Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА СНАБЖЕНИЯ СЖИЖЕННЫМ УГЛЕВОДОРОДНЫМ ГАЗОМ

Изобретение относится к области газоснабжения и использования сжиженного углеводородного газа, а именно к части безгидратного редуцирования в дросселирующих устройствах, и может найти применение в системах снабжения сжиженным углеводородным газом конечного потребителя.

Наибольшая проблема при снабжении потребителей сжиженным газом это образование гидратов, продуктов взаимодействия углеводородов с водой, которые в виде кристаллов оседают в местах установки сужающих устройств при редуцировании паров сжиженного углеводородного газа. Этому явлению способствуют факторы: состав газа, температура, давление и насыщение газа парами воды. Как показывают многочисленные исследования, образование гидратных пробок обусловлено дросселированием насыщенной жидкости или парожидкостного потока. В то же время дросселирование насыщенных или перегретых паров сжиженного углеводородного газа кристаллизации растворенной влаги не вызывает. В этой связи, в качестве наиболее эффективных методов предотвращения гидратообразования в системах газоснабжения используются общий подогрев газа идущего на редуцирование с помощью специальных устройств или местный обогрев корпусов регуляторов давления.

Известна система подготовки сжиженного газа к использованию с подогревом (Рубенштейн С.В. и др. Газовые сети и оборудование для сжиженных газов. Л.: Недра, 1991, с.153, рис.6-4), содержащая баллон с сжиженным сжатым газом, нагреватель сжиженного газа для изменения его фазового состояния перед подачей на сжигание в горелку и запорно-регулирующие органы для поддержания давления газа в указанном диапазоне. Недостатком способа является то, что для испарения сжиженного углеводородного газа и подогрева газа используется посторонний источник тепла, что снижает экономичность системы, а в установках с естественной регазификацией просто отсутствует.

Известна система с подогревом природного газа, который предлагается осуществить с помощью технологического нагревателя (патент РФ №2168121, МПК 7 F24H 3/08), содержащего горелку, кожухотрубный теплообменник, экранированный наружным и внутренним поясами теплообменных труб, коаксиально расположенных относительно кожуха теплообменника, дымовую трубу, коллекторы входа и выхода нагреваемого газа, причем все теплообменные трубы представляют собой вставленные одна в другую трубы, внешние из которых выполнены с глухим концом, обращенным в сторону горелки, а с другого конца за пределами дымового короба рабочие полости труб сообщены съемными патрубками с коллекторами, при этом одинаковые по конструкции, длине и числу трубы обоих поясов в пределах топочного объема со стороны горелки поддержаны в отверстиях кольцевой перегородки, закрепленной с кожухом, а с другого конца - в отверстиях днища дымового короба, причем трубы в поясах расположены в шахматном порядке относительно друг друга.

Недостаток известного устройства состоит в том, что рабочие полости каждой из теплообменных труб сообщены патрубками с коллекторами входа и выхода нагреваемого газа. Это обстоятельство, особенно на форсированных режимах по степени подогрева, может вызвать перегрев наружных стенок теплообменных труб внутреннего пояса, подверженного воздействию максимального теплового потока за счет близости высокотемпературного факела греющего газа, что усугубляется уменьшением расхода газа за счет соответствующего возрастания доли теплового сопротивления теплообменных рабочих полостей в указанных трубах и не способствует надежности устройства в целом. На режимах минимального подогрева наблюдается его неравномерность по высоте трубного пучка, что снижает эффективность теплообменника.

Известна также система распределения и перемещения газов и жидкостей по трубопроводам с применением нагрева частей трубопроводной системы и емкостей для жидкостей и газов, с помощью специального позисторного нагревателя (патент РФ №2154232, МКП F17D 1/18), содержащей, по меньшей мере, один позистор и средство для его соединения с цепью питания, включающее надпозисторную контактную пластинку, снабженный корпусом с крышкой, выполненный с возможностью нагрева его теплоотдающей поверхности позистором и установки его на часть системы, подлежащей нагреванию, позистор и средства для его соединения размещены в корпусе, средство снабжено электрическим, предпочтительно также тепловым, изолятором надпозисторной контактной пластинки и прижимной пружинкой, расположенной предпочтительно между крышкой корпуса и изолятором. Недостатками данного устройства является низкая надежность - места электрических контактов позистора не защищены от попадания жидкостей и пыли, для поддержания температуры по всей длине трубопровода необходимо применение нескольких позисторов, соединяемых параллельно, а также необходимость использования электричества для процесса нагрева трубопровода или емкости, что сильно увеличивает стоимость данной системы.

Известна система газоснабжения с дросселированием горячего потока газа, предварительно нагреваемого в теплообменнике газом низкого давления с последующим смешением греющего и редуцированного газа после регулятора давления (авт. свид. СССР №280385, МПК F17D 1/05), содержащая теплообменник, вихревую трубу, регулятор давления, холодный и горячий трубопроводы высокого давления. Однако, опыт эксплуатации подобных систем показывает, что предлагаемое решение не гарантирует безгидратную эксплуатацию, так как кристаллизация влаги в регуляторах является следствием дросселирования парожидкостного потока внутри сопла и в зазоре между соплом и клапаном, поэтому обогрев самого корпуса регулятора не влияет на режимы гидратообразования.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является система снабжения сжиженным углеводородным газом с предупреждением гидратообразования за счет обогрева редукционных головок подземных резервуаров сжиженного газа с помощью отопительного радиатора (Инструкция по ликвидации конденсатных и гидратных пробок на газопроводах и удалению неиспарившихся остатков из резервуаров и конденсатосборников, Саратов, 1974), содержащая подземный резервуар сжиженного газа с крышкой, изолированный кожух, в котором размещается редуцирующий узел с автоматикой регулирования и безопасности, клапан запорный и отопительный радиатор в виде регистра из гладких труб, установленный на крышке резервуара и сообщающийся с помощью трубопровода с электрокотлом, оборудованным трубчатым электронагревателем и системой отвода воздуха через расширительный бачок, устанавливаемый на радиаторе. Теплоносителем является антифриз марки 65 или другая жидкость, имеющая температуру застывания не выше - 60°С. Недостатками предложенного способа являются высокая стоимость электроэнергии, оборудования и нагревательных приборов, а также вынос электрокотла на расстояние не менее 5 метров от редуцирующей головки резервуара, что увеличивает стоимость предложенной системы и площадь отчуждаемой территории на размещение оборудования резервуарных установок в целом.

Задачей предлагаемого изобретения является создание системы снабжения сжиженным углеводородным газом с предупреждением гидратообразования, которая позволяет исключить использование электроэнергии, уменьшить стоимость системы снабжения сжиженным углеводородным газом за счет исключения из схемы электрокотла и отопительного радиатора, расширительного бачка, дополнительного оборудования и сокращения площади отчуждаемой территории на размещение оборудования резервуарных установок.

Задача достигается тем, что система содержит подземный резервуар с сжиженным газом с крышкой в верхней части, к которой жестко прикреплена трубопроводная обвязка редуцирующего узла с клапаном, регулятором низкого давления с автоматикой регулирования и безопасности и внутренним участком трубопровода для забора паровой фазы. Новым является то, что трубопроводная обвязка редуцирующего узла покрыта изолирующим материалом разъемной конструкции толщиной не менее 0,025 м, а на внутреннем участке трубопровода для забора паровой фазы с изолирующим материалом установлен металлический футляр цилиндрической формы. Кроме этого, клапан трубопроводной обвязки редуцирующего узла выполнен в угловом исполнении, а в качестве редуцирующего узла применен малогабаритный двухступенчатый регулятор низкого давления.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена конструктивная схема с основными элементами, дающими представление о системе и принципе ее действия.

Позициями на чертеже обозначены: 1 - подземный резервуар сжиженного углеводородного газа, 2 - крышка резервуара, 3 - угловой клапан, 4 - регулятор низкого давления, 5 - внутренний участок трубопровода для забора паровой фазы из резервуара, 6 - герметичный металлический футляр, 7 - тепловая изоляция.

Представленная система содержит подземный резервуар с сжиженным углеводородным газом 1, крышку резервуара 2, угловой клапан 3, входной фланец которого смонтирован непосредственно на крышке резервуара, а к выходному штуцеру с помощью накидной гайки присоединен редуцирующий узел 4 с автоматикой регулирования и безопасности, внутренний участок трубопровода для забора паровой фазы из резервуара 5 и герметичный металлический футляр 6. Внутренний участок трубопровода паровой фазы 5, угловой клапан 3 и регулятор низкого давления 4 покрыты изолирующим материалом 7, например "Thermaflex", толщиной не менее 0,025 м разъемной конструкции. Разъемная конструкция теплоизоляционной цилиндрической оболочки с наличием застежки типа "молния", а также возможность растяжения и компоновки изоляции по форме оборудования позволяет осуществлять ее установку на уже смонтированные и испытанные участки системы с обеспечением плотного контакта с изолируемой поверхностью.

Определение толщины теплоизолирующего материала производилось из условия сохранения величины перегрева паров сжиженного углеводородного газа в трубопроводной обвязке редуцирующего узла. Данное условие реализуется отсутствием потерь тепла в трубопроводной обвязке редуцирующего узла системы снабжения сжиженным газом, за счет нанесения тепловой изоляции на участки. Минимально возможная толщина теплоизолирующего материала при отсутствии теплопотерь определяет минимальные капитальные вложения в изоляцию рассматриваемой системы. Для определения минимально возможной толщины тепловой изоляции были проведены соответствующие расчеты. В расчетах использовались следующие исходные данные: подземный резервуар сжиженного углеводородного газа геометрическим объемом 4,7 м³, расчетный уровень заполнения резервуара газом 50%, температурный напор между грунтом и жидкой фазой сжиженного углеводородного газа 20°С, температура наружного воздуха в зависимости от климатической зоны эксплуатации (теплая, умеренно-теплая, умеренно-холодная, холодная), теплопроводность тепловой изоляции 0.033 Вт/(м·К), геометрические размеры трубопроводной обвязки редуцирующего узла приняты: внутренний участок трубопровода для забора паровой фазы диаметром 0,02 м и длиной 0,8 м, угловой клапан диаметром 0,02 м и длиной 0,2 м, редуцирующий узел диаметром 0,04 м и длиной 0,5 м. Проведенные расчеты показали, что толщина тепловой изоляции должна быть не менее 0,025 м.

Система снабжения сжиженным углеводородным газом работает следующим образом.

Жидкая фаза сжиженного газа находится в резервуаре 1 при температуре t_1,ж и давлении Р₁. За счет разности температур грунта t_гр и сжиженного газа в жидком состоянии t_1,ж через смоченную поверхность резервуара 1 к жидкости подводится тепло из окружающего грунта, которое генерирует паровую фазу продукта. Насыщенные пары с температурой t_1,п вследствие дополнительного теплообмена над зеркалом испарения с грунтом в подземном резервуаре перегреваются до температуры t₂ (t₂>t_1,п) и к внутреннему участку трубопровода для забора паровой фазы из резервуара 5 поступают насыщенные перегретые пары с температурой t₂.

Наличие тепловой изоляции участков трубопроводной обвязки исключает дальнейший теплообмен паровой фазы с окружающей средой. Таким образом, по трубопроводу 5 пары сжиженного углеводородного газа через угловой клапан 3 поступают в сопло регулятора низкого давления 4 перегретыми с давлением Р₂ и неизменной температурой t₂ и дросселируются в зазоре между соплом и клапаном регулятора. При этом давление паров за счет дроссель-эффекта снижается с Р₂ до Р₃, а температура с t₂ до t₃, причем температура t₃, имеет значение выше температуры гидратообразования. С температурой t₃ и давлением Р₃ сжиженный углеводородный газ подается потребителю.

Необходимым условием сохранения перегрева паров, в этом случае, является компоновка системы таким образом, чтобы длина и поверхность участков трубопроводной обвязки, по которой движется перегретая паровая фаза из подземного резервуара с сжиженным углеводородным газом 1 в регулятор давления 4, была минимальной. С целью сокращения длины наружного участка, в конструкции используется угловой клапан 3, например 15кч 37пМ, входной фланец которого смонтирован непосредственно на крышке резервуара, а к выходному штуцеру с помощью накидной гайки присоединен редуцирующий узел 4. В качестве редуцирующего узла 4 был выбран малогабаритный двухступенчатый регулятор низкого давления, например РДГБ-6.

Учитывая малую степень перегрева паровой фазы в резервуаре при естественной регазификации все участки трубопроводной обвязки, начиная от внутреннего трубопровода и кончая регулятором давления, предлагается покрывать эффективной тепловой изоляцией с толщиной не менее 0,025 м. Для сохранения эксплуатационных качеств теплоизоляции 7 в течение срока службы, а также для предотвращения ее обжатия давлением паров в резервуаре 1 и уменьшения, таким образом, расчетной толщины тепловой изоляции внутреннего участка трубопровода 5, последний заключается в герметичный металлический футляр 6. Учитывая, что наружные участки системы подлежат периодическому осмотру и обслуживанию, эксплуатируются при низких температурах наружного воздуха с возможностью попадания влаги внутрь кожуха в виде дождя или снега, тепловая изоляция, применяемая в данной системе, обладает высокой износоустойчивостью, малым водопоглощением и возможностью многоразового использования, что обеспечивается разъемной конструкцией цилиндрической оболочки теплоизоляции.

Таким образом, применение предлагаемой системы снабжения сжиженным углеводородным газом позволяет решить главную задачу изобретения - предупредить гидратообразование при дросселировании паров сжиженного углеводородного газа в системах газоснабжения конечных потребителей при минимальных вложениях материальных средств в систему за счет исключения использования электроэнергии, оптимальной компоновки оборудования трубопроводной обвязки редуцирующего узла и использования эффективной тепловой изоляции трубопроводной обвязки с толщиной не менее 0,025 м.