СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОПРОВОДА ОТ ГИДРАТНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ Российский патент 2024 года по МПК B08B9/53 

Изобретение относится к области транспортировки газа в газопроводах, а именно к способам очистки газопровода от гидратных отложений, образующихся при транспортировке газа, и может использовано в газопроводах, работающих при низких температурах в северных широтах.

Одним из серьезных технологических осложнений, особенно при низких температурах в северных широтах, возникающих в газопроводах при транспортировке природного газа, является образование газовых гидратов. Для предотвращения гидратообразования обычно используют традиционные методы, например, подогрев газа или подачу ингибитора гидратообразования (метанола), что приводит к значительным операционным затратам. Кроме того, подогрев газа довольно трудоемок в реализации. В то же время в некоторых случаях для уменьшения остроты проблемы гидратообразования вполне достаточно проведения оптимизации технологического процесса.

Для образования гидратов необходимо одновременное выполнение трех условий: наличие воды в газе, достаточно низкая температура и давление газа. При этом следует учитывать, что в определенных случаях пары воды из газа непосредственно конденсируются в газовые гидраты, минуя жидкую водную фазу [1]. Поэтому нужно различать температуру точки росы осушенного газа по гидратам (ТТР_г) и температуру точки росы газа по жидкой воде (ТТР_в). Для достаточно осушенного газа в газопроводе значение ТТР_г выше значения ТТР_в на несколько градусов Цельсия [1].

Проанализируем каждое из трех вышеуказанных условий.

Вода в газопроводе может появиться по нескольким технологическим причинам: остаться после проведения гидроиспытаний, попасть из магистрального газопровода при пропуске очистного поршня (когда перед поршнем скапливается вода, попадающая в газопровод в месте врезки) или же сконденсироваться в газопроводе из-за понижения температуры газа ниже ТТР_в. Способы предупреждения первых двух причин достаточно ясны - необходимо соблюдение требований СТО ГП 2-3.5-354-2009, [2] и перекрытие крана в начале газопровода (на нулевом километре).

Подробнее рассмотрим процесс конденсации воды в газопроводе при понижении температуры газа ниже ТТР, когда это обусловлено контактом газа с холодными стенками газопровода, а также редуцированием потока газа. Из литературных источников [3] известно, что термобарические зоны возможного разложения гидрата метана на фазы газ/лед и газ/переохлажденная вода при сбрасывании давления до значений 0,1 МПа и температуре меньше 0°С. При переводе системы из области стабильности гидрата метана и наличии примеси льда в гидрате поверхностное разложение гидрата метана в начальный момент все равно должно проходить через стадию переохлажденной воды, которая при этом начинает одновременно кристаллизоваться в лед. Переохлажденная вода в данном случае реализуется как динамическая прослойка между гидратом и льдом, при этом скорость процесса разложения гидрата постепенно падает, а водная прослойка утончается и исчезает (наступает стадия разложения гидрата). Следует подчеркнуть, что в первоначальных экспериментах по эффекту разложения метана в системе всегда присутствовало некоторое количество льда.

Проведенный термодинамический анализ поверхностного разложения гидратов показывает, что имеются возможности управлять процессом разложения и переходом его на стадию разложения.

Прежде всего, управляющим параметром является давление газа. При сбросе давления до определенных значений можно добиться появления на поверхности разлагающегося гидрата и переохлажденной воды.

Следующим управляющим параметром для эффекта разложения является температура (точнее, динамика изменения температуры в ходе эксперимента). Поверхностного разложения гидратов можно добиться повышением температуры, пересекая последовательно линии трехфазных равновесий «газ - гексагональный лед - гидрат» и «газ - переохлажденная вода - гидрат». При пересечении линии «газ - переохлажденная вода - гидрат» становится возможным разложение гидрата на переохлажденную воду. Для реализации самоконсервации требуется еще кристаллизация этой воды в оптимальных условиях. Так, при малой движущей силе процесса кристаллизацию переохлажденной воды можно ускорить, например, посредством обратного охлаждения системы, а также комбинацией охлаждения и сбрасывания давления.

Наличие примеси льда в гидрате также позволяет управлять процессом разложения гидрата и переходом его на стадию разложения, поскольку лед вызывает кристаллизацию переохлажденной воды.

Таким образом, принципиально возможно подбирать технологические приемы консервации для любого газового гидрата.

В соответствии с СТО Газпром 2-2.1-249-2008 [4] заглубление трубопроводов до верха трубы при условном диаметре менее 1000 мм надлежит принимать не менее 0,8 м. Во многих случаях заглубление трубопровода фактически и составляет ~0,8 м. При таком заглублении низкая температура стенок газопровода в холодное время года обусловлена промерзанием грунта. В соответствии с [2] глубина промерзания грунта для большей части территории России составляет 0,8 м и более. Таким образом, в зимний период практически повсеместно температура стенки газопровода имеет отрицательные (по Цельсию) значения. Если по какой-либо причине глубина заложения газопровода окажется меньше проектной, это может создать благоприятные условия для образования гидратов, что обусловливает необходимость контроля глубины залегания газопроводов.

Сильное охлаждение стенки газопроводов в зимнее время года имеет место на участках воздушных переходов. На стенках охлажденного трубопровода может начаться конденсация воды как в жидкой фазе, так и в виде газогидратов (иногда льда или льдогидратов) в зависимости от соотношения температуры внутренней стенки трубы, давления и ТТР_в природного газа. Аналогичное явление имеет место на территории газораспределительной станции (ГРС), если газопровод выполнен в надземном исполнении и не имеет обогрева - обслуживающий персонал ГРС неоднократно фиксировал наличие гидратов на внутренней стенке газопровода, например, образовавшиеся гидраты обнаруживались при демонтаже газового счетчика, расположенного со стороны высокого давления, причем они покрывали весь внутренний периметр трубы.

В рассматриваемых случаях реализуется следующий механизм появления и накопления воды (водной фазы) в газопроводе. В зимнее время на участках уменьшения глубины залегания газопровода (в местах промерзания грунта) или воздушного перехода температура стенки газопровода понижается, и на внутренней поверхности трубы начинают образовываться газовые гидраты. При подаче метанола они разлагаются, а водометанольный раствор (ВМР) стекает в низкие места трассы газопровода, где и скапливается. Если образовавшиеся гидраты привели к значительному перекрытию сечения газопровода и, соответственно, появлению перепада давления, подачу метанола осуществляют в экстренном порядке. При образовании небольшого количества гидратов перепад давления не регистрируется. В этом случае подача метанола проводится в соответствии с графиком профилактической заливки, и образовавшиеся гидраты разлагаются метанолом. Однако на параметры работы газопровода это практически не влияет, т.е. гидраты остаются необнаруженными. При дальнейшей работе газопровода из скопившегося на пониженном участке трассы ВМР будет испаряться преимущественно метанол, и в результате в жидкой фазе останется вода (точнее, водный раствор с незначительной концентрацией метанола). В зависимости от дальнейшего температурного режима газопровода скопившаяся вода либо «загидратится» (при достаточно низкой температуре газа), либо будет продолжать испаряться в газовую фазу. При этом повышается ТТР_в газа, поэтому далее по трассе при определенном термобарическом режиме газопровода не исключается процесс отложения гидратов, вплоть до формирования сплошной гидратной пробки и возникновения аварийной ситуации.

Известен способ ликвидации гидратных, газогидратных и гидратоуглеводородных отложений в скважине [5]. При осуществлении способа локализуют зоны отложения в разрезе скважины, оценивают текущие значения устьевого давления и дебита, осуществляют акустическое воздействие на отложения скважинным акустическим излучателем, генерирующим ультразвуковые волны с частотой 15-100 кГц и интенсивностью 0,2-5 Вт/см², причем в малодебитных скважинах ультразвуковое воздействие осуществляют непосредственно при истечении добываемого флюида, а в остановленных скважинах одновременно со спуском излучателя производят закачку добываемого флюида, либо смеси его с метанолом, в соотношении от 1:0,005 до 1:500, до уровня, при котором заливаемая жидкость начинает вытекать из устья скважины, а также тем, что время на каждой точке ультразвукового воздействия составляет от 15 с до 5 ч. Недостатком данного способа является невозможность удаления ледяных и газогидратных отложений в газопроводах. Особенно данный способ неэффективен, а также мало надежен при движении природного газа в газопроводах, эксплуатируемых в многолетнемерзлых породах.

Известен способ ликвидации гидратов с использованием энергии окружающий среды [1]. Однако, и данный способ неэффективен, а также длителен при движении природного газа в магистральных газопроводах, эксплуатируемых в многолетнемерзлых породах. Этот способ имеет существенные недостатки, связанные с тем, что во многих случаях, особенно в районах с холодным климатом, возникает трудоемкая операция вскрытия данного участка трубопровода вместе с теплоизолирующим покрытием, также необходимо осуществить достаточно энергоёмкие и материалоемкие технологические операции по подводу тепла к прогреваемой поверхности газотранспортной труба, а также осуществить переход очищенной от отложений гидратов газотраспортной трубы в исходное рабочее состояние. Кроме того, очищаются только локальные участки газотранспортной трубы.

Известен способ очистки трубопровода и устройство для его осуществления принятый за прототип [6]. Способ включает перемещение по трубопроводу потоком жидкости очистного устройства, формирование этим устройством струй жидкости, разрушение отложений этими струями и вынос потоком жидкости разрушенных отложений из трубопровода, при этом во время формирования струй жидкости на них воздействуют импульсами электрического тока с выделением большого количества энергии, которая в виде ударных волн воздействует на отложения и постоянно колеблет лепестки очистного устройства. Однако, и этот способ малоэффективен при очистке трубопроводов от гидратных отложений.

Техническим результатом является повышение полноты и качества очистки газопровода от гидратных отложений при снижении энергозатрат на реализацию способа.

Технический результат достигается тем, что создан способ очистки газопровода от гидратных отложений и заключается в том, что способ включает перемещение по нему очистного устройства, разрушение и вынос отложений струями, формируемыми очистным устройством. На гидратные отложения газопровода воздействуют струями газа, формируемыми электротепломеханическим блоком, движущимся по газопроводу под действием потока транспортируемого газа и нагретыми до температуры в диапазоне от плюс 5°С до плюс 50°С за счет электрической энергии. Диспергируют размягченные в процессе нагрева гидратные отложения механическим силовым воздействием на них передним торцом движущегося электротепломеханического блока, а также нагретыми скребковыми пружинными элементами, расположенными на внешней поверхности корпуса электротепломеханического блока.

Для питания теплоэлектронагревателей, расположенных на переднем торце электротепломеханического блока, нагревающих струи газа и скребковые пружинные элементы, используют электрогенератор с лопастным приводом, работающим под воздействием струй транспортируемого газа и/или аккумуляторов, соединенных с генератором.

Повышают интенсивность струй газа, воздействующих на лопастной привод электрогенератора, с помощью регулируемой диафрагмы за счет увеличения перепада давления, возникшего при столкновении движущегося блока с гидратными отложениями.

Температуру нагреваемых струй газа варьируют с помощью регулятора напряжения, подаваемого на теплоэлектронагреватели.

Сущность изобретения поясняется Фиг. 1. Общая схема электротепломеханического блока, где обозначены: 1 - газопровод , 2 - гидратные отложения, 3 - цилиндрический корпус электротепломеханического блока, 4 - электрогенератор, 5 - пилоны-кронштейны, 6 - лопастной привод, 7 - кольцевые трубчатые теплоэлектронагреватели, 8 - регулируемая диафрагма, 9 - цилиндрический корпус аккумуляторов, 10 - аккумуляторы, 11 - электрокабели, 12 - петлевая сцепка, 13 - пружинные скребковые элементы.

Пример реализации

Устройство состоит из электротепломеханического блока, движущегося в газопроводе 1 с гидратными отложениями 2 под действием потока транспортируемого газа. Электротепломеханический блок включает цилиндрический корпус 3, внутри которого помещен электрогенератор 4, удерживающийся пилонами-кронштейнами 5. На валу электрогенератора закреплён лопастной привод 6. В передней торцевой части электротепломеханического блока расположены кольцевые трубчатые теплоэлектронагреватели 7 и регулируемая диафрагма 8. В цилиндрическом корпусе аккумуляторов 9 установлены аккумуляторы 10, соединенные с электрогенератором электрокабелями 11. Корпус аккумуляторов соединён с корпусом электротепломеханического блока с помощью петлевой сцепки 12. На цилиндрическом корпусе электротермомеханического блока и корпусе аккумуляторов расположены пружинные скребковые элементы 13.

Устройство, реализующее заявляемый способ, работает следующим образом.

Электротермомеханический блок под действием потока транспортируемого газа с давлением P₁ движется по газопроводу 1, при этом струи газа вращают лопастной привод 6 и обдувают гидратные отложения 2. При вращении лопастного привода 6 электрогенератор 4 вырабатывает электрическую энергию, которая подается на теплоэлектронагреватели 7, а также на подзарядку аккумуляторов 10. Теплоэлектронагреватели 7 нагревают струи газа, обдувающие гидратные отложения 2, переднюю торцевую часть корпуса электротепломеханического блока и скребковые элементы 13. При движении по газопроводу электротепломеханического блока нагретые струями газа размягченные гидратные отложения разрушаются передней нагретой торцевой частью электротепломеханического блока и их диспергированные фрагменты выносятся в поток транспортируемого газа. Остатки гидратных отложений в газопроводе удаляются механическим воздействием нагретых скребковых пружинных элементов 13.

Достижение технического результата обеспечивается следующими факторами.

Известно, что основными управляющими параметрами для эффекта разложения гидратов в газопроводе является давление и температура. Поверхностного разложения гидратов можно добиться их нагревом [1,3]. В заявляемом изобретении на гидратные отложения газопровода воздействуют нагретыми струями газа, формируемыми электротепломеханическим блоком, движущимся по газопроводу под действием потока транспортируемого газа.

Нагрев струй до температуры от плюс 5°С до плюс 50°С в зависимости от типа отложений приводит к их разложению на гидрат метана и переохлажденную воду. При этом механическая прочность гидратных отложений резко снижается, что способствует их разрушению.

Нагрев струй газа, действующих на гидратные отложения в газопроводе, за счет электрической энергии является наиболее эффективным способом, т. к. электрическую энергию можно полностью перевести в тепловую. Преобразование электрической энергии в тепловую, в данном случае, имеет полезное применение.

Механическое силовое воздействие на нагретые гидратные отложения передним нагретым торцом электротепломеханического блока, движущегося по газопроводу, обеспечивает их надежное разрушение.

Силовое воздействие на оставшиеся фрагменты гидратных отложений нагретыми пружинными скребковыми элементами обеспечивает полную очистку газопровода.

Увеличение перепада давления, возникающего при столкновении движущегося электротепломеханического блока с гидратными отложениями, за счет регулируемой диафрагмы, повышает интенсивность струй газа, воздействующих на лопастной привод электрогенератора, что повышает его мощность.

Варьирование температуры нагреваемых струй газа с помощью регулятора напряжения позволяет обеспечить оптимальный температурный режим нагрева конкретных гидратных отложений.

Положительный эффект изобретения заключается также в автономности работы устройства, реализующего способ очистки газопровода от гидратных отложений.

Таким образом, заявляемый способ очистки газопровода от гидратных отложений достигает технического результата, заключающегося в повышении полноты и качества очистки газопровода от гидратных отложений при снижении энергозатрат на реализацию способа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Газовые гидраты, предупреждение их образование и использование / Ю.Ф. Макогон. - М.: Недра, 1985. - 232 с.

2. СТО Газпром 2-3.5-354-2009 «Порядок проведения испытаний магистральных газопроводов в различных природно-климатических условиях».

3. Истомин В.А., Квон В.Г. Предупреждение и ликвидация газовых гидратов в системах добычи газа. М. ИРЦ Газпром, 2004. - 508 с.

4. СТО Газпром 2-2.1-249-2008 «Магистральные газопроводы».

5. Патент РФ № 2320851 Способ ликвидации гидратных, газогидратных и гидратоуглеводородных отложений в скважине Владимиров А.И., Мельников В. Б. и др. Опубл. 27.03.2008, Бюл. № 9.

6. Патент РФ № 2220011 Способ очистки трубопровода и устройство для его осуществления Балтаханов А. М., Шишкин В.В.; Опубл. 27.12.2003, Бюл. № 36.

Изобретение относится к области транспортировки газа в газопроводах, а именно к способам очистки газопровода от гидратных отложений, образующихся при транспортировке газа. На гидратные отложения воздействуют струями газа, формируемыми электротепломеханическим блоком, движущимся по газопроводу под действием потока транспортируемого газа, и нагретыми до температуры в диапазоне от плюс 5°С до плюс 50°С за счет электрической энергии. Размягченные гидратные отложения диспергируют механическим силовым воздействием на них передним торцом движущегося электротепломеханического блока, а также нагретыми скребковыми пружинными элементами, расположенными на внешней поверхности электротепломеханического блока. Для питания теплоэлектронагревателей, расположенных на переднем торце электротепломеханического блока, нагревающих струи газа и скребковые пружинные элементы, используют электрогенератор с лопастным приводом, работающим под воздействием струй транспортируемого газа и/или аккумуляторов, соединенных с генератором. Повышают интенсивность струй газа, воздействующих на лопастной привод электрогенератора, с помощью регулируемой диафрагмы за счет увеличения перепада давления, возникшего при столкновении движущегося блока с гидратными отложениями, при этом температуру нагреваемых струй газа варьируют с помощью регулятора напряжения, подаваемого на теплоэлектронагреватели. Технический результат - повышение полноты и качества очистки газопровода от гидратных отложений при снижении энергозатрат на реализацию способа. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ очистки газопровода от гидратных отложений, включающий перемещение по нему очистного устройства, разрушение и вынос отложений струями, формируемыми очистным устройством, отличающийся тем, что на гидратные отложения газопровода воздействуют струями газа, формируемыми электротепломеханическим блоком, движущимся по газопроводу под действием потока транспортируемого газа, и нагретыми до температуры от плюс 5°С до плюс 50°С за счет электрической энергии, диспергируют размягченные в процессе нагрева гидратные отложения механическим силовым воздействием на них передним торцом движущегося электротепломеханического блока, а также нагретыми скребковыми пружинными элементами, расположенными на внешней поверхности корпуса электромеханического блока и корпуса аккумуляторов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для питания теплоэлектронагревателей, расположенных на переднем торце электротепломеханического блока, нагревающих струи газа и скребковые пружинные элементы, используют электрогенератор с лопастным приводом, работающим под воздействием струй транспортируемого газа, и/или аккумулятор, соединенный с генератором.

3. Способ по пп.1,2, отличающийся тем, что повышают интенсивность струй газа, воздействующих на лопастной привод электрогенератора, с помощью регулируемой диафрагмы за счет увеличения перепада давления, возникшего при столкновении движущегося блока с гидратными отложениями.

4. Способ по пп.1,2, отличающийся тем, что температуру нагреваемых струй газа варьируют с помощью регулятора напряжения, подаваемого на теплоэлектронагреватели.