно. Сброс газа на свечу в аварийных случаях производится через управляемые краны 26 и 27. Для регенерации адсорбера в системе регенерации предусмотрен вакуумный насос 28, подключенный к емкости сбора конденсата и к адсорберам 14 и 15 через управляемые краны 29 и 30 соответственно. Для регенерации адсорбента в системе регенерации может быть предусмотрен циркуляционный насос 31, теплообменник-охладитель (например, радиаторного типа) 32, фильтр-водомаслоотделитель 33, подключенные к адсорберам 14 и 15 через управляемые краны 29, 30, 34, 35. Для управления блоком осушки предусмотрена система управления, включающая блок управления (не показан) и датчики давления 36, температуры 37, влажности (точки росы) 38.
Каждый из адсорберов 14 и 15 (см. фиг.3) содержит корпус 39 выполненный из металла, с патрубками входа 40, выхода 41, крышки 42, адсорбент 43, теплоизоляционный кожух 44, по крайней мере, один СВЧ нагреватель адсорбента 45, закрепленный в крышке 42, представляющий собой магнетрон 46, соединенный через волновод 47 с согласованной нагрузкой 48. Для предотвращения уноса частиц адсорбента на входе и выходе адсорбера предусмотрены фильтры 49.
Каждый из адсорберов 14 и 15 (см. фиг.4) может также содержать корпус 50, выполненный из материала, пропускающего электромагнитное поле СВЧ нагревателя адсорбента, с патрубками входа 51, выхода 52, теплоизоляционный кожух 53, не пропускающий электромагнитное поле СВЧ нагревателя адсорбента, по крайней мере, один СВЧ нагреватель адсорбента 54, закрепленный в кожухе 53, представляющий собой магнетрон 55, соединенный через волновод 56 с согласованной нагрузкой 57. Для предотвращения уноса частиц адсорбента на входе и выходе адсорбера предусмотрены фильтры 58.
Каждый адсорбер содержит средство для регулирования мощности магнетрона и/или средство для изменения направления излучаемых магнетроном электромагнитных волн (не показаны), используемые для повышения равномерности электромагнитного поля СВЧ нагревателя адсорбента, в качестве которых может использоваться либо инвертор, либо две дополнительные антенны, либо вращающийся распределитель микроволн, либо установленные определенным образом отражатели микроволн.
Нагреватель адсорбера может иметь общепромышленную и бытовую рабочую частоту СВЧ источников 2,45 ГГц.
В качестве адсорбента применен синтетический цеолит NaX, обеспечивающий очистку от широкого спектра примесей.
В качестве адсорбента также может быть применен синтетический цеолит КА, обеспечивающий глубокую осушку только от паров воды.
2
3
В качестве адсорбента также может быть применен активированный оксид алюминия (АlО) или силикагель и их смесь в любых сочетаниях, имеющие низкие температуры регенерации.
Блок закреплен на жестком каркасе, и может быть размещен в контейнере мобильной компрессорной станции (не показаны).
Работает блок осушки следующим образом.
Сжатый природный газ под рабочим давлением из входного магистрального газопровода от трубопровода 1 поступает в водомаслоотделитель 12, где происходит очистка газа от крупных частиц влаги, масла и механических частиц. Из водомаслоотделителя 12 газ поступает в промежуточный фильтр 13, содержащий углеродное волокно, в котором происходит очистка газа от масляных паров, негативно влияющих на работу адсорбента в адсорберах, а также на работу индикатора влажности газа. Отделившаяся в водомаслоотделителе 12 и промежуточном фильтре 13 водомасляная эмульсия через управляемые краны 21 и 22 направляется при периодических продувках в дренаж.
Очищенный от капельной влаги и масла природный газ поступает в один из адсорберов 14, 15, где происходит осушка газа до заданных кондиций. Адсорберы 14, 15 работают попеременно (один работает на осушку, а другой в это время регенерируется, при этом время регенерации гораздо меньше, чем время работы адсорбера на осушку). В процессе прохождения газа через работающий на осушку адсорбер адсорбент в нем насыщается влагой. После насыщения адсорбента влагой происходит переключение адсорберов, газ из адсорбера направляется на вход мобильной компрессорной установки, и ранее отработавший на осушку адсорбер включается на регенерацию, в процессе которой осуществляется нагрев адсорбента посредством СВЧ нагревателя адсорбента 45, расположенного внутри адсорбера, либо нагревателя 54, расположенного снаружи адсорбера. СВЧ волны проникают внутрь адсорбента и увеличивают колебания молекул воды, что приводит к увеличению температуры, испарению воды и регенерации адсорбента. Для более эффективной регенерации адсорбента вакуумный насос 28 установленный в системе регенерации создает разрежение в адсорбере, благодаря чему температура кипения воды снижается и достигается быстрее, а продукты десорбции выводятся из адсорбера. Продукты десорбции сбрасываются с емкость сбора конденсата. Таким образом, выброса природного газа в атмосферу в процессе штатной работы не происходит.
Также для более эффективной регенерации адсорбента может применяться установленный в системе регенерации циркуляционный насос 31, обеспечивающий циркуляцию осушенного природного газа по системе регенерации через теплообменник-охладитель (например, радиаторного типа) 32 и фильтр-водомаслоотделитель 33, в которых охлаждается и выпадает конденсат продуктов десорбции.
После адсорбера 14 или 15 осушенный и очищенный газ поступает в концевой фильтр 16, где происходит окончательная очистка газа от механических частиц и масла. Если влажность природного газа, выдаваемого потребителям, выше установленной (контрольной) уставки, блок автоматического управления по показаниям датчика влажности (точки росы) природного газа 38, установленного на выходном трубопроводе, производит переключение адсорберов.
2
Далее газ направляется через выход трубопровода 4 к дожимному компрессору 5, который сжимает газ до давления порядка 250 кгс/см, и наполняет баллонную секцию 6, откуда газ выдается потребителю по трубопроводу 2.
Предлагаемый блок осушки предназначен для осушки природного газа, отбираемого на компрессорных станциях магистральных газопроводов, газораспределительных станциях и аналогичных объектах, перед его использованием в качестве газомоторного топлива в составе мобильной компрессорной станции для получения компримированного природного газа.
Блок осушки может быть использован, в контейнерном исполнении, либо в безконтейнерном варианте в составе более крупных технологических линий, а также как самостоятельное изделие при этом система управления блока может быть самостоятельной, либо может быть реализована в системе управления «верхнего» уровня.
Предлагаемый блок осушки обеспечивает требуемое по нормативным документам качество очистки и осушки газа, обладает повышенной эффективностью и надежностью, в связи с улучшением процесса нагрева адсорбента и качества регенерации. Предлагаемая установка обладает высокой экономичностью за счет пониженного потребления электроэнергии и отсутствие потерь газа.