Система откачки, опрессовки и закачки природного газа в многониточные трубопроводы

Система откачки, опрессовки и закачки природного газа в трубопроводы отличается тем, что установлен дополнительный трубопровод между фланцами соединения к участкам секции, система откачки и закачки газа снабжено устройствами сжижения азота, отобранного от газа из отделенного участка и газификации жидкого азота, подсоединенные к фланцам соединения участков секции. Газогенератор продуктов сгорания воздуха и природного газа снабжен турбореактивным двигателем со снятыми лопатками турбины, механически связанного с водяным насосом, паровой турбинной и дожимающим компрессором, тракт продуктов сгорания ТРД, включающий в себя последовательно расположенные пароводяной теплообменник, камеру дожигания, водяной теплообменник, дожимающий компрессор, начало откачиваемого участка секции и пароводяной контур, включающий в себя последовательно расположенные водяной насос, водяной теплообменник, пароводяной теплообменник, паровую турбину и конденсатор. Предлагаемая система, располагаемая на нескольких автомобильных платформах обеспечит откачку секции магистрального трубопровода и все остальные операции менее чем за 10 часов.

Система предназначена для откачки газа из отключенного участка газопровода и может быть использована при проведении аварийных или профилактических ремонтных работ отдельных участков газопровода. Областью применения предлагаемого устройства являются участки секций магистральных трубопроводов, предназначенные для ремонта и восстановления.

Известно устройство на базе перемещаемых между газоперекачиваемыми станциями (ГПС) турбокомпрессора ГПС и последовательно установленного перед ним эжектора, (патент 2108489, МГЖ F04D 25/02, опубл. 10.04.1998). Преимуществом данного предложения является то, что отсоединяется один участок, поэтому изменение гидравлических потерь в секциях между соседними ГПС минимально. Недостатком данного аналога является небольшая глубина откачки отсоединенного участка. Кроме того, предлагаемое оборудование не может использоваться для других операций опрессовки, вакуумирования и закачки природного газа после восстановления участка трубопровода.

Известно устройство испытания магистральных трубопроводов опрессовкой (патенте 2095774 С1 авторов Белей И.В. и др. от 10.11.1997). Данное устройство принято за прототип предлагаемого устройства. Устройство предполагает выделение испытуемого участка, закачку из соседнего трубопровода природного газа до рабочего давления течения его в магистрали на данном участке. Затем с помощью дожимающего объемного типа насоса из соседнего трубопровода подается природный газ с давлением опрессовки. Данное устройство может быть использовано для закачки природного газа после восстановления участка трубопровода. Недостатком данного устройства является то, что в случае обнаружения течи для проведения ремонтных работ потребуется удаление природного газа из испытуемого участка, что сложно сделать, учитывая малый удельный вес природного газа, связанные с этим трудности изготовления компрессора откачки и неизбежные потери от выброса остатков газа в атмосферу. Кроме того, предлагаемое оборудование не может использоваться для других операций откачки и вакуумирования природного газа после восстановления участка трубопровода.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в сокращении времени на полную откачку, опрессовку и закачку природного газа после восстановления участка трубопровода, уменьшением вредных выбросов атмосферу.

Технический результат достигается тем, что в системе откачки, опрессовки и закачки газа из участков секций многониточных трубопроводов, включающей в себя отсоединенный участок, три вентиля на границе с откачиваемым участком, по одному с каждой стороны запорного устройства секции и один между пограничными участками секции, штатные турбокомпрессоры с приводом от авиационных двигателей, источник рабочего тела, компрессорное оборудование с охлаждением готового рабочего тела, установленное между источником рабочего тела и участком магистральной трубы автоматику и регуляторы управления процессом перекачки газа по трубопроводам новым является то, что установлен дополнительный трубопровод между фланцами соединения к участкам секции, устройство откачки и закачки газа снабжено устройствами сжижения азота, отобранного от газа из отделенного участка, газификации жидкого азота, подсоединенные к фланцам соединения участков секции, и опрессовки, включающее в себя, газогенератор продуктов сгорания воздуха и природного газа, снабженный турбореактивным двигателем (ТРД) со снятыми лопатками турбины, механически связанного с водяным насосом, паровой турбинной и дожимающим компрессором, тракт продуктов сгорания ТРД, включающий в себя последовательно расположенные пароводяной теплообменник, камеру дожигания, водяной теплообменник, дожимающий компрессор, начало откачиваемого участка секции и пароводяной контур, включающий в себя последовательно расположенные водяной насос, водяной теплообменник, пароводяной теплообменник, паровая турбина и конденсатор.

Предлагаемая система приведена на фиг.1,2.3. На фиг.1 приведена система откачки и закачки природного газа, которое взаимодействует с участками секций многониточной системы трубопроводов. Устройство включает в себя блоки 1 ГПС, секции магистрального газопровода 2 между соседними ГПС, разбитые на n участков запорными устройствами 3. Границы участков снабжены коллекторами 4, которые взаимодействует с участками трубопроводов с установленными в них запорными устройствами 5 и 6, расположенными соответственно вниз и вверх по течению газа в секции магистрального трубопровода. В обвод запорных устройств газ может перекачиваться при помощи парубка 10 и далее через вентиль 7. Блок 1 включает в себя штатные компрессоры с приводами и охладителями выходящего из компрессоров природного газа.

На фиг.2 приведено устройство сжижения и газофикации природного газа, которое взаимодействует с j - ым участком i j секции многониточной системы трубопроводов. К трубе между запорными устройствами 5 и 7 подсоединены устройства сжижения азота отобранного воздуха и газификации жидкого азота. Последние могут быть смонтированы на авто, причем одновременно подключены к участку j два авто вначале и в конце данного участка. Стрелки показывают направление течения газа в трубопроводах. Устройство сжижения азота отобранного воздуха включает в себя регулятор давления 11,, молекулярные мембраны 12, детандр 13 и устройство сжижения 14. Устройство газификации жидкого азота включает в себя вытеснительный бачок 15, регулятор давления 16, емкость жидкого азота 17, кран 18, подогреватель 19 и теплообменник-испаритель 20.

На фиг.3 приведена схема устройства опрессовки на продуктов сгорания воздуха, закачиваемого в выделенный участок секции магистрального газопровода. Устройство включает в себя ТРД 31 со снятыми лопатками турбины, ротор которого механически связан с водяным насосом 32, паровой турбиной 33, дожимающим компрессором 34, тракт продуктов сгорания 35 и пароводяной контур 36. Тракт продуктов сгорания 35 включает в себя пароводяной теплообменник 37, камеру дожигания 38, водяной теплообменник 39, дожимающий турбокомпрессор 34. Пароводяной контур 36 включает в себя водяной насос 32, теплообменник 39, пароводяной теплообменник 37 паровую турбину 33 и конденсатор 40. Стрелки показывают направление рабочего тела в тракте продуктов сгорания 35 и пароводяном контуре 36. Рн - атмосферное давление. H₂O,CO₂ - жидкие вода и углекислота.

Устройство приведенное на фиг.1, работает следующим образом. Природный газ высокого давления после штатных компрессоров блоков 1 равномерно распределяется по n секциям системы магистральных трубопроводов. Выделяется участок опорожнения природного газа. 5 и 7 закрыты, природный газ из секции i перепускается через коллектора в остальные n-1 секции и обратно на конце ij-го участка, чтобы протекать далее к следующей станции. При этом каждый из остальных n-1 участков j нагружается дополнительным расходом Gi/n-1.

Устройство сжижения и газофикации природного газа, приведенное на фиг.2 работает следующим образом. Выделяется участок опорожнения природного газа. 5 и 7 закрыты. После того, как весь выделяемый участок i j освободится от остатков газа и отремонтируется продукты сгорания воздуха закачиваются в данный участок для опрессовки с помощью штатного устройства до давления, например, Рк>75кГс/см ². Затем давление частично стравливается в атмосферу через устройство сжижения азота отобранных продуктов сгорания воздуха и закачивается порция газифицированного азота после 3 (начало участка i j) и перед 3 (конец участка i j), 6 (конец j) закрывается, открывается данный 3 и 7 участка i+1 j соседней секции. Продукты сгорания воздуха двигаются в обратном направлении в данной секции под действием газового столба природного газа, приводимого в действие штатными нагнетателями, отсоединенными от нагнетательного коллектора станции (краны 5,6 закрыты). При этом расходы в соседних секциях при обтекании выделяемого для освобождения от газа участка увеличиваются только примерно на 2G_тр/n-1. Для создания перепада в точках магистральных трубопроводов «а» и «в» может быть выключен один из остальных штатных нагнетателей, работающих на коллектор. При этом расход (при постоянном суммарном расходе) природного газа на каждого из последних нагнетателей увеличится. Поэтому при работе на постоянных оборотах произойдет снижение выходного давления, что следует из характеристики штатного нагнетателя. В точке «а» перепуск в другие трубопроводы частично открывается. И так далее, например, с переходом на соседнюю j-ю секцию. Подобным образом можно освобождать от природного газа и восстанавливать соседние i j-1 участки, расположенные вниз по течению от i j-го участков. При этом не требуется проводить вышеописанные изменения в работе штатных нагнетателей на станции вверх по течению, краны 5,6 открыты.

Устройство сжижения азота отобранного воздуха работает следующим образом. Часть продуктов сгорания воздуха (другая меньшая часть выбрасыватся через дроссель в атмосферу) высокого давления (более 6070кГс/см²) из участка i j проходит регулятор давления 11, молекулярную мембрану 12, затем детандр 13 и установленное параллельно детандру 13 устройство сжижения азота 14. Газ низкого давления после детандера 12 также подается в устройство сжижения азота 14, где может предварительно охладить азот, поступающий из молекулярной мембраны 13, а затем выбросится в атмосферу. Азот после отработки в устройство сжижения азота 14 также может быть выброшен в атмосферу. Так как используется воздух высокого давления, данное устройство может иметь небольшие габариты при высокой производительности жидкого азота.

Устройство газификации порции жидкого азота работает следующим образом. Бачок вытеснения 15 предварительно заполняется воздухом из секции из участка i j на первых минутах работы устройство сжижения азота отобранного воздуха. Воздух из бачка 15 через регулятор давления 16 поступает в емкость жидкого азота 17. Последняя при открытом кране 18 испаряется в теплообменнике-испарителе 20, другой контур которого получает тепло от продуктов сгорания воздуха с природным газом в подогревателе 19. Две порции газообразного азота с рабочим давлением природного газа в данном сечении трубопровода в течении нескольких минут вбрасываются с двух сторон в участок i j.

Таким образом, после задания последовательности из J-x и J-1 участков секций магистрального трубопровода может быть произведена быстрые полная откачка и закачка в них природного газа при помощи мобильной установки нанескольких авто с помощью штатных средств опрессовки трубопровода без применения вакуумных насосов. Значительно упрощена конструкция приводов агрегатов сжижения, так как рабочее тело изначально находится под высоким давлением. Экономичность устройства возрастает как и снижение выбросов углекислоты в атмосферу.

Устройство опрессовки на продуктов сгорания воздуха, приведенное на фиг.3, работает следующим образом. Атмосферный воздух сжимается в компрессоре и поджигается природным газом в камере сгорания ТДД 31. С параметрами после камеры сгорания продукты сгорания (Т около 1000К, Р=1015 кГс /см²) проходят пароводяной теплообменник 37, камеру дожигания 38 с восстановлением температуры продуктов сгорания до уровня из выхода из ТРД, пароводяной теплообменник 37, водяной теплообменник 39, дожимающий компрессор 14 с параметрами продуктов сгорания Рк>70 кГс/см², температурой Тк=300К и начало секции J. Энергия для привода компрессоров ТРД и 34 вырабатывается паровой турбиной 33, установленной в пароводяном контуре 35. Водяной пар после паровой турбины поступает в конденсатор 31, охлаждаемый атмосферным воздухом при помощи вентилятора. После конденсатора 31 вода поступает в насос 32, затем подается в остальные агрегаты водяного контура 36 для подогрева в водяном теплообменнике 39 и перехода в парообразное состояние в пароводяном теплообменнике 37. В процессе сжатия продуктов сгорания при температуре окружающей среды из рабочего тела отводятся жидкие вода и углекислота.

Таким образом, устройство опрессовки на продуктов сгорания воздуха обеспечивает также многократную и быструю закачку газа с содержанием азота около 90%. Производительность данного устройства адекватна диаметральному габариту турбореактивного двигателя и размещению предлагаемого устройства нескольких авто для создания мобильного устройства. По сравнению с прототипом установка выполнена на турбомашинах с сокращением времени опрессовки, так как рабочее тело не является легким газом. Откачка природного газа из первого участка последовательности восстанавливаемых участков может производиться с помощью газогенератора продуктов сгорания, используемого для их опрессовки.

Полное время Т_п всех операций прототипов определяется следующим образом:

T_п=Т_{опрессовки}+Т_{опорожнения}+Т _{вакуумирования}+Т_{откачки}+Т_{выброса}+Т _{закачки.}

Полное время предложенного устройства Т_пр определяется следующим образом:

Т_пр=Т_{опрессовки пр}+Т_{сжижения} +Т_{откачки пр}

При этом:

1. Время опрессовки предложенного устройства Т_{опрессовки пр} меньше времени опрессовки прототипа Т_{опрессовки} , так как рабочим телом компрессорного оборудования является не легкий природный газ, а продукты сгорания воздуха с природным газом.

2. Время сжижения Т_{сжижения} является частью времени опорожнения прототипа Т_{опорожнения} .

3. Время откачки прототипа Т_{откачки пр} меньше времени откачки прототипа (аналога) Т_{откачки} , так как средства откачки не используют уменьшающий расход откачки природного газа эжектор перед турбокомпрессором на мобильном устройстве.

Ожидаемое отношение величин Т_п/Т_пр равно 10 и при соответствующей организации перемещения частей мобильного устройства полное время всех операций почти совпадет с временем ремонта и восстановления участков секций.

1. Система откачки, опрессовки и закачки газа в участки секций многониточных трубопроводов, включающая в себя отсоединенный участок, три вентиля на границе с откачиваемым участком, по одному с каждой стороны запорного устройства секции и один между пограничными участками секции, штатные турбокомпрессоры с приводом от авиационных двигателей, источник рабочего тела, компрессорное оборудование с охлаждением готового рабочего тела, установленное между источником рабочего тела и участком магистральной трубы автоматику и регуляторы управления процессом перекачки газа по трубопроводам, отличающаяся тем, что установлен дополнительный трубопровод между фланцами соединения к участкам секции, система откачки и закачки газа снабжена устройствами сжижения азота, отобранного от газа из отсоединенного участка и газификации жидкого азота, подсоединенные к фланцам соединения участков секции.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что газогенератор продуктов сгорания воздуха и природного газа снабжен турбореактивным двигателем (ТРД) со снятыми лопатками турбины, механически связанного с водяным насосом, паровой турбиной и дожимающим компрессором, тракт продуктов сгорания ТРД, включающий в себя последовательно расположенные пароводяной теплообменник, камеру дожигания, водяной теплообменник, дожимающий компрессор, начало откачиваемого участка секции и пароводяной контур, включающий в себя последовательно расположенные водяной насос, водяной теплообменник, пароводяной теплообменник, паровую турбину и конденсатор.