СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ВЛАЖНОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF WET NATURAL GAS COOLING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к химической, нефтяной, газовой и другим отраслям промышленности, а именно к технологии и оборудованию, предназначенным для охлаждения влажного природного газа. В частности, изобретения могут использоваться в аппаратах воздушного охлаждения (далее - ABO), при эксплуатации которых в условиях холодного климата северных регионов могут образовываться гидраты газа.
В настоящее время основной проблемой при охлаждении влажного природного газа в ABO является разрушение труб теплообменных секций, связанное с образованием гидратных пробок.
Охлаждение газа в ABO осуществляется путем подачи его по трубам многорядной теплообменной секции, а воздух подается вентиляторами в межтрубное пространство поперек трубного пучка. При таком перекрестном охлаждении температура по ходу газа непрерывно снижается, причем наиболее интенсивное снижение происходит в первом по ходу воздуха ряду труб. Соответственно, выходные концы труб первого ряда имеют самую низкую температуру стенок.
В зимний период при охлаждении стенок труб ниже температуры гидратообразования газа на их внутренней поверхности откладываются гидраты, причем толщина слоя гидратов увеличивается по ходу газа. При очень низких температурах утолщение гидратного слоя приводит к образованию на выходном конце труб гидратной пробки с полным прекращением течения газа по трубам первого ряда. В условиях дальнейшего потепления гидраты могут полностью или частично растаивать.
При естественных периодических условиях похолодания и потепления наблюдается образование продольных трещин и разрушение труб. Разрушение сопровождается выбросом в атмосферу газа, что крайне нежелательно из-за возможности возникновения аварии, а также негативных экологических последствий. Поэтому к конструкции аппарата и режимам его работы при низких температурах окружающей среды предъявляются соответствующие требования по предотвращению разрушений труб.
Известен способ охлаждения влажного газа (патент RU №2287124 от 10.11.2006). Согласно этому изобретению газ поступает в трубы многорядной теплообменной секции, а подача воздуха осуществляется снизу вверх по межтрубному пространству поперек трубного пучка. При этом измеряют температуру внешней стенки труб нижнего ряда на выходе газа, и при понижении температуры труб до температуры поступающего в трубный пучок воздуха вентиляторы выключают и переводят в режим реверса.
Недостатками данного устройства является то, что в ABO используются осевые вентиляторы, в которых реверсирование является аварийным режимом. Такой способ обладает малой эффективностью (60-65%). Для создания режима включения реверсирования в зависимости от изменения температуры воздуха требуются капитальные вложения в автоматическую систему управления аппаратом. Кроме того, для решения проблемы, связанной с закупоркой труб кристаллогидратами, при работе ABO в постоянном реверсивном режиме возникает риск растепления грунта и перекоса аппарата за счет поступления горячего воздуха с выхода теплообменных секций на вход вентилятора.
Известен другой способ охлаждения влажного газа (патент №2209383 от 27.07.2003), заключающийся в том, что в поток газа подается жидкий ингибитор гидратообразования, после чего смесь подается во входную камеру, далее распределяется по пучку теплообменных труб. При подаче ингибитора снижается температура начала образования гидратов, в результате достигается на выходе из ABO более низкая температура газа, чем без использования ингибитора.
Недостатком этого способа является необходимость в системе подачи и регенерации ингибитора гидратообразования, например метанола, а также его безвозвратные потери, который, кроме того, является опасным, ядовитым веществом.
Известно устройство теплообменной секции аппарата воздушного охлаждения углеводородного газа (патент RU №2287123 от 10.11.2006). Оно состоит из многорядного трубного пучка, камер входа и выхода продукта, боковых стенок, поперечных балок и дистанционирующих элементов между рядами труб. Между одной из боковых стенок и трубным пучком установлена прокладка из упругого сжимаемого воздухонепроницаемого материала в сжатом состоянии с толщиной, обеспечивающей упругое расширение прокладки на величину, равную 1/250÷1/300 от длины трубного пучка. Повышается надежность теплообменной секции за счет исключения разрушения труб, вызванных разным их температурным удлинением.
Недостатком данного устройства является то, что прокладка компенсирует только разницу температурных удлинений труб, следовательно, исключает образование осевых напряжений. При гидратообразовании наблюдаются продольные трещины в трубах, которые могут создаваться только ростом давления внутри труб более чем давление газа, причем окружными напряжениями. Осевые напряжения на такие разрушения практически не влияют, и поэтому компенсирующие прокладки не могут предотвращать разрушения, создаваемые при гидратообразовании.
Более того, в результате многочисленных исследований и опытных экспериментов было установлено, что негативная ситуация развивается следующим образом. Сильное похолодание приводит к загидрачиванию труб с образованием гидратной пробки на выходном конце. В цикле потепления, когда увеличивается температура поступающего в теплообменную секцию воздуха, гидраты начинают растаивать со стороны входа газа, где температура труб выше. Опасность представляет неполное таяние гидратов, когда на выходном конце сохраняется гидратная пробка.
В известных ABO влажного природного газа трубы теплообменной секции расположены под уклоном в сторону выхода газа не менее 1:100. Такое конструктивное исполнение стало традиционным и необходимо для того, чтобы образовавшаяся в трубах вода могла естественно сливаться в выходную камеру и далее в трубу отвода газа. Однако в случае частичного таяния гидратной пробки, которая продолжает перекрывать проходное сечение трубы, такой слив становится невозможным. В результате наклона по ходу газа трубы с гидратными пробками оказываются частично заполненными водой, образовавшейся от таяния слоя гидратов до пробки. При условии дальнейшего похолодания замерзание скоплений воды в трубе ведет к ее разрушению. Разрушение труб вследствие превращения воды в лед широко известно как размораживание труб. Таким образом, предыдущие циклы похолодания и потепления создают условия для разрушения труб при последующем похолодании.
Также в качестве недостатков, существующих до настоящего времени аналогов ABO, работающих в гидратном режиме, следует указать то, что для растепления гидратов необходимо периодически отключать подачу газа и воздуха, применять специальное укрытие и на определенное время полностью останавливать работу оборудования.
Настоящая заявляемая группа изобретений предполагает применение для охлаждения влажного природного газа ABO, при работе которых допускается образование в трубах отложений гидратов газа, и, следовательно, достижение более низких температур газа на выходе из ABO с сохранением целостности теплообменной поверхности, чем при работе в безгидратном режиме.
Технической задачей заявленного изобретения является повышение эффективности процесса охлаждения влажного природного газа и понижение температуры охлажденного газа на выходе из аппарата, а также обеспечение надежности работы применяемого оборудования.
Поставленная задача решается за счет заявляемого способа охлаждения влажного природного газа, в котором сохраняется известная схема движения, когда газ подают во входную камеру теплообменной секции, распределяют его по многорядному пучку труб и охлаждают воздухом с помощью вентиляторов поперек трубного пучка, а отличительной особенностью является то, что газ направляют по охлаждаемому трубному пучку с подъемом по ходу газа, с началом таяния образовавшихся гидратных пробок организуют свободный слив растопленной воды из загидраченных труб в нижнюю зону входной камеры и далее ее транспортируют по неоребренным байпасным трубам с уклоном в сторону трубы отвода охлажденного газа.
Выполнение поставленной задачи возможно при использовании устройства ABO, предлагаемого для реализации упомянутого способа. Устройство включает вентиляторы, теплообменные секции, состоящие из входной и выходной прямоугольных камер, соединенных снизу со штуцерами входа и выхода газа, многорядного пучка оребренных труб, расположенного между камерами. Отличительной особенностью устройства является то, что трубные пучки выполнены с уклоном не менее 1:100 в сторону входа газа, а под нижним рядом труб расположены выполненные с уклоном в сторону выхода газа, неоребренные байпасные трубы, закрепленные с одной стороны в нижней зоне входной камеры, с другой стороны присоединенные к трубам отвода газа.
Кроме того, внутри входной камеры на нижней плоскости соосно отверстиям для входа газа установлено кольцо, герметично соединенное с днищем камеры и выполненное с зазором между боковой стенкой кольца и боковой стенкой камеры, при этом верхняя плоскость кольца расположена выше уровня нижнего ряда труб.
Технический результат, полученный от изобретения, заключается в достижении температуры охлажденного газа ниже температуры начала гидратообразования, предотвращение образования трещин на поверхности теплообменных труб и устранение их разрушения за счет удаления гидратных пробок.
Более наглядно изобретение поясняется чертежом, на котором показана теплообменная секция ABO. На чертеже указанные позиции обозначают следующие элементы:
1 - многорядный пучок оребренных труб; 2 - входная камера; 3 - штуцер входа горячего влажного газа; 4 - выходная камера; 5 - штуцер выхода охлажденного влажного газа; 6 - труба отвода газа; 7 - кольцо; 8 - неоребренная байпасная труба; 9 - поток горячего влажного газа; 10 - поток охлаждающего воздуха; 11 - первый по ходу воздуха ряд труб теплообменной секции; 12 - гидратная пробка; 13 - растопленная вода.
Устройство, предназначенное для осуществления способа охлаждения влажного природного газа, содержит вентиляторы, с помощью которых поток охлаждающего воздуха 10 поступает в межтрубное пространство теплообменных секций. Каждая теплообменная секция содержит многорядный пучок оребренных труб 1, входную прямоугольную камеру 2, соединенную снизу со штуцером входа 3, через который подается поток горячего влажного газ 9, выходную прямоугольную камеру 4, соединенную снизу со штуцером выхода 5 охлажденного газа и трубой 6 для отвода газа. Трубный пучок выполнен с уклоном не менее 1:100 в сторону входа газа для обеспечения стекания растопленной воды 13 из труб в нижнюю зону входной камеры самотеком. Внутри входной камеры на нижней плоскости соосно отверстиям для входа газа установлено кольцо 7, герметично соединенное с днищем камеры и выполненное с зазором между боковой стенкой кольца и боковой стенкой камеры, при этом верхняя плоскость кольца расположена выше уровня нижнего ряда труб 11. Под нижним рядом теплообменных труб расположены выполненные с уклоном в сторону выхода газа, неоребренные байпасные трубы 8, закрепленные с одной стороны в нижней зоне входной камеры, с другой стороны присоединенные к трубам отвода газа. На каждую теплообменную секцию устанавливают, по меньшей мере, три байпасных трубы.
Принятие высоты бурта кольца выше уровня нижнего ряда труб и герметизация кольца в нижней его части, а также наличие зазора между кольцом и боковыми стенками камеры предотвращает возможность нежелательного слива воды из аппарата через входные штуцеры и ее смешения с потоком горячего газа, обеспечивает возможность образования стока воды из нижней части входной камеры в байпасные трубы. Наклон байпасных труб в сторону выхода газа необходим для исключения застоя воды в этих трубах даже в случае непредвиденной закупорки труб на входе. Байпасные трубы выполнены без оребрения для исключения замерзания сливающейся по трубам воды.
Способ охлаждения влажного газа и устройство для его осуществления работают следующим образом.
Поток нагретого влажного газа через штуцер входа поступает во входную камеру, оттуда газ под действием входного давления распределяется по трубам многорядного трубного пучка. Между труб поперек трубного пучка движется поток охлаждающего воздуха под действием вентиляторов. Газ при течении по трубному пучку постепенно охлаждается воздухом и выходит далее через выходную камеру и ее штуцер в трубы отвода газа. Наиболее охлаждаемым является первый по ходу воздуха ряд теплообменных труб. При образовании гидратов газа на внутренней поверхности этих труб возникают гидратные пробки и кольцевой слой гидратов до пробок. Внутри труб, перекрытых гидратными пробками, течение газа прекращается, поэтому происходит перераспределение потока газа с некоторым увеличением расхода газа по незакупоренным трубам.
При потеплении увеличивается температура охлаждающего воздуха, поэтому начинается постепенное таяние гидратов. В первую очередь растаивает кольцевой слой гидратов внутри труб, однако при кратковременном потеплении гидратные пробки могут сохраняться. Уклон труб в сторону входа газа не менее 1:100 обеспечивает слив воды из перекрытых пробками труб самотеком в нижнюю зону входной камеры. Если трубы не перекрыты пробками, то образовавшаяся в этих трубах влага либо уносится газовым потоком в выходную камеру и далее сливается из нее, либо под уклоном сливается во входную камеру и далее отводится по системе байпасных труб. Принятый уклон пучка труб в сторону входа газа, а также наличие байпасных труб с уклоном в сторону выхода газа обеспечивает отсутствие скоплений воды как в теплообменных трубах, так и байпасных трубах. Отсутствие скоплений воды исключает размораживание труб при последующих похолоданиях.
Течение газа с подъемом или организация уклона трубного пучка в сторону входа газа необходимы для стекания воды, образующейся при таянии гидратов из труб даже в случае наличия гидратной пробки. Тем самым предотвращается образование скоплений жидкости в трубах, создающее ситуацию, приводящую к разрушению труб. Сливающаяся во входную камеру вода скапливается в нижней ее зоне, откуда отводится по неоребренным байпасным трубам из аппарата самотеком или потоком газа движется по этим трубам.
По результатам проведенных обследований ранее существующих традиционных аппаратов воздушного охлаждения было установлено, что основное количество разрушений труб возникало в осенне-весенний период эксплуатации ABO, когда происходило резкое колебание температуры окружающего воздуха от положительных до отрицательных значений и наоборот. В ходе осмотра теплообменных секций установок охлаждения влажного газа на северных промыслах было выявлено, что абсолютное большинство разрушений образовывалось в виде трещин длиной 40÷60 мм. Размер самой длинной трещины составлял 400 мм. В местах, где наблюдались короткие трещины, заметно было пластическое вздутие труб. Предлагаемое изобретение позволяет устранить подобные проблемы.
Также необходимо добавить следующее. Классическое конструктивное исполнение аппаратов воздушного охлаждения предусматривает наличие укрытия с обшивкой по боковым и торцовым сторонам теплообменной секции для ее защиты от воздействия внешних негативных факторов, в том числе и от чрезмерного переохлаждения труб. Заявленное техническое решение способа охлаждения влажного природного газа, реализуемого с помощью устройства воздушного охлаждения, позволяет отказаться от применения укрытия в конструкции, а учитывая значительные габаритные размеры как устройства в целом, так и его отдельных элементов, существенно снизить металлоемкость и затраты на его изготовление. Кроме того, постоянное свободное транспортирование растопленной воды по неоребренным байпасным трубам позволяет осуществлять непрерывный режим работы оборудования и охлаждать газ до температуры ниже температуры начала гидратообразования.
Таким образом, изобретение позволяет решить проблему предотвращения разрушения труб даже в условиях получения низких температур газа на выходе из теплообменной секции за счет удаления гидратных пробок. Это обеспечивает сохранение целостности внутренней и внешней поверхности теплообменных труб, тем самым увеличивается их ресурс и срок службы, а также обеспечивает надежную работу установок и возможность дальнейшей эффективной осушки газа при эксплуатации в условиях холодного климата на промыслах Крайнего Севера.