image
energas.ru

Газовая промышленность Спецвыпуск № 2 2018

Газораспределение и газоснабжение

01.06.2018 11:00 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗОВЫХ ФИЛЬТРУЮЩИХ КАРТРИДЖЕЙ ГРУБОЙ И ТОНКОЙ ОЧИСТКИ БОЛЬШОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ
В работе газового оборудования, применяемого в современных головных пунктах редуцирования газа, одним из проблемных вопросов выступает повышение качества очистки газа от механических примесей. В статье рассмотрены основные принципы и этапы повышения эффективности цилиндрических фильтрующих картриджей грубой и тонкой очистки высокой пропускной способности.
Представлены новые технические решения: принцип снижения материалоемкости корпуса фильтров за счет оптимизации формы и разработки соответствующей конструкции цилиндрического фильтра; принцип повышения удельной пропускной способности на основе увеличения степени заполнения фильтрующих поверхностей посредством образования радиальных гофр; оценка засорения фильтра механическими примесями с использованием нового способа достоверного замера перепада давления на цилиндрическом фильтрующем картридже.
В целях снижения материалоемкости и капиталовложений в цилиндрический фильтр проведена оптимизация его формы, повышена степень заполнения внутреннего объема корпуса фильтрующей сеткой, разработаны принципы размещения цилиндрических фильтрующих картриджей грубой и тонкой очистки в одном корпусе. Для определения степени засорения фильтра механическими примесями разработан достоверный способ замера перепада давления непосредственно на цилиндрическом фильтрующем картридже.
Для апробации представленных решений был изготовлен и успешно испытан опытно-промышленный образец фильтрующего устройства, что позволило включить его в проекты строительства пунктов редуцирования газа высокой пропускной способности 500 м3/ч.
Ключевые слова: ПРИНЦИП ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ, ДВУХСТУПЕНЧАТАЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, ФИЛЬТРУЮЩИЙ КАРТРИДЖ, ГРУБАЯ ОЧИСТКА, ТОНКАЯ ОЧИСТКА, ПРИРОДНЫЙ ГАЗ, МЕХАНИЧЕСКАЯ ПРИМЕСЬ.
Открыть PDF


Головные пункты редуцирования газа (ПРГ) являются важнейшими структурными элементами городских газораспределительных сетей, которые обеспечивают надежность функционирования основных потребителей газа, включая объекты жизнеобеспечения. В настоящее время успешно эксплуатируются головные ПРГ большой единичной мощности, проектирование и строительство которых осуществляло АО «Гипрониигаз», в Волгограде (500,0 тыс. м3/ч), Воронеже (200,0 тыс. м3/ч), Уфе (500,0 тыс. м3/ч) и ряде других населенных пунктов. Одним из проблемных вопросов при эксплуатации вышеуказанных объектов является низкое качество газа, подаваемого в сети газораспределения, в отношении очистки от механических примесей, что требует применения в ПРГ устройств двухступенчатой очистки газа, оснащенных цилиндрическими фильтрующими картриджами (ЦФК) грубой и тонкой очистки [1].

Газооборудование современного отечественного ПРГ включает двухступенчатые цилиндрические установки (ДЦУ) с фильтрами грубой и тонкой очистки газа основных и резервных линий редуцирования (рис. 1).

В технической литературе отсутствуют методические положения по повышению экономической и технической эффективности ДЦУ газовой очистки [2–4]. В связи с этим АО «Гипрониигаз» при проектировании и строительстве головных ПРГ уделяет большое внимание повышению пропускной способности и снижению металлоемкости ЦФК, а также сокращению строительного объема зданий и сооружений для их размещения.

Анализ существующих установок из фильтров грубой и тонкой очистки газа выявил ряд следующих недостатков:

– высокая материалоемкость и капиталовложения в фильтры вследствие их нерациональной формы, а также в ограждающие строительные конструкции для их размещения;

– низкая степень заполнения внутреннего объема корпуса фильтрующей сеткой и, как следствие, его высокие металлоемкость и капиталовложения; низкая степень улавливания механических примесей фильт- рующими картриджами грубой очистки, обусловленная большим (0,2–0,5 мм) размером ячейки применяемых в них сеток [5];

– нарушение режима очистки фильтрующих поверхностей от механических примесей из-за отсутствия способа определения перепада давления на ЦФК, указывающего достоверную степень засорения; в выпускаемых промышленностью цилиндрических фильтрах для очистки природного газа можно замерить только перепад давления между их входным и выходным патрубками, что приводит к значительной погрешности по сравнению с замером непосредственно на ЦФК и, следовательно, несвоевременности удаления механических примесей с их фильтрующих поверхностей;

– высокая материалоемкость вследствие размещения ЦФК грубой и тонкой очистки в отдельных корпусах 4, 5, 9, 10 (см. рис. 1), эксплуатируемых при высоком давлении и имеющих в этом случае большие толщины соединительных фланцев и стенок цилиндрических обечаек; для размещения одного из фильтров двухступенчатых установок очистки требуются дополнительные площади, а также затраты на отопление и вентиляцию отчуждаемого объема.

В целях устранения имеющихся недостатков АО «Гипрониигаз» был предложен ряд принципов, на основе которых разработаны технические решения и методические положения.

 

ПРИНЦИП СНИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ КОРПУСА

Сформулирован принцип снижения материалоемкости корпуса фильтров на основе оптимизации их формы.

На первом этапе технического совершенствования фильтров проведена оптимизация формы их корпуса 1 (рис. 2), за счет которой достигаются минимальные металлоемкость и капиталовложения. Результаты проведенных исследований [6] показывают, что оптимальное отношение высоты Н корпуса 1 к его диаметру D, при которых достигаются минимальные металлоемкость и капитало- вложения, составляет (Н/D)opt = 4,0. В этом случае высота ЦФК в виде одного неразборного изделия Нфк составит 65 % от высоты Н корпуса 1 фильтра. Для извлечения из корпуса 1 такого ЦФК при проведении очистки от механических примесей необходимо предусматривать дополнительную высоту помещения, равную высоте ЦФК. В результате увеличиваются площадь наружных стен и расход тепловой энергии на отопление этой части помещения ПРГ. При этом чем больше площадь пола для размещения другого газового оборудования, расположенного совместно с фильтром в помещении ПРГ, тем больше периметр и площадь наружных стен высотой, равной Нфк, а также тепловые потери через указанную площадь. В целях сокращения затрат на ЦФК и ограждающие конструкции помещения предложен и защищен патентом принцип установки: вместо одного неразборного ЦФК высотой Нфк используется несколько (их число nфк) картриджей меньшей высоты, установленных параллельно, один на другом (см. рис. 2), c высотой каждого из них, равной hфк = Нфк/nфк [7].

Увеличение количества вертикально установленных ЦФК позволяет производить их демонтаж, извлекая по одному и поднимая над верхней отметкой фильтра только на высоту hфк (см. рис. 2). Это, в свою очередь, позволяет уменьшить высоту наружных стен до величины, необходимой для извлечения ряда ЦФК, что приводит к снижению материалоемкости и капитальных вложений.

Вместе с тем увеличение числа вертикально установленных ЦФК приводит к росту капитальных вложений в их изготовление, поскольку вместо одного ЦФК производится nфк фильтрующих картриджей. В этом случае увеличивается число кольцеобразных оснований и крышек для крепления фильтрующей и опорных сеток, расход материалов, например эпоксидной заливки для герметичного соединения нижних и верхних краев сеток, соответственно увеличиваются капитальные вложения в их сборку, а также в изготовление, монтаж и демонтаж струбцины, соединяющей nфк картриджей в единый разборный блок, обеспечивающий необходимую прочность и устойчивость.

В целях определения оптимального числа ЦФК, которому соответствуют минимальные дополнительные интегральные затраты на ЦФК и наружные стены помещения, разработана математическая модель [8].

В соответствии с приведенной моделью выполнены расчеты по определению оптимального числа ЦФК для расположенного в помещении ПРГ фильтра с диаметром входного и выходного патрубков 350 мм. Результаты вычислений показывают, что оптимальное число ЦФК, размещаемое в его внутреннем объеме, составляет nфк opt = 3,0. При этом дополнительные расчеты показывают, что с уменьшением диаметра входного и выходного патрубков фильтра значение nфк opt уменьшается.

Общий вид предложенных конструкций цилиндрического фильтра оптимальной формы и ЦФК 8, 10 и 11 сетчатого типа, изготовленных АО «Гипрониигаз», с диаметром входного и выходного патрубков 350 мм, приведен на рис. 3.

Применение полученных результатов по определению оптимальной формы корпуса и использование принципа установки нескольких ЦФК малой высоты числом nфк, установленных один на другой [7], для фильтра пропускной способностью 92 тыс. м3/ч позволяет сократить материалоемкость и капиталовложения в 1,28 раза по сравнению с широко применяемыми фильтрами ФГС-СН-500 с такой же пропускной способностью.

 

ПРИНЦИП ПОВЫШЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ

Разработан принцип повышения удельной пропускной способности на основе повышения степени заполнения фильтрующих поверхностей в единице объема корпуса фильтра.

На втором этапе технического совершенствования фильтра предложен принцип образования радиальных гофр 4 диаметром Dн (рис. 4) на фильтрующих поверхностях полого цилиндра 3 диаметром Dв.

При этом на боковых сторонах гофр 4 формируются дополнительные продольные складки 5. Фильтрующий цилиндр 3 герметично соединен с выходным штуцером 6 корпуса 2. Предложенный принцип и созданные на его основе технические решения защищены патентом [9].

Предложенная конструкция гофрированного ЦФК позволяет увеличить пропускную способность по сравнению с обычным ЦФК с гладкой фильтрующей цилиндрической поверхностью в 5,5 раза.

В целях повышения качества грубой очистки был проанализирован опыт эксплуатации газорегулирующего и измерительного оборудования, который показал, что увеличение размеров частиц механических примесей свыше 0,1 мм приводит к повышению погрешности измерений и выходу из строя измерительных комплексов и газовых счетчиков, а также эрозии уплотнительных поверхностей клапанов, снижающей уровень их герметичности ниже класса А по ГОСТ 9544–2015 [10].

Для приведения в соответствие с требованиями и техническими характеристиками существующих сетчатых фильтров было разработано предложение [11] о применении сеток с размером ячейки не более 0,08 мм [12]. При этом гофрированные сетки с размером ячейки 0,08 мм и толщиной 0,055 мм не могут сохранять постоянную форму под воздействием перепада давления, повышающегося при их засорении механическими примесями.

Повышение устойчивости и прочности тонкой гофрированной фильтрующей сетки 5 (рис. 5) достигается путем образования на ее боковых цилиндрических поверхностях наружной защитной оболочки 4 и внутренней опорной оболочки 6 из металлической утолщенной сетки параллельных их оси однотипных продольных гофр, равномерно распределенных по всей их цилиндрической поверхности. При этом наружная 4 и внутренняя 6 оболочки расположены друг относительно друга на расстоянии, заданном толщиной фильтрующей сетки 5, образуя вместе с ней трехслойную гофрированную структуру [13].

Результаты расчетов, проведенных согласно [14], на прочность и устойчивость продольных гофр в опорной оболочке 6, выполняющих функцию продольных ребер, показывают, что для блока из трех ЦФК, установленных один на другой, при высоте одного ЦФК 460 мм и толщине опорной сетки 6, равной 1,1 мм, обеспечивается необходимая прочность при максимально допустимой величине перепада давления на ЦФК.

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЗАСОРЕНИЯ ФИЛЬТРА

Проведено определение степени засорения фильтра механическими примесями на основе предложенного способа достоверного замера перепада давления непосредственно на ЦФК.

На третьем этапе предложены принципы достоверного замера максимально допустимого перепада давления ∆Рмд непосредственно на ЦФК для определения степени засорения, при которой необходимо производить очистку от механических примесей. В настоящее время отсутствуют способы достоверного замера перепада давления на ЦФК.

В целях устранения указанного недостатка обосновано место установки датчиков перепа- да давления путем анализа потерь давления газа [15] при его течении вдоль блока из нескольких вертикально установленных один на другой фильтрующих картриджей 5, 6 и 7 (см. рис. 2). Было показано, что поток газа, направленный вдоль блока фильтрующих картриджей 5, 6 и 7 снизу вверх, приводит к снижению давления неочищенного газа в верхних частях кольцевого пространства 16 в месте расположения ЦФК 7, в отличие от нижнего ЦФК 5, вследствие газодинамических потерь.

Вследствие этого давление неочищенного газа Рн.н в нижней части (точка А на рис. 2) фильтрующего картриджа 5 будет всегда больше, чем давление Рн.в в верхней (точка С) в месте расположения ЦФК 7, т. е. Рн.н > Рн.в на величину газодинамических потерь на трение ∆Ртр на участке кольцевого пространства 16. В этом случае более высокое значение перепада давления между неочищенным и очищенным газом на фильтрующем картридже в точке А по сравнению с точкой С (Рн.н > Рн.в) обусловливает пропорционально более высокое количество протекающего неочищенного газа, а значит, и большее количество твердых частиц, оседающих в нижней части ЦФК 5, и, как следствие, бóльшую степень засоренности его фильтрующей сетки.

Отсюда следует, что замер статических давлений в нижней части фильтрующего картриджа 5 в точках А и Б покажет более высокое значение перепада давления на ЦФК, чем в верхней его части в месте расположения ЦФК 7.

При этом значение перепада давлений ∆Рмд в нижней части фильтрующего картриджа 5 будет достигнуто в более ранний период по сравнению с верхним картриджем 7. Таким образом, замер перепада давлений в нижней части фильтрующего картриджа 5, наиболее засоренной твердыми частицами, дает возможность максимально раннего получения сигнала на диспетчерском пульте и обеспечивает временной запас для технического персонала по своевременному отключению фильтра в целях очистки его от механических примесей.

По результатам анализа, приведенного в [15], разработано устройство, обеспечивающее минимальную погрешность при замере перепада давления непосредственно на фильтрующем картридже. Схема устройства, в соответствии с предлагаемым способом замера перепада давления на ЦФК [16] между датчиками 21 и 20, приведена на рис. 2. Согласно предлагаемому способу замера перепада давления на ЦФК (см. рис. 2) штуцер-датчик 21 для отбора давления неочищенного газа устанавливается в нижней части корпуса 1 и соединен своим отверстием с внутренним кольцевым пространством 16, что позволяет газу по импульс- ной трубке 15 от штуцера 21 поступать к дифференциальному манометру 13 для измерения и регистрации статического давления Рн.н в точке А.

Узел для отбора давления очищенного газа выполнен в виде вертикального датчика давления 20. При этом импульсная трубка 14 к датчику 20 герметично проходит через стенку корпуса 1, кольцевое пространство 16 и входит во внут- реннее пространство 17 внутри ЦФК 5 таким образом, чтобы отверстие 19 датчика 20 было расположено на уровне размещения входа датчика 21 для замера перепада давления неочищенного газа. Это отверстие должно быть расположено в боковой поверхности датчика 20 в целях замера статического давления Ро.н. Верхний конец датчика 20 герметично закрыт заглушкой 18. Таким образом, датчики 21 и 20 измеряют разность статических давлений неочищенного и очищенного газа до и после ЦФК 5, т. е. перепад давления на этом ЦФК. Предлагаемый принцип и разработанное на его основе техническое решение защищены патентом на полезную модель [16].

Применение предложенного способа замера перепада давления непосредственно на ЦФК позволяет уменьшить погрешность его величины в 1,4–1,9 раза по сравнению с существующим аналогом, когда перепад давления измеряется на входном и выходном патрубках 3 и 22 цилиндрического фильтра.

 

ПРИНЦИП СНИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ ПРИ РАЗМЕЩЕНИИ ЦФК В ОДНОМ КОРПУСЕ

На четвертом этапе технического совершенствования предложен принцип сокращения материалоемкости путем размещения ЦФК грубой и тонкой очистки в одном корпусе.

В литературе [2–5] отсутствуют методические положения по компактному и малозатратному устройству ДЦУ газовой очистки. В связи с этим предложен новый принцип размещения во внутреннем объеме одного корпуса 2 (рис. 6) коаксиально установленных ЦФК, один внутри друго- го, грубой очистки 3 и 5 из сетки и тонкой очистки 4 и 6 из волокнистого материала, находящихся на минимально допустимом расстоянии min, при котором сетка фильтрующих картриджей грубой очистки 3 и 5 в местах сближения с ЦФК тонкой очистки 4 и 6 не засоряется интенсивнее, чем на участках, расположенных на бóльших расстояниях, и, как следствие, не происходит увеличения перепада давления между фильтрующими слоями грубой 3 и 5 и тонкой 4 и 6 очистки.

В соответствии с предлагаемым принципом разработана конструкция ДЦУ, защищенная патентом на полезную модель [17].

В целях выявления значе- ния min, согласно патенту [17], в Научно-производственном центре АО «Гипрониигаз» было проведено испытание газового фильтрующего устройства, результаты которого показывают, что при увеличении расстояния между фильтрующими слоями грубой и тонкой очистки до минимального значения, равного min = 5,6 мм, величина перепада давления между ними прекращает уменьшаться. Это свидетельствует о том, что при min = 5,6 мм и выше засорение сетки грубой очистки осуществ- ляется так же, как и одиночно расположенной сетки, и газодинамическое влияние слоя тонкой очистки уже не ощущается.

В целях внедрения предлагаемых принципов повышения эффективности газовых ЦФК грубой и тонкой очистки высокой пропускной способности [6, 7, 9, 13, 16, 17] был изготовлен и испытан опытно-промышленный образец ДЦУ. Положительные результаты испытаний позволили включить предлагаемую конструкцию в состав подготовленного к строительству головного ПРГ пропускной способностью 500 тыс. м3/ч.

Таким образом, в статье рассмот- рены несколько этапов технической эволюции установок очистки природного газа, направленных на повышение эффективности газовых ЦФК грубой и тонкой очистки большой пропускной способности.

 

ВЫВОДЫ

Определено оптимальное отношение высоты Н корпуса цилинд- рического фильтра к его диаметру D, составляющее (Н/D)opt = 4,0 (см. рис. 2), при котором достигаются минимальные металлоемкость и капиталовложения. Для извлечения из корпуса фильтрующего картриджа, составляющего в этом случае 65 % от высоты Н корпуса фильтра, при проведении очистки от механических примесей необходимо предусматривать дополнительную высоту помещения, равную величине ЦФК.

В целях сокращения затрат на ЦФК и наружные стены помещения предложен и защищен патентом принцип установки: вместо одного неразборного ЦФК высотой Нфк блок из нескольких картриджей меньшей высоты числом nфк, установленных параллельно, один на другой (см. рис. 2), c высотой каждого из них, равной hфк = Нфк/nфк [7]. Результаты расчетов показали, что оптимальное число ЦФК, размещаемое в его внутреннем объеме, составляет nфк opt = 3,0.

В целях увеличения удельной пропускной способности предложен принцип повышения степени заполнения фильтрующих поверхностей в единице объема корпуса фильтра путем образования радиальных гофр с формированием на их боковых сторонах дополнительных продольных складок [9].

Повышение устойчивости и предотвращение деформаций тонкой гофрированной фильтрующей сетки достигается путем формирования на ее боковых поверхностях наружной и внутренней цилиндрических оболочек, выполненных из металлической утолщенной сетки (см. рис. 5) однотипных продольных гофр, которые образуют вместе с фильтрующей сеткой трехслойную гофрированную структуру [9].

Выявлено, что в нижней части блока фильтрующих картриджей в процессе фильтрации будет оседать всегда большее количество твердых частиц по сравнению с его верхней частью. Это обусловлено тем, что давление поднимающегося вверх неочищенного газа Рн.н в нижней части блока фильтрующих картриджей будет всегда больше, чем в его верхней части Рн.в, на величину потерь давления на трение. Отсюда следует, что замер перепада давления в нижней части блока фильтрующих картриджей, наиболее засоренной твердыми частицами, дает возможность более раннего получения сигнала на диспетчерском пульте и обеспечивает временной запас для технического персонала по своевременному отключению фильтра в целях очистки его ЦФК от загрязнений.

Предложена конструкция узла замера перепада давления на ЦФК, когда датчик давления очищенного газа устанавливается в нижней части внутреннего объема ЦФК так, чтобы его отверстие для соединения с внутренним пространством ЦФК было расположено в его боковой поверхности на той же отметке, что и отверстие датчика давления неочищенного газа [16].

Предложен новый принцип размещения во внутреннем объеме корпуса фильтра двух коаксиально расположенных, один внутри другого, ЦФК грубой и тонкой очистки, находящихся на экспериментально установленном минимально допустимом расстоянии min = 5,6 мм, при котором сетка фильтрующего картриджа грубой очистки в местах сближения с ЦФК тонкой очистки не засоряется интенсивнее, чем на участках, расположенных на бóльших расстояниях, и, как следствие, не происходит увеличения перепада давления между фильтрующими слоями грубой и тонкой очистки [17].

Результаты технико-экономического обоснования показывают, что значение интегральных удельных затрат в предлагаемую конструкцию ДЦУ в среднем в 1,65 раза меньше в сравнении с существующим аналогом, когда ЦФК грубой и тонкой очистки размещаются в отдельных корпусах.



← Назад к списку