УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО СМЕШИВАНИЯ ИЗВЛЕЧЕННОГО ИЗ ХРАНИЛИЩА ПРИРОДНОГО ГАЗА С КИСЛОРОДОМ В ГОРЮЧИЙ ГАЗ ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ НАХОДЯЩЕГОСЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ПРИРОДНОГО ГАЗА ПЕРЕД ЕГО РАСШИРЕНИЕМ ИЛИ ПОСЛЕ НЕГО
DEVICE FOR CONTINUOUS MIXING OF NATURAL GAS EXTRACTED FROM STORAGE WITH OXYGEN TO MAKE COMBUSTIBLE GAS FOR HEATING PRESSURISED NATURAL GAS BEFORE OR AFTER ITS EXPANSION

Изобретение относится к устройству для непрерывного смешивания извлеченного из хранилища природного газа с кислородом в горючий газ для нагревания находящегося под давлением природного газа перед его расширением или после него, содержащему закрытый смесительный резервуар с соединительными элементами для подвода природного газа, ввода кислорода и отвода горючего газа.
Природный газ при извлечении из хранилища, например из подземных хранилищ, необходимо предварительно нагревать перед уменьшением давления для компенсации эффекта Джоуля-Томсона. Известно непрерывное сжигание части извлекаемого из хранилища потока в так называемом «линейном реакторе» с регулируемой подачей кислорода. В этом способе с помощью каталитической реакции кислорода с природным газом в непосредственно извлеченном из хранилища газовом потоке достигается температура до 400°С. Тепло используется посредством прямого подмешивания горячих газов сгорания в холодный газовый поток для непрерывного нагрева. Описание этого способа приведено в ЕР 0920578 В1.
Было установлено, что самовоспламенение газовой смеси в процессе дозирования кислорода в природный газ в принципе никогда нельзя исключать полностью. Самовоспламенение смеси природного газа и кислорода зависит от давления и температуры. Повышенная концентрация кислорода уже приводит к реакции и сгоранию в газовом потоке и, тем самым, к повышению давления и температуры, также и без катализатора. В реальных технических условиях установки для извлечения из хранилища природного газа с известными в настоящее время измерительными и регулировочными устройствами в соединении с техникой безопасности, которая может быть осуществлена с помощью известных в настоящее время средств, дозированное добавление кислорода в природный газ с помощью горелки, диффузионной горелки или камеры предварительного смешивания, описание которой дано в ЕР 0920578, трудно поддается надежному выполнению.
Вследствие высоких температур, которые возникают при непосредственном воспламенении в месте выхода кислорода, не рекомендуется свободный впуск кислорода в поток природного газа. Кроме того, уже после самого короткого времени выходят из строя известные устройства для зажигания и контроля.
С другой стороны, было установлено, что «холодное» дозирование кислорода в природный газ для экзотермической реакции на катализаторе также не приводит к успеху. Однако предварительный нагрев смеси природного газа и кислорода до температуры активирования катализатора при остающейся одинаковой концентрации перед расширением приводит регулярно к неконтролируемому самовоспламенению и поэтому к нежелательной каталитической реакции смеси из природного газа и кислорода.
В основу изобретения положена задача создания устройства, которое обеспечивает надежное дозирование кислорода в непрерывно протекающий природный газ.
Эта задача решена с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения.
Другие варианты выполнения и предпочтительные модификации устройства согласно изобретению указаны в пунктах 2-11 формулы изобретения.
Согласно изобретению предусмотренный при известном «линейном нагревании», т.е. внутри трубопровода для природного газа, смесительный участок выполнен в виде закрытого смесительного резервуара. Его функция состоит в подаче в поток холодного природного газа, который входит в смесительный резервуар, находящегося под высоким давлением кислорода в газообразном состоянии с температурой примерно 5-30°С через вход для кислорода, и в подмешивании в природный газ внутри смесительной камеры резервуара через распределительную трубу при высоком давлении, например, 70-170 бар.
Смесительная камера полностью и распределительная труба, по меньшей мере, частично заполнены затрудняющей самовоспламенение сыпучей массой из керамического зернистого материала. Сыпучая масса из керамического зернистого материала обеспечивает повышение безопасности работы, поскольку она имеет инертный характер, т.е. не участвует в реакции ни с одним из подлежащих смешиванию газов. Она имеет очень небольшую и поэтому предпочтительную теплопроводность, так что высвобождаемое при возможном воспламенении внутри смесительного резервуара тепло не может повреждать стенку резервуара.
Материал имеет также предпочтительное свойство высокой температуры плавления, так что при возможном воспламенении невозможно образование каналов за счет оплавления.
Для обеспечения безопасности устройства смесительная камера резервуара снабжена датчиками температуры.
Кроме того, смесительный резервуар предпочтительно выполнен в виде вертикального резервуара, который имеет внизу соединительный элемент для трубопровода природного газа, а вверху - соединительный элемент для отвода горючего газа.
Благоприятный принцип действия устройства обеспечивает возможность холодного смешивания кислорода и природного газа при высоких давлениях с учетом определенной концентрации в центральной части заполненного керамической сыпучей массой и снабженного возможностью контролирования безопасности с помощью датчиков резервуара. Введенная в резервуар сыпучая масса с изолирующим и инертным действием защищена, в частности при вертикальных резервуарах, от выноса и износа за счет своей высокой плотности при небольших заданных полых пространствах. Это предотвращает распространение пламени внутри резервуара в случае возникновения самовоспламенения. Дополнительно к этому контролируется температура стенки резервуара.
За счет того, что резервуар стоит, сыпучая масса остается постоянной во время работы и всегда имеет небольшие полые пространства, поскольку при вырывании частиц керамического материала резким потоком, тотчас происходит сползание других частиц.
Это сползание дополнительно улучшается тем, что керамический материал сыпучей массы является сильно уплотненным оксидом алюминия со сферической формой с гомогенным распределением величины зерен от 1,5 до 3 мм.
Согласно другой мере, служащей защите от зажигания во время смешивания горючего газа из природного газа и кислорода внутри резервуара, предусмотрено, что зона смешивания имеет на стороне входа концентричное сужение поперечного сечения, повышающее скорость течения в смесительной зоне.
Скорость потока входящего природного газа повышается за счет концентричного сужения поперечного сечения, которое можно называть также внутренним редуцированием, в зоне перед собственно смесительной зоной в резервуаре настолько, что вызываемые завихрения в потоке природного газа обеспечивают оптимальное перемешивание с входящим кислородом в окружающей смесительную трубу зоне. Тем самым, очень быстро преодолевается диапазон воспламеняемости смеси природного газа и кислорода, т.е. горючего газа. Дополнительно к этому инертная насыпная керамическая масса предотвращает развитие пламени.
Распределительная труба имеет в своей стенке, которая проходит параллельно окружающим стенкам смесительного резервуара, выходные прорези. Выходные прорези имеют предпочтительно такой размер, что частицы имеющейся также в распределительной трубе насыпной массы из керамического зернистого материала не могут увлекаться протекающим в распределительной трубе кислородом через выходные прорези, а также не могут вдавливаться снаружи в распределительную трубу. Выходные прорези создают действие сита при одновременном положительном влиянии на смешивающее действие вытекающего из распределительной трубы в смесительную зону кислорода.
Смесительный резервуар предпочтительно выполнен в зоне смешивания смесительной камеры с двойными стенками, при этом между лежащей снаружи стенкой смесительного резервуара и лежащей внутри стенкой смесительной камеры расположен изолирующий материал. Внутренняя стенка смесительной камеры может состоять, например, из листа высококачественной стали, которая сварена по периметру с лежащей снаружи стенкой смесительного резервуара, при этом в промежуточном пространстве расположена обшивка с керамической ватой для защиты стенки смесительной камеры от термических воздействий.
Все меры и вставки приводят к тому, что уменьшается опасность самовоспламенения при непрерывном подмешивании кислорода в поток природного газа внутри смесительного резервуара устройства согласно изобретению.
Этому особенно благоприятным образом способствует также то, что на лежащей внутри стенке смесительной камеры в зоне, которая соответствует расположению выходных прорезей распределительной трубы, расположено с равномерным распределением несколько датчиков температуры с защитной трубой на периметре лежащей снаружи стенки смесительного резервуара.
Предпочтительно в зоне выходных прорезей для кислорода в лежащую внутри стенку смесительной камеры вварены три равномерно распределенных по периметру, быстро срабатывающих датчика температуры с защитной трубой. Это обеспечивает возможность постоянного и направленного на обеспечение безопасности контролирования повышения температуры при возможном воспламенении смеси природного газа и кислорода. Для этого датчики температуры интегрированы в установку обеспечения безопасности.
Установка обеспечения безопасности особенно предпочтительно имеет подключенную к трубопроводу для кислорода установку для промывки азотом. При достижении регистрируемого с помощью датчиков температуры подъема температуры в смесительном резервуаре, с помощью установки для обеспечения безопасности мгновенно прекращается подача кислорода и запускается процесс промывки азотом в соединительном элементе для подключения трубопровода для кислорода.
Кроме того, усовершенствованию решения согласно изобретению способствует также то, что в трубопровод для кислорода и в трубопровод для природного газа интегрировано измерительное и регулировочное устройство с резервированием. Оно обеспечивает точное дозирование кислорода до максимально 3 мол.%. Установка обеспечения безопасности ограничивает эту концентрацию кислорода, при этом контролирование осуществляется с помощью измерительного и регулировочного устройства. В трубопроводах для ввода природного газа и кислорода используются последовательно два различных способа измерения расхода, а именно, измерения разницы давления на диафрагме и ультразвуковое измерение, значения которых обрабатываются в установке обеспечения безопасности. За счет этого достигается, с одной стороны, избыточность и, с другой стороны, возможность сравнения.
Предварительно выбранные параметры процесса смешивания, определенные с помощью экспериментов, лежат ниже самовоспламенения смешанного из природного газа и кислорода горючего газа, при этом состояние процесса непрерывно контролируется с помощью обеспечивающей безопасность измерительной техники.
Ниже приводится подробное описание примера выполнения изобретения, из которого следуют другие признаки изобретения, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - закрытый смесительный резервуар устройства для непрерывного смешивания извлеченного из хранилища природного газа с кислородом;
фиг.2 - продольный разрез смесительного резервуара, вид сбоку; и
фиг.3 - блок-схема устройства для непрерывного смешивания со схематично изображенными, расположенными перед соединительными элементами для подключения трубопровода для природного газа и трубопровода для кислорода арматурой.
На фиг.1 показано устройство для непрерывного смешивания извлеченного из хранилища природного газа с кислородом в горючий газ для нагрева находящегося под давлением природного газа перед его расширением или после него. С помощью снабженного фланцем 3 соединительного элемента 8 для подвода природного газа в смесительный резервуар и с помощью снабженного фланцем 4 соединительного элемента 9 для ввода кислорода в смесительный резервуар 2 образован смесительный участок 1, который заканчивается фланцем 15 в трубопроводе 10 для отвода горючего газа.
Образующий участок 1 смешивания смесительный резервуар 2 является вертикальным резервуаром со стойками 5, на нижних концах которых находятся донные пластины 6, которые служат для крепления смесительного резервуара 2 на опорной поверхности.
Стойки 5 и донные пластины 6 образуют вертикальную клеть для смесительного резервуара 2, в который снизу через фланец 3 и соединительный элемент 8 для подключения трубопровода для природного газа входит поток природного газа и в который через соединительный элемент 9 для подключения трубопровода с фланцем 4 подается кислород, который смешивается в смесительном резервуаре с подаваемым природным газом.
Смесь газов образует горючий газ, который отводится через трубопровод 10 с фланцем 15 из смесительного резервуара 2.
На периферии смесительного резервуара 2 установлены с равномерным распределением по периметру датчики 7 температуры.
На фиг.2 показан на виде сбоку в продольном разрезе вертикальный резервуар 2, который образует участок 1 смешивания. Одинаковые конструктивные элемент обозначены теми же позициями, что и на фиг.1.
Как показано на фиг.2, внутри смесительного резервуара 2 образована смесительная камера 11, которая заполнена сыпучей массой из керамического зернистого материала. Сыпучая масса из керамического зернистого материала изображена небольшими кружочками.
В образующем смесительную зону центре смесительной камеры 11 расположена соединенная с соединительным элементом 9 для подвода кислорода распределительная труба 12. Свободная концевая сторона распределительной трубы 12 закрыта концевым колпаком 13. Участок стенки распределительной трубы 12, который проходит параллельно окружающим стенкам смесительного резервуара 2, снабжен выходными прорезями 14.
Распределительная труба также заполнена сыпучей массой из керамического зернистого материала, в данном случае сильно уплотненного диоксида алюминия сферической формы с гомогенным распределением величины зерна от 1,5 до 3 мм.
Для предотвращения выноса сыпучей массы служат вставки 30 и 31 во входных соединительных элементах 8, 9, а также вставки 32 в выходе 10. Одновременно с помощью вставок 30, 31 и 32 происходит усреднение потока по типу диафрагмы с множеством отверстий.
Кроме того, на фиг.2 показано, что датчики 7 температуры с защитной трубой 15 расположены в стенке 16 смесительного резервуара в зоне, которая соответствует расположению выходных прорезей 14 в распределительной трубе 12.
Смесительный резервуар 2 выполнен в зоне смешивания смесительной камеры 11 с двойными стенками, при этом между лежащей снаружи стенкой 16 смесительного резервуара и лежащей внутри стенкой 17 смесительной камеры расположен изолирующий материал 18.
Образованная внутри смесительной камеры зона смешивания имеет на стороне входа повышающее скорость потока в зоне смешивания концентричное сужение 19 поперечного сечения. Сужение 19 поперечного сечения может быть, например, сформированной из металлического листа воронкой, которая вставлена узким концом вверх в нижний конец смесительного резервуара непосредственно над выходом в соединительный элемент для подключения трубопровода для подачи природного газа.
На фиг.3 показано на виде сбоку все устройство со смесительным резервуаром и его соединительным элементом 8 для подключения трубопровода для подачи природного газа и соединительным элементом 9 для подключения трубопровода для ввода кислорода, а также с включенной перед этими соединительными элементами соответствующей арматурой установки обеспечения безопасности, установки для промывки азотом и с регулировочной арматурой для ввода кислорода.
Одинаковые конструктивные элементы снова обозначены теми же позициями, что и на фиг.1 и 2.
Перед нижним соединительным элементом 8 для подключения трубопровода подачи природного газа включен обратный клапан 20, а также запирающий клапан 21, перед которым при рассматривании в направлении трубопровода подачи природного газа расположен, в свою очередь, прибор 22 для измерения расхода.
Подача природного газа осуществляется в направлении стрелки 23.
В соединительном элементе 9 для подачи кислорода с входным фланцем 4 на стороне входа так же расположен обратный клапан 20', перед которым, если смотреть в направлении потока кислорода, расположен запирающий клапан 21', а также прибор 22' для измерения расхода кислорода.
Последние устройства являются составной частью установки обеспечения безопасности устройства, к которой относится также лишь схематично изображенная установка 24 для пожаротушения азотом с имеющимися на стороне выхода приборами 25 и 26.
Другой прибор для измерения расхода кислорода обозначен позицией 22”.
Регулировочная арматура для трубопровода подвода кислорода, которая регулирует количество входящего в направлении стрелки 27 кислорода, обозначена позицией 28.
Эта арматура также является составной частью установки обеспечения безопасности, которая с целью измерения и регулирования может работать по программе, с помощью которой значения измерения температуры, давления и количества кислорода и вводимого в смесительную камеру природного газа обрабатываются и регулируются с помощью соответствующей запирающей и регулировочной арматуры 21 и 28, соответственно, 21'.