Установка для осушки газопровода
Изобретение относится к технологии испытаний и ремонта газопроводов и может быть использовано в газовой промышленности. В установке для осушки газопровода, содержащей вакуум-насос с присоединенным к нему на стороне всасывания эжектором, основной трубопровод, соединяющий всасывающий патрубок вакуум-насоса с отключенным и герметизированным участком газопровода, и трубопровод, соединяющий рабочее сопло эжектора с атмосферой, на трубопроводе, соединяющем рабочее сопло эжектора с атмосферой, установлен воздухоподогреватель, приемная камера эжектора соединена трубопроводом, параллельным основному, с отключенным и герметизированным участком газопровода, между диффузором эжектора и вакуум-насосом установлен охладитель, а на соединяющих трубопроводах установлены запорные органы. Воздухоподогреватель выполнен в виде газогорелочного устройства, газогорелочное устройство соединено с рабочим участком магистрального газопровода и снабжено запорным органом и регулятором давления. Охладитель выполнен в виде воздушного теплообменника с оребренными трубами и снабжен емкостью для сбора конденсата. Охладитель выполнен в виде орошаемого водой скруббера и снабжен емкостью для сбора воды и градирней. Технический результат состоит в значительном снижении времени, потребном для осушки отключенного участка магистрального газопровода, а также в снижении капитальных и эксплуатационных затрат. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Настоящее изобретение относится к технологии испытаний и ремонта газопроводов и может быть использовано в газовой промышленности.
Широко известны способы вакуумирования полостей с помощью вакуум-насосов различных конструкций. Для вакуумирования применяют поршневые насосы, многопластинчатые вращательные насосы со скользящими лопатками, водокольцевые насосы, струйные насосы и т.д. (см., например, К.П.Шумский. Вакуумные аппараты и приборы химического машиностроения, М., Изд. «Машиностроение», 1974 г., с.343-397).
Известна мобильная установка для откачки газа из отключенного участка магистрального газопровода (см., патент RU №2108489 С1, 10.04.1998). В данном устройстве используют эжектор, низконапорная полость которого (приемная камера по общепринятой терминологии - см., например, Е.Я.Соколов и Н.М.Зингер. Струйные аппараты, М., Изд. «Энергоатомиздат», 1989 г., стр.6, рис.1.1) соединена с откачиваемым участком газопровода. Эжектор работает при использовании сжатого в компрессоре, приводимом во вращение газотурбинным двигателем, газа. Диффузор эжектора соединяют с работающим газопроводом (параллельным откачиваемому участку). Данный способ неприменим для осушки газопровода из-за недопустимости подачи воздуха в работающую линию.
Особо следует отметить патент РФ №2300062 «Способ и устройство осушки газопроводов», 27.05.2007.
В данном техническом решении осушка отключенного участка магистрального газопровода основана на первоначальном вакуумировании и последующей продувке полости, находящейся под вакуумом, инертной смесью на основе азота. Каждый блок вакуумирования смонтирован на общей раме, имеет вакуумный золотниковый насос, маслобак, приводной двигатель, например электрический двигатель, соединенный с вакуум-насосом, фильтр-сепаратор, вентили маслопровода, электромагнитные вентили подачи масла, газобалластные электромагнитные клапаны, защитное устройство, шаровые краны, систему охлаждения вакуумного насоса, вакуумметры, датчики температуры, соединительные трубопроводы и стойку с пультом управления и контроля, всасывающий и выхлопной трубопроводы. Кроме того, устройство включает в себя короткоцикловой адсорбционный или мембранный газоразделительный блок, содержащий адсорбционные или газодиффузионные газоразделительные сосуды, а также емкость нейтрального газа. Данное техническое решение предусматривает последующее заполнение осушенного участка газопровода транспортируемым газом, что является оправданным. Основные недостатки данного технического решения состоят в сложности конструкции, в необходимости применения высококвалифицированных вакуум-насосов, в необходимости специальных устройств для получения азота, в продолжительном времени откачки газопровода, в высоких капитальных и эксплуатационных затратах.
Наиболее близким к настоящему техническому решению является установка для вакуумирования, включающая в себя одновременно водокольцевой насос и эжектор (см., например, К.П.Шумский. Вакуумные аппараты и приборы химического машиностроения, М., Изд. «Машиностроение», 1974 г., с.359-360). При этом эжектор присоединяют на стороне всасывания водокольцевого вакуум-насоса. Внешний атмосферный воздух или сжатый до атмосферного давления в водокольцевом насосе газ может служить рабочим потоком для эжектора. При присоединении эжектора к водокольцевому насосу основное значение имеет объем газа, который может быть использован в качестве рабочего потока эжектора и который определяется характеристикой водокольцевого вакуум-насоса.
Следует отметить, что в настоящее время одновременное применение водокольцевого насоса и эжектора использовано в современных водокольцевых вакуумных агрегатах ABB. Агрегаты состоят из водокольцевого вакуумного насоса ВВН и эжектора, который устанавливается вертикально на всасывающий патрубок водокольцевого насоса. Агрегаты типа ABB позволяют получить более глубокий вакуум (7-12 мм рт.ст.) по сравнению с вакуумом (60-80 мм рт.ст.), достигаемым водокольцевым вакуумным насосом без эжектора.
Основным недостатком описанного устройства, предназначенного, в основном, для получения более высокого вакуума в полости, чем вакуум, достигаемый при работе только водокольцевого насоса, состоит в малой производительности, а следовательно, в длительном времени, потребном для осушки полости, в частности, ремонтируемого участка магистрального газопровода.
Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в создании работоспособной установки окончательной осушки газопровода после проведения гидравлической очистки или испытания.
Достигаемый технический результат состоит в значительном снижении времени, потребном для осушки отключенного участка магистрального газопровода, в снижении капитальных и эксплуатационных затрат.
Для достижения указанного результата в установке для осушки газопровода, содержащей вакуум-насос с присоединенным к нему на стороне всасывания эжектором, основной трубопровод, соединяющий всасывающий патрубок вакуум-насоса с отключенным и герметизированным участком газопровода, и трубопровод, соединяющий рабочее сопло эжектора с атмосферой, на трубопроводе, соединяющем рабочее сопло эжектора с атмосферой, установлен воздухоподогреватель, приемная камера эжектора соединена трубопроводом, параллельным основному, с отключенным и герметизированным участком газопровода, между диффузором эжектора и вакуум-насосом установлен охладитель, а на соединяющих трубопроводах установлены запорные органы. Воздухоподогреватель выполнен в виде газогорелочного устройства, газогорелочное устройство соединено с рабочим участком магистрального газопровода и снабжено запорным органом и регулятором давления. Охладитель выполнен в виде воздушного теплообменника с оребренными трубами и снабжен емкостью для сбора конденсата. Охладитель выполнен в виде орошаемого водой скруббера и снабжен емкостью для сбора воды и градирней.
Сущность настоящего изобретения состоит в следующем. Прежде всего, необходимо отметить, что схема для вакуумирования полости, включающая эжектор и вакуум-насос, работоспособна при практически любом типе вакуум-насоса. Применение водокольцевого вакуум-насоса в паре с эжектором решает задачу осушки отключенного участка газопровода более рациональным и менее капиталоемким образом.
Магистральные газопроводы испытывают в настоящее время в основном гидравлическим методом (см., например, Е.М.Климовский, Ю.В.Колотилов. Очистка и испытания магистральных трубопроводов, М., Изд. «Недра», 1987 г., стр.32-34). После гидравлических испытаний трубопроводов из них должна быть удалена вода. Воду удаляют различными способами, например, самотеком или с помощью разделительных устройств (поршни-разделители), перемещаемых по трубопроводу под давлением газа (см. указанный выше источник, стр.74-85). После вытеснения воды на внутренней поверхности газопровода (как и на внутренней поверхности любой подвергнутой гидравлическому испытанию полости) остается водяная пленка толщиной до 1 мм (в основном ˜0,1...0,2 мм). Если учесть значительную поверхность газопровода, то остаточное количество воды достигает весьма значительной величины, что, например, при дальнейшей эксплуатации повышает влагосодержание транспортируемого газа. Подобное повышение по ряду причин нежелательно, а при превышении рекомендуемых норм и недопустимо.
При ремонте магистрального газопровода определяющим является время, затраченное для этой цели. Вакуумирование отключенного участка магистрального газопровода позволяет решить вопрос практически полного удаления из него воды после принятых в настоящее время гидравлических испытаний газопровода после собственно ремонтных работ. Однако применение распространенных поршневых вакуум-насосов приводит к увеличению времени осушки и значительным капитальным и эксплуатационным затратам. Применение дешевых и надежных водокольцевых насосов не удовлетворяет требованиям достижения потребного вакуума, составляющего по расчетам не менее 0,01 ата. Присоединение к водокольцевому вакуум-насосу эжектора позволяет достичь потребного вакуума, но из-за малой производительности не обеспечивает требования к времени осушки. Простое увеличение числа используемых водокольцевых вакуум-насосов с эжекторами имеет следствием повышение капитальных и эксплуатационных затрат, ведет к усложнению конструкции установки в целом.
Значительное увеличение производительности установки, включающей в себя вакуум-насос и эжектор, по откачиваемым из отключенного участка газам (атмосферный воздух и в итоге практически чистые пары воды) может быть достигнуто за счет увеличения температуры атмосферного воздуха, поступающего в эжектор в качестве рабочего потока и далее направляемого в вакуум-насос. При этом необходимо охлаждать смешанный поток на выходе из диффузора эжектора до температуры, величина которой лежит в пределах обычных рабочих температур для вакуум-насосов, в частности, водокольцевых.
Таким образом, для ускорения вакуумирования любой полости, и в частном случае отключенного участка магистрального газопровода, целесообразно нагреть атмосферный воздух перед рабочим соплом эжектора до достаточно высокой температуры, а далее смешанный поток, уже частично охлажденный в эжекторе, доохладить перед входом в вакуум-насос до рабочей температуры вакуум-насоса.
Особо следует отметить, что при отключении части магистрального газопровода всегда имеется заполненная сжатым природным газом параллельная работающая ветка, транспортирующая газ потребителю. Таким образом, имеется источник природного газа, который может быть без затруднений использован для реализации настоящего изобретения. Применительно к установке для осушки газопроводов по настоящему изобретению нагревание воздуха перед подачей в рабочее сопло эжектора целесообразно провести простым сжиганием природного газа в рабочем воздушном потоке. Конструктивно узел нагрева атмосферного воздуха может быть выполнен в различных вариантах. Возможно применение теплообменных устройств. Но представляется более целесообразным снабдить установку газогорелочным устройством. Газогорелочное устройство может быть выполнено по аналогии с известными воздухоподогревателями (см., например, патенты РФ №2126943, дата опубликования 7.02.1999; №2206029, дата опубликования - 10.06.2003 года; №2296925, дата опубликования - 04.10.2007 года). При этом очевидной особенностью газогорелочного устройства в настоящем изобретении против указанных нагревательных приборов является отсутствие необходимости использовать тягодутьевой аппарат - вентилятор, поскольку в качестве такового выступает собственно вакуум-насос.
Для охлаждения смешанного потока после диффузора эжектора может быть применен поверхностный теплообменник. Целесообразен аппарат с оребренными трубами по типу аппаратов воздушного охлаждения, поскольку при обычном дефиците воды в месте проведения ремонтных работ в качестве охлаждающего агента целесообразно использовать атмосферный воздух. В другом варианте для охлаждения смешанного потока после диффузора эжектора может быть применен аппарат непосредственного контакта газового потока и охлаждающей воды типа орошаемого водой скруббера. Естественен в данном варианте нагрев охлаждающей воды, для охлаждения которой целесообразно применение градирни, например малогабаритной градирни вентиляторного типа. Дефицит воды не является при этом ограничительным фактором, поскольку при осушке газопровода в скруббере проходит активная конденсация паров воды, поступающих из отключенного участка.
Полагая, что применение водокольцевого вакуум-насоса наиболее целесообразно в газовой отрасли для окончательной осушки отключенного и герметизированного участка газопровода, дальнейшее описание проводим именно для данного случая.
Схема установки для осушки газопровода приведена на чертеже.
Отключенный участок 1 магистрального газопровода соединен основным трубопроводом 2 со всасывающим патрубком водокольцевого вакуум-насоса 3. На трубопроводе 2 установлен запорный орган 4. На стороне всасывания водокольцевого вакуум-насоса 2 к нему присоединен эжектор 5. Приемная камера эжектора 5 соединена с отключенным участком 1 трубопроводом 6 с запорным органом 7. Трубопровод 6 установлен в параллель с основным трубопроводом 2. Между диффузором эжектора 5 и водокольцевым вакуум-насосом 3 установлен охладитель 8. На трубопроводе 9, соединяющем рабочее сопло эжектора 5 с атмосферой, установлен запорный орган 10 и воздухоподогреватель 11, выполненный в виде газогорелочного устройства. Воздухоподогреватель 11 соединен трубопроводом 12 с работающим участком 13 магистрального газопровода. На трубопроводе 12 установлен запорный орган 14 и регулятор давления 15.
Установка по настоящему изобретению работает следующим образом. Водокольцевой вакуум-насос практически не изменяет объемную производительность, приведенную к условиям всасывания, по откачиваемому газу до достижения определенного вакуума в полости. Далее производительность водокольцевого насоса претерпевает резкое падение. До достижения указанного вакуума, определяемого характеристикой водокольцевого вакуум-насоса, откачивание газа (воздух в смеси с парами воды) проводим только с применением собственно водокольцевого вакуум-насоса. Для этого при закрытых запорных органах 7, 10 и 14 и открытом запорном органе 4 включают в работу водокольцевой вакуум-насос 3. По достижению определяемого характеристикой насоса вакуума закрывают запорный орган 4 и открывают запорные органы 7, 10 и 14. При работающем вакуум-насосе 3 атмосферный воздух поступает в газогорелочное устройство 11. Из работающего участка газопровода 13 через регулятор давления 15 природный газ поступает в газогорелочное устройство 11 на сжигание. Дымовой газ от сжигания природного газа подают в рабочее сопло эжектора 5. Из диффузора эжектора 5 газовую смесь направляют в охладитель 8 и далее в водокольцевой вакуум-насос 3. Из него газовую смесь выбрасывают в атмосферу.
Охладитель может быть выполнен в виде воздушного теплообменника с оребренными трубами и снабжен емкостью для сбора конденсата. В другом варианте охладитель может быть выполнен в виде орошаемого водой скруббера, снабженного емкостью для сбора воды и градирней.
Целесообразность осушки отключенного участка магистрального газопровода с применением установки по настоящему изобретению можно проиллюстрировать следующим примером.
Водокольцевой вакуум-насос типа ВВН2-50М имеет производительность при условиях всасывания на уровне 50 м3/мин (3000 м3/час) вплоть до давления на всасывании 0,2 ата. Если удалять из полости, находящейся под давлением 0,01 ата, воздух с применением данного насоса и эжектора без нагревания рабочего потока (воздух при исходном давлении 1 ата), производительность по инжектируемому потоку составит 210 нм3/час. При нагревании рабочего потока до 500°С производительность по инжектируемому потоку возрастает до 370 нм3/час. Смешанный поток на выходе из диффузора имеет температуру порядка 200°С и должен быть охлажден перед вводом в водокольцевой вакуум-насос.
Более важные результаты соответствуют удалению из отключенного участка магистрального газопровода паров воды, поскольку этот этап характеризуется наибольшей длительностью в ходе процесса осушки. Применительно к осушке необходимо учитывать, что длина отключенного участка магистрального газопровода диаметром 1 м обычно составляет 25000 м, а следовательно, масса водяной пленки на внутренней поверхности газопровода при толщине последней 0,2 мм составляет 15700 кг (19540 нм3). Производительность эжектора по удаляемому пару (инжектируемый поток) при нагревании рабочего потока (атмосферный воздух при давлении 1 ата) до 500°С составляет 760 нм3/час. Увеличение производительности объясняется активной конденсацией паров воды в охладителе. При этом нагрузка на вакуум-насос снижается.
При сопоставлении процесса осушки отключенного участка магистрального газопровода при применении решения по настоящему изобретению и при использовании поршневого вакуум-насоса получены следующие результаты. Реально для осушки отключенного участка магистрального газопровода диаметром 1 м и длиной 25000 м был применен поршневой насос типа НВ3-500. Насос данного типа при давлении на всасывании 0,2 ата имеет производительность 2000 м3/час (400 нм3/час). При использовании одного насоса расчетное время осушки отключенного участка составляет приблизительно 1075 часов. При расчетном приближении к работе водокольцевого насоса типа ВВН2-50М, имеющего при давлении на всасывании 0,2 ата производительность 600 нм3/час, следовало бы использовать 1,5 насоса типа НВ3-500. Соответственно длительность осушки составила бы ˜720 часов. При реализации настоящего изобретения с использованием одного водокольцевого вакуум-насоса типа ВВН2-50М расчетное время осушки отключенного участка магистрального газопровода той же длины снижается до 42 часов. Длительность процесса осушки, таким образом, сокращается примерно в 17 раз.
При использовании настоящего изобретения в вышеизложенном примере расход природного газа составляет ориентировочно 9 м3 в час. Общие затраты природного газа составляют около 300 м3, т.е. весьма малую величину.
Данный пример наглядно определяет преимущества настоящего изобретения. При этом необходимо отметить значительно более низкую стоимость оборудования.
Целесообразно отметить и следующее. Продувка отключенного участка магистрального газопровода, находящегося под давлением 0,01 ата, инертным газом после осушки представляется излишней. При достаточно медленном заполнении отключенного участка природным газом исключено образование взрывоопасной смеси, поскольку оставшийся не удаленным объем газов (˜180 нм3 при длине 25000 м) включает в себя в основном пары воды. Исключен и тоннельный эффект. Возможна реализация и другого варианта. Перед осушкой участка в газопровод может быть со стороны последующей подачи природного газа введен разделительный поршень, с помощью которого при заполнении участка природным газом будет вытеснен оставшийся после осушки объем газовой смеси.
Применение настоящего изобретения позволяет значительно снизить время, потребное для вакуумирования и осушки отключенного участка магистрального газопровода, и снизить капитальные и эксплуатационные затраты.
1. Установка для осушки газопровода, содержащая вакуум-насос с присоединенным к нему на стороне всасывания эжектором, основной трубопровод, соединяющий всасывающий патрубок вакуум-насоса с отключенным и герметизированным участком газопровода, и трубопровод, соединяющий рабочее сопло эжектора с атмосферой, отличающаяся тем, что на трубопроводе, соединяющем рабочее сопло эжектора с атмосферой, установлен воздухоподогреватель, приемная камера эжектора соединена трубопроводом, параллельным основному, с отключенным и герметизированным участком газопровода, между диффузором эжектора и вакуум-насосом установлен охладитель, а на соединяющих трубопроводах установлены запорные органы.
2. Установка для осушки газопровода по п.1, отличающаяся тем, что воздухоподогреватель выполнен в виде газогорелочного устройства, газогорелочное устройство соединено с рабочим участком магистрального газопровода и снабжено запорным органом и регулятором давления.
3. Установка для осушки газопровода по п.1, отличающаяся тем, что охладитель выполнен в виде воздушного теплообменника с оребренными трубами и снабжен емкостью для сбора конденсата.
4. Установка для осушки газопровода по п.1, отличающаяся тем, что охладитель выполнен в виде орошаемого водой скруббера и снабжен емкостью для сбора воды и градирней.
