БЛОК ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПРОЦЕССОВ ГАЗОПЕРЕРАБОТКИ ДЛЯ СЕЙСМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ РАЙОНОВ

Изобретение относится к оптимизации компоновки аппаратуры технологических установок процессов газопереработки и может быть использовано в газовой промышленности при проектировании и строительстве технологических установок в районах с повышенной сейсмической опасностью.
Традиционно при компоновке аппаратуры установок процессов газопереработки теплообменные аппараты, в частности, холодильники и конденсаторы-холодильники, обеспечивающие функционирование ректификационных, абсорбционных и адсорбционных установок, размещаются рядом с соответствующими массообменными аппаратами, часто на большой высоте на «этажерках», обеспечивающих обслуживание массообменных аппаратов (И.А. Александров Ректификационные и абсорбционные аппараты. Методы расчета и основы конструирования, М. - Л., «Химия», 1965, 308 с, А.Г. Касаткин Основные процессы и аппараты химической технологии, М.: Химия, 1973, 650 с). Существенным недостатком подобной компоновки является то, что теплообменные аппараты, размещаемые на большой высоте на «этажерках», имеют большую массу, что повышает механическую нагрузку на конструкцию «этажерки» и увеличивает ее металлоемкость и, соответственно, существенные капитальные затраты на сооружение «этажерки» высотой 30-50 и более метров. Основным недостатком подобной компоновки является существенное увеличение площади территории установки за счет наличия большого числа самостоятельно размещенных на уровне земли аппаратов, машин, трубопроводов, функциональных и служебных помещений. Помимо увеличения расходов на землеотведение под технологические установки, этот фактор повышает риски разрушения сооружений установки при возникновении землетрясений.
Согласно новейшим исследованиям по сейсмическому районированию, более четверти территории России с населением свыше 20 миллионов человек, подвержено потенциальным сейсмическим воздействиям, требующим проведения антисейсмических мероприятий в более чем 300 городах и населенных пунктах страны. Самыми опасными в сейсмическом отношении являются Северный Кавказ, весь юг Сибири и Дальний Восток, где интенсивность сейсмических сотрясений может достигать 8-9 и 9-10 баллов. Определенную угрозу представляют и 6-7-балльные зоны в густозаселенной европейской части Российской Федерации. За последние годы на территории Российской Федерации произошло несколько десятков ощутимых и сильных землетрясений с магнитудой М=5 и выше. Среди них такие крупнейшие сейсмические события, как разрушительные землетрясения на Сахалине (2000 г., М=7,1, сейсмичность 8-9 баллов; 2007 г., магнитуда М=6,8, сейсмичность 9 баллов), в Горном Алтае (2003 г., М=7,5, сейсмичность 9-10 баллов), в Корякин (2006 г., М=7,7, сейсмичность 9-10 баллов), на Курилах (2006 г, М=8,3, сейсмичность 10-11 баллов; 2007 г., М=8,2, сейсмичность свыше 11 баллов.; 2009 г., М=7,6 и 7,0, сейсмичность свыше 9 баллов) (В.И. Смирнов Программа по повышению устойчивости жилых домов, жилых домов и систем жизнеобеспечения в сейсмических районах России до 2018 года. Сейсмостойкое строительство, безопасность сооружений, 2012, №4).
При создании изобретения ставилась задача разработки оптимальной компоновки технологической аппаратуры технологических установок процессов газопереработки, эксплуатируемых в сейсмоопасных районах, таких как регионы уникальных по перспективности Белогорского и Ковыктинского газовых месторождений с сейсмичностью до 8 баллов, позволяющей уменьшить размеры площади территории, занимаемой технологической установкой с одновременным повышением сейсмостойкости оборудования установки.
Подобные комплексные решения в патентной литературе не выявлены.
2
Поставленная задача решается за счет создания блока теплообменных аппаратов технологических установок процессов газопереработки для сейсмически опасных районов, объединяющего все холодильники, конденсаторы-холодильники, ребойлеры технологических потоков установки, размещенные на втором уровне пространственной каркасной конструкции, состоящей из вертикальных частично заглубленных в грунт свай с демпферными устройствами, вертикальных колонн и горизонтальных балок, при этом штуцера входа технологических потоков в соответствующие теплообменные аппараты связаны линзовыми компенсаторами с трансферными трубопроводами соответствующих технологических аппаратов технологических установок, штуцера выхода технологических потоков связаны линзовыми компенсаторами с трубопроводами с соответствующими емкостями и насосами, размещенными на первом уровне данной каркасной конструкции, а штуцера входа и выхода хладагента, имеющие линзовые компенсаторы, совместно с соответствующими трубопроводами формируют единую систему подачи и слива хладагента. Использование пространственной каркасной конструкции, опирающейся на почву вертикальными частично заглубленными сваями вместо обычно применяемых массивных фундаментов для теплообменных аппаратов, имеющих площадь 10-15 м повышает сейсмостойкость установки, поскольку разрушение конструкций при землетрясениях происходит в первую очередь за счет того, что различные фрагменты зоны землетрясения имеют несколько отличающиеся амплитуды колебаний из-за отличия в механических свойствах грунта в этих зонах.
Использование гибких линзовых компенсаторов позволяет смещаться теплообменному аппарату относительно трубопроводной системы по трем декартовым координатам без нарушения герметичности системы при сейсмическом воздействии на блок теплообменных аппаратов, что предотвращает возникновение пожаро- и взрывоопасной ситуации.
Объединение всех холодильников и конденсаторов-холодильников технологических потоков установки с размещением их на втором уровне пространственной каркасной конструкции позволяет:
- существенно уменьшить длину трубопроводов, подводящих хладагент к холодильникам, конденсаторам-холодильникам и снизить их металлоемкость и гидравлическое сопротивление в системе подачи хладагента;
- облегчить доступ техники к ремонтируемой теплообменной аппаратуре в силу ее компактного размещения;
- обеспечить естественный слив конденсата из конденсаторов-холодильников в емкости и жидкости из холодильников на прием насосов, расположенных на первом уровне пространственной каркасной конструкции.
2
2
2
Целесообразно, чтобы пространственная каркасная конструкция выполнялась из материалов, сохраняющих необходимые прочностные свойства при эксплуатации в районах с соответствующими картами актуотектоники с экстремальными климатическими условиями: перепадами температур в зимнее и летние периоды года до 100°C, сейсмичностью до 8 баллов и скоростным напором ветровой нагрузки не менее 70 кг/см и не более 100 кг/см, при этом карты актуотектоники позволяют охарактеризовать интенсивность вертикальных движений земной коры и кинематики плит с повышенной сейсмичностью, а диапазон скоростного напора ветровой нагрузки 70-100 кг/см соответствует V-VII районам Российской Федерации (Инструкция по проектированию вспомогательных сооружений и устройств для строительства мостов, ВСН 136-78: Минтрансстрой: Москва, 2001 г. ).
Формирование пространственной каркасной конструкции из вертикальных колонн и горизонтальных балок с дополнительными демпферными устройствами приводит к наличию у конструкции, по крайней мере, двух степеней свободы в местах сочленения колонн и балок, что позволяет обеспечить возможность взаимного перемещения элементов каркасной конструкции в вертикальной и горизонтальной плоскостях и, соответственно, различную по величине деформацию конструкции в различных точках конструкции без создания значительных механических напряжений, обычно возникающих в пространственных жестких конструкциях даже при небольшой сейсмичности землетрясений.
Целесообразно также, чтобы вертикальные частично заглубленные в грунт сваи представляли собой систему «свая в трубе», что позволяет в определенных случаях снижать сейсмическую нагрузку до 4-8 раз, вследствие уменьшения сейсмических ускорений на глубине с достижением сейсмоизолирующего эффекта за счет регулирования гибкости свай, что эквивалентно снижению сейсмичности землетрясения в регионе в 2-3 раза (Я.М. Айзенберг Сейсмоизолирующие адаптивные фундаментные системы. Основания и фундаменты, 1992, №6; Я.М. Айзенберг, С. Гаипов Сейсмоизоляция сооружений с применением системы «свая в трубе», доклад на IX Российской Национальной Конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию «Сочи-2011», 2011 г. ).
В качестве примера на фигурах 1 и 2 представлены планировочные чертежи, соответственно, первого и второго уровня установки регенерации амина, на фигурах 3 и 4 представлены планировочные чертежи, соответственно, первого и второго уровня установки адсорбционной осушки природного газа, на фигурах 5 и 6 представлены планировочные чертежи, соответственно, первого и второго уровня установки фракционирования природного газа для Амурского газоперерабатывающего завода.
Заявленная полезная модель согласно представленным на фигурах 1-6 планировочным чертежам трех установок включает следующие позиции:
100 - граница установки регенерации амина;
110, 310 - блок колонн;
120, 320 - блок насосов;
130/1, 130/2, 230/1, 230/2 - блок фильтров;
140/1, 140/2, 140/3, 240, 330/1, 330/2 - блок емкостей;
150, 210/4 - блок теплообменников;
160, 260 - блок аппаратов воздушного охлаждения;
170, 270, 350 - трубопроводная эстакада ввода/вывода;
200 - граница установки адсорбционной осушки природного газа;
210 - блок сепараторов и теплообменников;
210/1, 210/2, 210/3 - блок сепараторов;
220 - печь;
250 - компрессорная;
280, 360 - проезд;
290/1, 290/2, 290/3 - блок адсорберов;
300 - граница установки фракционирования природного газа; 340 - блок аппаратов воздушного охлаждения и теплообменников.
Согласно фигуре 1 первый уровень пространственной каркасной конструкции установки, входящей в границы регенерации амина 100 состоит из следующих блоков:
- блок колонн 110, включающий как минимум один абсорбер и один десорбер;
- блок насосов 120;
- блок фильтров 130/1, 130/2;
- блок емкостей 140/1, 140/2, 140/3, включающий емкость расширения, предназначенную для отделения газа дегазации, емкость хранения, емкость для разделения воды и углеводородной фазы;
- блок теплообменников 150, предназначенных для нагрева сырого природного газа, регенерированного амина и охлаждения насыщенного амина, охлаждения газа, выходящего из абсорбера;
Согласно фигуре 2 на втором уровне пространственной каркасной конструкции установки регенерации амина размещен блок аппаратов воздушного охлаждения 160, предназначенный для охлаждения и нагрева потоков, отводимых с верха колонн, которые размещены на первом уровне пространственной каркасной конструкции регенерации амина.
На установке регенерации амина предусмотрена трубопроводная эстакада 170, по которой осуществляется ввод сырья и вывод продуктов.
Согласно фигуре 3 первый уровень пространственной каркасной конструкции, входящей в границы установки адсорбционной осушки природного газа 200 состоит из следующих блоков:
- блок фильтров 230/1, 230/2;
- блок емкостей 240, включающий емкость абсорбционной промывки газа регенерации от сернистых соединений;
- блок теплообменников 210/4, предназначенный для нагрева и охлаждения газа регенерации, отводящего с верха адсорбера;
- блок сепараторов и теплообменников 210;
- блок сепараторов 210/1, 210/2, 210/3;
- компрессорную 250 для компримирования газа;
- блок адсорберов 290/1, 290/2, 290/3, включающий, соответственно, 4 адсорбера, в которых осуществляется осушка влажного газа, очищенного от диоксида углерода; 2 адсорбера, предназначенных для улавливания примесей, содержащихся в газе регенерации после компримирования, а также 2 адсорбера для очистки осушенного газа от соединений ртути.
Согласно фигуре 4 на втором уровне пространственной каркасной конструкции установки адсорбционной осушки природного газа размещен блок аппаратов воздушного охлаждения 260, предназначенный для охлаждения газа регенерации, выходящего из теплообменника.
За пределами границы установки адсорбционной осушки природного газа 200 расположена печь 220, предназначенная для нагрева газа регенерации, также располагается проезд 280.
На установке адсорбционной осушки природного газа предусмотрена трубопроводная эстакада 270, по которой осуществляется ввод сырья и вывод продуктов.
Согласно фигуре 5 первый уровень пространственной каркасной конструкции, входящей в границы установки фракционирования природного газа 300 состоит из следующих блоков:
- блок колонн 310, включающий депропанизатор и дебутанизатор, предназначенных, соответственно, для выделения пропановой фракции и бутановой фракции:
- блок насосов 320;
- блок емкостей 330/1, 330/2.
Согласно фигуре 6 на втором уровне пространственной каркасной конструкции установки фракционирования природного газа размещен блок аппаратов воздушного охлаждения и теплообменников 340, предназначенный для нагрева сырья депропанизатора и дебутанизатора.
На установке фракционирования природного газа предусмотрена трубопроводная эстакада 350, по которой осуществляется ввод сырья и вывод продуктов.
Поскольку второй уровень всех трех установок, на котором установлен блок теплообменных аппаратов, размещается на высоте 7-8 м, то сейсмоустойчивость блока теплообменных аппаратов по заявляемой полезной модели на 1-2 балла выше, чем при их индивидуальном размещении вблизи конкретных технологических аппаратов на высоте до 30 м.
Таким образом, положительный эффект объединения теплообменных аппаратов технологических установок процессов газопереработки в блок теплообменных аппаратов, расположенный на втором уровне пространственной каркасной конструкции, приводит к повышению сейсмостойкости блока теплообменных аппаратов. Из характеристики полезной модели также следует, что полезная модель не ограничивается описанными выше, а также приведенного в качестве примера вариантов реализации и может использоваться в пределах сущности и объема прилагаемой формулы полезной модели для технологических установок нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической отраслей промышленности.