Модульная система подготовки и распределения газов Российский патент 2024 года по МПК F17D1/04 F17D3/00 F23N1/02 

Изобретение относится к системам для распределения газа [МПК: F17D1/04, F17D3/00, F17D3/01, F17D3/18, F23N1/02; СПК: F17D1/04, F17D3/00, F17D3/01, F17D3/18, F23N1/02].

Из уровня техники известна БЛОЧНАЯ АВТОМАТИЧЕСКАЯ ГАЗОСМЕСИТЕЛЬНАЯ И ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СМЕСИ ГОРЮЧЕГО ГАЗА С ВОЗДУХОМ ЕДИНОЙ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ [ЕА 200301285 А1, опубл. 22.12.2003], которая содержит блоки редуцирования, переключателей, подогревателя газа, защитной системы, учета и расхода газа на входе, одоризации, сигнализации и КИП, отличающаяся тем, что дополнительно включает автоматическую газосмесительную станцию (АТС), установленную на газораспределительных системах газоснабжения городов и населенных пунктов, причем автоматическая газосмесительная станция содержит:

а) блок воздушного компрессора, состоящий и воздушного компрессора, фильтра, ресивера, блока редуцирования и обратного клапана;

б) блок смесителя газа и воздуха, состоящий из газосмесителя, регулируемой эжекторной смесительной установки, включающей четыре вентилятора и четыре регулируемых эжекторных смесителя, содержащих регулируемое сопло, камеру смешения, диффузор, конфузор и патрубок;

в) блок пропорционального устройства, состоящий из датчика расходомера воздуха, клапана, регулирующего расход воздуха, обратного клапана, регулирующего расход газа, датчик расходомер газа и регулятор соотношения газа и воздуха.

Недостатком данного аналога является то, что в данной системе не предусмотрено возможности автоматического управления в режиме реального времени для подачи заданной калорийности газового топлива на газогорелочное оборудование потребителя, в следствие чего увеличивается расход газа, а также отсутствуют возможности по минимизации вредных выбросов (СО, NO, CO2, NO2), содержащихся в продуктах горения.

Кроме того, из уровня техники известна СИСТЕМА УТИЛИЗАЦИИ ГАЗА НИЗКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ [CN214944408U, опубл. 30.11.2021], включающая систему подачи газа низкой концентрации, систему подачи газа высокой концентрации, смеситель, систему газораспределения и безопасной транспортировки, систему рекуперации тепла сгорания и магистраль, устройство управления; Система подачи газа низкой концентрации включает газопровод низкой концентрации, причем выход газопровода низкой концентрации соединен с входом газа низкой концентрации смесителя; Газопровод низкой концентрации обеспечен газом низкой концентрации. Манометр измерения давления, детектор концентрации газа низкой концентрации, детектор расхода газа низкой концентрации и регулирующий клапан газа низкой концентрации; Система подачи газа высокой концентрации включает газопровод высокой концентрации, причем выход газопровода высокой концентрации соединен с входом газа высокой концентрации смесителя; газопровод высокой концентрации обеспечен газом высокой концентрации. Детектор давления, детектор концентрации газа высокой концентрации, детектор потока газа высокой концентрации и регулирующий клапан газа высокой концентрации; Система газораспределения и безопасной подачи включает в себя газопровод смешанного газа, хвостовой газопровод, трубопровод возврата инертного газа, трубопровод азотной защиты, теплообменник и циркуляционный вентилятор; Смешанный газопровод представляет собой двухслойную конструкцию с внутренней и внешней муфтой; входной конец внутренней втулки соединен с выпускным отверстием смешанного газа смесителя, а выходной конец внутренней втулки соединен с теплообменником. Подключен низкотемпературный вход теплообменника; низкотемпературный выход теплообменника соединен с системой рекуперации тепла сгорания;

Высокотемпературный выход теплообменника соответственно соединен с линией возврата инертного газа и линией возврата инертного газа, другой конец линии возврата инертного газа соединен с внешним корпусом, а линия возврата инертного газа снабжена инертным манометр давления газа, линия возврата инертного газа. Детектор концентрации, детектор потока инертного газа и регулирующий клапан инертного газа;

Трубопровод защиты от азота соединен с внешним корпусом, а трубопровод защиты от азота снабжен клапаном регулирования азота;

Наружный корпус снабжен выходом инертного газа, причем выход инертного газа соединен с трубопроводом хвостового газа;

Вход циркуляционного вентилятора соединен с выпускным отверстием системы рекуперации тепла сгорания, а выход циркуляционного вентилятора соединен с высокотемпературным входом теплообменника;

Детектор давления газа низкой концентрации, детектор концентрации газа низкой концентрации, детектор потока газа низкой концентрации, регулирующий клапан газа низкой концентрации, детектор давления газа высокой концентрации, детектор концентрации газа высокой концентрации, детектор потока газа высокой концентрации, регулирующий клапан газа высокой концентрации, датчик давления инертного газа, детектор концентрации инертного газа, детектор расхода инертного газа, регулирующий клапан инертного газа, регулирующий клапан азота, циркуляционный вентилятор и система рекуперации тепла сгорания - все это связано с главным блоком управления, который управляет системой.

Недостатком данного аналога является то, что в данной системе не предусмотрено возможности автоматического управления в режиме реального времени для подачи заданной калорийности газового топлива на газогорелочное оборудование потребителя, в следствие чего увеличивается расход газа, а также отсутствуют возможности по минимизации вредных выбросов (СО, NO, CO2, NO2), содержащихся в продуктах горения.

Кроме того, из уровня техники известна СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДА ПРИРОДНОГО ГАЗА ПЕРЕД ПЕЧЬЮ [CN 216743848U, опубл. 14.06.2022], которая включает газопровод природного газа, обводной трубопровод фильтра и дисперсионный трубопровод; газопровод природного газа состоит из передней секции газопровода и задней секции газопровода природного газа, при этом передняя секция газопровода расположена вдоль направления потока природного газа. Кроме того ручной запорный клапан А и фильтр природного газа А установлены последовательно, фильтр природного газа В установлен на обводной трубе фильтра, а фильтр природного газа В подключается параллельно фильтру природного газа А через обводную трубу фильтра; передняя секция природного газа перед фильтром природного газа А на трубопроводе имеется ручной запорный клапан В, а ручной запорный клапан D на передней части газопровода после фильтра природного газа А; ручной запорный клапан F на обводной трубе фильтра перед фильтром природного газа В и байпас фильтра за фильтром природного газа, фильтр природного газа В. Трубопровод оборудован ручным запорным клапаном G, между передней частью газопровода и задней частью газопровода установлен автоматический клапан регулирования давления, задняя часть газопровода Газопровод оснащен устройством дистанционной передачи сигнала давления А, устройством дистанционной передачи сигнала расхода и устройством дистанционной передачи сигнала температуры последовательно вдоль направления потока природного газа. Устройство дистанционной передачи сигнала, пневматический запорный клапан А, сигнал давления, устройство дистанционной передачи В, электрический клапан регулирования расхода, пневматический запорный клапан В, устройство дистанционной передачи сигнала давления С, обратный клапан, ручной запорный клапан Е и смеситель природного газа/воздуха для горения; излучающая труба состоит из основного излучающего устройства труба и излучающий патрубок 1, излучающий патрубок 2, излучающий патрубок 3, излучающий патрубок 4 и излучающий патрубок 5. Основная излучающая труба соединена с выходом автоматического клапана регулирования давления через излучающий патрубок, патрубок 1. На заднем участке газопровода на первом отводящем патрубке установлен предохранительный клапан, основной отводящий трубопровод присоединяется к заднему участку газопровода перед пневмозапорным клапаном А. через второй расширяющийся патрубок; второй расширяющийся патрубок оборудован ручным запорным клапаном Н; основной расширяющийся трубопровод проходит через расширяющийся патрубок. Третий отводной трубопровод соединен с задним газопроводом после пневмоотвода. запорный клапан А, а автоматический предохранительный клапан установлен на отводном отводном трубопроводе 3; основной отходящий трубопровод соединен с задним трубопроводом природного газа после электрического клапана регулирования расхода через отходящий отводной трубопровод 4, а отходящий отводной трубопровод четыре соединен с задним газопроводом после электрического клапана регулирования расхода. Установите ручной запорный клапан I; основной расходящийся трубопровод соединяется с задним газопроводом перед обратным клапаном через расходящийся патрубок 5, а На расширяющемся патрубке 5 установлен ручной запорный кран J.

Недостатком данного аналога является то, что в данной системе не предусмотрено возможности автоматического управления в режиме реального времени для подачи заданной калорийности газового топлива на газогорелочное оборудование потребителя, в следствие чего увеличивается расход газа, а также отсутствуют возможности по минимизации вредных выбросов (СО, NO, CO2, NO2), содержащихся в продуктах горения.

Наиболее близким по технической сущности является СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ ТРУБОПРОВОДА ПРИРОДНОГО ГАЗА ПЕРЕД ПЕЧЬЮ И МЕТОД ЕЕ РАБОТЫ [CN 114110429 A, опубл. 01.03.2022], содержащее газопровод, обводной трубопровод фильтра и выпускной трубопровод; трубопровод природного газа состоит из трубопровода природного газа в передней части и трубопровода природного газа в задней части, причем трубопровод природного газа в передней части расположен последовательно вдоль направления потока природного газа. Предусмотрены ручной запорный клапан А и фильтр природного газа А; фильтр В природного газа расположен на обводном трубопроводе фильтра, и фильтр В природного газа соединен параллельно с фильтром А природного газа через обводной трубопровод фильтра; В верхней части установлен ручной запорный клапан В. и ручной запорный клапан D установлен на переднем трубопроводе природного газа после фильтра А природного газа; ручной запорный клапан F установлен на байпасном трубопроводе фильтра перед фильтром природного газа В, а байпасный трубопровод фильтра после фильтра природного газа В установлен. Ручной запорный клапан G установлен в верхней части; между трубопроводом природного газа в передней части и трубопроводом природного газа в задней части установлен автоматический клапан регулирования давления; устройство А дистанционной передачи газа для сигнала давления, устройство дистанционной передачи сигнала расхода и сигнала температуры расположены последовательно вдоль направления потока природного газа на трубопроводе природного газа в задней части. Устройство дистанционной передачи, пневматический запорный клапан А, устройство дистанционной передачи сигнала давления В, электрический клапан регулирования расхода, пневматический запорный клапан В, устройство дистанционной передачи сигнала давления С, обратный клапан, ручной запорный клапан Е и смеситель природного газа/воздуха для горения; Все Выпускной трубопровод состоит из выпускного основного трубопровода, выпускного отвода 1, вентиляционного отвода 2, вентиляционного отвода 3, вентиляционного отвода 4 и вентиляционного отвода 5. На первой части газоотводного ответвления установлен предохранительный клапан.; основной газоотводный трубопровод соединен с последним газопроводом перед пневматическим запорным клапаном А через газоотводный отводной трубопровод 2, а на втором газоотводном отводном трубопроводе установлен ручной запорный клапан Н; трубопровод вентиляционного патрубка проходит через вентиляционный патрубок. Трубопровод 3 соединен с задним газопроводом после пневматического запорного клапана А, и на третьем патрубке установлен автоматический выпускной клапан; Ручной запорный клапан I; газоотводный магистральный трубопровод соединен с газопроводом перед обратным клапаном через газоотводный патрубок 5, а на газоотводном патрубке 5 установлен ручной запорный клапан J.

При этом Способ работы системы автоматической регулировки трубопровода природного газа перед печью включает:

1) Нормальное рабочее состояние:

После того, как газ в трубопроводе природного газа сначала заменяется инертным газом, природный газ поступает со входного конца трубопровода природного газа, и его давление превышает давление, необходимое на выходном конце; Автоматический клапан регулирования давления, пневматический запорный клапан А, электрический клапан регулирования расхода, пневматический запорный клапан В и ручной запорный клапан Е открыты, а остальные клапаны закрыты; регулируют автоматический клапан регулирования давления и электрический клапан регулирования расхода таким образом, чтобы значение расхода и значение давления были близки к целевому значению, а затем переключают систему в автоматический режим; Целевое значение сравнивается и оценивается для реализации автоматической регулировки блокировки степени открытия и закрытия запорной арматуры;

2) Статус обслуживания фильтра:

При необходимости ремонта фильтра природного газа А закрывают ручной запорный клапан Р, одновременно открывают ручной запорный клапан F и ручной запорный клапан G, а затем закрывают ручной запорный клапан. В и ручной запорный клапан D, чтобы подсоединить перепускной трубопровод фильтра, открывают ручной запорный клапан клапан С для сброса давления и дренажа. Когда манометр В показывает нормальное давление, ремонтируют, чистят или заменяют фильтр природного газа А; после чего закрывают ручной запорный клапан С, открывают ручной запорный клапан В и ручной запорный клапан в последовательности D. Закрывают ручной запорный клапан F и ручной запорный клапан G и возвращают систему к нормальному рабочему состоянию;

3) Статус сбоя питания:

При сбое электропитания пневматический запорный клапан А и пневматический запорный клапан В автоматически закрываются и не будет вновь открыты до тех пор, пока электропитание не будет восстановлено;

4) Аномальное состояние давления:

Когда давление на входном конце трубопровода природного газа превышает установленное значение, предохранительный клапан автоматически открывается для защиты от сброса давления; в то же время центральная система управления отображает сигнал тревоги об аномальном давлении, и вручную осуществляется выбор, открывать ли автоматический выпускной клапан для выпуска; если входной конец трубопровода природного газа, когда давление ниже заданного значения, пневматический запорный клапан А и пневматический запорный клапан В автоматически закрываются, а обратный поток смеси газа, содержащей воздух, предотвращается через обратный клапан;

5) Долгосрочное прекращение работы:

Если производство остановлено на длительное время, сначала закрывают ручной запорный клапан А на газопроводе, а затем открывают ручной запорный клапан Н, ручной запорный клапан I и ручной запорный клапан J для поэтапного выпуска остаточного природного газа из газопровода.

Недостатком прототипа является то, что в нем отсутствует возможность автоматического управления системой в режиме реального времени в целях подачи заданной калорийности газового топлива потребителю при одновременной минимизации вредных выбросов (СО, NO, CO2, NO2), содержащихся в продуктах горения.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа и создание системы, позволяющей учитывать индивидуальные характеристики газа, поступающего от внешнего источника, а также минимизирующей на 5% в автоматическом режиме расход такого газа, при этом одновременно поддерживающей калорийность газового топлива, поступающего на газогорелочное оборудование потребителя, на заданном уровне минимизирующей объем вредных выбросов, содержащихся в продуктах горения такого газового топлива.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение возможности автоматического управления системой в режиме реального времени в целях подачи газового топлива заданной калорийности на газогорелочное оборудование потребителя при одновременной минимизации вредных выбросов (СО, NO, СО2, NO2), содержащихся в продуктах горения.

1. Указанный технический результат достигается за счет того, что модульная система подготовки и распределения газов, содержащая модуль газораспределения, модуль анализа газов, модуль управления, модуль газосмешения, трубопровод отбора проб газа, трубопровод отбора газового топлива и трубопровод отбора проб окислителя, магистраль подачи газа в модуль газораспределения, магистраль подачи газа из модуля газораспределения в модуль газосмешения, магистраль подачи окислителя в модуль газосмешения, магистраль подачи газового топлива на газогорелочное оборудование потребителя, магистраль отвода продуктов горения и кабели передачи данных, при этом модули газораспределения и газосмешения содержат запорную арматуру, отличающаяся тем, что содержит трубопровод, соединяющий магистраль отвода продуктов горения и модуль анализа газов, выполненный с возможностью отбора проб продуктов горения, модуль анализа газов содержит измерительную аппаратуру, а модуль управления, соединен с модулем газораспределения, модулем анализа газов и модулем газосмешения с помощью кабелей передачи данных и содержит средства автоматического расчета степени открытия запорной арматуры модулей газораспределения и газосмешения, средства взаимодействия с запорной арматурой модуля газораспределения и модуля газосмешения и средства взаимодействия с измерительной аппаратурой модуля анализа газов, а модуль газосмешения содержит эжекторы и запорную арматуру, выполненные с возможностью управления от внешнего источника.

В частности, модуль анализа газов содержит измерительную аппаратуру такую как калориметры, газоанализаторы и газовые хроматографы, выполненные с возможностью управления от внешнего источника.

В частности, модуль управления содержит блок концевых выключателей и блок автоматизированной системы управления, представляющий собой программно-аппаратный комплекс.

В частности, блок концевых выключателей содержит панели управления, выключатели и реле.

Краткое описание чертежей.

Фиг. 1 Функциональная схема МСПРГ.

Фиг. 2 Функциональная схема модуля управления МСПРГ.

Фиг. 3 Блок-схема способа автоматического управления работой МСПРГ.

На фигурах обозначено: 1 - модуль газораспределения, 2 - модуль анализа газов, 3 - модуль управления, 4 - модуль газосмешения, 5 - магистрали, 6 - трубопроводы, 7 - кабели передачи данных, 8 - запорную арматуру, 9 - газогорелочное оборудование потребителя, 10 - блок концевых выключателей, 11 - блок автоматизированной системы управления, 12 - панели ручного управления, 13 - реле, 14 - выключатели, 15 - средства взаимодействия с измерительной аппаратурой, 16 - средства автоматического расчета степени открытия запорной арматуры для оптимизации калорийности газового топлива, 17 - средства автоматического расчета степени открытия запорной арматуры для минимизации содержания вредных выбросов в продуктах горения, 18 - средства автоматического расчета степени открытия запорной арматуры в модулях газораспределения и газосмешения для обеспечения соотношения окислителя и газа в газовом топливе в соотношениях, соответствующих требованиям безопасности, 19 - средства взаимодействия с запорной арматурой.

Под степенью открытия запорной арматуры здесь и далее понимается величина, определяющая объем газовой смеси (газ/окислитель/газовое топливо) проходящей через запорную арматуру в единицу времени.

Осуществление изобретения.

Модульная система подготовки и распределения газов (далее - МСПРГ) (Фиг. 1) содержит модуль газораспределения 1, модуль анализа газов 2, модуль управления 3, модуль газосмешения 4, магистрали 5, трубопроводы 6 и кабели передачи данных 7.

Модуль газораспределения 1, выполненный с возможностью обеспечения понижения давления газовой смеси от уровня давления газа в магистрали 5 до уровня давления газа требуемого потребителю, включает типовое оборудование для газораспределительных устройств (ГРУ), газораспределительных подстанций (ГРП) или газораспределительных станций (ГРС), а именно фильтры, предохранительные запорные клапаны, регуляторы давления газа, предохранительные сбросные клапаны, контрольно-измерительные приборы, приборы учета расхода газа, запорную арматуру 8, а также устройство обводного газопровода, представляющее собой два отключающих устройства и продувочный трубопровод между ними, при этом запорная арматура 8 выполнена с возможностью управления и изменения степени открытия по сигналу от модуля управления 3.

Модуль газосмешения 4, выполненный с возможностью смешения газа и окислителя с образованием газового топлива, включает эжекторы, количество которых определяется расчетным методом в зависимости от расхода газа газогорелочным оборудованием потребителя 9 и запорную арматуру 8, выполненную с возможностью регулирования подачи газа и окислителя к эжекторам, при этом запорная арматура 8 выполнена с возможностью управления и изменения степени открытия по сигналу от модуля управления 3.

Модуль анализа газов 2, выполненный с возможностью определения в режиме реального времени калорийности и состава газа и газового топлива, а также состава окислителя, и продуктов горения, включающий измерительные приборы такие как калориметры, газоанализаторы и газовые хроматографы, выполненные с возможностью получения от модуля управления 3 сигналов задающих временные интервалы для проведения измерений и передачи результатов измерений в модуль управления 3.

Модуль управления 3 (Фиг. 2), включает блок концевых выключателей 10, выполненных с возможностью обеспечения ручного управления МСПРГ, содержащий панели управления 12, реле 13 и выключатели 14, а также блок автоматизированной системы управления 11, содержащий программно-аппаратный комплекс (на фигурах не показан), содержащий средства взаимодействия с измерительной аппаратурой 15, средства автоматического расчета степени открытия запорной арматуры для оптимизации калорийности газового топлива 16, средства автоматического расчета степени открытия запорной арматуры для минимизации содержания вредных выбросов в продуктах горения 17, средства автоматического расчета степени открытия запорной арматуры в модулях газораспределения и газосмешения для обеспечения соотношения окислителя и газа в газовом топливе в соотношениях, соответствующих требованиям безопасности 18, и средства взаимодействия с запорной арматурой 19, выполненной с возможностью управления по сигналу от внешнего источника. При этом средства взаимодействия с измерительной аппаратурой 15, средства автоматического расчета степени открытия запорной арматуры для оптимизации калорийности газового топлива 16, средства автоматического расчета степени открытия запорной арматуры для минимизации содержания вредных выбросов в продуктах горения 17, средства автоматического расчета степени открытия запорной арматуры в модулях газораспределения и газосмешения для обеспечения соотношения окислителя и газа в газовом топливе в соотношениях, соответствующих требованиям безопасности 18, и средства взаимодействия с запорной арматурой 19 представляют собой программно-аппаратные средства, такие как специализированное программное обеспечение и электронно-вычислительные устройства (компьютеры), обеспечивающие функционирование такого специализированного программного обеспечения и коммутаторы, обеспечивающие прием и передачу данных между устройствами.

Модуль управления 3 соединен с модулем газораспределения 1, модулем анализа газов 2 и модулем газосмешения 4 с помощью кабелей передачи данных 7.

Магистраль 5, выполненная с возможностью подачи газа от внешнего источника (на фигурах не показан), подключена к модулю газораспределения 1.

Модуль газораспределения 1 соединен с модулем газосмешения 4 с помощью магистрали 5, выполненной с возможностью подачи газа из модуля газораспределения 1 в модуль газосмешения 4.

Модуль газосмешения 4 соединен с помощью магистрали 5, выполненной с возможностью подачи окислителя в модуль газосмешения, с внешним источником подачи окислителя (на фигурах не показан), при этом в качестве окислителя может использоваться воздух, либо кислород, либо доменный газ, а также с газогорелочным оборудованием потребителя 9 с помощью магистрали 5, выполненной с возможностью подачи газового топлива, образующегося в результате смешения газа и окислителя в модуле газосмешения 4, на газогорелочное оборудование потребителя.

Кроме того, газогорелочное оборудование потребителя 9 соединено с магистралью 5, выполненной с возможностью отвода от газогорелочного оборудования потребителя 9 продуктов горения.

Модуль анализа газов 2 соединен с помощью трубопровода 6, выполненного с возможностью отбора проб газа, с магистралью 5, соединяющей модуль газораспределения 1 и модуль газосмешения 4, с помощью трубопровода 6, выполненного с возможностью отбора проб газового топлива, с магистралью 5, соединяющей модуль газосмешения 4 и газогорелочное оборудование потребителя 9, с помощью трубопровода 6, выполненного с возможностью отбора проб окислителя, с магистралью 5, соединяющей модуль газосмешения 4 с внешним источником подачи окислителя (на фигурах не показан), а также с помощью трубопровода 6, выполненного с возможностью отбора проб продуктов горения, с магистралью 5, выполненной с возможностью отвода от газогорелочного оборудования потребителя 9 продуктов горения.

Применение в составе МСПРГ модуля анализа газов 2, содержащего измерительную аппаратуру, такую как калориметры, газоанализаторы и газовые хроматографы, выполненные с возможностью получения от модуля управления 3 сигналов задающих временные интервалы для проведения измерений и передачи результатов измерений в модуль управления 3, позволяет осуществлять в режиме реального времени весь комплекс анализов, необходимых для определения калорийности газа и газового топлива, а также концентрации O2 в газе и окислителе, для оценки соответствия газового топлива требованиям безопасности, а также содержания в продуктах горения вредных выбросов, таких как СО, NO, СО2, NO2, а также передавать результаты таких анализов в модуль управления 3 в целях автоматического управления МСПРГ.

Соединение модуля управления 3, с модулем газораспределения 1, модулем анализа газов 2 и модулем газосмешения 4 с помощью кабелей передачи данных 7 обеспечивает возможность передачи команд управления от модуля управления 3 к модулю газораспределения 1, модулю анализа газов 2 и модулю газосмешения 4, а также получение результатов анализа от измерительной аппаратуры модуля анализа газов 2, в целях обработки таких результатов анализа и выработки команд управления.

Применение в составе МСПРГ трубопровода 6 выполненного с возможностью отбора проб продуктов горения, позволяет осуществлять в режиме реального времени отбор проб продуктов горения из магистрали 5, выполненной с возможностью отвода от газогорелочного оборудования потребителя 9 продуктов горения, а также оперативную доставку таких проб в модуль анализа газов 2 и осуществление анализа таких проб на предмет содержания в них вредных выбросов, таких как СО, NO, СО2, NO2 и учета результатов такого анализа при расчете степени открытия запорной арматуры 8 модуля газораспределения 1 и модуля газосмешения 4 в целях оптимизации калорийности газового топлива при одновременной минимизации содержания вредных выбросов в продуктах горения.

Применение в составе модуля управления 3 средств автоматического расчета степени открытия запорной арматуры для минимизации содержания вредных выбросов в продуктах горения 17, позволяет на основании данных о калорийности и составе газа и газового топлива, а также составе окислителя и продуктов горения, получаемых в режиме реального времени от модуля анализа газов 2, также в режиме реального времени, рассчитывать оптимальную степень открытия запорной арматуры 8 модулей газораспределения 1 и газосмешения 4, позволяющей оптимизировать калорийность газового топлива с целью его экономии и одновременно минимизировать содержание вредных выбросов в продуктах горения.

В целях проведения испытаний был на одном из промышленных предприятий смонтирован опытный образец МСПРГ, содержащий модуль газораспределения 1, модуль анализа газов 2, модуль управления 3, модуль газосмешения 4, магистрали 5, трубопроводы 6 и кабели передачи данных 7.

Модуль газораспределения 1, был выполнен с возможностью обеспечения понижения давления газовой смеси, поступающей от внешнего источника, которым являлось месторождение газа, от уровня давления газа в магистрали до уровня давления газа требуемого потребителю и включал типовое оборудование для газораспределительных устройств (ГРУ), газораспределительных подстанций (ГРП) или газораспределительных станций (ГРС), а именно фильтры, предохранительные запорные клапаны, регуляторы давления газа, предохранительные сбросные клапаны, контрольно-измерительные приборы, приборы учета расхода газа, запорную арматуру 8, а также устройство обводного газопровода, представляющее собой два отключающих устройства и продувочный трубопровод между ними, при этом запорная арматура 8 была выполнена с возможностью управления по сигналу от модуля управления 3.

Модуль газосмешения 4, был выполнен с возможностью смешения газа и окислителя, и включал эжекторы, количество которых позволяло обеспечить смешение газа и окислителя в объемах требуемых для обеспечения необходимого расхода газа газогорелочным оборудованием потребителя 9 и запорную арматуру 8, выполненную с возможностью регулирования подачи газа и окислителя к эжекторам, при этом запорная арматура 8 была выполнена с возможностью управления по сигналу от модуля управления 3.

Модуль анализа газов 2, был выполнен с возможностью определения в режиме реального времени калорийности и состава газа и газового топлива, а также состава окислителя, и продуктов горения, и включал измерительные приборы такие как калориметры, газоанализаторы и газовые хроматографы, выполненные с возможностью получения от модуля управления 3 сигналов задающих временные интервалы для проведения измерений и передачи результатов измерений в модуль управления 3.

Модуль управления 3 (Фиг. 2), включал блок концевых выключателей 10, выполненных с возможностью обеспечения ручного управления опытным образцом МСПРГ, и содержал панели управления 12, реле 13 и выключатели 14, а также блок автоматизированной системы управления 10, который содержал программно-аппаратный комплекс (на фигурах не показан), включающий средства взаимодействия с измерительной аппаратурой 15, средства автоматического расчета степени открытия запорной арматуры для оптимизации калорийности газового топлива 16, средства автоматического расчета степени открытия запорной арматуры для минимизации содержания вредных выбросов в продуктах горения 17, средства автоматического расчета степени открытия запорной арматуры в модулях газораспределения и газосмешения для обеспечения соотношения окислителя и газа в газовом топливе в соотношениях, соответствующих требованиям безопасности 18 и средства взаимодействия с запорной арматурой 19.

Кроме того, опытный образец МСПРГ содержал магистраль 5, выполненную с возможностью подачи газа от внешнего источника (на фигурах не показан), подключенную к модулю газораспределения 1. При этом модуль газораспределения 1 соединен с модулем газосмешения 4 с помощью магистрали 5, выполненной с возможностью подачи газа от модуля газораспределения 1 к модулю газосмешения 4, и с модулем управления 3 с помощью кабелей передачи данных7.

Кроме того, опытный образец МСПРГ содержал модуль газосмешения 4, который был соединен с газогорелочным оборудованием потребителя 9 с помощью магистрали 5, с модулем управления 3 с помощью кабелей передачи данных 7, а также с внешним источником подачи окислителя (на фигурах не показан) с помощью магистрали 6. Кроме того газогорелочное оборудование потребителя 9 соединено с магистралью 6, выполненной с возможностью отвода от газогорелочного оборудования потребителя 9 продуктов горения.

Кроме того, опытный образец МСПРГ содержал модуль анализа газов 2, который был соединен с модулем управления 3 с помощью кабелей передачи данных 7, а также с помощью трубопровода 6, выполненного с возможностью отбора проб газа, с магистралью 5, соединяющей модуль газораспределения 1 и модуль газосмешения 4, с помощью трубопровода 6, выполненного с возможностью отбора проб газового топлива, с магистралью 5, соединяющей модуль газосмешения 4 и газогорелочное оборудование потребителя 9, с помощью трубопровода 6, выполненного с возможностью отбора проб окислителя, с магистралью 5, соединяющей модуль газосмешения 4 с внешним источником подачи окислителя (на фигурах не показан), а также с помощью трубопровода 6, выполненного с возможностью отбора проб продуктов горения, с магистралью 5, выполненной с возможностью отвода от газогорелочного оборудования потребителя 9 продуктов горения.

МСПРГ используют следующим образом.

После монтажа МСПРГ на объекте осуществляют включение и настройку МСПРГ в ручном режиме с определением начальных параметров системы и ввода таких параметров в блок автоматизированной системы управления модуля управления 3. После чего в МСПРГ от внешнего источника газа, например газового месторождения, подают газ, а от внешнего источника окислителя, например накопителя, подают окислитель. После чего, в блок автоматизированной системы управления вводят данные о требуемой калорийности газового топлива, а также размер временного интервала между проверками соответствия фактического значения калорийности газового топлива заданному значению, начинают осуществлять смещение газа и окислителя до состояния газового топлива, подавать газовое топливо на газогорелочное оборудование потребителя и инициируют цикл проверки соответствия калорийности газового топлива заданному значению. После чего осуществляют действия в рамках цикла проверки соответствия калорийности газового топлива требуемому значению по завершению которых осуществляют проверку поступления сигнала о необходимости прерывания повторения цикла проверки соответствия калорийности газового топлива требуемому значению. После чего, в случае если сигнал о необходимости прерывания повторения цикла проверки соответствия калорийности газового топлива требуемому значению поступил, осуществляют проверку поступления сигнала о необходимости выключения МСПРГ. После чего, в случае если сигнал о необходимости выключения МСПРГ поступил, прекращают подачу газа и окислителя в систему и осуществляют выключение МСПРГ.

При этом, если сигнал о необходимости прерывания повторения цикла проверки соответствия калорийности газового топлива требуемому значению не поступил, осуществляют отсчет времени до завершения периода до следующей проверки оценки газового топлива на калорийность, после чего повторяют все действия после инициации цикла проверки соответствия калорийности газового топлива заданному значению.

При этом, если сигнал о необходимости выключения МСПРГ не поступил, прерывают действия в рамках цикла проверки соответствия калорийности газового топлива требуемому значению после чего повторяют все действия начиная с ввода в блок автоматизированной системы управления данных о требуемой калорийности газового топлива и о размере временного интервала между проверками соответствия фактического значения калорийности газового топлива заданному значению.

Кроме того, в рамках цикла проверки соответствия калорийности газового топлива осуществляют следующие действия:

С помощью трубопровода 6, выполненного с возможностью отбора проб газового топлива, осуществляют забор проб газового топлива после модуля газосмешения 4 и анализ таких проб на калорийность и оценку соответствия таких проб заданному ранее значению о требуемой калорийности газового топлива. После чего, в случае если фактическая калорийность газового топлива соответствует, заданному ранее значению о требуемой калорийности газового топлива, с помощью трубопровода 6, выполненного с возможностью отбора проб газа, осуществляют отбор пробы газа до модуля газосмешения 4, анализ таких проб на предмет калорийности, концентрации в таких пробах О2, СО, СО2, NO, NO2. Одновременно с этим, осуществляют проверку подачи окислителя в модуль газосмешения 4 и, с помощью трубопровода 6, выполненного с возможностью отбора проб окислителя, отбор пробы окислителя до модуля газосмешения 4 и анализ таких проб на предмет определения концентрации в таких пробах О2, СО, СО2, NO, NO2. Одновременно с этим, с помощью трубопровода 6, выполненного с возможностью отбора проб продуктов горения, осуществляют отбор пробы продуктов горения из магистрали 5 после газогорелочного оборудования потребителя 9, анализ таких проб на предмет концентрации в таких пробах СО, СО2, NO, NO2. После чего, на основании результатов анализа, с помощью средств автоматического расчета степени открытия запорной арматуры для оптимизации калорийности газового топлива 16 и средств автоматического расчета степени открытия запорной арматуры для минимизации содержания вредных выбросов в продуктах горения 17, входящих в состав модуля управления 3 осуществляют расчет изменения степени открытия запорной арматуры 8 в модуле газораспределения 1 и модуле газосмешения 4, необходимых для снижения концентрации СО, СО2, NO, NO2 в продуктах горения при одновременном сохранении значения фактической калорийности газового топлива на уровне требуемой калорийности. После чего, в случае если рассчитанные степени открытия запорной арматуры 8 в модуле газораспределения 1 и модуле газосмешения 4 отличаются от фактических значений, с помощью средств автоматического расчета степени открытия запорной арматуры в модулях газораспределения и газосмешения для обеспечения соотношения окислителя и газа в газовом топливе в соотношениях, соответствующих требованиям безопасности 18, входящих в состав модуля управления 3 прогнозируют состав газового топлива после приведения степени открытия запорной арматуры 8 в модуле газораспределения 1 и модуле газосмешения 4 к расчетной степени открытия, и оценивают такой прогнозный состав газового топлива на соответствие требованиям безопасности, после чего, в случае если прогнозный состав газового топлива соответствует требованиям безопасности, с помощью средств взаимодействия с запорной арматурой 8, выполненной с возможностью управления по сигналу от внешнего источника, входящих в состав модуля управления 3, осуществляют регулировку запорной арматуры 8 в модуле газораспределения 1 и модуле газосмешения 4 до приведения параметров степени открытия запорной арматуры 8 в модуле газораспределения 1 и модуле газосмешения 4 до соответствия с рассчитанными параметрами и осуществляют дальнейшие действия по управлению МСПРГ.

При этом в случае если прогнозный состав газового топлива не соответствует требованиям безопасности с помощью средств автоматического расчета степени открытия запорной арматуры в модулях газораспределения и газосмешения для обеспечения соотношения окислителя и газа в газовом топливе в соотношениях, соответствующих требованиям безопасности 18, входящих в состав модуля управления 3, средств автоматического расчета степени открытия запорной арматуры для минимизации содержания вредных выбросов в продуктах горения 17, входящих в состав модуля управления 3 и средств автоматического расчета степени открытия запорной арматуры для оптимизации калорийности газового топлива 16, входящих в состав модуля управления 3 осуществляют расчет параметров степени открытия запорной арматуры 8 в модуле газораспределения 1 и модуле газосмешения 4 для обеспечения потока газа и потока окислителя соответствующих требованиям безопасности, при обеспечивающим максимально возможное снижение концентрации вредных выбросов в продуктах горения, при одновременном сохранении значения фактической калорийности газового топлива на уровне требуемой калорийности, после чего с помощью средств взаимодействия с запорной арматурой 8, выполненной с возможностью управления по сигналу от внешнего источника, входящих в состав модуля управления 3 осуществляют регулировку запорной арматуры 8 в модуле газораспределения 1 и модуле газосмешения 4 до соответствия с такими рассчитанными параметрами и осуществляют дальнейшие действия по управлению МСПРГ.

При этом, в случае если рассчитанная степень открытия запорной арматуры 8 в модуле газораспределения 1 и модуле газосмешения 4 не отличаются от фактических значений степени открытия запорной арматуры 8 в данных модулях, завершают действия в рамках цикла проверки соответствия калорийности газового топлива заданному значению и осуществляют дальнейшие действия по управлению МСПРГ.

При этом, в случае если фактическая калорийность газового топлива не соответствует, заданному ранее значению о требуемой калорийности газового топлива, с помощью трубопровода 6, выполненного с возможностью отбора проб газа, осуществляют отбор пробы газа до модуля газосмешения, анализ такой пробы на калорийность и концентрацию в ней О2, одновременно с этим осуществляют проверку подачи окислителя в модуль газосмешения, и в случае подтверждения подачи окислителя, осуществляют отбор пробы окислителя до модуля газосмешения, анализ таких проб на предмет определения концентрации О2 в пробе окислителя, после чего, с помощью средств автоматического расчета степени открытия запорной арматуры для оптимизации калорийности газового топлива 16, входящих в состав модуля управления 3, осуществляют расчет изменения параметров степени открытия запорной арматуры 8 в модуле газораспределения 1 и модуле газосмешения 4 для обеспечения потока газа и потока окислителя, необходимых для приведения значения фактической калорийности газового топлива к уровню требуемой калорийности и, с помощью средств автоматического расчета степени открытия запорной арматуры в модулях газораспределения и газосмешения для обеспечения соотношения окислителя и газа в газовом топливе в соотношениях, соответствующих требованиям безопасности 18, входящих в состав модуля управления 3, прогнозируют состав газового топлива после изменения параметров степени открытия запорной арматуры 8 в модуле газораспределения 1 и модуле газосмешения 4 до рассчитанных параметров и оценивают такой прогнозный состав газового топлива на соответствие требованиям безопасности. После чего, в случае если прогнозный состав газового топлива соответствует требованиям безопасности, с помощью средств взаимодействия с запорной арматурой 8, выполненной с возможностью управления по сигналу от внешнего источника, входящих в состав модуля управления 3 осуществляют регулировку запорной арматуры 8 в модуле газораспределения 1 и модуле газосмешения 4 до соответствия с такими рассчитанными параметрами и осуществляют дальнейшие действия по управлению МСПРГ.

При этом, в случае если фактическая калорийность газового топлива не соответствует, заданному ранее значению о требуемой калорийности газового топлива и если прогнозный состав газового топлива не соответствует требованиям безопасности, с помощью средств автоматического расчета степени открытия запорной арматуры в модулях газораспределения и газосмешения для обеспечения соотношения окислителя и газа в газовом топливе в соотношениях, соответствующих требованиям безопасности 18, входящих в состав модуля управления 3, осуществляют расчет параметров степени открытия запорной арматуры 8 в модуле газораспределения 1 и модуле газосмешения 4 для обеспечения потока газа и потока окислителя соответствующих требованиям безопасности, при этом являющихся наиболее близкими для обеспечения потока газа и потока окислителя, необходимым для приведения значения фактической калорийности газового топлива к уровню требуемой калорийности газового топлива, после чего, с помощью средств взаимодействия с запорной арматурой 8, выполненной с возможностью управления по сигналу от внешнего источника, входящих в состав модуля управления 3, осуществляют регулировку запорной арматуры 8 в модуле газораспределения 1 и модуле газосмешения 4 до соответствия таким рассчитанным параметрам, после чего завершают действия в рамках цикла проверки соответствия калорийности газового топлива заданному значению и осуществляют дальнейшие действия по управлению МСПРГ.

Оценка достижения технического результата осуществлялась в ходе испытаний опытного образца МСПРГ экспериментальным путем.

Традиционно, при подаче газового топлива на газогорелочное оборудование потребителя регулирование параметров (калорийность, концентрация компонентов) газового топлива в режиме реального времени не осуществляют, устанавливая фиксированную степень открытия запорной аппаратуры в модулях газораспределения и газосмешения. При этом, как калорийность газа, поступающего от внешнего источника, в частности месторождения, так и концентрация компонентов, входящих в его состав, могут меняться со временем, что ведет к следующим последствиям: при снижении калорийности ниже требуемого уровня снижается эффективность работы газогорелочного оборудования потребителя; при повышении калорийности выше требуемого уровня осуществляется пережог газогорелочного оборудования потребителя и сокращается срок его службы. Кроме того, не предпринимается никаких действий направленных на уменьшение выделяемых вредных выбросов, что не позволяет снизить наносимый вред окружающей среде. Именно с результатами работы газораспределительной установки, функционирующей по такому традиционному способу и ранее работавшей на предприятии, на котором был смонтирован опытный образец МСПРГ и проводились испытания опытного образца МСПРГ, позволяющего в режиме реального времени поддерживать калорийность газового топлива, подаваемого на газогорелочное оборудование потребителя на заданном значении, или говоря иными словами, осуществлять процесс оптимизации калорийности газового топлива.

В качестве окислителя в ходе различных испытаний использовался воздух, либо кислород, либо доменный газ.

По итогам испытаний МСПРГ, не зависимо от типа окислителя, было зафиксировано снижение температуры продуктов горения со 165°С (температура продуктов горения до внедрения МСПРГ) до значений 141-144°С (в зависимости от характеристик газа и объема добавляемого окислителя в модуле газосмешения), повышение КПД газогорелочного оборудования потребителя с 88,43% до 90,62%, средняя экономия газа, поступающего от внешнего источника, за период испытаний составила 5,0%, кроме того в течении всего периода испытаний калорийность газового топлива поддерживалась на заданном уровне, при этом обеспечено снижение концентрации в продуктах горения СО до 7,5% от значений без использования МСПРГ, NO до 95,3% от значений без использования МСПРГ, NO2 до 95,5% от значений без использования МСПРГ.

При этом в следствии регулирования степени открытия запорной арматуры 8 в модулях газораспределения 1 и газосмешения 4 МСПРГ общий расход газа, необходимый для корректного функционирования газогорелочного оборудования потребителя 9 снизился до 95% от того объема, что расходовался ранее без применения МСПРГ на объекте, что в свою очередь также привело к итоговому снижению выбросов СО2 до уровня 95% от значений без использования МСПРГ.

Таким образом было экспериментально подтверждено, что заявляемая модульная система подготовки и распределения газов (МСПРГ) позволяет обеспечить возможность автоматического управления системой в режиме реального времени в целях подачи газового топлива заданной калорийности на газогорелочное оборудование потребителя при одновременной минимизации вредных выбросов (СО, NO, СО2, NO2), содержащихся в продуктах горения.

Кроме того, дополнительно было обеспечено снижение потребляемого объема газа без снижения эффективности работы газогорелочного оборудования потребителя.

Модульная система подготовки и распределения газов относятся к системам для распределения газа. Модульная система подготовки и распределения газов содержит модуль газораспределения, модуль анализа газов, модуль управления, модуль газосмешения, трубопровод отбора проб газа, трубопровод отбора газового топлива и трубопровод отбора проб окислителя, магистраль подачи газа в модуль газораспределения, магистраль подачи газа из модуля газораспределения в модуль газосмешения, магистраль подачи окислителя в модуль газосмешения, магистраль подачи газового топлива на газогорелочное оборудование потребителя, магистраль отвода продуктов горения и кабели передачи данных, при этом модули газораспределения и газосмешения содержат запорную арматуру, трубопровод, соединяющий магистраль отвода продуктов горения и модуль анализа газов, выполненный с возможностью отбора проб продуктов горения, модуль анализа газов содержит измерительную аппаратуру, а модуль управления соединен с модулем газораспределения, модулем анализа газов и модулем газосмешения с помощью кабелей передачи данных и содержит средства автоматического расчета степени открытия запорной арматуры модулей газораспределения и газосмешения, средства взаимодействия с запорной арматурой модуля газораспределения и модуля газосмешения и средства взаимодействия с измерительной аппаратурой модуля анализа газов. Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа и создание системы, позволяющей учитывать индивидуальные характеристики газа, поступающего от внешнего источника, а также минимизирующей на 5% в автоматическом режиме расход такого газа, при этом одновременно поддерживающей калорийность газового топлива, поступающего на газогорелочное оборудование потребителя, на заданном уровне минимизирующей объем вредных выбросов, содержащихся в продуктах горения такого газового топлива. Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение возможности автоматического управления системой в режиме реального времени в целях подачи газового топлива заданной калорийности на газогорелочное оборудование потребителя при одновременной минимизации вредных выбросов (СО, NO, CO₂, NO₂), содержащихся в продуктах горения. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Модульная система подготовки и распределения газов, содержащая модуль газораспределения, модуль анализа газов, модуль управления, модуль газосмешения, трубопровод отбора проб газа, трубопровод отбора газового топлива и трубопровод отбора проб окислителя, магистраль подачи газа в модуль газораспределения, магистраль подачи газа из модуля газораспределения в модуль газосмешения, магистраль подачи окислителя в модуль газосмешения, магистраль подачи газового топлива на газогорелочное оборудование потребителя, магистраль отвода продуктов горения и кабели передачи данных, при этом модули газораспределения и газосмешения содержат запорную арматуру, отличающаяся тем, что содержит трубопровод, соединяющий магистраль отвода продуктов горения и модуль анализа газов, выполненный с возможностью отбора проб продуктов горения, модуль анализа газов содержит измерительную аппаратуру, а модуль управления соединен с модулем газораспределения, модулем анализа газов и модулем газосмешения с помощью кабелей передачи данных и содержит средства автоматического расчета степени открытия запорной арматуры модулей газораспределения и газосмешения, средства взаимодействия с запорной арматурой модуля газораспределения и модуля газосмешения и средства взаимодействия с измерительной аппаратурой модуля анализа газов, а модуль газосмешения содержит эжекторы и запорную арматуру, выполненные с возможностью управления от внешнего источника.

2. Модульная система подготовки и распределения газов по п. 1, отличающаяся тем, что модуль анализа газов содержит измерительную аппаратуру, такую как калориметры, газоанализаторы и газовые хроматографы, выполненные с возможностью управления от внешнего источника.

3. Модульная система подготовки и распределения газов по п. 1, отличающаяся тем, что модуль управления содержит блок концевых выключателей и блок автоматизированной системы управления, представляющий собой программно-аппаратный комплекс.

4. Модульная система подготовки и распределения газов по п. 3, отличающаяся тем, что блок концевых выключателей содержит панели управления, выключатели и реле.