ГАЗИФИКАЦИОННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2006 года по МПК F17C9/02 

Изобретение относится к области хранения и газификации сжиженных газов и может использоваться в промышленности для получения газообразного продукта под давлением.

Известен испаритель воздушного типа (см. Испарители CO₂ воздушного типа, проспект фирмы Юнион Инжиниринг), состоящий из двух независимых теплообменников, переключающихся то в рабочий режим, то в режим размораживания. Теплообменники вместе с коммуникациями, запорной арматурой, инструментарием и пультом управления установлены на жестком каркасе. Каждый теплообменник представляет собой установленный в стальной корпус медный змеевик, развальцованный внутри алюминиевых пластин. Испаритель оснащен воздуходувками для создания потока воздуха. Нагнетаемый воздуходувками воздух подается с малой скоростью в целях удержания влаги внутри установки. На линии выхода газообразного СО₂ установлен термовыключатель для предотвращения проникновения жидкой углекислоты в трубопровод после испарителя. Подача жидкого СО₂ в теплообменник регулируется электрическими клапанами. Таймерный блок поочередно открывает один и закрывает другой теплообменник. Таким образом, один теплообменник работает в режиме испарителя, а другой в это время стоит в режиме регенерации, потребляя воздух на оттаивание влаги, намерзшей в виде шубы во время работы в режиме испарителя. Оттаявшая вода стекает в алюминиевый лоток и сбрасывается в дренаж.

Широко используются в промышленности для получения газообразного кислорода газификаторы типа ГХ и ГХК, которые представляют собой комплекс оборудования, состоящий из криогенного резервуара, блоков испарителей, трубопроводов обвязки. На трубопроводах установлена запорно-регулирующая и предохранительная арматура. Комплекс оборудования оснащен соответствующими приборами контроля (см. Криогенное оборудование: Каталог / ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ - М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1989, с.62-64).

Газификатором такого типа является газификатор марки Г-7,4-0,5/20 (см. Установки газификационные стационарные. Руководство по эксплуатации, 1985), в котором сжиженный газ под избыточным давлением подается насосом из резервуара через стабилизатор в испаритель. Испаритель представляет собой размещаемый на открытой площадке вертикальный аппарат, внутри которого установлен вентилятор и панели змеевиков. Змеевиком является стальная труба, имеющая продольные ребра из алюминия. В испарителе за счет теплообмена с воздухом, прогоняемым вентилятором, происходит испарение газа. После испарителя газ нагревают до заданной температуры в догревателе. Затем газ поступает опять в стабилизатор, откуда через обратный клапан подается в трубопровод на потребление. Образующиеся в резервуаре пары сбрасываются в атмосферу через вентиль газосброса. При газификации вентиль газосброса закрыт, рабочая жидкость через открытый вентиль подачи подается насосом в испарители. При работе насоса в результате нагрева образуются пары, которые через открытый вентиль связи по газу возвращаются обратно в резервуар. Возвращаемые пары способствуют поддержанию определенного давления в резервуаре. В процессе газификации параметры газообразного продукта контролируются визуально. Давление нагнетания проверяется по манометру, а температура по прибору термометра сопротивления. Температура воды в догревателе контролируется также по показаниям термометра сопротивления. Перегрев воды в догревателе регулируется термореле, датчик которого вмонтирован в крышку догревателя. Защита от превышения давления на линии нагнетания обеспечивается предохранительным клапаном с помощью электроконтактного манометра, контакты которого отключают двигатель насоса. Сброс давления в системе после остановки, а также продувка при пуске осуществляются через продувочный вентиль. Для поддержания температуры газа на выходе из установки предназначен стабилизатор.

Известные газификаторы этого типа рассчитаны на низкий холод (температура сжиженного газа -180 - -196°С). Температурный напор при температуре атмосферного воздуха +20°С составляет 200. Но тепла атмосферного воздуха, как правило, недостаточно, так как сжиженный газ переходит в газообразное состояние при температуре -100°С. Для доведения температурных параметров до заданных значений обычно устанавливают догреватели или батареи панельных испарителей, соединенных параллельно. Оснащение установки дополнительными устройствами не только усложняет ее конструктивное исполнение, но и снижает надежность. Кроме того, работа с низкотемпературными жидкостями сопровождается сильным обмерзанием оборудования, возникает необходимость его оттаивания, поэтому процесс газификации цикличен. Однако при открытом газосбросе установка должна работать без остановки в постоянном режиме, поэтому цикл оттаивания сопровождается безостановочной работой насоса и испарителя, что влечет большие энергозатраты. Параллельной компоновкой испарителей, описанных в уровне техники, один из которых находится в рабочем режиме, а другой в режиме оттаивания невозможно существенно снизить энергетические затраты.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для газификации сжиженных газов, содержащее теплоизолированную емкость-хранилище с линией отбора сжиженного газа, клапан-отсекатель, установленный на линии отбора сжиженного газа, газовую линию и испарительную систему (см. авт. свид. СССР №655875, кл. F 17 С 9/02, 1979 г.). Испарительная система устройства объединяет в одном корпусе два испарителя и нагреватель. Оба испарителя системы - трубчатые, причем один испаритель системы выполнен в виде змеевика, а другой размещен концентрично первому. Оба испарителя сообщаются в нижней части через две кольцевые цилиндрические камеры нагревателя. Кроме того, испарительная система снабжена герметичным кожухом с ребрами, установленными между стенками полости. Ребра выполнены со щелями, расположенными в чередующемся порядке вверху и внизу. Давление в испарительной системе и в сети контролируется двумя манометрами. Параметры давления регулируются соответствующим клапаном. Теплоносителем в нагревателе является пар или горячая вода.

В известном устройстве испарители функционально разделены. Змеевиковый испаритель работает на газовой фазе сети потребления, а на газовой фазе сосуда работает другой испаритель. Однако энергетически такое функциональное разделение неоправданно, так как нагреватель осуществляет подачу теплоносителя, температура которого фиксируется датчиком для обоих испарителей. Нагреватель рассчитан не на переменную работу испарителей, а на режим их постоянной, безостановочной работы. Известное устройство за счет попеременного отбора жидкой и газообразной фаз обеспечивает в системе автоматическое поддержание давления в заданных пределах, однако, присутствие горячего пара или воды наряду со сжиженным газом создает определенные сложности в обеспечении надежности. Испарительная система помимо трубчатых испарителей включает еще и кольцевые камеры, куда из емкости-хранилища поступает сжиженный газ. Из кольцевых камер сжиженный газ поступает в испарители, а затем в межстенную полость кожуха, в который заключены кольцевые камеры. В известном устройстве для газификации сжиженных газов за счет оснащения испарительной системы двустенным герметичным кожухом с ребрами, которые выполнены с чередующимися щелями, достигается определенное снижение энергетических затрат. Однако достижение такого результата возможно при наличии в конструкции специально установленных дополнительных средств, которые обеспечивают уменьшение энергетических затрат, но изменяют принцип работы устройства. Известное устройство является устройством периодического действия. Отсюда следует, что среди недостатков известного устройства можно выделить высокие энергетические затраты при эксплуатации, сложность конструкции и ее недостаточную надежность.

Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемого изобретения - упрощение конструкции, повышение надежности и снижение энергетических затрат при эксплуатации газификационной установки

Указанный технический результат достигается тем, что в известной газификационной установке, содержащей емкость-хранилище, которая трубопроводом жидкой фазы через клапан-отсекатель подсоединена к испарительной системе, оснащенной трубчатыми испарителями и нагревателем, один испаритель которой связан с трубопроводом газовой фазы емкости-хранилища, а змеевик другого испарителя соединен с сетью потребления газа, в соответствии с изобретением трубопровод газовой фазы емкости-хранилища оснащен датчиком давления и соединен через клапан-отсекатель с сетью потребления, а змеевики испарительной системы установлены не выше минимально допустимого уровня жидкой фазы емкости-хранилища.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил сделать вывод об отсутствии аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из числа аналогов изобретения наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога-прототипа позволяет выявить по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату совокупность существенных отличительных признаков заявляемой газификационной установки, представленных в формуле изобретения. Отличительными признаками изобретения являются дополнительно установленный трубопровод с клапаном-отсекателем, связывающий газовую линию емкости-хранилища и сеть потребления, оснащение установки группой испарителей одного конструктивного исполнения. Все испарители в испарительной системе змеевикового типа и установлены не выше минимально допустимого уровня жидкой фазы емкости-хранилища. Выявленные отличительные признаки позволяют сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

Предлагаемая компоновка оборудования позволяет упростить конструкцию установки в целом. Расположение змеевиков испарителя не выше минимально допустимого уровня жидкой фазы емкости-хранилища позволило исключить насосный агрегат из числа единиц оборудования установки. Предлагаемое к защите техническое решение при эксплуатации установки позволяет использовать мощности испарителей как в параллельной, так и последовательной схеме включения. При открытых клапанах-отсекателях емкость-хранилища соединена с трубопроводом жидкой фазы и с трубопроводом газовой фазы, газ из испарителя поступает на потребление и в емкость-хранилище. В емкость-хранилище поступает избыток газа, если датчик давления показывает недостаток давления в сравнении с заданным значением. При закрытых клапанах-отсекателях в испаритель жидкая фаза не поступает, а поступает газ из резервуара. Газ проходит последовательно через каждый змеевик испарительной системы и поступает на потребление. Оттаивание оборудования происходит без остановки процесса подачи газа в сеть потребления как при подаче жидкой фазы в испарительную систему, так и при подаче газовой фазы за счет разницы теплоемкостей жидкой и газовой фаз. Газовые трубопроводы емкости-хранилища и сети потребления связаны трубопроводом-перемычкой с клапаном-отсекателем. При этом появляется возможность установить испарители небольшой мощности и подключить их вместе на одновременную работу: или на вход жидкости, или на вход газа. Мощность всех испарителей может быть использована на сеть потребления и на емкость-хранилище. При работе по жидкости с поступлением газа в емкость-хранилище давление поднимается, подпор жидкой фазы увеличивается и при достижении в емкости-хранилище заданных параметров давления начинается работа по газовой фазе. В процессе работы нет необходимости отключать часть испарителей на оттаивание, которое происходит в режиме работы устройства по газу. Заявляемое техническое решение не вытекает из известного уровня техники явным образом, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние существенных признаков заявляемого решения на достижение технического результата.

На чертеже представлена принципиальная схема газификационной установки.

Газификационная установка содержит емкость-хранилище 1, связанную трубопроводом жидкой фазы 2 через клапан-отсекатель 3 с испарительной системой 4. Испарительная система 4 состоит из группы змеевиков 5, 6, а также включает нагреватель 7 и вентилятор 8. На выходе из испарителя 4 змеевики группы 5 соединены с емкостью-хранилищем 1 трубопроводом 9 газовой фазы, а змеевики группы 6 соединены с трубопроводом 10 сети потребления газа. Трубопроводы 9 и 10 соединены между собой трубопроводом 11 через клапан-отсекатель 12, который как и клапан 3 на трубопроводе жидкой фазы 2, управляется датчиком давления 13, установленным на трубопроводе газовой фазы 9 емкости-хранилища 1. Нагреватель 7 испарительной системы 4 управляется датчиками температуры 14, 15, размещенными соответственно на трубопроводе жидкой фазы 2 перед входом в испарительную систему 4 и на трубопроводе 10 сети потребления. Емкость-хранилище 1 оснащена запорными вентилями 16, 17 и контрольно-измерительными приборами, а трубопровод 10 сети потребления - запорным вентилем 18 для контроля и регулирования давления в испарительной системе и сети потребления установлены манометры 19, 20 и клапан 21. Змеевики 5, 6 испарительной системы 4 для обеспечения постоянного подпора жидкой фазы расположены ниже минимально допустимого уровня жидкой фазы емкости-хранилища 1.

Установка работает в циклическом режиме следующим образом. Сжиженный газ из емкости-хранилища 1 по трубопроводу жидкой фазы 2 поступает в испарительную систему 4. При этом запорные вентили 16, 17, 18 и клапаны 3, 12 открыты. Пропускание жидкой фазы через змеевики системы 4 сопровождается испарением газа. Испаряющийся газ поступает частично по трубопроводу газовой фазы 9 в емкость-хранилище 1 для поддержания давления в заданном датчиком 13 режиме, частично в сеть потребления по трубопроводу 10. Змеевики группы 5 и 6 испарительной системы 4 работают в параллельной схеме. Давление в емкости-хранилище 1 медленно поднимается. В какой-то момент времени давление достигает заданного значения, датчик давления 13 выдает сигнал, клапаны-отсекатели 3 и 12 одновременно автоматически закрываются. Подача жидкой фазы из емкости-хранилища 1 в испарительную систему 4 прекращается, а по трубопроводу 9 газовой фазы из емкости-хранилища 1 сначала в змеевики группы 5, затем в змеевики группы 6 поступает газовая фаза. Змеевики 5, 6 работают по схеме последовательного включения, подавая газ по трубопроводу 10 в сеть потребления. Давление в емкости-хранилище 1 при этом понижается. Если давление в емкости-хранилище 1 понижается до заданного значения, датчик давления 13 подает сигнал на открытие клапанов 3, 12, жидкая фаза снова поступает в испарительную систему 4, а змеевики 5 и 6 на выходе из испарительной системы 4 находятся в параллельной схеме включения. За счет разницы теплоемкостей газа и жидкости постоянно при работе по газовой фазе происходит оттаивание оборудования без его остановки. При прохождении газа через испарительную систему 4 оттаивание более интенсивное, так как теплоемкость газа ниже, чем теплоемкость жидкости, при этом достаточно температуры атмосферного воздуха, подаваемого вентилятором 8 к поверхности змеевиков 5, 6, чтобы они полностью оттаяли и прогрелись. Микропроцессор в схеме управления сравнивает показания датчиков температуры 14 и 15. На входе в испарительную систему 4 датчиком 14 измеряется температура жидкой фазы, а на выходе из испарительной системы датчиком 15 отмечается температура газовой фазы. При заданной разности температур испарительная система 4 работает без нагревателя 7. При сближении значений температур газовой и жидкой фаз нагреватель 7 включается автоматически для создания перегрева, что происходит обычно при работе испарительной системы 4 на жидкой фазе.

При пропускании через испарительную систему жидкой фазы, образующийся при испарении газ, подается частично на потребление, частично в емкость-хранилище. Процесс испарения при максимальном расходе сопровождается обмерзанием наружной поверхности змеевиков. Преимущество изобретения состоит в том, что при его осуществлении обеспечивается возможность снижения энергетических затрат установки за счет использования теплоемкости атмосферного воздуха, подачу которого можно интенсифицировать вентилятором испарительной системы, работающей на газовой фазе. Происходящий теплообмен между газовой фазой, пропускаемой по змеевикам испарителей во время работы на газовой фазе, и атмосферным воздухом позволяет производить оттаивание и подавать газ на потребление. Размещение в одном корпусе группы змеевиков испарителей, вентилятора и нагревателя способствует достижению компактности в исполнении как испарителя, так и обвязки трубопроводов.

Изобретение относится к области хранения и газификации сжиженных газов и может использоваться в промышленности для получения газообразного продукта под давлением. Газификационная установка содержит, емкость-хранилище, которая трубопроводом жидкой фазы через клапан-отсекатель подсоединена к испарительной системе, оснащенной трубчатыми испарителями и нагревателем. Испарители на выходе из испарительной системы соединены между собой через другой клапан-отсекатель, установленный на трубопроводе, один конец которого соединен с трубопроводом газовой фазы емкости-хранилища, а другой - с сетью потребления. Использование изобретения позволит упростить конструкцию, повысить надежность и снизить энергетические затраты при эксплуатации. 1 ил.

Газификационная установка, содержащая емкость-хранилище, которая трубопроводом жидкой фазы через клапан-отсекатель подсоединена к испарительной системе, оснащенной трубчатыми испарителями и нагревателем, отличающаяся тем, что испарители на выходе из испарительной системы соединены между собой через другой клапан-отсекатель, установленный на трубопроводе, один конец которого соединен с трубопроводом газовой фазы емкости-хранилища, а другой - с сетью потребления.