Инновационный метод улавливания загрязнений из потока транспортируемого газа

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Инновационный метод улавливания загрязнений из потока транспортируемого газа

Соркин Вячеслав Исаакович, Первый Вице-президент, член правления ООО «Стройгазконсалтинг»

Слободкина Франческа Александровна, д.ф.-м.н., профессор РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, академик РАЕН

Гамов Дмитрий Викторович, главный технолог ООО «Стройгазконсалтинг»

Летом 2008 года началось строительство системы магистральных газопроводов СМГ «Бованенково - Ухта». Проектная протяжённость газопровода -- 1100 км, производительность -- 140 млрд мі газа в год. При строительстве использовались трубы диаметром 1420 мм, рассчитанные на рабочее давление - 11,8 МПа. Работы проводились в тяжелейших условиях бездорожья и вечной мерзлоты.

В настоящее время проложена и поставлена под рабочее давление газа 1-я нитка газопровода, ведутся работы по испытаниям и очистке полости участков 2-й нитки. За первый год эксплуатации газопровода были выявлены определенные проблемы, связанные как с качеством поставляемых материалов, так и с качеством строительства. В данном материале рассматривается одна из этих проблем - потеря герметичности шаровых кранов находящихся в обвязке крановых узлов СМГ.

Шаровые краны крановых узлов СМГ, в составе участков газопровода, проходили пневматические испытания на прочность давлением 1,25 от рабочего в течение 12 часов и проверку на герметичность рабочим давлением также в течение 12 часов, однако в процессе заполнения полости трубопровода и последующей транспортировки газа, только за 2013 год, был выявлен 381 случай потери герметичности кранов из общего количества поставленной арматуры 5500 единиц .

Рисунок 1 Нарушение уплотнения

По заключению комиссии, расследующей эти случаи, потеря герметичности кранов в большинстве случаев произошла «в результате воздействия механических частиц в потоке газа в момент перестановки затвора крана от штатных систем управления»

Многочисленные данные о потере герметичности шаровых кранов в обвязке крановых узлов магистральных газопроводов в начальный период эксплуатации и результаты работы комиссии по расследованию этих случаев приводят к выводу о том, что поверхность шаровых пробок и полимерных уплотнений в первые месяцы эксплуатации подвергается интенсивному эрозионному воздействию со стороны твердых частиц, попавших в полость трубопровода в процессе строительства. Полость всех трубопроводов после монтажа очищалась по инструкциям, разработанным согласно имеющихся нормативных документов, о чем составлены соответствующие акты. Однако факты, установленные комиссией, говорят о том, что методы очистки полости трубы и критерии оценки качества очистки, заложенные в существующих нормативных документах не могут гарантировать сохранность деталей запорной арматуры при эксплуатации.

Рисунок 2 Грязь, вытесненная из трубы

При строительстве в зимних условиях на внутренней стенке трубопровода образуется наледь, в которую вмерзают попадающие туда частицы сварочного грата, песок, другой мусор. Очистка полости трубопровода пропуском поршня при наличии внутри трубопровода наледи решает проблему лишь частично, поскольку воздух, который толкает поршень имеет температуру чуть выше температуры окружающего воздуха и полностью вычистить вмерзшую грязь не удается, поршень просто проскальзывает над ней. Поскольку критерием степени очистки полости трубы является наличие струи сухого и чистого воздуха, выходящего из очищаемого трубопровода, нет причины не принимать работы по очистке, если из трубы ничего не вылетает.

Газ из компрессорной выходит с температурой 9ч12 и со скоростью 8ч10 м/с. Наледь, в изменившихся условиях, отслаивается от стенок трубопровода и куски льда, с вмерзшим мусором, разгоняясь в потоке газа бьют по всем препятствиям внутри трубы..Этим воздействиям наиболее подвержены краны байпасных и свечных линий крановых узлов, которые используются при регулировке газового потока.

Очевидно, что количество загрязнений, оставшихся в полости трубопровода после очистки и осушки имеет предел и, в течение определенного времени после начала эксплуатации, поток газа, проходящий через краны, перестанет приносить с собой частицы, нарушающие герметичность. Однако работы по замене неисправной запорно-регулирующей арматуры почти всегда связаны со стравливанием газа с аварийных участков. Так за I - II квартал 2013 г. ООО Газпром трансгаз Ухта» для производства работ по устранению брака было стравлено в атмосферу в общей сложности 29 800 тыс.м3 газа и только плата за негативное воздействие на окружающую среду составила 27 629 135 руб.

Существенно снизить риски повреждения кранов в начальный период эксплуатации газопроводов позволит метод улавливания загрязнений из потока газа Суть метода заключается в использовании специального сепаратора, очищающего газ от посторонних частиц.

Рисунок 3 Форма канала ПЗУ с прямоугольным поперечным сечением

Последние годы наиболее эффективным средством защиты технических устройств от повреждения посторонними частицами считается пылезащитное устройство (ПЗУ) Л-образной формы, разработанное и тщательно исследованное в ЦИАМ им. П.И. Баранова для защиты авиационных вертолетных двигателей от попадания пыли различного состава в компрессор, маслосистемы и другие элементы [1]. ПЗУ Л- образной формы представлен на рисунке 3. Канал ПЗУ такого типа сильно изогнут и содержит разделитель потока на выходе.

На рисунке 3 представлен канал ПЗУ с прозрачной боковой стенкой. Поле скоростей отмечено векторами и цветом от красного - максимального значения скоростей- до синего минимального значения скоростей. Траектории частиц обозначены сплошными линиями. Видно, что при движении внутри канала частицы отскакивают от стенок канала и, благодаря правильно сконструированной верхней стенки, собираются в верхнем русле - пылесборнике.

Физическая суть метода отделения посторонних частиц и получения чистого газа основана на существенном различии плотности газа и частиц воды, льда, сварочного грата и др., что дает существенное различие в инерционных свойствах этих элементов составляющих многокомпонентную среду, движущуюся по трубопроводу. При прохождении поворота канала посторонние частицы, обладающие большей инерционностью, попадают на верхнюю стенку канала, и отражаясь от нее, собираются в верхнем протоке. Газ поворачивает следом за формой канала и поступает в нижний канал, то есть очищенный газ идет "к потребителю". Для того, чтобы посторонние частицы после отражения не попадали в канал "чистого газа" , верхняя стенка специальным образом профилируется. Нижняя стенка также профилируется с целью снижения потерь полного давления при повороте потока.

Описанная процедура очищения потока газа наглядно представлена на рис.№1.

Рис.4 Экспериментальная установка с прозрачной боковой стенкой.

Движение частиц в канале Л-образного ПЗУ получено на основе использования метода расчета течения в таком канале в трехмерной постановке.

Для исследования процессов в ПЗУ была создана в ЦИАМ им. П.И. Баранова экспериментальная установка, оснащенная современными измерительными приборами и компьютерами для обработки результатов в процессе прохождения эксперимента.

На рис.4 написано, какие параметры задачи можно измерять на установке.

Математическая модель движения полидисперсной среды в канале ПЗУ разрабатывалась одновременно с проведением экспериментов. Результаты математического моделирования сопоставлялись с соответствующими результатами эксперимента.

Так как задача создания ПЗУ представляет собой не только теоретический интерес, но и практическое приложение математические модели создавались разного уровня от простых до более сложных, детально описывающих процесс очистки газового потока. В таблице 1 представлено сравнение с экспериментом численных результатов, полученных разными методами и различной численной реализацией.

Таблица 1 Сопоставление результатов численного и экспериментального моделирования.

Как следует из данных таблицы 1 все созданные методы дают близкие результаты и хорошо согласуются с экспериментом. Математическое моделирование позволяет значительно сократить число необходимых экспериментов, изучать детали процесса, а также получать оптимальные решения с точки зрения эффективности устройства.

В таблице 2 показаны некоторые способы оптимизации формы канала, которые позволяют повысить степень очистки.

Наряду со степенью очистки потока важной характеристикой эффективности ПЗУ является коэффициент потерь полного давления. Чем меньше величина потерь, тем эффективнее работа устройства. Потери полного давления определяются в основном кривизной нижней стенки. При стремлении уменьшить потери необходимо соблюдать компромисс между разворотом потока и потерями полного давления.

Благодаря совместному использованию разработанных методов математического проектирования и эксперимента удалось создать оптимальное ПЗУ с коэффициентом очистки около 96-97% и потерями полного давления не более 2%

Таблица 2 Оптимизация формы канала ПЗУ.

На основе разработанных методов было спроектировано, изготовлено и экспериментально проверено ПЗУ для вертолетного двигателя и ПЗУ для защиты двигателей на установках ЦИАМ.

Таблица 3 Траектории частиц разных размеров в канале ПЗУ

Необходимо отметить, что работы по совершенствовании ПЗУ продолжаются и по сей день. Для корпуса ПЗУ предложено использовать композитные материалы, отличающиеся повышенной стойкостью к воздействия твердых частиц, меньшим весом и удобством изготовления. Канал ПЗУ может быть осесимметричным или иметь плоскую симметрию, как в таблице 2. Показатель симметрии ПЗУ определяется условиями использования. В таблице 3 приведены траектории частиц разных размеров в канале ПЗУ, которые детально описывают процесс очистки потока от посторонних частиц. Результаты, представленные в таблице 3 получены численно при использовании математически обобщенных результатов эксперимента по рикошету частиц от стенок канала. Визуализация результатов способствовала успешной оптимизации устройства.

В дальнейшем тема очистки различных газовых потоков от посторонних частиц развивалась в совместных работах ЦИАМ и РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. Были рассчитаны варианты течения метана с целью очистки его от твердых частиц при различных значениях управляющих параметров.

Конечно, параметры воздушного потока отличаются от потока газа, но универсальность математической модели позволяет при правильно заданных характеристиках потока;

Давление, скорость газа в потоке, его состав и температура

Гранулометрический состав и количество загрязнений на единицу объема.

Геометрические параметры трубопровода

рассчитать геометрические размеры инерционного сепаратора и накопителя загрязнений, имеющих степень очистки 80 - 90%.

Такую ловушку можно устанавливать в наиболее проблемных местах, например на байпасах крановых узлов.

:Рисунок 5 Крановый узел МГ с сепаратором

В начале эксплуатации газопровода кран сброса загрязнений находится в закрытом состоянии, по мере накопления загрязнений, кран надо открыть и сбросить грязь на свечу.

Эксплуатационные преимущества:

Инерционный сепаратор прост в изготовлении. Это отвод определенного радиуса и угла изгиба с приваренным накопителем.

Устройство не изменяет скорость потока газа и не содержит фланцевых соединений.

Установив последовательно набор устройств разных размеров, можно получать хорошие результаты очистки при разных скоростях движения газа.

В приведенном материале рассматривается применение опробованного метода для решения проблемы улавливания загрязнений с целью защиты внутренней полости шаровых кранов байпасных и свечных линий, как наиболее часто выходящих из строя элементов МГ. Расширив задачу можно применить данный метод для улавливания загрязнений, находящихся в полости всей линейной части.

Для этого можно рассматривать места врезки перемычек между двумя нитками, как место установки сепараторов, а участки перемычек, до момента соединения со второй ниткой, как накопители.

Рисунок 6 Применение перемычки между нитками как улавливатель и накопитель загрязнений

В результате, после пуска первой нитки 80-90% оставшихся в трубе загрязнений скопятся в глухих, на тот момент, ответвлениях, откуда их легко устранить в период работ по захлесту перемычки.

Таких перемычек, которые после внесения изменений можно было бы использовать как улавливатели загрязнений - 10 шт. - только на участке от КС «Гагарацкая» до КС «Воркутинская».

Разработка и внедрение данного метода потребует определенных затрат:

Сбор и обработка материалов о количестве и составе загрязнений по результатам очистки полости построенных трубопроводов.

Инновационная доработка математической модели до требуемых параметров газопровода.

Изготовление экспериментальной модели и проведение необходимых испытаний.

Разработка оснастки, изготовление пробной партии и проведение испытаний на полигоне. газопровод герметичность кран загрязнение

Однако эти затраты мизерны по сравнению с затратами на замену кранов, потерявших герметичность в процессе эксплуатации. А в условиях нормального финансирования задача по выпуску пробной партии, могла быть решена в течение 6 - 7 месяцев.

Размещено на Allbest.ru