Результат интеллектуальной деятельности: ОДОРИЗАТОР ПРИРОДНОГО ГАЗА

Изобретение относится к автоматическому регулированию расхода жидкости и может быть использовано в различных отраслях промышленности, например, в процессе одорирования малых расходов газа, где требуется пропорциональная подача одоранта в газовую магистраль.

Природный газ на основе метана в общем случае не имеет запаха. Перед поступлением к потребителю газ проходит определенные этапы подготовки, основные из которых - очистка, дросселирование, одоризация. В процессе одоризации к газу добавляются компоненты, обладающие резким запахом, который легко определяется органолептическим методом. Одоризация проводится с целью предотвращения утечек газа и обеспечения безопасности эксплуатации газового оборудования. В качестве одорантов используют этилмеркаптан (C₂H₆S) и смесь природных меркаптанов. Возможно применение и других веществ:

- два разных сложных (C1-C6) алкильных эфира акриловой кислоты; комбинацию или, по меньшей мере, одно соединение из группы, содержащей (C1-C8) меркаптаны, (C4-C12) тиофены, (C2-C8) сульфиды или (C2-C8) дисульфиды;

- комбинацию или, по меньшей мере, одно соединение из группы, содержащей (C1-C6) карбоновые кислоты, (C1-C8) альдегиды, (C6-C14) фенолы, (C7-C14) анизолы или (C4-C14) пиразины.

Природный газ, движущийся по магистральным трубопроводам, имеет давление p=6…12 МПа и температуру t≈10°C. Одорирование природного газа производится как правило на ГРС после его редуцирования до давлений p=0,2…0,6 МПа. Существуют два основных способа подачи одоранта:

- введение (впрыск) в поток газа жидкого одоранта с последующим его испарением;

- введение в поток газа паров одоранта или газовой смеси, содержащей пары одоранта.

Известно устройство для регулирования расхода одоранта (патент №2173874, МПК G05D 7/00, опубл. 2001.09.20), содержащее расходную емкость с жидким одорантом и регулируемый нагреватель для превращения одоранта в парообразное состояние, при этом нагреватель выполнен в виде затопленного в нижней части расходной емкости рекуперативного теплообменника, вход которого подключен к горячему концу вихревого энергоразделителя, а выход - к горлу трубы Вентури, установленной в байпасной линии; на ответвлении трубопроводов подачи горячего газа в теплообменник и в байпасную линию установлен регулятор, выполненный в виде распределителя потока с сервоприводом, управляемым по сигналу от блока контроля и управления. Нижняя часть емкости подключена к выходу питающего насоса-дозатора, срабатывающего по сигналу от датчика, контролирующего уровень одоранта над поверхностью теплообменника, а верхняя часть емкости, над брызгоотделителем, - к трубе отвода паров одоранта, выход которой присоединен к утилизирующему эжектору смешения холодного и использованного горячего потоков, выходящих из вихревого энергоразделителя.

Устройства, реализующие подачу жидкого одоранта в газовый поток (Данилов А.А., Петров А.И. Газораспределительные станции. С.Петербург. Изд-во «Недра», 1997), представлены установками плунжерного типа, осуществляющими дискретную подачу одоранта пропорционально расходу газа. Поскольку количество одоранта, вводимого в газовую среду составляет 5-16 г. на 10³ нормальных м³ газа, то введение в поток газа жидкого одоранта используется преимущественно при стабильном и гарантированно большом расходе газа, Q≥100 нм³/час. При меньших расходах возникают чисто технические проблемы с дозированием малых количеств жидкости и обеспечением равномерной (удовлетворяющей ТУ).

Известно устройство, содержащее чувствительный элемент, преобразователь давления со штоком, регулятор, мерную емкость с одорантом и газопровод (а.с. СССР №219067, М.кл. 2 G05D 16/06, опубл. 1965). Ввод в поток газа жидкого одоранта осуществляется принудительно под давлением с помощью регулируемого насоса-дозатора. Необходимую частоту впрысков жидкости в газопровод обеспечивает пневматическое реле времени, работу которого определяет пружинно-сильфонный преобразователь перепада давления газа.

Известно устройство регулирования расхода одоранта (патент №2153189, МПК G05D 7/00, опубликовано 2000.07.20), наиболее близкое к заявляемому и принятое за прототип, содержащее расходную емкость с одорантом, чувствительный элемент, насос-дозатор. Насос-дозатор выполнен по схеме поршневого пневмогидроусилителя и обеспечивает дискретную дозированную подачу одоранта по сигналу обратной связи с измерителем расхода одорируемого газа, линией нагнетания подключен через кавитационную трубку Вентури, перед которой установлен датчик давления, к последовательно установленным расходным емкостям, соединенным с газопроводом через основную и резервную капельницы соответственно, при этом внутренний объем насоса-дозатора над поршнем подачи одоранта, ограниченный уплотнением по штоку поршня, сообщен с линией всасывания через обратный клапан. Однако известное устройство не обеспечивает достаточной точности регулирования и подачи одоранта в газопровод при малых расходах одоранта и надежной защиты от утечки одоранта в атмосферу, кроме того, устройство имеет большое количество подвижных частей, что снижает их надежность и может приводить к утечкам одоранта и загазованности технических помещений.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в упрощении конструкции устройства путем уменьшения подвижных элементов, повышении эксплуатационной надежности работы при одорировании малых расходов газа, предотвращении утечек одоранта в атмосферу и в обеспечении простоты обслуживания.

Технический результат достигается тем, что в одоризаторе природного газа, включающем расходную емкость одорирующей жидкости с патрубком наддува и патрубком подачи одоранта, канал наддува газом высокого давления, новым является то, что канал наддува газом высокого давления сообщен через расходный редуктор и через эжектор с магистралью низкого давления, а через вышеупомянутый расходный редуктор, редуктор наддува с патрубком наддува и через вентиль-смеситель с патрубком подачи одоранта, расположеным в газовой полости расходной емкости и сообщен с магистралью низкого давления посредством переключателей через вышеупомянутый эжектор или через регулятор расхода одоранта, расходная емкость выполнена термостатированной.

Канал наддува газом высокого давления сообщен с магистралью природного газа высокого давления.

Регулятор расхода паров одоранта сообщен с датчиком расходомера в магистрали низкого давления и с клапаном в канале подачи паров одоранта через управляющий процессор.

Регулятор расхода одоранта содержит центральное тело, установленное в корпусе, с возможностью осевого перемещения посредством штока, связанного с механизмом привода, управляемого пневматическим сигналом от датчика перепада давления расходомера - сужающего устройства в магистрали низкого давления, при этом площадь проходного сечения канала, образованного центральным телом и корпусом, изменяется пропорционально расходу газа в магистрали низкого давления.

Механизм перемещения центрального тела выполнен в виде камеры с сильфоном, связанным со штоком центрального тела, при этом полость камеры сообщена с полостью повышенного давления, а полость сильфона с полостью пониженного давления расходомера - сужающего устройства.

Механизм перемещения центрального тела может быть выполнен в виде камеры с подпружиненным поршнем, связанным со штоком центрального тела и разделяющим камеру на полости высокого и низкого давления, сообщенные соответственно с полостями повышенного и пониженного давления датчика расходомера - сужающего устройства.

На фиг.1 представлена схема одоризатора, предназначенного для одорирования малых расходов газа.

На фиг.2 - регулятор расхода одоранта с механизмом перемещения центрального тела в виде камеры с сильфоном.

На фиг.3 - регулятор расхода одоранта с механизмом перемещения центрального тела в виде камеры с подпружиненным поршнем.

Одоризатор включает: канал наддува газом высокого давления 1, сообщенный с магистралью природного газа высокого давления; блок редуцирования 2, расходомер - сужающее устройство (счетчик количества) 3, датчик перепада давлений 4, выходную магистраль низкого давления 5, эжектор 6, регулятор расхода одоранта 7, ротаметр (указатель расхода смеси газ+одорант) 8, управляющий процессор 9, крышку 10, термостатированная расходная емкость 11, патрубок 12 отбора газовой фракции из емкости 11, датчик уровня 13, датчик температуры 14, теплоизолирующую оболочку 15, блок питания 16, нагреватель 17, патрубок наддува 18, заправочно-сливной патрубок 19, дренажный патрубок 20, дренажную магистраль 21, заправочную магистраль 22, регулирующий вентиль-смеситель 23, электроклапан 24, редуктор наддува 25, датчик давления 26, расходный редуктор 27, регулирующую и запорную арматуру - вентили В₁-В₄, линии электрической коммутации 28, крышку 29 камеры регулятора 30 (фиг.2 и 3), сильфон 31 регулятора давления 7, поршень 32 регулятора 7, уплотнение 33, центральное тело 34, канал подачи одоранта 35 в магистраль низкого давления 5, шток 36 и пружину 37 регулятора давления 7.

В предлагаемом устройстве обеспечивается импульсная либо непрерывная подача газовой фракции одоранта пропорционально расходу природного газа потребителем.

Исходное состояние системы: емкость 11 заправлена одорантом до рабочего уровня (уровень располагается ниже патрубка 12); жидкость в термостатированной расходной емкости 11 находится при определенной температуре и поддерживается постоянной с помощь датчиков температуры 14 и управляемого режима работы нагревателя 16. При поступлении газа потребителю система редуцирования поддерживает постоянное давление газа в магистрале низкого давления 5 (p~0,105 МПа), при этом термостатированная расходная емкость 11 с одорантом находиться под определенным избыточным давлением, которое складывается из давления насыщенных паров одоранта и давления газа, определяемого настройкой расходного редуктора 27. При неизменных температуре среды в емкости 11 и давлении количество паров одоранта в единице объема газовой смеси над жидкостью будет строго определенным и может быть найдено при известных плотностях компонентов (термическом уравнении состояния) из термодинамических соотношений. Количество одоранта в смеси зависит только от давления насыщенных паров. Если при расчете воспользоваться моделью идеального газа, то при малых и умеренных давлениях модель идеального газа достаточно хорошо согласуется с природным газом.

Устройство может работать в двух режимах:

- 1-й режим - подача газообразного одоранта в магистраль 5 с помощью эжектора 6;

- 2-й режим - подача газообразного одоранта в магистраль 5 через регулятор расхода одоранта 7.

При работе устройства по первому режиму вентиль В₄ закрыт. Газ из магистрали высокого давления по каналу 1 через расходный редуктор 27 поступает в эжектор 6, а через редуктор 27 и редуктор наддува 25 - в патрубок наддува 25 и вентиль- смеситель 23. Смесь паров одоранта с газом из емкости 11 смешивается с природным газом в регулирующем вентиле-смесителе 23 и далее через открытый вентиль В₅ поступает в эжектор 6 в качестве пассивного рабочего тела. Активным рабочим телом эжектора 6 является газ, поступающий из магистрали высокого давления. Давление газа, поступающего на вход в эжектор 6, определяется расходным редуктором 27, а его настройка - датчиком давления 26. Количество поступающего одоранта регулируется с помощь вентиля-смесителя 23 путем изменения количества газа, поступающего из магистрали и из емкости 11 с одорантом. Возможно дозирование количеством одоранта, поступающего в эжектор 6, с помощью электроклапана 24. Расход одоранта, поступающего по каналу подачи одоранта 35 в магистраль низкого давления 5, контролируется ротаметром 8.

При работе устройства по второму варианту вентиль В₅ закрывается, а вентиль В₄ открывается. Из паровой подушки емкости 11 через патрубок 12 смесь паров одоранта и газа, содержащая определенное количество одоранта в единице объема (это количество определяется давлением насыщенных паров одоранта), поступает в вентиль-смеситель 23 и может дополнительно разбавляться природным газом, поступающим из магистрали высокого давления через редуктор 27. Далее газовая смесь (одорант+газ) поступает в регулятор расхода одоранта 7, который обеспечивает поступление одоранта в магистраль 5 пропорционально расходу природного газа измеряемого расходомером - сужающим устройством 3.

Поступление одоранта пропорционально расходу газа можно реализовать в регуляторе 7, варианты выполнения которого представлены на фиг.2 и 3. Расходомер - сужающее устройство 3 вырабатывает выходной сигнал - перепад давлений Δp. Согласно уравнениям гидравлики, при неизменной геометрии сужающего устройства расход газа будет прямо пропорционален Δp, если перепад давлений подать в камеру 30 регулятора давления 7, снабженную поршнем 32 и пружиной 37 (фиг.3), или сильфоном 31, то перемещение поршня 32 или сильфона 31 будет прямо пропорционально Δp. Шток 36 поршня 32 или сильфона 31 через уплотнение 33 соединен с центральным телом 34, перемещающимся внутри цилиндрической обечайки регулятора расхода 7, при этом будет изменяться проходное сечение потока газовой смеси (газ+пары одоранта) через регулятор расхода одоранта 7. Прямо пропрциональная зависимость расхода одоранта от Δp будет иметь место, если центральное тело 34 регулятора 7 спрофилировано как параболоид вращения (парабола 4-й степени).

Таким образом, предлагаемое устройство имеет минимальное количество подвижных элементов, что позволяет упростить конструкцию одоризатора, упростить его обслуживание и одновременно повысить надежность его работы при одорировании малых расходов газа, обеспечивая подачу паров одоранта в магистраль, прямо пропорционально расходу газа в магистрали.