передвижная азотная компрессорная станция и способ получения инертной газовой смеси на основе азота

Формула изобретения

1. Передвижная азотная компрессорная станция, содержащая размещенные на шасси автомобиля воздушный поршневой многоступенчатый компрессор и мембранный газоразделительный модуль, отличающаяся тем, что она снабжена транспортируемой модульной азотной установкой, причем выход третьей ступени сжатия воздушного компрессора через холодильник и водомаслоотделитель соединен с входом газоразделительного модуля через блок фильтров, а выход газоразделительного модуля - с входом четвертой ступени сжатия воздушного компрессора.

2. Передвижная азотная компрессорная станция по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена компрессорным агрегатом, расположенным вблизи кабины грузового автомобиля, дизелем, предпусковым подогревателем, расположенным за дизелем компрессорного агрегата в задней части передвижной компрессорной станции, расположенной под дизелем и компрессорным агрегатом, камерой подогрева компрессорного агрегата, а транспортируемая модульная азотная установка снабжена закрепленным через опорную раму на прицепе или шасси и защищенным от воздействия атмосферных осадков термостатированным кузовом газоразделительным модулем, шестью или менее съемными секционными металлическими трубопроводами и съемным теплым рукавом.

3. Передвижная азотная компрессорная станция по п.2, отличающаяся тем, что газоразделительный модуль содержит входной и выходной штуцеры или фланцы, газораспределительное устройство, пневмопривод, манометр, до четырех сбросных кранов, до шести сливных кранов и до восьми отсечных кранов, до четырех конденсатоотводчиков, до десяти фильтров - влагомаслоотделителей, ресивер выходной, от одного до ста мембранных или короткоцикловых адсорбционных или газодиффузионных газоразделительных сосудов, сосуд газоразделительный имеет корпус со штуцером входа разделяемого воздуха, нижнюю крышку со штуцером инертной азотной газовой смеси и верхнюю крышку со штуцером выхода пермеата O₂, мембранный газоразделительный картридж, причем мембранный газоразделительный картридж выполнен в виде катушки с намотанным на нее полимерным волокном или полого цилиндра, заполненного газоразделительными гранулами, а длина мембранного газоразделительного картриджа L2 относится к наружному диаметру корпуса D1 и высоте емкости сбора конденсата L1 как 1:(4÷20) и 1:(2÷6) соответственно.

4. Передвижная азотная компрессорная станция по п.2, отличающаяся тем, что газоразделительный модуль содержит от одного до трех фильтров общей, от одного до трех фильтров тонкой и до трех фильтров адсорбционной очистки воздуха, систему автоматического слива водомасляной смеси из фильтров, блок управления с индикатором и прибором определения концентрации кислорода, сосуд газоразделительный имеет нижнюю крышку со штуцерами входа разделяемого воздуха и выхода инертной азотной газовой смеси, по два стопорных полукольца и уплотнительных кольца картриджа.

5. Передвижная азотная компрессорная станция по п.2, отличающаяся тем, что компрессорный агрегат состоит из воздушного, поршневого, W-образного, шестирядного, шестицилиндрового, четырехступенчатого компрессора, после каждой ступени компрессора установлены холодильник, водомаслоотделитель, предохранительный клапан и манометр; блоки холодильников первой и второй ступеней размещены в развале картера внутри компрессора, блоки холодильников третьей и четвертой ступеней размещены снаружи компрессора.

6. Передвижная азотная компрессорная станция по п.4, отличающаяся тем, что компрессор содержит на первой ступени блок из двух цилиндров и два дифференциальных поршня, на второй ступени блок из двух цилиндров, на третьей и четвертой ступенях по одному цилиндру, съемную трубу всасывания, поддон, коллектор горячей воды; каждый цилиндр третьей и четвертой ступеней имеют до десяти съемных фонарей и проставочных колец, причем больший диаметр цилиндра первой ступени D1 относится к его меньшему диаметру D2, к диаметрам второй, третьей и четвертой ступеней как 1:(1,1÷1,5), 1:(1,0÷2,4), 1:(1,5÷2,8) и 1:(3,0÷4,0) соответственно; наружные диаметры проставочного кольца и фонаря третьей ступени D3 относятся к толщине проставочного кольца s и высоте фонаря третьей ступени h как 1:(5÷20) и 1:(1÷3), наружные диаметры проставочного кольца и фонаря четвертой ступени относятся к толщине проставочного кольца и высоте фонаря четвертой ступени как 1:(4÷18) и 1:(1,2÷4).

7. Способ получения инертной газовой смеси на основе азота, в котором предварительно сжатый в ступенях компрессора воздух охлаждают и очищают в холодильниках и водомаслоотделителях, отличающийся тем, что охлажденный и очищенный сжатый воздух подают через трубопроводы на вход газораспределительного модуля, установленного на транспортируемой модульной азотной установке, последовательно очищают на фильтрах-влагомаслоотделителях от капельной влаги, механических примесей и масла и подают через газораспределительное устройство в соединенные между собой последовательно и/или параллельно газоразделительные сосуды, в которых концентрацию кислорода снижают до 0,1%, инертную азотную газовую смесь подают в последующие ступени компрессора, охлаждают до температуры ниже 60°С и очищают от влаги и масла последовательно в холодильниках и водомаслоотделителях последующих ступеней компрессора и подают через ресивер, обратный клапан и вентиль в объект потребления, причем в режиме пуска при отрицательных температурах передвижной азотной компрессорной станции запускают предпусковой подогреватель и высокотемпературные газы поступают в камеру подогрева и в кузов передвижной компрессорной станции, при достижении необходимой температуры происходит запуск дизеля и компрессора, а высокотемпературные газы из камеры подогрева через теплый рукав подают в термостатированный кузов транспортируемой модульной азотной установки.

8. Способ получения инертной газовой смеси на основе азота по п.7, отличающийся тем, что воздух с давлением 9-12 кг/см² поступает на вход газораспределительного модуля после второй ступени компрессора, а инертную азотную газовую смесь с давлением 8,5-11,5 кг/см² подают в третью ступень компрессора.

9. Способ получения инертной газовой смеси на основе азота по п.7, отличающийся тем, что воздух с давлением 30,0-40,0 кг/см ² после третьей ступени компрессора поступает через трубопроводы на вход газораспределительного модуля и последовательно очищается на фильтре общей очистки воздуха от капельной влаги, механических примесей размером больше 1 мкм и масла до концентрации паров не более 1 мг/м³, на фильтре тонкой очистки воздуха - от частиц размером больше 0,3 мкм, концентрации паров масла не более 0,1 мг/м³, на фильтре адсорбционной очистки воздуха до концентрации молекул CO₂ и других примесей, концентрации паров масла не более 0,05 мг/м³ , а инертная азотная газовая смесь с давлением 29,0-39,5 кг/см ² поступает в четвертую ступень компрессора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области компрессоростроения и предназначено для получения из атмосферного воздуха сжатой инертной газовой смеси на основе азота, которая может применяться для взрывобезопасного обеспечения сжатым воздухом работ по ремонту и освоению газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин, трубопроводов, резервуаров и оборудования, эксплуатирующихся со взрывоопасными средами, и других целей в различных областях промышленности, для очистки забоев скважин от скопления жидкости и песка и в хранилищах сельскохозяйственной продукции.

Известна азотная передвижная компрессорная станция СДА-5/110 производства ОАО «Краснодарский компрессорный завод», состоящая из компрессора, смонтированного на шасси грузового автомобиля, защищенного от воздействия атмосферных осадков капотом, дизеля-привода компрессора, пульта управления, блока охлаждения, газоразделительного блока [1,2].

Недостатками известных азотных передвижных компрессорных станций являются:

- низкая эффективность извлечения инертной газовой смеси на основе азота из атмосферного воздуха (до 55%), обусловленная подачей в газоразделительный блок неочищенного от влаги и масла воздуха;

- низкие производительность (5 м³/мин) и давление (110 кг/см²) по инертной газовой смеси на основе азота;

- содержание кислорода (12%) в инертной газовой смеси на основе азота близко к взрывоопасному значению (13%) (см. РД-08-200-98. Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности) и при смешении с воздухом скважин и других объектов может привести к образованию взрывоопасной смеси.

Наиболее близкая по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является передвижная азотная компрессорная станция, содержащая размещенные на шасси автомобиля воздушный поршневой многоступенчатый компрессор, причем выход второй ступени сжатия воздушного компрессора через холодильник и водомаслоотделитель соединен с входом мембранного газоразделительного аппарата через блок фильтров, а выход газоразделительного аппарата с входом третьей ступени сжатия воздушного компрессора [3].

Известен способ получения инертной газовой смеси на основе азота путем дополнительной установки на передвижную компрессорную станцию газоразделительного блока и присоединения его трубопроводами с выходом второй ступени и входом третьей ступени воздушного компрессора с получением инертной газовой смеси на основе азота [3]

Недостатки известных устройства и способа заключаются:

в ограниченности сферы применения - получение из атмосферного воздуха только сжатой инертной газовой смеси на основе азота с содержанием кислорода (12%) и давлением 6 МПа, обусловленное потерей 40% объема сжимаемого воздуха на блоке и невозможностью перевести работу станции в полевых условиях в режим компримирования сжатой инертной защитной атмосферы;

в размещении между кабиной и компрессорным агрегатом габаритного газоразделительного блока, что приводит к изменению нагрузок на оси, удлинению рамы шасси и доработку крепежа оборудования станции на раме, дополнительному (1 метр) свесу коробчатого кузова;

изменение нагрузок на оси ограничивает проходимость и снижает срок службы грузового автомобиля;

отсутствии подогревателя, что затрудняет пуск станции при низких температурах окружающего воздуха.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков.

Поставленная задача решается тем, что передвижная азотная компрессорная станция, содержащая размещенные на шасси автомобиля воздушный поршневой многоступенчатый компрессор и мембранный газоразделительный модуль, согласно изобретению, снабжена транспортируемой модульной азотной установкой, причем выход третьей ступени сжатия воздушного компрессора через холодильник и водомаслоотделитель соединен с входом газоразделительного модуля через блок фильтров, а выход газоразделительного модуля с входом четвертой ступени сжатия воздушного компрессора.

Станция снабжена компрессорным агрегатом, расположенным вблизи кабины грузового автомобиля, дизелем, предпусковым подогревателем, расположенным за дизелем компрессорного агрегата в задней части передвижной компрессорной станции, расположенной под дизелем и компрессорным агрегатом, камерой подогрева компрессорного агрегата, а транспортируемая модульная азотная установка снабжена закрепленным через опорную раму на прицепе или шасси и защищенным от воздействия атмосферных осадков термостатированным кузовом газоразделительным модулем, шестью или менее съемными секционными металлическими трубопроводами и съемным теплым рукавом.

Газоразделительный модуль содержит входной и выходной штуцеры или фланцы, газораспределительное устройство, пневмопривод, манометр, до четырех сбросных кранов, до шести сливных кранов и до восьми отсечных кранов, до четырех конденсатоотводчиков, до десяти фильтров-влагомаслоотделителей, ресивер выходной, от одного до ста мембранных или короткоцикловых адсорбционных или газодиффузионных газоразделительных сосудов, сосуд газоразделительный имеет корпус с штуцером входа разделяемого воздуха, нижнюю крышку с штуцером инертной азотной газовой смеси и верхнюю крышку с штуцером выхода пермеата O₂, мембранный газоразделительный картридж, причем мембранный газоразделительный картридж выполнен в виде катушки с намотанным на нее полимерным волокном или полого цилиндра, заполненного газоразделительными гранулами, а длина мембранного газоразделительного картриджа L2 относится к наружному диаметру корпуса D1 и высоте емкости сбора конденсата L1, как 1:(4÷20) и 1:(2÷6) соответственно.

Газоразделительный модуль содержит от одного до трех фильтров общей, от одного до трех фильтров тонкой и до трех фильтров адсорбционной очистки воздуха, систему автоматического слива водомасляной смеси из фильтров, блок управления с индикатором и прибором определения концентрации кислорода, сосуд газоразделительный имеет нижнюю крышку с штуцерами входа разделяемого воздуха и выхода инертной азотной газовой смеси, по два стопорных полукольца и уплотнительных кольца картриджа.

Компрессорный агрегат состоит из воздушного, поршневого, W-образного, шестирядного, шестицилиндрового, четырехступенчатого компрессора, после каждой ступени компрессора установлены холодильник, водомаслоотделитель, предохранительный клапан и манометр; блоки холодильников первой-второй ступени размещены в развале картера внутри компрессора, блоки холодильников третьей-четвертой ступени размещены снаружи компрессора.

Компрессор содержит на первой ступени блок из двух цилиндров и два дифференциальных поршня, на второй ступени - блок из двух цилиндров, на третьей и четвертой ступени - по одному цилиндру, съемную трубу всасывания, поддон, коллектор горячей воды; каждый цилиндр третьей и четвертой ступени имеют до десяти съемных фонарей и проставочных колец, причем больший диаметр цилиндра первой ступени D1 относится к его меньшему диаметру D2, к диаметрам второй, третьей и четвертой ступеней, как 1:(1,1÷1,5), 1:(1,0÷2,4), 1:(1,5÷2,8) и 1:(3,0÷4,0) соответственно; наружные диаметры проставочного кольца и фонаря третьей ступени D3 относятся к толщине проставочного кольца s и высоте фонаря третьей ступени h, как 1:(5÷20) и 1:(1÷3), наружные диаметры проставочного кольца и фонаря четвертой ступени относятся к толщине проставочного кольца и высоте фонаря четвертой ступени, как 1:(4÷18) и 1:(1,2÷4).

В способе получения инертной газовой смеси на основе азота, в котором предварительно сжатый в ступенях компрессора воздух охлаждают и очищают в холодильниках и водомаслоотделителях, согласно изобретению, охлажденный и очищенный сжатый воздух подают через трубопроводы на вход газораспределительного модуля, установленного на транспортируемой модульной азотной установке, последовательно очищают на фильтрах-влагомаслоотделителях от капельной влаги, механических примесей и масла и подают через газораспределительное устройство в соединенные между собой последовательно и/или параллельно газоразделительные сосуды, в которых концентрацию кислорода снижают до 0,1%, инертную азотную газовую смесь подают в последующие ступени компрессора, охлаждают до температуры ниже 60°С и очищают от влаги и масла последовательно в холодильниках и водомаслоотделителях последующих ступеней компрессора и подают через ресивер, обратный клапан и вентиль в объект потребления, причем в режиме пуска при отрицательных температурах передвижной азотной компрессорной станции запускают предпусковой подогреватель, и высокотемпературные газы поступают в камеру подогрева и в кузов передвижной компрессорной станции, при достижении необходимой температуры происходит запуск дизеля и компрессора, а высокотемпературные газы из камеры подогрева через теплый рукав подают в термостатированный кузов транспортируемой модульной азотной установки.

В одном варианте воздух с давлением 9-12 кг/см² поступает на вход газораспределительного модуля после второй ступени компрессора, а инертную азотную газовую смесь с давлением 8,5-11,5 кг/см ² подают в третью ступень компрессора.

В другом варианте воздух с давлением 30,0-40,0 кг/см² после четвертой ступени компрессора поступает через трубопроводы на вход газораспределительного модуля и последовательно очищается на фильтре общей очистки воздуха от капельной влаги, механических примесей размером больше 1 мкм и масла до концентрации паров не более 1 мг/м³, на фильтре тонкой очистки воздуха от частиц размером больше 0,3 мкм, концентрации паров масла не более 0,1 мг/м³, на фильтре адсорбционной очистки воздуха до концентрации молекул CO₂ и других примесей, концентрации паров масла не более 0,05 мг/м³; инертная азотная газовая смесь с давлением 29,0-39,5 кг/см² поступает в четвертую ступень компрессора.

Анализ информации показал, что заявленное техническое решение неизвестно из достигнутого уровня техники, в связи с чем оно соответствует критерию «новизна».

Подобное техническое решение явным образом не следует из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию «изобретательский уровень».

Заявленное изобретение создает положительный эффект, который выражается в том, что для получения инертной азотной газовой среды используются выпускаемые ранее передвижные компрессорные станции, комплектуемые транспортируемыми модульными азотными установками. В зависимости от производительности, концентрации кислорода и примесей в инертной азотной газовой среде происходит комплектация транспортируемых модульных азотных установок газоразделительными сосудами, фильтрами, запасными фонарями и проставочными кольцами. Предварительно охлажденный, очищенный от примесей и паров воды и масла, сжатый воздух поступает в газоразделительный модуль и очищается последовательно в воздушных фильтрах общей, тонкой и абсорбционной очистки, что облегчает условия эксплуатации газоразделительных сосудов и последующих ступеней компрессора, увеличивает концентрацию азота в инертной газовой среде до 99,9%, что повышает эффективность ее использования.

Изложенное свидетельствует, что изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».

Изобретение поясняется Фиг.1,2,3,4,5,6,7, на которых изображены передвижная азотная компрессорная станция и ее функциональные элементы, которые принципиально не отличаются от других вариантов исполнения предложенного изобретения.

Передвижная азотная компрессорная станция (Фиг.1) состоит из передвижной компрессорной станции 5 и транспортируемой модульной азотной установки 18, в которых размещены следующие функциональные элементы: поршневой компрессорный агрегат 4, дизель 3, предпусковой подогреватель 1 с камерой подогрева компрессорного агрегата 7, пульт управления 6, смонтированных на шасси грузового автомобиля и защищенных от воздействия атмосферных осадков кузовом коробчатого сечения 2, выходного штуцера сжатого во второй ступени воздуха 8, штуцера теплого воздуха 10, входного штуцера инертной азотной газовой смеси 9, рукавов: воздушного 11, азотного 12 и теплого 13 подсоединенных к входным штуцерам транспортируемой модульной азотной установки 18, содержащей выдвижные опоры 15, газоразделительный блок 17, размещенный на прицепе 14 и защищенный от воздействия температур и атмосферных осадков термостатированным кузовом коробчатого сечения 16.

Газоразделительный модуль (Фиг.2) имеет раму 19, газораспределительное устройство 20, пневмопривод 21, манометр 22, блок управления 23, отсечные краны 24, сбросные краны 25, ресивер выходной 26, фильтры-влагомаслоотделители 27, газоразделительные сосуды 28, входной фланец воздуха 29, выходной фланец азота 30.

Сосуд газоразделительный (Фиг.3) состоит из корпуса 33, мембранного газоразделительного катриджа 37, который крепится в корпусе с помощью верхней крышки 36, двух стопорных полуколец 34 и уплотнительных колец катриджа 38, на верхней крышке имеется штуцер для выхода пермеата O₂ 35, на нижней крышке 39 размещены штуцер входа разделяемого воздуха 32 и штуцер выхода инертной азотной газовой смеси 31.

Компрессорный агрегат 4 (Фиг.4,5,6,7) имеет водо-маслоотделитель 1-й ступени 40, клапан предохранительный 1-й ступени 41, холодильник 1-й ступени 42, холодильник 2-й ступени 43, клапан предохранительный 2-й ступени 44, трубу всасывания 3-й ступени 45, водо-маслоотделитель 2-й ступени-46 с выходным фланцем 63, поддон 47, водо-маслоотделитель 3-й ступени 54, водомаслоотделитель 4-й ступени 48, коллектор горячей воды 49, входной фланец 3-й ступени 50, холодильник 3-й ступени 51, холодильник 4-й ступени 64, клапан предохранительный 3-й ступени 65, клапан предохранительный 4-й ступени 52, трубу всасывания 4-й ступени 53, коллектор водяной 55, дифференциальный поршень 56, фонарь 3-й ступени 57, клапан комбинированный 3-й ступени 58, проставочное кольцо 3-й ступени 59, проставочное кольцо 4-й ступени 60, клапан комбинированный 4-й ступени 61, фонарь 4-й ступени 62.

Изобретение поясняется Фиг.8, на которой изображена пневматическая схема передвижной азотной компрессорной станции, которая принципиально не отличается от других вариантов исполнения предложенного изобретения.

Передвижная азотная компрессорная станция состоит из передвижной компрессорной станции 5 и транспортируемой модульной азотной установки 18.

Передвижная компрессорная станция состоит из компрессорного агрегата 4 с приводом, линии байпаса транспортируемой модульной азотной установки, состоящей из технологических трубопроводов и кранов 66 67,68,69; компрессорный агрегат 4 имеет вход атмосферного воздуха и выход сжатой инертной азотной газовой смеси, состоящий из обратного клапана 70, вентиля 71 и манометра 22, воздушный фильтр 72, W-образный шестицилиндровый четырехступенчатый воздушный поршневой компрессор; компрессор имеет: на 1-й ступени - блок из двух цилиндров 73, на 2-й ступени - блок из двух цилиндров 74, на 3-й и 4-й ступенях по одному цилиндру 75,76, после каждой ступени компрессора установлены предохранительные клапаны 41,44,65,52 и манометры 22, по четыре холодильника 42,43,51,64 и водомаслоотделителя 40,46,54,48; транспортируемая модульная азотная установка 18 состоит из шести газоразделительных сосудов 28, газо-распределительного устройства 20, двух фильтров-влагомаслоотделителей 27, ресивера 26, манометра 22.

Устройство работает следующим образом (Фиг.8)

Атмосферный воздух предварительно очищается от механических примесей в воздушном фильтре 72, всасывается в цилиндры 1-й ступени компрессора 73, сжимается до давления 2,5-3 кгс/см², охлаждается в холодильнике 1-й ступени 42 и очищается от капельной влаги и масла в водомаслоотделителе 1-й ступени 40, подается во вторую ступень компрессора 74 и после сжатия до давления 8-12 кгс/см² охлаждается и очищается от капельной влаги и масла в холодильнике 2-й ступени 43 и водомаслоотделителе 2-й ступени 46 и подается в третью ступень компрессора 75 и после сжатия до давления 30-40 кгс/см² охлаждается и очищается от капельной влаги и масла в холодильнике 3-й ступени 51 и водомаслоотделителе 3-й ступени 54 и подается в транспортируемую модульную азотную установку 18, где очищается от капельной влаги, масла и механических примесей в фильтрах-влагомаслоотделителях 27, сброс конденсата производится с помощью кранов 77, 78; очищенный сжатый воздух подается через газораспределительное устройство 20 в газоразделительные сосуды 28, в которых происходит разделение воздуха на два потока: поток газов проникших через мембрану- пермеат, который отводится в атмосферу через краны 79,80, и поток газов, не проникших через мембрану - инертная азотная газовая смесь с содержанием кислорода до 10%, которая поступает в четвертую ступень компрессора 76 для дальнейшего сжатия и охлаждения до температуры ниже 60°С и подачи через обратный клапан 70 и вентиль 71 в объект потребления.

При байпассировании транспортируемой модульной азотной установки 18 (краны 67,68,69 закрыты, кран 66 открыт) атмосферный воздух после первой ступени компрессора 73 поступает при давлении 2,5-3 кгс/см², во вторую, третью и четвертую ступени компрессора 74, 75,76, сжимается, охлаждается в холодильниках 42,43,51,64 и очищается от влаги и масла водомаслоотделителях 40,46,54,48 и подается в объект потребления с давлением 100-110 кгс/см².