9.2. Анализ методов перемещения сжиженных углеводородных газов

На кустовых базах, газонаполнительных и газоприемораздаточных станциях (ГПРС) операции, связанные с приемом, хранением, перемещением и раздачей сжиженных газов, являются основными технологическими операциями. Их можно осуществлять путем использования гидростатического напора жидкости между освобождаемым и приемным резервуарами, насосами, компрессорами, нагревом верхнего слоя жидкости в освобождаемом резервуаре и охлаждением жидкости в наполняемом резервуаре, созданием избыточного давления газа в паровом пространстве освобождаемого резервуара путем закачки в него инертного газа. Наряду с этим в настоящее время используются комбинированные методы перемещения: насосно-компрессорный, насосно-испарительный и перемещение насосами с помощью инжекторов.

Использование гидростатического напора. Слив сжиженных углеводородных газов осуществляют за счет разности уровней жидкости в опорожняемом и наполняемом резервуарах следующим образом. Опорожняемый и наполняемый резервуары соединяют по линиям паровой и жидкой фаз, давление в резервуарах выравнивают, и сжиженный пропан-бутан переливается за счет гидростатического напора столба жидкости.

Для обеспечения достаточной скорости слива при одинаковых давлениях в емкостях необходимо, чтобы за счет гидростатического напора создавался перепад давления не менее 0,7-1 кгс/см². При сливе пропан-бутановых смесей эта величина будет составлять 13-20 м. Если паровые пространства резервуаров не соединены уравнительной линией, то в наиболее худших условиях, когда температура в транспортной цистерне будет на 10-15 °С ниже, чем в стационарной емкости, необходимо, чтобы разность геометрических уровней резервуаров компенсировала и эту предельно возможную разность температур и соответствующий ей перепад давления.

Преимущества перемещения газа за счет разностей уровней следующие - исключительная простота конструктивного оформления, отсутствие механических агрегатов, надежность работы всех устройств, готовность схемы к работе в любое время, вне зависимости от наличия посторонних источников энергии.

Недостатки: возможность использования этого метода только в местностях с гористым рельефом, увеличенные размеры площадки, большие потери газа при отправлении его в виде остатков паров в цистернах, продолжительный слив. Поэтому указанный метод, несмотря на свою простоту, не может быть широко развит на практике.

Использование сжатого газа. При наличии вблизи КБ, ГНС или ГПРС источника инертного газа необходимого давления выгодным методом перемещения сжиженного газа из резервуара в резервуар является закачка инертного газа в паровое пространство освобождаемого резервуара. Причем инертный газ можно подавать через регулятор давления или компрессором.

Если температура в сливаемой и наполняемой емкостях одинакова, то парциальное давление инертного газа в сливаемой емкости должно только компенсировать гидравлические потери в системе слива, составляющие 1,5 - 2,0 кгс/см.

По окончании слива смесь паров и газа необходимо выпустить в атмосферу или, если эта смесь горючая, - в городской газопровод.

Для перемещения сжиженного газа по рассмотренному методу необходимо учитывать растворимость в нем инертного газа. В качестве основных побудителей перемещения рекомендуются газы: технический азот, двуокись углерода и природный газ. При все более увеличивающейся плотности газопроводной сети наиболее выгодным для этих целей мог бы быть природный газ, состоящий на 98,5 % из метана. Следует отметить, что растворимость метана в углеводородном газе незначительна. Наличие же в природном газе значительного количества этана, хорошо растворяющегося в пропане и бутане, особенно в зимнее время, может привести к переходу этана в жидкость и к увеличению упругости паров сжиженного газа в емкости (баллоне) выше допустимых норм при последующем нагреве баллона до нормальной температуры. Поэтому при сливе содержание этана в природном газе не допускается выше 3-5 %.

Использование природного газа на обычных насосно-компрессорных ГПРС также выгодно, поскольку из-за высокой упругости и отсутствия конденсации паров природного газа резко сокращается расход подаваемого газа на вытеснение сжиженного. К недостаткам следует отнести большие потери сжиженных газов при выходе их в атмосферу и необходимость снабжения сжатым газом.

Выбор оптимальных режимов проводят с учетом производительности и технологических особенностей КБ, ГНС и ГПРС. Принципиальная технологическая схема слива и налива сжиженных газов заключается в том, что парциальное давление природного газа в опорожняемом сосуде поддерживается постоянным. При этом природный газ из магистрального газопровода под давлением р_т > 1,7 МПа через узел редуцирования поступает в паровое пространство опорожняемой емкости (железнодорожной цистерны, автоцистерны) и создает там давление, необходимое для вытеснения жидкости в резервуары базы хранения или непосредственно в наполнительное отделение Используемый в системе дифференциальный регулятор давления автоматически поддерживает парциальное давление природного газа, превышающее упругость паров в опорожняемом сосуде на 0,2-0,5 МПа. Для ускорения процесса слива парциальное давление газа-вытеснителя может быть увеличено. Как показали результаты исследований, с увеличением парциального давления метана возрастает поток его в пропан-бутан и заметно сокращается время сливо-наливных операций. Однако повышение парциального давления сжатого газа вызывает рост его концентрации в газонасыщенном слое и при температуре 318 К способно вызывать увеличение давления в сосуде до 2,5-2,8 МПа, что значительно превышает рабочее (1,7 МПа). При малых значениях парциального давления метана доля некондиционного продукта в сжиженных газах опорожняемого резервуара уменьшается. При этом заметно снижается производительность КБ, ГНС и ГПРС по наполнению баллонов сжиженными газами.

Перемещение сжиженных углеводородных газов созданием разности температур в опорожняемом и наполняемом сосудах (нагревается сжиженный газ в освобождаемом резервуаре и охлаждается в наполняемом резервуаре). Из-за трудности осуществления широкого применения этот метод не нашел, так как нужно прогревать всю массу сжиженного газа.

Подогреватель выполняют в виде змеевика и обогревают водой или паром.

Для создания разности температур можно охлаждать сжиженный газ в наполненном резервуаре. Для этого жидкий газ пропускают через специальный теплообменник, охлаждаемый холодной водой или охлаждающим раствором. Охлаждать наполняемый резервуар можно также интенсивным испарением газа с отводом паров в газовые сети или в атмосферу. Испускания паров сжиженного газа в атмосферу следует избегать.

Для поддержания перепада давления 1,5-2 кг/см² необходимо создать перепад температуры для пропана 5-12 °С. Особенно выгодно применять данную схему, когда доставку сжиженного газа осуществляют по магистральному газопроводу и есть источник тепловых отходов (горячая вода, пар).

Перемещение сжиженных газов насосами. Перемещение сжиженных газов с помощью насосов является довольно интересным с точки зрения надежности, удобства, простоты, малых энергетических затрат и капитальных вложений, однако для этого необходимы специальные самовсасывающие насосы или насосы, которые всегда находились бы под действием гидростатического напора столба жидкости. Кстати, железнодорожные цистерны только с верхним сливом сжиженного газа затрудняют применение чисто насосной схемы слива.

Для надежной работы насосов необходимо разработать такую технологическую схему, чтобы непосредственно у входного патрубка насоса жидкость имела некоторый запас удельной энергии (напора) сверх упругости паров. Только в этом случае будет обеспечена бескавитационная работа насоса. В соответствии с этим сеть должна обладать некоторым кавитационным запасом, превосходящим допустимый кавитационный запас насоса ΔҺ _доп.

При перекачке насыщенной жидкости пропан-бутан давление на свободную поверхность ее в резервуаре равно упругости паров, поэтому бескавитационную работу насосов возможно обеспечить лишь тогда, когда геодезическая высота всасывания или уровень жидкости в резервуаре больше или равны потерям напора в подающем трубопроводе плюс допустимый кавитационный запас насоса и 0,5 м:

ΔҺ = ΔҺ _{доп +} Һ_{тр +} 0,5.

Перемещение сжиженных газов насосно-инжекторным способом.

Схема перемещения сжиженного газа насосно-инжекторным способом представлена на рис. 8.1.

Инжектор работает с помощью жидкости (до 40-60 %), подаваемой насосом 4. В схему включен напорный сосуд 2, который служит для постоянного залива жидкостью всасывающего патрубка насоса и сепарации паровой и жидкостной фаз после инжектора. Данная схема имеет замкнутое кольцо циркуляции сжиженного газа по пути: резервуар-инжектор-напорный сосуд-насос-наполнительная рампа (другой резервуар, куда перекачивается жидкость)-резервуар. В этой схеме насос работает в области относительно постоянного и поэтому устойчивого режима, независимо от интенсивности отбора сжиженного газа на рампе.

Перемещение сжиженных газов компрессором. Компрессором отсасывают паровую (газовую) фазу из заполняемого резервуара и нагнетают ее в паровое пространство опорожняемой емкости.

6

Рис. 9.1. Насосно-инжекторная технологическая схема с расположением инжектора в подземном резервуаре (а) или вне его (б):

1 - резервуар; 2 - сепаратор-газоотделитель; 3 - вентиль для запуска;

4 -насос; 5 - инжектор; 6 - линия для сброса паров.

Таким образом создается перепад давления и сжиженный газ перекачивается в емкость с меньшим давлением. Нагнетаемые компрессором пары сжиженного газа с повышенной температурой, соприкасаясь с поверхностью, подогревают верхний слой жидкости и способствуют испарению и дополнительному повышению давления в опорожняемой емкости. Отсасывание паров из заполняемого резервуара усиливает испарение и охлаждение жидкости, что тоже ускоряет процесс перемещения. Для эффективного ведения процесса слива необходимо поддерживать перепад давления между резервуарами в пределах от 0,15 до 0,3 МПа. Преимущества компрессорного способа перемещения сжиженных газов следующие:

—конструктивная простота схемы;

—полнота опорожнения емкостей;

—возможность регулирования скорости слива изменением перепада давления в емкостях;

— высокая производительность (0,3-1,00 м³/мин)

Недостатками компрессорного способа перемещения сжиженных газов являются:

—большой расход энергии;

—наличие в эксплуатации сложного агрегата;

—необходимость в трубопроводах паровой и жидкой фаз.

Перемещение сжиженных газов с помощью насосов и компрессоров. На КБСГ, ГНС и ГНП главным образом применяют насосно-компрессорные технологические схемы, при работе по которым все сливо-наливные операции осуществляют с помощью насосов и компрессоров. Слив сжиженного газа из железнодорожных цистерн, заполнение автоцистерн, удаление остаточных паров из опорожненных резервуаров производят компрессорами, заполнение баллонов сжиженным газом - насосами и компрессорами. Компрессоры создают в опорожняемом резервуаре давление, превышающее упругость паров сливаемой жидкости, что является необходимым условием нормальной работы насосов. Достоинствами насосно-компрессорной технологической схемы являются высокая производительность, надежность, полное опорожнение резервуара, широта технологического диапазона. К недостаткам следует отнести большие эксплуатационные расходы по ремонту и содержанию технологического оборудования.

Перемещение сжиженных газов с помощью насосов и испарителей. В районах Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока, где преобладают низкие среднегодовые температуры, в зимний период упругость паров пропан-бутана в резервуарах меньше 0,15 МПа, т. е. избыточное давление меньше 0,05 МПа. При этом отбирать пары из резервуаров базы хранения компрессором невозможно, так как снижается давление. Перемещение сжиженных газов в этих случаях осуществляют с помощью испарителей. При работе по рассматриваемой технологической схеме резервуары хранилища и испарители соединяют трубопроводами по жидкой и паровой фазам. Повышения давления в паровом пространстве опорожняемого резервуара достигают с помощью испарителей объемного или проточного типа. При этом пары сжиженных газов перегреваются за счет теплоты, принесенной извне.

Механизм операций слива с помощью объемных испарителей следующий. Смесью пропан-бутан наполняют один из испарителей, линию жидкой фазы от резервуаров отключают, подают теплоноситель. Сжиженный газ в теплообменнике (объемном испарителе) подогревается, упругость паров повышается, затем пары с высокой упругостью поступают в опорожняемый резервуар, в котором создается повышенное давление, за счет чего и производится слив пропан-бутана.

В насосно-испарительной технологической схеме повышение давления в паровом пространстве опорожняемого резервуара достигается с помощью испарителей объемного типа.

Они создают подпор, обеспечивающий нормальную работу насоса. Схема с использованием объемных испарителей применяется на КБ и ГНС большой производительности. На ГНС малой производительности и на ГРПС слив сжиженного газа производят с помощью проточных испарителей (рис. 8.2).

Опорожняемый резервуар по жидкой и паровой фазам соединяют с испарителем трубопроводами. Теплоноситель подводят к испарителю, где происходит испарение сжиженного газа и перегрев паров. Перегретые пары из испарителя поступают в опорожняемый резервуар. Подачу теплоносителя регулируют в зависимости от давления в опорожняемом резервуаре. Повышение давления в резервуаре способствует нормальной работе насоса при сливе сжиженного газа и наполнении им баллонов.

Рис. 9.2. Насосно-испарительная технологическая схема:

1,3 - резервуары; 2 - проточный испаритель; 4 - фильтр; 5 - насос; 6 -наполнительная рампа; 7 - баллоны; Ж - трубопровод жидкой фазы; П – тоже, паровой.