Результат интеллектуальной деятельности: ОДОРИЗАТОР ПРИРОДНОГО ГАЗА (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к автоматическому регулированию расхода газообразной среды 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, обусловленных суточными колебаниями потребления газа, в том числе и при малых расходах.

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. Одоризация проводится с целью оперативного обнаружения утечек газа и обеспечения безопасности эксплуатации газового оборудования. В качестве одорантов используют этилмеркаптан (C₂Н₆S) и смесь природных меркаптанов, два разных сложных алкильных эфира акриловой кислоты (C₁-C₆); 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 p=6…12 МПа до давления p=0,2…0,6 МПа. При одоризации природного газа используются два основных способа подачи одоранта: введение непрерывное или дискретное 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 нормальных м³ 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 однородности смешения одоранта с газом, удовлетворяющая требованиям технических условий. Отмеченные недостатки ограничивают применение устройств подачи жидкого одоранта в газовый поток установками плунжерного типа при малых расходах газа.

Известен одоризатор природного газа (патент №2399947, МПК G05D 7/00, опубл. 20.09.2010), наиболее близкий к заявляемому и содержащий термостатированную расходную емкость одорирующей жидкости 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. 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. 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) нм /час, поскольку проходные сечения в гидравлической арматуре при малых расходах одоранта должны быть столь малыми, что вариации проходных сечений, происходящие по команде управляющих устройств, соизмеримы с вариациями проходных сечений, обусловленных люфтами в устройстве центральное тело-корпус.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей его работы, в том числе и при малых расходах газа, повышении надежности и точности подачи паров одоранта в магистраль прямо пропорционально расходу газа.

Технический результат достигается тем, что в одоризаторе природного газа (вариант 1), содержащем термостатированную расходную емкость с одорирующей жидкостью, с патрубком и каналом наддува и патрубком подачи одоранта, новым является то, что канал наддува сообщен через расходный редуктор с магистралью высокого давления, канал подачи одоранта сообщен с магистралью низкого давления через систему регулирования расхода одоранта, включающую пузырьковый дозатор-расходомер, который представляет собой колбу, наполненную разделительной жидкостью, в нижней части которой установлены жиклер подачи газообразного одоранта и ловушка-калибратор, обеспечивающая образование пузырьков равного объема, счетчик пузырьков, систему регулирования уровня столба жидкости в колбе.

Система регулирования уровня столба жидкости в колбе включает гидроцилиндр с поршнем, заполненный разделительной жидкостью и управляемый командным устройством по сигналу датчика расхода газа, установленного в магистрали низкого давления.

Система регулирования столба жидкости в колбе включает управляющий сильфон, сообщенный с одной стороны с магистралью низкого давления перед расходомером, а с другой стороны посредством рычажного механизма с управляемым сильфоном, полость которого заполнена разделительной жидкостью и сообщена с колбой.

Система регулирования столба жидкости в колбе включает расположенный в корпусе управляющий сильфон, полость которого сообщена с магистралью низкого давления перед расходомером, и управляемый сильфон, расположенный внутри полости управляющего сильфона, жестко связанный с ним, заполненный разделительной жидкостью и сообщенный с колбой.

В одоризаторе природного газа (вариант 2), содержащем термостатированную расходную емкость с одорирующей жидкостью, с патрубком наддува и патрубком подачи одоранта, канал наддува, новым является то, что канал наддува сообщен с приемником давления перед расходомером газа, установленным в магистрали низкого давления, а канал подачи одоранта соединен с магистралью низкого давления после выше упомянутого расходомера газа через систему регулирования расхода одоранта, включающую пузырьковый дозатор-расходомер, который представляет собой колбу, наполненную разделительной жидкостью, в нижней части которой установлены жиклер подачи газообразного одоранта и ловушка-калибратор, обеспечивающая образование пузырьков равного объема, счетчик пузырьков.

На фиг.1 представлена схема одоризатора природного газа (вариант 1), предназначенного для одорирования природного газа и обеспечивающего подачу одоранта в газовый поток пропорционально расходу газа при изменяемом (регулируемом) уровне столба жидкости в колбе расходомера-дозатора с помощью командного устройства.

На фиг.2 представлена схема пневмогидравлического регулирования уровня столба жидкости в колбе с помощью управляющего и управляемого сильфонов, соединенных рычажным механизмом (вариант 1).

На фиг.3 представлена схема пневмогидравлического регулирования уровня столба жидкости в колбе с помощью управляющего и управляемого сильфонов, соединенных между собой штоком (вариант 1).

На фиг.4 представлена схема одоризатора природного газа, предназначенного для одорирования природного газа и обеспечивающего подачу одоранта в газовый поток при неизменном уровне жидкости в колбе расходомера-дозатора (вариант 2).

Одоризатор включает: магистраль природного газа высокого давления 1, редуктор 2, блок редуцирования 3, датчик давления 4, расходомер с пневматическим выходным сигналом (сужающее устройство) 5, датчик перепада давления 6, магистраль природного газа низкого давления 7, бак с разделительной жидкостью 8, управляющий процессор 9, командное устройство 10, колбу 11, заполненную разделительной жидкостью 12, счетчик пузырьков (детектор сплошности) 13, ловушку-калибратор пузырьков 14, жиклер 15, магистраль слива разделительной жидкости 16, гидроцилиндр 17 с поршнем 18, регулировочный вентиль 19, реле 20, датчик температуры 21, нагреватель 22, магистраль слива одоранта 23, патрубок наддува 24, емкость с одорантом 25, термоизоляцию 26, уровнемер 27, электрические цепи передачи управляющих и измерительных сигналов 28, канал подачи смеси паров одоранта с газом в магистраль природного газа низкого давления 29, магистраль заправки одоранта 30, патрубок подачи смеси паров одоранта с газом 31.

Система регулирования уровня столба жидкости в колбе 11 (фиг.1) включает гидроцилиндр 17 с поршнем 18, заполненный разделительной жидкостью 12 и управляемый командным устройством 10 по сигналу датчика перепада давлений 6 на расходомере 5, установленном магистрали низкого давления 7.

Система регулирования столба жидкости в колбе 11 (фиг.2) включает управляемый сильфон 32 для подачи разделительной жидкости в колбу 11, шарнирную опору 33, рычаг 34, управляющий сильфон 35, полость которого сообщена с магистралью низкого давления перед расходомером 5. Управляющий сильфон соединен посредством рычажного механизма с управляемым сильфоном 32, полость которого заполнена разделительной жидкостью 12 и сообщена с колбой 11.

Система регулирования столба жидкости в колбе 11 (фиг.3) включает расположенный в корпусе 36 управляющий сильфон 41, полость которого сообщена с магистралью низкого давления 7 перед расходомером 5, и управляемый сильфон 40, расположенный внутри полости управляющего сильфона 41, заполненный разделительной жидкостью 12 и сообщенный с колбой 11. Управляющий сильфон 41 жестко связан с управляемым сильфоном 40 посредством штока 39. Упругость управляющего сильфона задается пружиной 38 с регулировочным винтом 37.

Устройство оснащено средствами регистрации расхода газа, расхода одоранта, давления и температуры рабочих сред и передачи измерительной информации на вышестоящий уровень. Регистрация измерительной информации, выработка управляющих сигналов и передача информации обеспечиваются процессором 9.

Под расходомером-дозатором понимается комплекс оборудования, включающий колбу 11 с разделительной жидкостью 12, жиклер 15, ловушку-калибратор пузырьков 14, датчик сплошности 13. В качестве датчика сплошности используется прибор, принцип действия которого основан на различии физических свойств паровой и жидкой фаз. В качестве таких физических свойств используются различие коэффициентов ослабления, преломления, рассеяния при прохождении излучения через жидкую и паровую фазы либо различие электрических свойств (сопротивления, диэлектрической проницаемости и прочих) жидкой и паровой фаз. Расход одорирующей смеси определяется путем счета датчиком сплошности пузырьков, образующихся в разделительной жидкости при поступлении газовой смеси по магистрали 29 через жиклер 15 в колбу 11. Ловушка-калибратор 14 предназначена для формирования пузырьков одинакового размера.

В предлагаемом устройстве осуществляется подача одоранта в газовый поток пропорционально расходу природного газа, поступающего потребителю по магистрали низкого давления, в широком диапазоне вариаций расхода газа, в том числе и при малых расходах газа (1…50 нм³/час), характерных для работы мини ГРС, и обеспечивается высокая точность дозирования одоранта путем использования пузырькового расходомера-дозатора.

Исходное состояние системы: емкость 25 заправлена жидким одорантом до рабочего уровня, над жидкостью в емкости образована полость, в которой находится газовая смесь из паров одоранта и природного газа. Жидкость в термостатированной расходной емкости 25 находится при определенной температуре, температура в емкости поддерживается постоянной с помощью нагревателя 22, работой которого управляет процессор 9 с помощью реле 20 по сигналу датчика температуры 21. В колбе 11 находится разделительная жидкость, например этиленгликоль, тосол или другая жидкость, совместимая с парами одоранта и природным газом. Заправка колбы разделительной жидкостью осуществляется из бака 8.

Вентили В₄, В₅, В₉, В₇, В₁₁ В₁₂, В₁₃ предназначены для подготовки устройства к работе, заправки устройства рабочими средами, опорожнением емкостей. Во время работы одоризатора природного газа вентили В₄, В₅, B₉, В₇, В₁₁ В₁₂, В₁₃ закрыты.

При подаче газа потребителю блок редуцирования 3 на ГРС поддерживает постоянное давление газа, р_п≈0,105 МПа, в магистрали потребителя (магистрали низкого давления 7) независимо от расхода потребляемого газа. Это обеспечивается путем увеличения или уменьшения давления газа р_г перед расходомером 5. Таким образом, расход потребляемого газа пропорционален перепаду давлений Δр_г=(р_г-р_п), регистрируемому датчиком перепада давлений 6, и определяется уравнением G_г=c_г(2ρ_гΔр_г)^0,5, где ρ_г - плотность газа; с_г - константа, определяемая коэффициентом расхода расходомера 5 (сужающего устройства) и его площадью проходного сечения.

При неизменных температуре среды в емкости 25 количество паров одоранта в единице объема газовой смеси над жидкостью будет определяться давлением насыщенных паров одоранта и, следовательно, плотность одоранта тоже будет постоянной. Концентрация одоранта в смеси (природный газ+пары одоранта) может быть найдена из известных термодинамических соотношений (Физические величины: Справочник / А.П.Бабичев, Н.А.Бабушкин, A.M.Братковский и др. - М.: Энергоатомиздат, 1991. С.1232). Расход паров одоранта, поступающих из емкости 25 по магистрали подачи одоранта 29 в магистраль низкого давления 7, будет зависеть от перепада давлений в магистрали подачи одоранта Δр_од=р_од-(р_Н+Р_п), где р_од - давление смеси газа и паров одоранта в емкости 25, р_H - давление, создаваемое столбом Н разделительной жидкости в колбе 11. Расход смеси газа и паров одоранта определяется уравнением G_од=с_од(2ρ_одΔр_од)^0,5, где ρ_од - плотность смеси паров одоранта с газом, с_од - константа, определяемая коэффициентом расхода магистрали подачи одоранта и проходными сечениями магистрали подачи одоранта. Следовательно, концентрация одоранта в газе будет неизменной, если отношение (Δр_г)/(Δр_од)=const.

Одоризатор осуществляет пропорциональную подачу одоранта в газовый поток двумя различными вариантами: 1-й вариант - путем изменения уровня жидкости в колбе расходомера-дозатора; 2-й вариант - путем подачи управляющего давления в пузырьковый расходомер-дозатор при неизменном уровне столба жидкости в колбе расходомера-дозатора.

Одоризатор по варианту 1 работает следующим образом (фиг.1).

Природный газ из магистрали высокого давления 1 после редуцирования в блоке 3 поступает в магистраль низкого давления 7. Емкость с одорантом через расходный редуктор 2 и канал наддува 24 сообщается с магистралью высокого давления и находится под определенным давлением р_од, задаваемым давлением настройки редуктора 2, и в ней поддерживается определенная температура. Смесь природного газа и паров одоранта через патрубок 31, канал подачи газообразного одоранта 29 и систему регулирования расхода одоранта, включающую пузырьковый дозатор-расходомер, поступает в магистраль низкого давления 7, преодолевая давление слоя разделительной жидкости р_ж в колбе 11 и давление р_п в магистрали низкого давления 7. Уровень жидкости в колбе 11 пузырькового расходомера-дозатора задается командным устройством 10, управляемым процессором 9. Командное устройство по сигналу управляющего процессора обеспечивает перемещение поршня 18 пропорционально величине перепада давлений Δр_г, измеряемого датчиком перепада давлений 6, таким образом, чтобы высота столба жидкости Н в колбе 11 находилась в линейной, обратно пропорциональной зависимости от Δр_г. Следовательно величина уровня жидкости в колбе 11 будет изменяться по следующему закону Н=Н_o-к_уΔр_г, где Н_o - некий начальный уровень жидкости при Δр_г=0, к_у - размерная константа системы управления. Давление, создаваемое столбом разделительной жидкости, будет определяться уравнением р_Н=ρgH=ρgH_o-ρgk_уΔp_г, где ρ - плотность разделительной жидкости, g - ускорение свободного падения. Введя обозначения ρgH_о=р_но (давление столба жидкости при неком начальном уровне H_о=const) и ρgk_у=с_у (константа системы управления), получим для величины давления р_H, создаваемого слоем разделительной жидкости, выражение р_H=p_но-с_уΔр_г. С учетом принятых обозначений, перепад давлений в магистрали подачи одоранта будет определяться уравнением Δр_од=р_од-(р_H+р_п)=с_уΔр_г+(р_од-р_но-р_п). Поскольку давления р_од, р_но, р_п в процессе одорирования задаются и являются постоянными величинами, то задавая при настройке системы подачи одоранта величну (р_од-р_но-р_п)≈0 (пренебрежимо малую по сравнению с Δр_г), получим Δр_од=с_уΔр_г и, следовательно, будет выполняться условие (Δр_г)/(Δр_од)=const.

Таким образом, при неизменных размерах проходных сечений в магистралях подачи газа и одоранта и неизменных температурах сред отношение расходов газа и одоранта будет оставаться неизменным при вариациях расхода природного газа, и пузырьковый расходомер дозатор будет обеспечивать подачу одоранта в газовый поток пропорционально расходу газа, в том числе и при малых расходах газа.

Схемы пневмогидравлического регулирования столба жидкости в колбе 11 при работе дозатора по варианту 1 представлены на фиг.2 и фиг.3. При увеличении или уменьшении расхода газа, поступающего в магистраль низкого давления 7, увеличивается или уменьшается давление перед расходомером 5, в результате чего уменьшается или увеличивается уровень жидкости Н в колбе 11 с помощью пневмогидравлической системы.

Согласно фиг.2 управляющий сильфон 35 сообщен с магистралью низкого давления перед расходомером 5 и перемещается при вариациях давления, связанных с изменением расхода газа. Управляющий сильфон 35 посредством рычажного механизма соединен с управляемым сильфоном 32, полость которого заполнена разделительной жидкостью и сообщена с колбой 11. Рычажный механизм обеспечивает обратно пропорциональную зависимость между перепадом давления на расходомере и приводит к его перемещению. Перемещение управляющего сильфона через рычаг 34 передается на сильфон 32, полость которого заполнена разделительной жидкостью и соединена с колбой 11. Перемещение управляющего и управляемого сильфонов, соединенных рычагом 34 с опорой 33, обеспечивает обратно пропорциональную зависимость между давлением перед расходомером, а следовательно, и перепадом давления Δрг и уровнем жидкости Н в колбе 11. Таким образом отношение (Δрг)/(Δрод)=const, как было изложено выше, и, следовательно, обеспечивается подача одоранта в газовый поток пропорционально расходу газа.

Согласно фиг.3 пневмогидравлическая система регулирования столба жидкости Н в колбе 11 содержит управляющий сильфон 41 и управляемый сильфон 40, расположенный внутри полости управляющего сильфона. Полость управляющего сильфона соединена с магистралью низкого давления перед расходомером 5, а полость управляемого сильфона соединена с колбой 11 и заполнена разделительной жидкостью. Сильфоны жестко связаны между собой посредством штока 39 и оснащены пружиной 38 и регулировочным винтом 37, позволяющим изменять жесткость управляющего сильфона. Вследствие изменения давления перед расходомером 5, а следовательно, и расхода газа происходит перемещение управляющего и управляемого сильфонов, что приводит к изменению уровня Н жидкости в колбе 11 обратно пропорционально давлению, поскольку увеличение давления приводит к растяжению (увеличению объема) управляемого сильфона, а уменьшение к сжатию. Вследствие чего остается неизменным отношение давлений (Δр_г)/(Δр_од)=const, как было изложено выше, и, следовательно, обеспечивается подача одоранта в газовый поток пропорционально расходу газа.

Одоризатор по варианту 2 при неизменном уровне разделительной жидкости в колбе 11 работает следующим образом (фиг.4).

Природный газ из магистрали высокого давления 1 после редуцирования в блоке 3 поступает в магистраль низкого давления 7. Емкость с одорантом через патрубок наддува соединена с приемником давления перед расходомером 5, что создает избыточное давление в емкости, превышающее давление в магистрали низкого давления после расходомера на величину Δр_г. Смесь паров одоранта с газом из емкости 25 поступает в магистраль низкого давления через патрубок 31, магистраль подачи газообразного одоранта 29 и систему регулирования расхода одоранта, включающую пузырьковый расходомер-дозатор. Уровень жидкости в колбе 5 расходомера-дозатора в процессе работы одоризатора остается неизменным, H_о=const. Таким образом перепад давлений в магистрали подачи одоранта будет определяться выражением Δр_од=Δp_г-ρgH_о. Рекомендуемая величина уровня столба разделительной жидкости в колбе при работе дозатора по 2-му варианту составляет Н_о≈20…30 мм. Такой уровень разделительной жидкости создает давление р_о≈200…300 Па, что пренебрежимо мало по сравнению с перепадом давлений Δр_г на расходомере (минимальная величина перепада давлений при малых расходах газа составляет Δp_г≈5…10 кПа). С учетом малости величины ρgH_о по сравнению с Δр_г будет выполняться условие Δр_од≈Δр_г и, следовательно, обеспечивается подача одоранта в газовый поток пропорционально расходу газа, в том числе и при его малых расходах.

Таким образом, в предлагаемом одоризаторе природного газа (вариант 1) сообщение канала наддува емкости одорантом с магистралью высокого давления, а канала подачи газообразного одоранта с магистралью низкого давления через систему регулирования расхода одоранта, включающую пузырьковый дозатор-расходомер, колбу, наполненную жидкостью, жиклер подачи газообразного одоранта, ловушку-калибратор пузырьков и систему регулирования столба жидкости в колбе расходомера-дозатора, обеспечивает пропорциональную подачу одоранта в газовый поток, расширяет функциональные возможности одоризатора и повышает точность дозирования одоранта в широком диапазоне расходов газа, в том числе и при одорировании малых расходов газа.

В одоризаторе природного газа (вариант 2) сообщение канала наддува емкости с одорантом с приемником давления, установленным в магистрали низкого давления перед расходомером газа, а канала подачи одоранта с магистралью низкого давления после расходомера газа через систему регулирования расхода одоранта, включающую пузырьковый дозатор-расходомер, который представляет собой колбу, наполненную жидкостью, жиклер подачи газообразного одоранта, ловушку-калибратор пузырьков, позволяет расширить диапазон расхода газа, при которых возможна контролируемая, пропорциональная одоризация, а также повысить точность подачи паров одоранта в магистраль прямо пропорционально расходу газа.

Одоризатор природного газа (вариант 1 и вариант 2) имеет минимальное количество подвижных элементов, что позволяет упростить конструкцию одоризатора и повысить надежность его работы.