Генератор инертной технологической газовой среды
Полезная модель относится к нефтегазовой промышленности. Устройство содержит размещенные на шасси транспортного средства входной нагнетательный блок, охлаждающий теплообменник, блок фильтрации, газоразделительный блок с полупроницаемой мембраной, выходной нагнетательный блок, трубопровод вывода инертной технологической газовой среды из надмембранной полости газоразделительного блока с полупроницаемой мембраной, систему управления и контроля, включающую в себя датчик загрязнения очищенного азота кислородом, нагревательный теплообменник, трубопровод вывода обогащенной кислородом газовой среды. Для получения инертной технологической газовой среды производится подачу атмосферного воздуха в охлаждающий теплообменник для удаления из воздуха конденсата. Очищенный воздух подается в нагревательный теплообменник для подогрева с последующей подачей в газоразделительный блок. В этом блоке посредством полупроницаемых мембран производится разделение воздуха на обогащенную кислородом газовую среду и газовую среду, обогащенную азотом. Обогащенная кислородом газовая среда выводится и направляется к всасывающим магистралям дизелей нагнетательных блоков либо в атмосферу. А обогащенная азотом газовая среда выводится из газоразделительного блока либо в трубопровод высокого давления либо в трубопровод низкого давления для использования по назначению. 1 ил.
Полезная модель относится к области технологических систем и процессов и может быть использована при создании, в частности, генераторов азота для создания технологической инертной газовой среды преимущественно для применения в нефтегазовой промышленности с целью обеспечения пожарной и экологической безопасности при освоении нефтяных скважин и ремонте трубопроводных систем жидких и газообразных углеводородов.
Известен генератор инертной технологической газовой среды, выполненный в виде последовательно соединенных компрессора, блока выработки газовой инертной смеси и дожимного компрессора [RU 2107807, Е21В 35/00, 1998].
Недостатком генератора является относительно низкое качество формируемой инертной технологической газовой среды. В частности, адсорбционная установка обладает низкой надежностью, "заключающейся в следующем. Адсорбционная установка имеет клапанную коробку, переключающую адсорберы каждую минуту, что снижает ее надежность в работе и особенно в передвижном варианте, т.к. клапаны выходят из строя или в них появляется перепуск воздуха, а в результате концентрация кислорода в производимом азоте превышает допускаемую величину и прекращается проведение технологических операций. При передвижении всего изделия и циклическом нагружении адсорберов давлением во время работы (цикличная подача воздуха под давлением, перепуск, сброс давления и снова подача), из-за постоянных циклически изменяющихся в них параметров газовых потоков, происходит истирание адсорбента,
возникает неравномерность по адсорберам работающим параллельно из-за постепенного изменения плотности засыпки адсорбента в них, а в результате превышение концентрации кислорода в вырабатываемом азоте допускаемой взрывобезопасной величины и, следовательно, невозможность использования в технологических операциях и их проведения. Имеет место также унос мелких частиц адсорбента в клапанную коробку, вызывающий непредусмотренный перепуск потоков, нарушение циклограммы работы адсорберов и превышение концентрации кислорода в вырабатываемом азоте допускаемой взрывобезопасной величины, а следовательно, невозможность использования в технологических операциях и их проведения. В результате вышеприведенного выходит из строя клапанная коробка, а значит и установка в целом.
В генераторе отсутствует блок подготовки воздуха, исключающий попадание в адсорберы капельных влаги и масла, а также их паров. При разделении адсорбцией, влага и масло постепенно, необратимо отравляют адсорбент, производимая во время работы генератора циклическая регенерация адсорберов восстанавливает адсорбент не полностью снижая его разделительные характеристики, т.е. концентрация кислорода в вырабатываемом азоте быстро начинает превышать допускаемую взрывобезопасную величину и установку нельзя использовать для технологических операций. Кроме того, из-за неполного восстановления адсорбента при регенерации и постепенного необратимого отравления влагой и маслом адсорбент выходит из строя и требует частой замены.
Процесс разделения воздуха адсорбцией имеет ограничение по температуре, т.к. при значениях температуры разделяемого воздуха выше 40°С, разделительная способность адсорбентов резко снижается. При температуре окружающего воздуха выше 30°С, учитывая отсутствие блока подготовки воздуха в установке, обеспечивающего понижение температуры после сжатия в компрессоре, температура воздуха после компрессора будет выше 45-50°С, что приведет к повышению концентрации кислорода в азоте
выше допускаемой величины, из-за существенного снижения разделительной способности адсорбента, а возможно и полному прекращению процесса получения азота, и, следовательно, к отсутствию возможности выполнения технологических операций с ним.
Еще одним недостатком рассматриваемого генератора является отсутствие возможности регулирования содержания остаточного кислорода в азоте, а также производительности по инертной среде (азоту).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является генератор азота для создания технологической газовой среды, содержащий входной нагнетательный блок, к выходу которого через охлаждающий теплообменник и блок фильтрации подключен газоразделительный блок с полупроницаемой мембраной, выходной нагнетательный блок повышения давления очищенного азота, подсоединенный к надмембранной полости газоразделительного блока, и систему управления и контроля, включающую в себя датчик загрязнения очищенного азота кислородом, при этом, входной и выходной нагнетательные блоки подсоединены к общему приводу, а система управления и контроля оснащена регулятором расхода охлаждающего агента, управляемым датчиком загрязнения очищенного азота кислородом [RU, опубл. заявка №2002121803, B01D 53/22, B01J 7/00, опубл. 27.03.2004].
При этом предусмотрено, что система управления и контроля оснащена задатчиком уровня загрязнения очищенного азота кислородом и блоком сравнения, входы блока сравнения подключены к выходам указанного задатчика и датчика загрязнения очищенного азота кислородом, а к выходу блока сравнения подключен регулятор расхода охлаждающего агента, газоразделительный блок собран из параллельно установленных модульных сборок, каждая из которых оснащена газоразделительной камерой с размещенной в ней полупроницаемой мембраной и запорными устройствами на входе в надмембранную полость и на выходе из нее, газоразделительные камеры оснащены полупроницаемыми половолоконными или плоскими
мембранами, входной нагнетательный блок оснащен одноступенчатым или многоступенчатым винтовым компрессором, выходной нагнетательный блок оснащен многоступенчатым винтовым компрессором и что входной и выходной нагнетательные блоки, общий привод указанных блоков, газоразделительный блок и теплообменник размещены на общем основании.
Недостатком этого известного решения является относительно низкая надежность, поскольку не обеспечивается гарантированная защита потребителей низкого давления от разрушения высоким давлением в случае неисправности или аварии. В известном техническом решении ограничены возможности по регулированию производительности вырабатываемой инертной среды и содержанию в ней азота. Кроме того, это устройство характеризуется относительно низким качеством формируемой инертной технологической газовой среды, а также относительно узкие функциональные возможности, поскольку известное техническое решение не позволяет формировать обогащенную кислородом газовую среду и использовать ее для повышения мощности дизеля комперессора или дизеля-генератора, используемых, как правило, во входном и выходном нагнетательных блоках.
Требуемый технический результат заключается в повышении надежности, качества регулирования, экономичности и расширении функциональных возможностей.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в генератор инертной технологической газовой среды, размещенный на общем основании и содержащий входной нагнетательный блок, к выходу которого через охлаждающий теплообменник подключен блок фильтрации, газоразделительный блок с параллельно расположенными камерами с полупроницаемыми мембранами, выходной нагнетательный блок, соединенный трубопроводом вывода инертной технологической газовой среды из надмембранной полости газоразделительного блока с полупроницаемой мембраной, и систему управления и контроля,
включающую в себя датчик загрязнения очищенного азота кислородом, введен нагревательный теплообменник, выход которого подключен к газоразделительному блоку, а вход - подключен к выходу блока фильтрации выполненного в виде последовательно соединенных фильтра удаления конденсата, вход которого является входом блока фильтрации, и фильтра тонкой очистки, выход которого является выходом блока фильтрации, а также трубопровод вывода обогащенной кислородом газовой среды, выполненный разветвляющимся на два трубопровода с запорной арматурой с возможностью соединения или с атмосферой или со входами подачи обогащенной кислородом газовой среды вместе с воздухом на дизель компрессора или дизель генератора входного и выходного нагнетательных блоков, а своим входом - соединенный с подмембранной полостью газоразделительного блока с параллельно расположенными камерами с полупроницаемыми мембранами, причем, общее основание генератора инертной технологической газовой среды установлено на шасси транспортного средства.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, трубопровод вывода инертной технологической газовой среды выполнен в виде разделяющихся трубопровода высокого давления и трубопровода низкого давления с запорными устройствами на выходе, система управления которыми соединена с системой управления входного и выходного нагнетательных блоков.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, входной и выходной нагнетательные блоки выполнены в виде компрессоров с дизелями.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, входной и выходной нагнетательные блоки выполнены в виде компрессоров с дизель-генераторами.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве входов подачи обогащенной кислородом газовой среды может
использоваться всасывающая магистраль дизеля или дизель-генератора входного и выходного нагнетательных блоков.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, газоразделительный блок с полупроницаемыми мембранами выполнен в виде параллельных камер с полупроницаемыми мембранами и с запорными устройствами на входе в надмембранные полости камер с полупроницаемыми мембранами и на выходе из них, причем, параллельные камеры с полупроницаемыми мембранами объединены на входе входным коллектором сжатого атмосферного воздуха, на выходе - выходным коллектором задерживаемого полупроницаемыми мембранами азота, подмембранные полости на выходе - выходным коллектором проникшего через стенки мембран кислорода с запорно-регулирующими устройствами.
Указанные признаки являются существенными для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, где на чертеже представлена конструкция генератора инертной технологической газовой среды.
Генератор инертной технологической газовой среды размещен на общем основании, установлен на шасси транспортного средства (на чертеже не показаны) и является мобильным элементом технологического процесса освоения нефтяных скважин или ремонта трубопроводных систем жидких и газообразных углеводородов.
Генератор содержит входной нагнетательный блок 1, к выходу которого через охлаждающий теплообменник 2 подключен блок 3 фильтрации.
Кроме того, генератор инертной технологической газовой среды содержит газоразделительный блок 4 с параллельно расположенными камерами 5 с полупроницаемыми мембранами 6, выходной нагнетательный блок 7, соединенный трубопроводом 8 вывода инертной технологической газовой среды из надмембранной полости газоразделительного блока 4.
Дополнительно генератор инертной технологической газовой среды содержит нагревательный теплообменник 9, выход которого подключен к газоразделительному блоку 4, а вход - подключен к выходу блока 3 фильтрации. Блок 3 фильтрации выполнен в виде последовательно соединенных фильтров 10 удаления конденсата (по крайней мере один фильтр), вход для которых является входом блока 3 фильтрации, и фильтра 11 тонкой очистки, выход которого является выходом блока 3 фильтрации.
Помимо указанного выше, генератор инертной технологической газовой среды содержит трубопровод 12 вывода обогащенной кислородом газовой среды, выполненный разделяющимся на два трубопровода с запорными устройствами 28 и 29 с возможностью выброса в атмосферу 31 или соединения своим выходом 30 со входами подачи обогащенной кислородом газовой среды во всасывающие магистрали дизелей 13 входного 1 и выходного 7 нагнетательных блоков, а своим входом - соединенный с подмембранными полостями камер 5 газоразделительного блока 4.
Генератор инертной технологической газовой среды содержит также систему управления и контроля (детальное описание не приводится), включающую в себя датчик 14 загрязнения очищенного азота кислородом, размещенным в выходном трубопроводе 8 в участке сообщения с нагнетательным блоком 7. Данный датчик электрически связан с блоком 15 управления нагревательным теплообменником 9.
Кроме того, трубопровод 8 выхода инертной технологической газовой среды преимущественно может быть выполнен в виде разделяющихся на два потока трубопровода 16 подачи азота на выходной нагнетательный блок 7 высокого давления и трубопровода 17 подачи азота низкого давления потребителю с запорными устройствами 18 и 19 на выходе, соответственно, система управления которыми соединена с системой управления входного 1 и выходного 5 нагнетательных блоков, выполненных в виде компрессоров 20 с дизелями 13 или компрессоров с дизель-генераторами.
Кроме того, газоразделительный блок 4 с полупроницаемыми мембранами преимущественно может быть выполнен в виде параллельных камер с полупроницаемыми мембранами и с запорными устройствами 21 на входе в надмембранные полости и на выходе (поз.22) из них, причем, параллельные камеры 5 с полупроницаемыми мембранами объединены на входе входным коллектором 23 сжатого атмосферного воздуха, на выходе выходным коллектором 27 задерживаемого полупроницаемыми мембранами азота, подмембранные полости на выходе - выходным коллектором проникшего через стенки мембран кислорода с запорно-регулирующими устройствами 24.
Работает генератор инертной технологической газовой среды следующим образом.
Генератор инертной технологической газовой среды преимущественно используется для создания технологической инертной газовой среды в нефтегазовой промышленности с целью обеспечения пожарной и экологической безопасности при освоении нефтяных скважин (после выходного нагнетательного блока) и при проведении ремонтных работ трубопроводных систем углеводородов (азот низкого давления после газоразделительного блока или реже высокого давления после нагнетательного блока). Получаемая с помощью генератора инертная технологическая газовая среда высокого давления подается в нефтяную скважину с целью предупреждения пожаров и взрывов в процессе бурения, освоения и эксплуатации нефтяных и газовых скважин, а также для их обработки, удалении песчаных и глиняных пробок, осушении и обезвоживании.
Для получения инертной технологической газовой среды входной нагнетательный блок 1, выполненный, например, в виде компрессора с дизель-генератором, производит подачу сжатого атмосферного воздуха в охлаждающий теплообменник 2, где производится его охлаждение. Это облегчает удаление из атмосферного воздуха конденсата (по отводной
магистрали 25, которая может быть выполнена со встроенным запорным устройством 26) в фильтрах 10 и последующую тонкую очистку в фильтре 11.
Подобная очистка атмосферного воздуха существенно снижает возможность попадания в газоразделительный блок 4 капельных влаги и масла, а так же их паров с дальнейшей вероятной конденсацией, поскольку влага и масло резко снижают разделительные характеристики полупроницаемой мембраны, т.е. концентрация кислорода в вырабатываемом азоте быстро начинает превышать допускаемую взрывобезопасную величину, что снижает возможность использования генератора для технологических операций.
Очищенный атмосферный воздух подается в нагревательный теплообменник 9 для подогрева с последующей подачей в газоразделительный блок 4. В газоразделительном блоке 4 с полупроницаемыми мембранами любых конструкций производится обогащенная кислородом газовая среда в подмембранном пространстве и обогащенная азотом газовая среда в надмембранном пространстве. Обогащенная кислородом газовая среда выводится из подмембранного пространства газоразделительного блока 4 и с помощью разветвляющегося трубопровода 12 с запорными устройствами 28 и 29 направляется либо по трубопроводу 31 в атмосферу либо по трубопроводу 30 к всасывающим магистралям дизелей входного 1 и выходного 7 нагнетательных блоков. Это повышает экономичность работы генератора. Возможность подачи кислорода, проникшего через стенки полупроницаемых мембран газоразделительного блока, во всасывающие магистрали дизеля компрессора или дизеля-генератора одного из нагнетательных блоков позволит повысить полноту сгорания топлива и увеличить мощность двигателя.
На линиях выхода кислорода, проникшего через стенки мембраны, из подмембранных полостей камер с полупроницаемыми мембранами установлены запорно-регулирующие устройства 24, позволяющее плавно
изменять, повышать или понижать давление под мембраной и таким образом регулировать производительность мембранного блока по азоту и содержанию в нем остаточного кислорода
Одновременно с этим, обогащенная азотом газовая среда выводится из надмембранного пространства газоразделительного блока 4 по трубопроводу 8. При этом, поскольку трубопровод 8 вывода инертной технологической газовой среды выполнен в виде разделяющихся трубопровода высокого давления и трубопровода низкого давления с запорными устройствами на выходе, то, в зависимости от требуемого режима использования технологической газовой среды, используется требуемый режим работы генератора инертной технологической газовой среды.
Таким образом, в предложенном техническом решении обеспечивается повышение надежности, поскольку выполняются условия гарантированной защиты потребителей низкого давления от разрушения высоким давлением в случае неисправности или аварии. Кроме того, расширяются возможности по регулированию производительности вырабатываемой инертной среды и содержанию в ней азота. При этом обеспечивается повышение качеств формируемой инертной технологической газовой среды. Расширяются и функциональные возможности устройства, поскольку обеспечивается возможность формирования обогащенной кислородом газовой среды и использование ее для повышения мощности дизеля комперессора или дизеля-генератора, используемых, как правило, во входном и выходном нагнетательных блоках.
1. Генератор инертной технологической газовой среды, содержащий размещенные на общем основании входной нагнетательный блок, к выходу которого через охлаждающий теплообменник подключен блок фильтрации, газоразделительный блок с полупроницаемыми мембранами, соединенный трубопроводом вывода инертной технологической газовой среды из надмембранного пространства газоразделительного блока, разделяющимся на трубопровод подачи потребителю и трубопровод подачи ее на выходной нагнетательный блок, и систему управления и контроля, включающую в себя датчик загрязнения очищенного азота кислородом, отличающийся тем, что в него дополнительно введены нагревательный теплообменник и трубопровод вывода обогащенной кислородом газовой среды, причем выход нагревательного теплообменника подключен к газоразделительному блоку, а вход подключен к выходу блока фильтрации, выполненному в виде последовательно соединенных, по крайней мере, одного фильтра удаления конденсата и фильтра тонкой очистки, выход которого является выходом блока фильтрации, при этом трубопровод вывода обогащенной кислородом газовой среды выполнен с возможностью либо выброса в атмосферу, либо сообщения со входами подачи обогащенной кислородом газовой среды во всасывающие магистрали дизелей входного и выходного нагнетательных блоков, а своим входом сообщен с подмембранной полостью газоразделительного блока, причем общее основание генератора инертной технологической газовой среды установлено на шасси транспортного средства.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что трубопровод вывода инертной технологической газовой среды с газоразделительного блока выполнен в виде трубопровода подачи инертной технологической газовой среды низкого давления для выполнения технологических операций под низким давлением и трубопровода подачи инертной технологической газовой среды на выходной нагнетательный блок высокого давления, для дожатия и подачи инертной среды высокого давления для выполнения технологических операций под высоким давлением.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входной и выходной нагнетательные блоки выполнены в виде компрессоров с дизелями.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входной и выходной нагнетательные блоки выполнены в виде компрессоров с дизель-генераторами.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что газоразделительный блок выполнен в виде параллельных камер с полупроницаемыми мембранами, задерживающими азот и пропускающими кислород, с запорными устройствами на входе в надмембранные полости каждой из камер с полупроницаемыми мембранами и на выходе из них, причем надмембранные пространства параллельных камер с полупроницаемыми мембранами объединены на входе входным коллектором сжатого атмосферного воздуха, а на выходе - выходным коллектором задерживаемого полупроницаемыми мембранами азота, при этом, подмембранные пространства параллельных камер с полупроницаемыми мембранами и с запорно-регулирующими устройствами на каждой из камер, оснащены выходным коллектором для проникшего через стенки мембран кислорода сообщающихся либо с атмосферой, либо со всасывающими магистралями дизелей входного и выходного нагнетательных блоков.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на линиях выхода кислорода из подмембранных полостей камер с полупроницаемыми мембранами установлены запорно-регулирующие устройства, позволяющее плавно изменять, повышать или понижать давление под мембраной и таким образом регулировать производительность мембранного блока по азоту и содержанию в нем остаточного кислорода.
