Обоснование применения газовых фильтров-сепараторов для комплексной очистки природного газа

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ И РАЗРАБОТКА ГАЗОВЫХ ФИЛЬТРОВ-СЕПАРАТОРОВ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ОЧИСТКИ ОТ ТВЁРДЫХ ПРИМЕСЕЙ, ВОДЫ, ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ, СМОЛИСТЫХ И САЖИСТЫХ ВЕЩЕСТВ

Редакционная информация. Статья размещена на сайте Novaprom.ru в связи с участием владельца сайта Усуева Заура Мухтаровича в её подготовке: он указан в числе соавторов работы наряду со специалистами Саратовского государственного технического университета имени Ю. А. Гагарина и ОАО «Гипрониигаз». Материал носит информационный характер.

УДК: 621.6.036.

Авторы: А. П. Усачев, доктор технических наук (Саратовский государственный технический университет имени Ю. А. Гагарина); А. Л. Шурайц, доктор технических наук, Д. В. Салин, З. М. Усуев (ОАО «Гипрониигаз»).

Аннотация. В природном газе, поступающем в распределительные газопроводы высокого давления, наряду с твёрдыми примесями могут присутствовать вода, жидкие углеводороды, смолистые и сажистые вещества. В статье рассмотрены причины появления этих загрязнений и обоснована необходимость комплексной очистки газа. Авторами предложена конструкция фильтра-сепаратора, в которой сепарационный и фильтрующий блоки размещены в одном корпусе и разделены наклонной перегородкой. Такое решение сочетает центробежное отделение жидких и твёрдых примесей с последующей фильтрацией газа.

Ключевые слова: газовый фильтр-сепаратор, природный газ, комплексная очистка, твёрдые примеси, вода, жидкие углеводороды, смолистые и сажистые вещества, сепарационный блок, фильтрующий блок, эффективность очистки.

Причины загрязнения природного газа

Природный газ, поступающий в распределительные газопроводы высокого давления, может содержать не только твёрдые частицы, но и воду, жидкие углеводороды, смолистые и сажистые вещества. Проведённый авторами анализ позволяет выделить несколько основных источников таких загрязнений.

1. Твёрдые частицы. Помимо примесей, поступающих со стороны газораспределительных станций (ГРС), в поток могут попадать загрязнения с внутренних поверхностей стальных газопроводов: окалина, сварочные и монтажные остатки, а также продукты коррозии. Сварочные остатки чаще проявляются в начальный период эксплуатации, тогда как продукты коррозии могут образовываться в течение всего срока службы газопровода.
2. Вода и жидкие углеводороды. Природный газ содержит пары воды и углеводородов. При снижении температуры ниже точки конденсации часть паров переходит в жидкое состояние. Наиболее уязвимы наземные участки газопроводов высокого и среднего давления перед газорегуляторными пунктами, особенно в холодных климатических районах и при малом потреблении газа.
3. Смолистые и сажистые вещества. Источником таких загрязнений могут быть жидкие углеводородные смеси типа пропан-бутан, содержащие частицы углерода и смолистые компоненты. При изменении температуры или давления жидкая углеводородная фаза переходит в паровую, а нерастворимые загрязнения осаждаются на поверхностях газопроводов и фильтрующих элементов.

Сажисто-смолистые загрязнения склонны к слипанию и способны быстро закупоривать ячейки фильтрующей сетки. При увеличении скорости потока ранее накопившиеся отложения могут срываться со стенок газопровода и залпово поступать на фильтрующий элемент, вызывая резкий рост его сопротивления и падение давления.

Рисунок 1. Фрагмент поверхности опорной сетки гофрированного фильтрующего элемента, покрытой слоем сажистых и смолистых примесей.

Ограничения традиционных фильтров и сепараторов

В газораспределительных организациях для очистки газа от механических примесей обычно применяют фильтры со сварным стальным корпусом, съёмной крышкой и сетчатым фильтрующим элементом. Такие аппараты эффективно задерживают твёрдые частицы в широком диапазоне расходов газа, однако вода и жидкие углеводороды сетчатой поверхностью практически не улавливаются, а смолистые и сажистые вещества быстро закупоривают её ячейки.

Сепараторы, использующие центробежный эффект, напротив, эффективно отделяют воду, жидкие углеводороды и часть твёрдых загрязнений. Их эффективность, однако, зависит от скорости потока. При существенном снижении расхода газа и скорости ниже расчётного диапазона степень отделения примесей уменьшается. Поэтому для линий с переменным расходом требуется решение, объединяющее преимущества сепарации и фильтрации.

Предлагаемая конструкция фильтра-сепаратора

Авторами предложена вертикальная конструкция, в которой сепарационный и фильтрующий блоки размещены в одном корпусе. Сепарационный блок расположен в нижней части аппарата, фильтрующий — в верхней. Блоки разделены наклонной перегородкой. Её угол выбран так, чтобы входной и выходной патрубки находились на одной отметке и аппарат можно было встроить в существующую технологическую линию.

Неочищенный газ поступает через входной патрубок в сепарационный блок. Дефлектор формирует вращательное движение потока и направляет его к внутренней поверхности корпуса. Под действием центробежных и гравитационных сил основная масса жидких и твёрдых примесей отделяется от газа и поступает в накопитель. Затем поток проходит через сепарационный элемент, теряет закрутку и через отверстие в перегородке направляется в фильтрующий блок.

В фильтрующем блоке газ движется по кольцевому пространству между корпусом и вертикальными гофрированными фильтрующими элементами. Проходя через фильтрующую поверхность, он окончательно очищается от твёрдых частиц, после чего поступает через выходной патрубок в газопровод.

Рисунок 2. Газовый фильтр-сепаратор с фильтрующим блоком в верхней части и сепарационным блоком в нижней части. Нажмите на изображение, чтобы открыть схему в полном размере.

Основные элементы конструкции

На рисунке 2 обозначены: 1 — дренажный штуцер; 2 — сепарационный блок; 3 — конус; 4 — сепарационный элемент; 5 — дефлектор; 6 — входной патрубок; 7 — фильтрующий блок; 8 и 10 — цилиндрические фильтрующие элементы с гофрированной поверхностью; 9 — ограничитель положения фильтрующих элементов; 11 — фланец; 12 — съёмная крышка фильтра-сепаратора; 13 — крышка, предотвращающая попадание неочищенного газа во внутреннее пространство фильтрующих элементов.

Также показаны: 14 — гайка и резьбовая шпилька; 15 — болтовое соединение; 16, 17 и 19 — плоские уплотнительные прокладки; 18 — стакан с кольцевым основанием; 20 — выходной патрубок; 21 — наклонная перегородка; 22 — сепарационные пластины; 23 и 25 — верхняя и нижняя кольцевые пластины; 24 — радиальная пластина; 26 — диффузор; 27 — накопитель загрязнений и жидкой фазы; 28 — дренажный кран; 29 — изогнутая пластина.

Работа сепарационного блока

Дефлектор у входного патрубка формирует вихревое движение потока и препятствует прямому проходу газа в осевую зону без предварительного отделения загрязнений. Основная масса примесей выделяется в пространстве между стенкой корпуса и сепарационными пластинами. Частицы отбрасываются к стенке корпуса и по нисходящей спирали перемещаются в накопитель.

Изогнутая пластина образует карман, способствующий осаждению загрязнений. Кольцевая щель между диффузором и конусом обеспечивает их поступление в накопитель и препятствует повторному уносу. Удаление накопившихся жидких и твёрдых примесей производится через дренажный штуцер и кран. По предложенной авторами схеме эта операция может выполняться без остановки фильтра-сепаратора, если такое обслуживание предусмотрено проектом, регламентом эксплуатации и требованиями безопасности конкретного объекта.

Компоновка фильтрующего блока

Согласно приведённым в статье исследованиям, экономичной является вытянутая вертикальная компоновка фильтрующего блока. Вместо одного элемента большой высоты предложено применять несколько последовательно установленных по высоте гофрированных фильтрующих элементов с мягкими уплотнительными прокладками между торцами. Такое решение сокращает необходимую высоту для их извлечения при обслуживании. Положение и устойчивость блока обеспечиваются ограничителем с радиальными стержнями.

Оценка эффективности очистки

По расчётам и данным исследований, приведённым авторами статьи, предлагаемая конструкция обеспечивает следующие показатели при соблюдении расчётного режима:

• до 99,7 % для капель воды и жидких углеводородов размером более 0,008–0,01 мм (8–10 мкм);
• до 99,9 % для твёрдых частиц размером более 0,06–0,08 мм (60–80 мкм) при применении фильтрующих элементов из плетёной металлической сетки с соответствующим размером ячейки;
• до 99,9 % для твёрдых частиц размером более 0,007 мм (7 мкм) при применении фильтрующих элементов из гофрированного фетра либо влагостойкой целлюлозной бумаги со специальной пропиткой.

Заявленная эффективность отделения воды и жидких углеводородов достигается при скорости потока газа в сепарационном блоке не менее 12 м/с. При снижении скорости ниже расчётной центробежное отделение ухудшается, нагрузка на фильтрующий блок возрастает, а интервалы между его обслуживанием сокращаются. Поэтому фактические показатели должны подтверждаться расчётом и испытаниями для конкретного состава газа, диапазона расходов, давления и выбранных фильтрующих материалов.

Преимущества объединённой компоновки

• комплексная очистка природного газа от твёрдых примесей, воды, жидких углеводородов, смолистых и сажистых веществ;
• совмещение предварительной центробежной сепарации и последующей тонкой фильтрации в одном корпусе;
• сокращение металлоёмкости за счёт отказа от отдельного корпуса, одной крышки и одного эллиптического днища по сравнению со схемой из двух аппаратов;
• уменьшение занимаемой площади благодаря вертикальному размещению блоков один над другим;
• отсутствие отдельного картриджа предварительной фильтрации и связанных с ним операций замены;
• возможность удаления накопившихся загрязнений через дренажный узел в процессе эксплуатации — при наличии безопасного проектного и регламентного решения.

Выводы

1. Количество загрязнений в распределительных газопроводах определяется не только качеством газа на выходе из ГРС. Дополнительными источниками твёрдых частиц служат монтажные и сварочные остатки, окалина и продукты коррозии внутренних поверхностей трубопровода.
2. Вода и жидкие углеводородные фракции могут образовываться непосредственно в распределительной сети вследствие конденсации при снижении температуры газа.
3. Смолистые и сажистые загрязнения способны быстро закупоривать фильтрующие сетки и вызывать резкое увеличение перепада давления.
4. Для одновременного удаления твёрдых и жидких загрязнений обосновано объединение сепарационного и фильтрующего блоков в одном корпусе.
5. Предлагаемая вертикальная компоновка позволяет уменьшить занимаемую площадь и металлоёмкость аппарата по сравнению с установкой отдельных ступеней предварительной и тонкой очистки.

Редакционное примечание. Нормативные ссылки и количественные показатели приведены по авторской рукописи и отражают контекст исходной публикации. При проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования необходимо руководствоваться действующими нормативными требованиями, исходными данными объекта и результатами инженерного расчёта.

Литература

1. ГОСТ 5542-87. Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 1994. 5 с.
2. Густов С. В. Источники возникновения и размеры взвешенных в природном газе твёрдых частиц // Нефтегазовое дело. Уфа, 2011. № 4. Т. 9. С. 98–101.
3. Усачев А. П., Шурайц А. Л., Густов С. В. и др. Теоретические и прикладные основы повышения эффективности и безопасности эксплуатации установок грубой очистки природного газа от твёрдых частиц в системах газораспределения: монография. Саратов: СГТУ, 2013. 172 с.
4. Усачев А. П., Шурайц А. Л., Желанов В. П. Выявление негативных воздействий на затворы регуляторов давления природного газа // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: сборник научных трудов. Саратов: СГТУ, 2010. С. 26–32.
5. Волков М. М., Михеев А. Л., Конев К. А. Справочник работника газовой промышленности. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1989. 285 с.
6. Промышленное газовое оборудование: справочник. 6-е изд., перераб. и доп. Саратов: Газовик, 2013. 1125 с.
7. Шур И. А. Газорегуляторные пункты и установки. Л.: Недра, 1985. 288 с.
8. Биргер М. И., Вальдберг А. Ю., Мягков Б. И. Справочник по пыле- и золоулавливанию. М.: Энергоатомиздат, 1983. 312 с.
9. Страус В. Промышленная очистка газов: перевод с английского. М.: Химия, 1981. 616 с.
10. Коузов П. А., Мальгин А. Д., Скрябин Г. М. Очистка газов и воздуха в химической промышленности. СПб.: Химия, 1993. 320 с.
11. Усачев А. П., Густов С. В. Математическая модель оптимизации геометрических параметров фильтров, располагаемых в обогреваемых помещениях // Электронный журнал «Нефтегазовое дело». Уфа, 2014. № 4. С. 279–301.

Связанные материалы

Газовые фильтры ФГ-НП — производство НОВАПРОМ; промышленные сепараторы НОВАПРОМ; запросить расчёт и коммерческое предложение.