Разрушение кристаллогидратов на ГРС и КС магистральных газопроводов

Возможность модернизации магистральных газопроводов Украины на основе метода разрушения кристаллогидратов в поле мощного ультразвука

ВВЕДЕНИЕ

Образование кристаллогидратов в магистральных газопроводах является одной из серьезных проблем в транспортировке газа потребителям. Сегодня транспортная система борется с этими явлениями несколькими путями:

1.Снижением давления в транспортной системе.

2.Введением метанола в места образования кристаллогидрата.

3.Подогревом газа, либо местным обогревом редуцирующего клапана.

Все эти методы ведут к значительным потерям в эффективности работы газотранспортной системы.

Внедрение нашего метода разрушения гидратообразований позволит газотранспортной системе отказаться от метанольного хозяйства, от подогрева газа, что значительно сократит технологические потери газа, а применение однопроводной системы освещения территории и производственных помещений позволит значительно сократить потребление электроэнергии, что также способствует оптимизации процесса транспортировки газа.

Учитывая то, что потребляемая мощность нашего оборудования не более 250Вт, это даст значительный экономический эффект.

Гидратообразование природных газов

Как известно, в состав природного газа помимо основной составляющей (метана) входят также более тяжелые газообразные углеводороды - этан, пропан, бутан и др., а также пары воды, конденсата, механические примеси в виде силикатной и гематитовой пыли и др. Несмотря на проводимую на головных промысловых сооружениях осушку и очистку, транспортируемый газ, тем не менее, содержит в небольших количествах все указанные компоненты. Поэтому при проектировании и эксплуатации ГРП и ГРС необходимо учитывать влияние этих компонентов и принимать меры для предотвращения вредных последствий, вызываемых ими. Наличие в транспортируемом газе указанных компонентов при определенных значениях температуры и давления приводит к переходу составляющих газа из газовой фазы в твердую, кристаллическую, называемую кристаллогидратом.

Основное отрицательное влияние оказывает сам метан, примеси в газе этана, а также более тяжелых углеводородов (пропана, бутана и др.), которые при наличии в газе паров воды и определенных значений температуры и давления образуют на стенках трубопроводов и деталях регуляторов скопления твердых кристаллогидратов и гидратные пробки в импульсных линиях обвязки регулятора.

Кристаллогидраты природных газов внешне похожи на мокрый спрессованный снег, переходящий в лед. Образовавшиеся гидраты создают пробки в трубопроводах и отлагаются на деталях регуляторов, что приводит к примерзанию затворов к седлам и закупориванию проходных сечений регуляторов давления.

Примерзание затворов регуляторов к седлам в зимнее время на газораспределительных станциях, не имеющих специальных устройств, для борьбы с гидратообразованием, происходит часто, что делает обязательным присутствие на этих станциях дежурных операторов.

Возникновение кристаллогидратов обусловлено сочетанием определенного давления, температуры и насыщения природных газов парами воды. Гидраты представляют собой неустойчивое соединение углеводородов с водой; они распадаются после того, как упругость паров воды в газе будет ниже парциальной упругости паров воды в кристаллогидрате. Одним из главных факторов, обуславливающих образование гидратов природных газов, является насыщение последних парами воды. При этом объемная скорость накопления гидратов зависит от скорости изменения влагосодержания газа с изменением давления и температуры.

Количество граммов воды в кубическом метре природного газа, или абсолютная влажность газа, может быть определена по температуре точки росы этого газа в зависимости от его абсолютного давления.

Предупреждение образования гидратов может быть осуществлено подогревом газа, снижением давления, вводом ингибиторов гидратообразования или электролитом.

Подогрев газа применяют для борьбы с гидратами в условиях, когда они образуются в результате местного редуцирования (снижения давления газа), а рабочая температура превышает температуру начала образования гидратов. Подогрев газа наиболее целесообразно применять на газораспределительных станциях для обеспечения нормальной работы приборов и оборудования.

Снижение давления используют для ликвидации уже образовавшихся гидратов. Метод снижения давления дает положительный эффект для ликвидации гидратной пробки, образовавшейся при положительных температурах. Хорошие результаты дает метод снижения давления с периодическим вводом ингибиторов, которые переводят воду из гидрата в раствор с низкой температурой замерзания и тем самым позволяют ликвидировать гидратные пробки.

В тех случаях, когда изложенные способы не могут быть использованы для борьбы с гидратами, применяют метод ввода в поток газа антигидратных ингибиторов: метиловый спирт, (метанол), этиленгликоль, диэтиленгликоль, триэтиленгликоль, этилкарболит или электролиты в виде растворов хлористого кальция, поваренной соли, хлористого лития, аммиака и др.

Ингибиторы и электролиты, введенные в насыщенный водяными парами поток природного газа, частично поглощают их и переводят вместе со свободной водой в раствор, который или совсем не образует гидратов, или образует при температурах более низких, чем температура гидратообразования при наличии чистой воды.

Наиболее распространен способ ввода метанола в поток газа. При этом метанол образует с жидкой влагой спиртоводные смеси, температура замерзания которых значительно ниже нуля. Пары воды поглощаются из газа, что значительно снижает точку росы, и, следовательно, создаются условия для разложения гидратов или для предупреждения их образования.

Гликоли (этиленгликоль, диэтиленгликоль и др.) по своим качествам являются более сильными, но и более дорогими антигидратными ингибиторами по сравнению с метанолом. Однако гликоли обладают свойством регенерации после использования, что значительно снижает стоимость их применения.

Практика показала, что часто наблюдаются случаи, когда газ из магистральных газопроводов поступает на ГРС с большим содержанием влаги с температурой точки росы от минус 2 до +5 С. При этом фактическая температура газа в зимнее время на Украине может достигать минус 3^оС и ниже.

При редуцировании газа в регуляторах давления температура газа за регулятором снижается ещё больше (примерно на 0,55^оС на 1 кгс/см² снижения давления). Так, при снижении давления с 35-40 до 3 кгс/см² температура газа понижается на 17-19^оС и достигает минус 20…22^о С.

При указанных температурах и давлениях создаются благоприятные условия для образования кристаллогидратов. Эти гидраты образуются на входных участках газопроводов, проникают в дросселирующие органы регуляторов давления, скапливаются в них, что приводит к примерзанию затворов регуляторов и закупориванию проходных сечений.

Кроме того, из-за низкой температуры газа (до минус 22^оС) за регулятором после снижения давления на ГРС наблюдается интенсивное обмерзание трубопроводов и арматуры. Низкая температура трубопровода и большой слой льда увеличивают внутреннее напряжение в металле трубопроводов, узлах крепления и т.д., что является вредным и опасным явлением.

Метод разрушения кристаллогидратов в магистральных газопроводах

Сущность процесса.

Схема этого процесса приведена на рис.1.1. Генератор 7 вырабатывает импульсы электрического тока ультразвуковой частоты (22 кГц) и подает их на пьезоэлектрические пластины 6 преобразователя, обеспечивая работу преобразователя на частоте механического резонанса и с необходимой амплитудой (А) колебаний. Продольные механические колебания ультразвуковой частоты преобразователь передает к концентратору 4, который, за счет разницы площадей поперечного сечения входного и выходного торцов, усиливает значение (А) амплитуды. Излучатель 5 с помощью хомутов 1 крепится (не требуя проведения при монтаже огневых работ) на трубе 2 газопровода и сообщает ей механические колебания ультразвуковой частоты. С определенным затуханием эти колебания распространяются по всей ее массе. При их прохождении через границу металл трубы – образовавшийся кристаллогидрат 8 из-за разности в скоростях распространения в этих средах звуковых волн в их пограничных зонах возникают механические напряжения, разрушающие более хрупкую среду - кристаллогидраты.

Кристаллогидраты представляют систему гидрат-лёд-вода-газ, дополнительно, под воздействием ультразвука в системе вода-лёд, образуются кавитационные процессы, приводящие к более быстрому разрушению кристаллогидратов и препятствующие росту новых гидратообразований.

Проведенные нами практические эксперименты полностью подтверждают работоспособность и эффективность данного метода разрушений гидратообразований. Эксперименты проводились с пьезокерамическим излучателем, акустической мощностью излучения Р = 0,1 кВт на частотах около 22 кГц с амплитудами колебаний от 10 до 20 мкм. Для отработки технологии и оптимальных режимов воздействия на кристаллогидраты необходимо создание специализированного стенда (см. далее) и апробации метода на действующей ГРС магистрального газопровода.

Рис.1.1 Схема разрушения гидратообразований в трубах магистральных газопроводов с помощью ультразвука.

1- хомут, 2- труба, 3- шпилька, 4-концентратор, 5-излучатель, 6-пьезокерамика,

7- генератор, 8- зона образования гидратов.

Ультразвуковая установка разрушения гидратообразований УЗУРК-1-100

Установка УЗУРК-1-100 предназначена для разрушения гидратообразований на магистральных газопроводах и может быть установлена на трубопроводах различных диаметров, что позволяет применять ее на ГРС с централизованной, периодической, надомной и вахтенной формой обслуживания, а также на компрессорных станциях, АГНКС, других местах образования кристаллогидрата.

Установка состоит из ультразвукового генератора, преобразующего электрическую энергию промышленной частоты 50 Гц 220В, в энергию переменного тока ультразвуковой частоты, и пьезокерамического излучателя выходной мощности 100 Вт. Излучатель размещается в местах образования кристаллогидрата, а генератор устанавливается в расходомерном помещении ГРС или в операторной. Установка изготовлена в строгом соответствии к требованиям работы на ГРС и изготовлена согласно с требованиями "Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей" и "Правил безопасной эксплуатации электроустановок потребителей".

Установка отвечает требованиям ПУЕ, ДНАОП 000-1.32 и "Правил пожарной безопасности в газовой промышленности Украины". Уровень шума на рабочем месте не превышает действующих санитарных норм СН-245 (ДНАОП 0.03-3.01). Работа и обслуживание установки не требует дополнительного обучения операторов ГРС и работает в постоянном или повторно-кратковременном режиме без вмешательства оператора.

Монтаж и пуско-наладка осуществляется согласно СНиП 3.05.07, СНиП III-4 и ведомственных нормативных документов. Эти работы выполняются согласно утвержденной проектно-конструкторской документации, проектом выполнения работ и технической документации предприятия производителя. Работы проводятся согласно наряд-допуска на газоопасные работы, представителями изготовителя совместно со службой ГРС и КИПа ЛПУМГ и согласно наряда-допуска, не требует проведения огневых работ. Работы по монтажу входят в разряд газоопасных. Специалисты нашей лаборатории имеют допуск на проведение данных работ на ГРС ЛПУМГ.

Вопросы технической эксплуатации и безопасного обслуживания установки соответствуют:

- СТП 320.30019801.018-2000 "Правил технической эксплуатации магистральных трубопроводов";

- НАОП 1.1.23-1.03-84 "Правил безопасности при эксплуатации магистральных газопроводов";

- "Положению по технической эксплуатации газораспределительных станций магистральных газопроводов" (Утверждено Мингазпромом СРСР от 12.08.1988г);

- СТП 320.300119801.033-2001 "Правила технической эксплуатации газораспределительных газопроводов".

На рис 1.2 представлена принципиальная технологическая схема установки излучателя на нитке редуцирования ГРС.

На рис 2. показана схема установки излучателя после регулятора типа РД на нитке редуцирования ГРС.

Рис. 1.4; 1.5; указаны места установки излучателей на клапанах типа РД и РДУ.

Конструкция излучателя позволяет установить его практически на любой регулятор давления в месте образования кристаллогидрата. Работа излучателя не влияет на работу редуцирующего клапана и соответственно на технологию редуцирования газа. Оптимизация технологического процесса разрушения кристаллогидрата, позволит минимизировать внутренние напряжения в местах воздействия, и практически не будет негативно сказываться на сроке эксплуатации редуцирующего клапана и магистрального трубопровода. Дополнительно нами разработаны узлы монтажа излучателей, не передающих излучение на клапан и трубопровод, но этот способ установки требует проведения огневых работ, что нежелательно и ведет к дополнительным затратам.

Ниже представлен сборочный чертёж типового ультразвукового преобразователя, предназначенного для установки на редуцирующий клапан типа РД-64, которые в основном применяются на ГРС и требуют модернизации, проводя установку излучателей, есть возможность сделать капитальный ремонт редуцирующих клапанов.

На рисунке 1.7 представлен излучатель, устанавливаемый на трубопровод диаметром Dy, состоит из (чертеж УЗИ СБ ) 1.ИЗЛУЧАТЕЛЬ, 2.ОТРАЖАТЕЛЬ, 3.ШПИЛЬКА, 4.ИЗОЛИРУЮЩАЯ ПРОКЛАДКА, 5.ПЛАСТИНА, 6.ФЛАНЕЦ, 7,9.ГАЙКА, 8.ПРОКЛАДКА, 10.ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЕ КОЛЬЦА.

Внедрение метода

Внедрение данного метода разрушения кристаллогидрата на магистральном трубопроводе позволит:

- экономить ежегодно значительное количество технологического газа, используемого на подогрев (для более точного экономического анализа отсутствуют исходные данные);

- значительно сократить использование метанола-яда в технологическом процессе транспортировки газа, а по мере освоения метода вообще отказаться от метанольного хозяйства;

- значительно оптимизировать технологию транспортировки газа в зимний период (нет необходимости снижать давление в системе);

- существенно снизить потребление электроэнергии;

- разработать принципиально новую и экономичную систему катодной защиты;

- провести капремонт оборудования на ГРС и компрессорных станциях.

Освоение метода предлагается осуществлять следующим образом:

1. Изготовить стенд для отработки оптимальных режимов и технологии разрушений гидратообразований, ультразвуковое оборудование изготовлено и готово к применению, разработано КД и ТД, а также инструкции по правилам эксплуатации и охране труда.

2. Оснастить действующие ГРС магистрального газопровода установками УЗУРК-1-100 для апробации работы в реальных условиях.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Зав. Лаборатории Валерий Буряков