Результат интеллектуальной деятельности: ОДОРИЗАТОР ГАЗА

Изобретение относится к автоматическому регулированию количества одоранта поступающего в газовый поток и может быть использовано в различных отраслях промышленности, например, в процессе одорирования природного газа, где требуется пропорциональная подача одоранта в газовую магистраль при значительных колебаниях расхода газа, в том числе и малых расходах.

Природный газ на основе метана и многие другие углеводороды в общем случае не имеют запаха. При использовании углеводородов к ним подмешиваются различные вещества, обладающие характерным, легко обнаруживаемым запахом, т.е осуществляется процесс одоризации газа. Одоризация проводится с целью оперативного обнаружения утечек газа и обеспечения безопасности эксплуатации газового оборудования. В качестве одорантов используют этилмеркаптан (C₂H₆S) и смесь природных меркаптанов, два разных сложных (С₁-С₆) алкильных эфира акриловой кислоты; комбинацию или, по меньшей мере, одно соединение из группы, содержащей карбоновые кислоты, альдегиды, фенолы, анизолы. Возможно применение и других пахучих веществ:

Одорирование природного газа, движущегося по магистральным трубопроводам, осуществляется как правило на газораспределительных станциях (ГРС) после его редуцирования от давления Р=6…12 МПа до давления Р=0,2…0,6 МПа.

При одоризации природного газа используются два основных способа подачи одоранта: введение в поток природного газа жидкого одоранта с его последующим испарением; введение в поток природного газа паров одоранта или газовой смеси, содержащей пары одоранта.

Устройства, реализующие подачу жидкого одоранта в газовый поток, представлены установками плунжерного типа (Данилов А.А., Петров А.И. Газораспределительные станции. С. Петербург. Изд-во «Недра», 1997; патент РФ №2153189, МПК G05D 7/00, опубликовано 2010.07.20).

Поскольку количество одоранта, вводимого в газовую среду, составляет 5-17 г. на 10000 нм³ газа, то введение в поток жидкого одоранта используется преимущественно при стабильном и гарантированно большом расходе газа, Q>100 нм³/час. При меньших расходах газа возникают чисто технические проблемы подачи, регулирования и измерения малых количеств жидкости, а при дискретной подаче одоранта возникает проблема равномерности (однородности) смешения одоранта с газом, удовлетворяющая требованиям технических условий.

Известен одоризатор природного газа (патент №2399947, МПК G05D 7/00, опубл. 20.09.2010), содержащий термостатированную расходную емкость с одорирующей жидкостью с патрубком наддува и патрубком подачи одоранта, канал наддува газом высокого давления, сообщенный через расходный редуктор и эжектор с магистралью низкого давления, а через расходный редуктор и редуктор наддува - с патрубком наддува и через вентиль-смеситель - с патрубком подачи одоранта, расположенным в газовой полости емкости и сообщенным с магистралью низкого давления посредством переключателей через эжектор или через регулятор расхода одоранта. Известное устройство не обеспечивает достаточной надежности и точности подачи одоранта в газовый поток при малых расходах газа, характерных для условий работы малых ГРС, Q<(1…50) нм³/час, поскольку проходные сечения в гидравлической арматуре при небольших расходах одоранта должны быть столь малыми, что изменения проходных сечений, происходящие по команде управляющих систем, соизмеримы с изменениями проходных сечений, обусловленных люфтами в механических устройствах, обеспечивающих перемещение регулирующих элементов.

Известен одоризатор природного газа (патент №2540134, МПК G05D 7/00, опубл. 10.02.2015), наиболее близкий к заявляемому изобретению, включающий термостатированую емкость с одорирующей жидкостью, патрубок наддува, датчик расхода природного газа, канал подачи одоранта, пузырьковый расходомер-дозатор, представляющий собой колбу с жидкостью и жиклер подачи газообразного одоранта. Недостатком данного одоризатора природного газа является то, что концентрация паров одоранта в газовой смеси, поступающей в дозатор, будет определяться параметрами среды в газовой подушке расходной емкости и, таким образом, количество одоранта, поступающего в газовый поток будет зависеть не только от объема и количества пузырьков, генерируемых пузырьковым дозатором, установленным в колбе, наполненной жидкостью, но и параметрами газовой смеси в емкости. Последнее усложняет регулирование процессом одоризации и обеспечение пропорциональной одоризации газа.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение является создание одоризатора, обеспечивающее с высокой точностью пропорциональную подачу одоранта в газовый поток в условиях нестационарных режимов потребления газа.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей и повышении точности дозирования одоранта при одорировании газовых потоков в условиях нестационарных режимов потребления газа.

Технический результат достигается тем, что одоризатор газа, содержащий расходную емкость для одоризирующей жидкости с патрубком для подачи жидкого одоранта, включает канал подачи жидкого одоранта, сообщенный со смесителем через последовательно установленные в нем насос-дозатор и обратный клапан, канал подачи газа из магистрали высокого давления через последовательно установленные в нем редуктор, отсечной клапан и жиклер, также сообщенный с вышеупомянутым смесителем, выход которого соединен с испарителем, а выход испарителя сообщен каналом подачи одоризирующей смеси через последовательно установленные в нем регулятор расхода и расходомер-счетчик количества одоризирующей смеси с магистралью низкого давления.

Канал подачи жидкого одоранта оснащен калибратором.

Канал подачи одорирующей смеси оснащен датчиком давления.

Испаритель выполнен в виде емкости с перегородкой, разделяющей ее на внутреннюю полость и внешнюю полость, в которой установлена проницаемая вставка.

Испаритель снабжен нагревателем.

На выходе канала подачи одоризирующей смеси установлены форсунки для подачи одоризирующей смеси в магистраль низкого давления.

На фиг. 1 представлена схема одоризатора газа.

Одоризатор газа включает: магистраль газа высокого давления 1, газораспределительную станцию (ГРС) 2, датчик расхода газа 3, магистраль газа низкого давления 4, емкость для одорирующей жидкости 5, канал заправки 6, уровнемер 7, канал дренажный 8, нагреватель 9, реле 10, фильтр одоранта 11, канал подачи жидкого одоранта 12, насос-дозатор 13, калибратор 14, испаритель 15, перегородку 16 в испарителе 15, полость внешнюю 17, полость внутреннюю 18, нагреватель испарителя 19, реле испарителя 20, канал подачи одорирующей смеси 21, регулятор расхода 22, датчик давления P_O 23 в канале подачи одорирующей смеси 21, расходомер-счетчик количества 24, форсунки 25, фильтр газа 26, канал подачи газа из магистрали высокого давления (канал наддува) 27, редуктор 28, датчик давления P_R 29 в канале подачи газа из магистрали высокого давления 27, отсечной клапан 30, жиклер 31, смеситель 32, датчик давления P_B 33 в магистрали газа высокого давления 1, датчик давления Р_Н 34 в магистрали газа низкого давления 4, блок управления 35, электрические цепи 36, Т₁ и Т₂ - датчики температуры, ОК₁ и ОК₂ - обратные клапаны, В₁…В₉ - вентили.

Одоризатор газа оснащен средствами диагностики и управления: датчиком расхода газа 3; расходомером-счетчиком количества 24, калибратором 14, отсечным клапаном 30, датчиками давления (Р_В 33, Р_Н 34, P_R 29) и датчиками температуры (Т₁, Т₂). Управление работой одоризатора газа и передача информации на вышестоящий уровень обеспечивается блоком управления 35.

В одоризаторе газа осуществляется подготовка одорирующей смеси (смеси паров одоранта с газом) в смесителе 32 и испарителе 15 и подача смеси в магистраль низкого давления 4 через форсунки 25 пропорционально расходу газа. Одоризация осуществляется в широком диапазоне расходов газа, в том числе и при малых расходах газа (1…5 н.м³/час), характерных для работы мини ГРС.

Пропорциональность одоризации обеспечивается путем использования регулятора расхода 22, пропускную способность которого задает блок управления 35, управляющие сигналы в него поступают от датчика расхода газа 2 и расходомера-счетчика количества одорирующей смеси 24.

Точность и пропорциональность одорирования газа обеспечивается управляемой работой насоса-дозатора 13, подающего определенные величины доз жидкого одоранта в смеситель 32, и подготовкой смеси в испарителе 15 с требуемой (задаваемой) концентрацией одоранта в смеси. Требуемая концентрация одоранта в смеси обеспечивается регулированием количества доз, подаваемых насосом-дозатором 13 по команде блока управления 35 в смеситель 32 и испаритель 15.

Надежность и точность пропорциональности одорирования газа обеспечивается регулированем и контролем объема, подаваемых насосом-дозатором 13 в смеситель 32, диспергирования и испарение жидкого одоранта в испарителе 15, а так же разбавления паров одоранта газом в испарителе 15 и регулируемой подачи смеси в магистраль низкого давления. В настоящее время отсутствуют стандартные методы и сертифицированные средства измерения малых расходов (см. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ. Кн. 2. - 5-е изд. перераб. и доп. - СПб.: Политехника, 2004. - 412 с.), за исключением ротаметров, а последние трудно совместить со средствами автоматики и регистрации сигналов. Разбавление паров одоранта газом позволяет увеличивается объемный расход смеси а, смледовательно, осуществлять и более точное измерение и регулирование расходом одорирующей смеси при прочих равных условиях. Точность одоризации обеспечивается также термостатированием смеси в испарителе 15 и поддержанием в его полостях 17 и 18 определенного давления с помощью редуктора 28 и датчика давления (P_O) 23, т.е создания в испарителе смеси с определенным содержанием одоранта в единице объема, вследствие чего обеспечивается надежность и точность пропорциональности одоризации газа при подаче смеси в магистраль низкого давления 4.

Расширение функциональных возможностей обеспечивается регулированием концентрации одоранта в полостях 17 и 18 испарителя 15, что позволяет осуществлять одорирование газовых потоков, как при больших, так и малых расходах без изменения характеристик и конструкции одоризатора газа. Надежность одорирования обеспечивается также наличием в канале 27 и в канале 12 обратных клапанов OK₁ и ОК₂, которые предотвращают обратное поступление одоранта в эти каналы.

Одоризатор газа содержит емкость 5 с одорантом, канал подачи жидкого одоранта 12, смеситель 32, испаритель 15, канал подачи газа из магистрали высокого давления (канал наддува) 27, канал подачи одорирующей смеси 21 в магистраль низкого давления 4.

Емкость 5 с патрубком подачи жидкого одоранта снабжена каналом заправки 6 с запорным вентилем В₁, дренажным каналом 8 с запорным вентилем В₂ и уровнемером 7. Емкость 5 снабжена нагревателем 9 с реле 10, назначение которых обеспечение заданной температуры жидкого одоранта в емкости 5, независимо от температуры окружающей среды. Работой реле 10 управляет датчик температуры Т₁ совместно с блоком 35.

Канал подачи жидкого одоранта 12 соединяет емкость 5 со смесителем 32 и испарителем 15. В канале 12 последовательно установлены: запорный вентиль В₃, фильтр одоранта 11, насос-дозатор 13, запорный вентиль В₇ и обратный клапан ОК₁. В качестве насоса-дозатора 13 может быть применен плунжерный или иной насос, обеспечивающий дискретную подачу жидкости, например, сильфонный насос-дозатор согласно патенту РФ №2636949.

Испаритель 15 представляет собой емкость, в которой установлена перегородка 16, разделяющая ее на две сообщающиеся полости: полость внешнюю 17 и полость внутреннюю 18. Внешняя полость 17 заполнена проницаемой вставкой, например, набором металлических сеток или пористым материалом. Испаритель 15 снабжен нагревателем 19, поддерживающим в нем постоянную температуру Т₂, обеспечивающую испарение жидкого одоранта. Для смеси природных меркаптанов температура Т₂ может задаваться в интервале температур 40…120°С. Работой нагревателя 19 управляет реле 20 и датчик температуры Т₂ совместно с блоком управления 35. Внешняя полость 17 испарителя 15 соединена со смесителем 32. Проницаемая вставка представляет собой любой материал аккумулирующий тепло и проницаемый для газожидкостной смеси, например, набор металлических сеток, пористый материал и прочее. Смеситель 32 обеспечивает диспергирование жидкости при поступлении в него газа из жиклера 31.

Канал подачи газа из магистрали высокого давления (канал наддува) 27 соединяет магистраль газа высокого давления 1 со смесителем 32. В канале подачи газа из магистрали высокого давления (канал наддува) 27 последовательно установлены: запорный вентиль В₉, фильтр газа 26, редуктор 28, датчик давления P_R 29, отсечной клапан 30, обратный клапан ОК₂ и жиклер 31.

Канал подачи одорирующей смеси 21 соединяет внутреннюю полость 18 испарителя 15 с форсунками 25. В канале подачи одорирующей смеси последовательно установлены: датчик давления (P_O) 23, регулятор расхода 22, расходомер счетчик количества 24, запорный вентиль В₈.

Исходное состояние одоризатора газа: емкость 5 заправлена жидким одорантом до рабочего уровня. Редуктор 28 настроен на определенное давление P_R, превышающее давление газа Р_Н в магистрали газа низкого давления 4. Вентили B₁, В₂, В₄, В₅ и В₆ находятся в положении «закрыто», остальные вентили В₃, В₇, B₈, В₉ - в положении «открыто».

Одоризатор газа работает следующим образом. По магистрали 1 газ с высоким давлением P_B поступает на ГРС 2, где происходит его редуцирование до давления P_H<P_B. Датчик расхода газа 3 измеряет текущий расход и передает измерительную информацию блоку управления 35. По команде блока управления 35 из емкости 5 по каналу 12 с помощью насоса-дозатора 13 забирается определенная доза одоранта и подается в смеситель 32. После этого открывается отсечной клапан 30 и газ поступает из магистрали высокого давления 1 по каналу 27 через жиклер 31 в смеситель 32. При прохождении газа через смеситель 32, заполненный определенной дозой жидкого одоранта, образуется дисперсная газожидкостная смесь, которая далее поступает во внешнюю полость 17 испарителя 15. Давление газа, поступающего в жиклер 31 задается редуктором 28 и контролируется датчиком давления 29. Назначение жиклера 31 - ограничение скорости прохождения газа через смеситель 32 и ограничение темпа увеличения давления в испарителе 15. Газожидкостная смесь проходит через проницаемую вставку, размещенную во внешней полости 17 испарителя 15. Проницаемая вставка нагрета до определенной температуры и обладает теплосодержанием Н, достаточным для испарения поступившей дозы одоранта, H>m⋅r, где Н - теплосодержание пористой вставки, m - масса дозы одоранта, r - скрытая теплота парообразования одоранта. Газожидкостная среда, попадая в нагретую проницаемую вставку, вследствие испарения жидкой фазы, образует газовую смесь, состоящую из паров одоранта и газа. Наряду с испарением жидкой фазы, проницаемая вставка способствует перемешиванию компонентов смеси, состоящей из газа и паров одоранта. Из внешней полости 17 смесь поступает во внутреннюю полость 18 испарителя 15, и далее в канал подачи одорирующей смеси 21. По каналу 21 смесь паров одоранта и газа поступает через регулятор расхода 22, расходомер-счетчик количества 24, форсунки 25 в магистраль газа низкого давления 4.

Пропорциональность одорирования газа задается величиной и числом доз, подаваемых насосом-дозатором 13 в смеситель 32 и далее в испаритель 15. Измерение величины дозы, подаваемой насосом-дозатором 13, ее регулирование и текущий контроль осуществляется с помощью калибратора 14, установленного в канале подачи жидкого одоранта 12. Для измерения и регулирования величины дозы вентиль В₇ закрывается, а вентиль В₄ открывается. После чего задается один или более циклов срабатывания насоса-дозатора 13 и измеряется с помощью мерного устройства калибратора 14 объем подаваемой дозы. При необходимости проводится корректировка механизма насоса-дозатора 13, задающего объем дозы. Пропорциональность одорирования обеспечивается блоком управления 35, который согласует частоту циклов срабатывания насоса-дозатора 13 с величиной текущего расхода газа, измеряемого датчиком расхода 3. Пропорциональность одорирования может корректироваться регулятором расхода 22 по сигналу расходомера-счетчика количества 24 с помощью блока управления блока управления 35.

Для обеспечения надежности управления расходом одорирующей смеси в канале подачи одорирующей смеси 21 установлен датчик давления P_O 23, обладающий функцией регистрации установленного диапазона давлений (P_max и P_min). Датчик давления 23 обеспечивает поддержание давления в испарителе 15 в определенном диапазоне давлений P_max…P_min. Подача газа из магистрали высокого давления по каналу 27 в смеситель 32 и испаритель 15 прекращается по команде датчика давления 23 при достижении давления Р=P_max и подача газа возобновляется при уменьшении давления до величины Р=P_min. Значение давления P_max задается равным давлению P_R и соответствует давлению, на которое настраивается редуктор 28. Концентрация одоранта в смеси (природный газ + пары одоранта) зависит от термодинамических параметров газовой среды (Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкин, A.M. Братковский и др. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232). Стабилизация температуры в испарителе 15 и поддержание давления в определенном диапазоне позволяет обеспечивать определенную концентрацию паров одоранта в газовой смеси. Таким образом, обеспечивается надежность и пропорциональность одорирования газа в магистрали низкого давления 4.

Предлагаемое устройство имеет минимальное количество подвижных элементов, что позволяет упростить конструкцию одоризатора, повысить надежность его работы и расширить диапазон расхода газа, при которых возможна контролируемая и пропорциональная одоризация газа в магистраль 4 без изменения конструкции и размеров одоризатора газа и обеспечивает точность дозирования одоранта, поступающего в газовый поток в широком диапазоне расходов газа, а также в режимах переменного газопотребления.