способ получения компримированного инертного газа с регулируемыми давлением и расходом и устройство для его воплощения

Формула изобретения

1. Способ получения компримированного инертного газа с регулируемыми давлением и расходом, включающий использование двигателя внутреннего сгорания как источника рабочего тела - выхлопного газа и энергии для обеспечения способа, связывание свободного кислорода в выхлопном газе путем сжигания в нем топлива, компримирование полученного в результате этого инертного газа с предварительной его очисткой и охлаждением, отличающийся тем, что сначала часть процесса компримирования выполняют непосредственно двигателем внутреннего сгорания и регулируют степень компримирования путем задания степени расширения выхлопного газа в нем воздействием на величину давления подпора выхлопа двигателя внутреннего сгорания, а остальную часть процесса компримирования выполняют компрессором.

2. Устройство для получения компримированного инертного газа с регулируемыми давлением и расходом, содержащее двигатель внутреннего сгорания с приводом, системы подачи воздуха, топлива, выхлопа газа двигателя внутреннего сгорания и пульт управления, компрессор объемного типа, сообщенный с системой выхлопа и приводимый в движение приводом, а также камеру сгорания, фильтр, газовоздушный теплообменник с вентилятором, работающим от привода, скруббер, установленные и последовательно сообщенные друг с другом в магистрали, сообщающей компрессор с системой выхлопа газа, отличающееся тем, что включает оребренную трубу, сообщающую камеру сгорания с фильтром, система выхлопа газа включает регулируемый клапан для сброса выхлопного газа в атмосферу, выход компрессора сообщен с входом байпасной линией, включающей регулятор расхода, а привод выполнен с возможностью регулирования частоты вращения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам и устройствам в области химической и нефтяной промышленности, производящим сжатый инертный газ для использования в технологических процессах и установках в качестве рабочего тела взамен воздуха с целью предотвращения образования взрывоопасных смесей воздуха с горючими газами и парами. К таким технологическим процессам и установкам относятся: освоение и восстановление нефтяных скважин с помощью эрлифта, очистка и продувка магистральных нефтепродуктопроводов, газопроводов, вентиляция с целью снижения концентрации взрывоопасных газов и паров пустых или полупустых цистерн танкеров, железнодорожных или аналогичных емкостей заводов и производств.

Одним из основных требований к конструкции устройств, производящих сжатый инертный газ, является их мобильность, обусловленная спецификой технологических процессов: необходимостью перемещать устройство с одного места применения к другому, разделенных большими расстояниями между собой; например, освоение или восстановление нефтяных скважин, очистка и продувка магистральных трубопроводов. Для решения этой проблемы в настоящее время предложено много способов и устройств, основанных на базе применения двигателей внутреннего сгорания как источника рабочего тела (выхлопные газы) и энергии для подготовки и компримирования инертного газа. Для расширения области применения и увеличения возможностей устройств необходимо, чтобы их конструкция предусматривала возможность регулирования в широком диапазоне расхода и степени компримирования газа.

Известны способ и устройство для снижения концентрации взрывоопасных газов в пустых или полупустых цистернах танкеров или аналогичных цистернах заводов, включающее двигатель внутреннего сгорания, вентилятор, радиатор и камеру сгорания, в которой выхлопные газы двигателя смешиваются с горючим и атмосферным воздухом, подаваемым в нее вентилятором, и образующаяся смесь сжигается, после чего продукты сгорания охлаждаются в газоводяном радиаторе и подаются в цистерны (FR патент №2234795, 19.06.1973, МКИ F 01 N 3/12).

Недостатком известного способа и устройства является: крайне низкий уровень компримирования инертного газа, определяемый возможностями вентилятора, которые на один-два порядка ниже, чем у компрессора.

Известен способ получения инертного газа высокого давления включающий: использование двигателя внутреннего сгорания как источника исходного материала (выхлопных газов) для производства инертного газа и энергии для обеспечения способа, связывание свободного кислорода в выхлопных газах путем сжигания в них топлива в смеси с воздухом, охлаждение полученного инертного газа, с последующими: каталитической нейтрализацией, очисткой и компримированием.

Устройство воплощения этого способа включает двигатель внутреннего сгорания, имеющий выходной ведущий вал, системы подачи воздуха, топлива и выхлопа, по крайней мере, один компрессор, приводимый в движение двигателем, камеру сгорания смеси воздуха, топлива и выхлопа двигателя, газовоздушный теплообменник, сообщенный с камерой сгорания, вентилятор теплообменника, приводимый в движение двигателем, каталитический конвертор, установленный перед компрессором, а также системы: управления подачей топлива в двигатель и камеру, поддержания давления газа на заданном уровне, анализа и поддержания заданного состава газа, кроме того, источник подачи воздуха в камеру и дожимающий компрессор, приводимые в движение двигателем, скруббер и сепаратор для жидкостной и механической очистки газа перед входом в компрессоры, промежуточные теплообменники с вентиляторами (патент US №3725012, 27.06.1971, МКИ В 01 J 7/00).

Недостатками известного способа являются:

- ограниченность степени компримирования инертного газа. Объясняется это следующим образом: при равенстве расхода газа через двигатель и компрессор, приводимый в движение от двигателя, Пк компрессора по величине ненамного отличается от Е-степени сжатия двигателя.

При сжигании топлива с дополнительным расходом воздуха Пк ограничивается еще больше.

- нет плавного регулирования степени компримирования инертного газа.

Недостатками известного устройства являются сложность и избыточность конструкции:

- сжигание топлива в смеси с воздухом в выхлопных газах значительно повышает их температуру и служит основанием для термической нейтрализации СО и СН, что ставит под сомнение необходимость установки каталитического конвертора и потребовало установки в газовую магистраль перед каталитическим конвертором дополнительного промежуточного теплообменника для обеспечения допустимого уровня температуры газа перед конвертором, что усложнило и без того сложную конструкцию устройства. Недостатком является также отсутствие на выхлопной магистрали двигателя клапана сброса выхлопа в атмосферу при запуске двигателя. Запуск двигателя приходится производить с подключенными к приводу компрессорами, чтобы предотвратить запуск, при отсутствии клапана, на глухую выхлопную магистраль. В этом случае требуется предусмотреть более мощный стартер и аккумулятор, что удорожает конструкцию устройства. Отсутствие сепаратора перед каталитическим конвертором, очищающим газ от сажи, приводит к забиванию катализаторных сеток сажей и преждевременной остановке устройства на профилактику. Этот недостаток снижает работоспособность устройства.

Данные способ и устройство наиболее близки к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемым результатам.

Технической задачей изобретения является создание способа и устройства для получения компримированного инертного газа с регулируемым давлением и расходом: смеси отработавших газообразных компонентов выхлопа двигателя внутреннего сгорания, очищенную от механических включений, содержащую свободный кислород в количестве меньше минимально допустимого по условиям взрывобезопасности смеси инертного газа с горючими газами и парами, с регулируемыми в широком диапазоне давлением и расходом.

Техническая задача по способу получения компримированного инертного газа с регулируемыми давлением и расходом, включающему использование двигателя внутреннего сгорания как источника рабочего тела - выхлопного газа и энергии для обеспечения способа, связывание свободного кислорода в выхлопном газе путем сжигания в нем топлива, компримирование полученного в результате этого инертного газа с предварительной его очисткой и охлаждением решается согласно изобретению тем, что сначала часть процесса компримирования выполняют непосредственно двигателем внутреннего сгорания и регулируют степень компримирования путем задания степени расширения выхлопного газа в нем воздействием на величину давления подпора выхлопа двигателя внутреннего сгорания, а затем остальную часть процесса компримирования выполняют компрессором.

Техническая задача по устройству для получения компримированного инертного газа с регулируемыми давлением и расходом, содержащему двигатель внутреннего сгорания с приводом, системы подачи воздуха, топлива и выхлопа газа двигателя внутреннего сгорания и пульт управления, компрессор объемного типа, сообщенный с системой выхлопа и приводимый в движение приводом, а также камеру сгорания, фильтр, газовоздушный теплообменник с вентилятором, работающим от привода, скруббер, установленные и последовательно сообщенные друг с другом в магистрали, сообщающей компрессор с системой выхлопа, решается согласно изобретению тем, что включает оребренную трубу сообщающую камеру сгорания и фильтр, система выхлопа включает регулируемый клапан для сброса выхлопного газа в атмосферу, выход компрессора сообщен с входом байпасной линией, включающей регулятор расхода, а привод выполнен с возможностью регулирования частоты вращения.

Чертеж, поясняющий изобретение: схема устройства для получения компримированного инертного газа с регулируемыми давлением и расходом.

Устройство для получения компримированного инертного газа с регулируемыми давлением и расходом, в дальнейшем тексте "устройство" содержит двигатель внутреннего сгорания 1 с приводом с возможностью регулирования частоты вращения 2 и системы: подачи воздуха 3 и топлива 4 и выхлопа газа 5, и пульт управления 6, компрессор 7 объемного типа, приводимый в движение приводом 2 и сообщенный с системой выхлопа газа 5, включающей регулируемый клапан 8 для сброса выхлопного газа в атмосферу. Кроме того, устройство содержит камеру сгорания 9, сообщенную с системой выхлопа газа 5 и оребренной трубой 10 с фильтром 11, в свою очередь сообщенным через газовоздушный теплообменник 12 со скруббером 13. Вентилятор 14 теплообменника 12 имеет опосредствованную связь с приводом 2. Скруббер 13 сообщен с компрессором 7. Скруббер 13 связан с источником воды, трубопроводом 15 и с накопителем загрязнений трубопроводом 16. Система подачи воздуха 3 в цилиндры 17 двигателя внутреннего сгорания 1 включает впускной ресивер 18 и впускные трубопроводы 19, система выхлопа газа 5 включает выпускные трубопроводы 20 и выпускной ресивер 21. На компрессоре 7 установлена байпасная линия 22, включающая регулятор расхода 23 и соединяющая вход компрессора 24 с выходом 25. Камера сгорания 9 сообщена трубопроводом 26 с системой подачи топлива 4 через регулятор подачи топлива 27, управляемый с пульта управления 6, с него же идет управление работой регулятора расхода 23 на байпасной линии 22. Подача потребителю компримированного инертного газа осуществляется компрессором 7 через выход 25. Регулируемый клапан 8 для сброса выхлопного газа из системы выхлопа газа 5 в атмосферу оборудован трубопроводом 28. Подвод воды в скруббер 12 может быть связан как с оборотной замкнутой системой, где загрязненная вода очищается и охлаждается, так и с открытой, в этом случае загрязненную воду сбрасывают во внешнюю среду.

Способ получения компримированного инертного газа с регулируемыми давлением и расходом осуществляют с помощью устройства следующим образом: выхлопной газ двигателя внутреннего сгорания 1 с заданным давлением, представляющий собой смесь продуктов сгорания, содержащий незначительное количество (свободного) несвязанного кислорода, через систему выхлопа газа 5 с регулируемым клапаном 8 подают в камеру сгорания 9, где связывают свободный кислород путем сжигания дополнительного топлива, подаваемого из системы подачи топлива 4 по трубопроводу 26 через регулятор подачи 27. Далее по оребренной трубе 10, выполненной с ребрами с целью увеличения теплоотдачи за счет естественной конвекции и как следствие снижения температуры полученного после "выжигания" в камере сгорания 9 свободного кислорода, инертного газа до приемлемой по условиям эксплуатации фильтра 11 величины, газ направляют в фильтр 11, где его очищают от сажи и других твердых пылевидных включений. Фильтр 11 может быть выполнен как циклонным, так и электрическим, последний имеет наименьшее гидравлическое сопротивление из всех существующих видов фильтрующих устройств, что наиболее целесообразно с точки зрения минимизации потерь давления в магистрали. При сжигании в выхлопном газе топлива в камере сгорания 9 развивается большая температура газа, при которой нейтрализуются СО и СН и выгорает сажа. Топлива подают регулятором подачи 27 такое количество, чтобы обеспечить максимальную полноту его сгорания при минимально возможном количестве остаточного кислорода в инертном газе и минимально допустимом количестве вновь образовавшихся сажи, СО и СН. Из фильтра 11 газ направляют в газовоздушный теплообменник 12, где охлаждают до температуры не выше 30°С. Вентилятор 14, работающий от привода 2, обдувает потоком окружающего воздуха радиаторную решетку теплообменника 12, обеспечивая теплообмен потока воздуха с потоком инертного газа. Газ из теплообменника 12 направляют в скруббер 13, где за счет взаимодействия распыленного потока воды и потока газа происходит окончательная очистка, охлаждение и увлажнение газа перед подачей в компрессор 7 с целью обеспечения нормальной его работы. Кроме того, вода вымывает из потока газа не только сажу и другие механические включения, но и водорастворимые соединения серы, азота, альдегиды. Из скруббера 13 газ направляют в компрессор 7, где его дожимают и подают по выходу 25 потребителю уже как компримированный инертный газ. Уровень компримирования газа определяется целью применения его. Для вентиляции цистерн или очистки и продувки магистральных трубопроводов достаточно давления газа 1-1,5 МПа, для газлифтного восстановления нефтяной скважины необходимо давление 8-10 МПа и более. Для повышения эффективности применения способа и устройства необходимо чтобы с помощью устройства можно было регулировать давление и расход компримированного инертного газа на выходе устройства при минимально возможном уровне остаточного кислорода. Для поддержания на должном уровне количество остаточного кислорода в компримированном инертном газе задают регулятором подачи топлива 27 расход топлива в камеру сгорания 9 в зависимости от величины, подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания 1 и расхода компримированного инертного газа. Давление и расход компримированного инертного газа регулируют изменением степени компримирования за счет того, что сначала часть процесса компримирования выполняют и регулируют в двигателе внутреннего сгорания 1 путем заданного недорасширения выхлопного газа в двигателе внутреннего сгорания 1, остальную часть процесса выполняют компрессором 7, причем степень повышения давления - Пк компрессора постоянна. При изменении величины недорасширения выхлопного газа в двигателе внутреннего сгорания 1 меняется давление газов в магистрали от выхлопа двигателя внутреннего сгорания 1 до компрессора 7, т.е. меняется давление наддува на входе 24 компрессора 7 и, следовательно, давление на выходе 25 и расход газа через компрессор 7. Величину недорасширения проще оценить изменением степени расширения выхлопного газа в двигателе внутреннего сгорания 1, регулирование работы устройства заключается также и в регулировании степени расширения. Степень расширения выхлопного газа регулируют путем изменения давления подпора выхлопа двигателя внутреннего сгорания 1. Выполняют это воздействием на величину давления газа в магистрали от системы выхлопа газа 5 до компрессора 7: в первом случае, когда расход выхлопного газа через двигатель внутреннего сгорания 1 заведомо меньше, чем расход инертного газа через компрессор 7 при равенстве их мощностей, сбрасывают часть компримированного газа с выхода 25 компрессора 7 на его вход 24 через байпасную линию 22 с регулятором расхода 23, во втором случае, когда расход выхлопного газа через двигатель внутреннего сгорания 1 заведомо больше расхода инертного газа через компрессор 7, при равенстве их мощностей, сбрасывают часть выхлопного газа через регулируемый клапан 8 в атмосферу. В промежуточном случае возможна одновременная работа регулируемого клапана 8 и регулятора расхода 23. Первый случай относится к уровню давления компримированного газа до 1,5 МПа, Пк компрессора 7 при этом 10, во втором - к уровню давления 8-10 МПа и выше, Пк компрессора 7 при этом 40-60 и выше. При изменении давления подпора выхлопа двигателя внутреннего сгорания 1 во столько же раз изменится степень расширения (недорасширения) выхлопного газа в двигателе внутреннего сгорания 1 и степень компримирования инертного газа. При этом меняется давление на выходе 25 компрессора 7 и расход газа через него. Также меняется расход выхлопного газа из двигателя внутреннего сгорания 1, его располагаемая эффективная мощность и потребная мощность компрессора 7. Для поддержания баланса потребной и располагаемой мощностей и частоты вращения двигателя внутреннего сгорания 1 на заданном уровне служит система подачи топлива 4. Для расширения возможностей и эффективной адаптации двигателя внутреннего сгорания 1 к меняющимся в широких пределах условиям работы применяют газодинамический наддув двигателя внутреннего сгорания 1 с помощью систем подачи воздуха 3 и выхлопа отработавшего газа 5 за счет использования волновых процессов в его газовоздушном тракте для увеличения коэффициента наполнения цилиндров 17.

Сущность и работа газодинамического наддува описана в а/с №1829519, 1732728, 1502863, 1399490, 1359450, 1430570, 1209905, 1474302 и патенте №1813285, 1985-1992 г.г., F 02 В.

Газодинамический наддув двигателя внутреннего сгорания 1 осуществляют на определенной и постоянной его частоте вращения, на которую настроены системы подачи воздуха 3 и выхлопа 5 газа. При возрастании давления подпора выхлопа растет потребная мощность компрессора 7 и при больших значениях давления двигатель внутреннего сгорания 1 не в состоянии обеспечить привод компрессора 7 из-за возрастания до предела газовых сил, действующих на механизм двигателя внутреннего сгорания 1. Поэтому снижают потребную мощность компрессора 7, уменьшая частоту вращения ротора регулированием частоты вращения привода 2, и наоборот, при снижении давления подпора выхлопа увеличивают потребную мощность компрессора, форсируя его по оборотам. Таким образом, регулированием частоты вращения привода 2 согласовывают потребную мощность компрессора 7 с допускаемой, по условиям работоспособности, эффективной мощностью двигателя внутреннего сгорания 1, что позволяет наиболее полно и эффективно использовать потенциальные возможности устройства, в частности увеличить расход инертного газа до предельно допустимого уровня по всему диапазону изменения степени компримирования инертного газа.

Регулируемый клапан 8 служит также для обеспечения запуска двигателя внутреннего сгорания 1, который производят при отключенном, для снижения мощности стартера, от привода 2 компрессоре 7. При запуске регулируемый клапан 8 полностью открыт и выхлоп газа выбрасывают в атмосферу. По подключении компрессора 7 к валу 2 регулируемый клапан 8 прикрывают на необходимую величину.

С пульта управления 6 регулируют работу устройства и поддерживают заданный режим работы его, воздействуя на систему подачи топлива 4 (обороты двигателя внутреннего сгорания 1), на регулируемый клапан 8 и на регулятор расхода 23 (воздействие на величину давления подпора выхлопа двигателя внутреннего сгорания 1 и, следовательно задание степени расширения выхлопного газа в нем и, как результат, регулирование давления и расхода инертного газа), а также на регулятор 27 подачи топлива в камеру сгорания 9 (регулирование подачи топлива в зависимости от расходов топлива и выхлопного газа через двигатель внутреннего сгорания 1 и заданного уровня остаточного кислорода в инертном газе).

Примером практического воплощения изобретения может служить техническое предложение устройства для получения компримированного инертного газа с регулируемыми давлением и расходом на базе двигателя В-58-7 - четырехтактного, двенадцатицилиндрового дизеля с турбонаддувом и винтового компрессора с установки 7ВКГ-50/7 Казанского компрессорного завода. Дизель с турбонаддувом при оборотах коленвала n=2000 об/мин имеет максимальную мощность N_max=522 кВт. При установке на устройство турбонаддув заменяется газодинамическим наддувом.

Компрессор имеет на частоте вращения ротора n _K= 3000 об/мин при Пк=8,75 и объемном расходе газа V _K=52 м³/мин мощность N_K=400 кВт. Газодинамический наддув позволил менять уровень давления подпора выхлопа двигателя от 0,1 до 0,2 МПа при поддержании мощности двигателя на необходимом уровне. При этом параметры работы устройства меняются в пределах:

Давление на выходе, МПа - 0,8-1,4.

Расход инертного газа, кг/сек - 0,9-0,67.

Концентрация кислорода в инертном газе, %

без сжигания топлива в камере сгорания - 10-5,7.

Частота вращения ротора компрессора, об/мин - 3000-2300.

При сжигании топлива в камере сгорания

концентрацию кислорода в инертном газе n

можно поддерживать на уровне 1-3% в зависимости

от технических требований.

Сравнивая величину концентрации кислорода в инертном газе 1-3%, генерируемом устройством с концентрацией кислорода - 10% в азотно-воздушной смеси, генерируемой компрессорно-мембранной азотной установкой типа УКМ на шасси КрАЗ-63221 (КрАЗ-260Г) совместно с бустерной насосно-компрессорной установкой УБ на шасси КрАЗ-65101 (65053) или Урал-4320, изготавливаемых ЗАО "НПАК "РАНКО" и сертифицированных для применения при освоении или восстановлении нефтяных скважин и для иной работы на нефтепромыслах, можно сделать вывод, что производимый устройством по заявляемому изобретению инертный газ содержит в 10-3,3 раза меньше свободного кислорода, чем азотно-воздушные смеси, генерируемые установками УКМ и УБ, принятыми повсеместно в эксплуатацию как аппараты, обеспечивающие гарантированную взрывобезопасность при работе с горючими газами и парами. Учитывая также флегматизирующее воздействие воды, содержащейся в инертном газе устройства (см. Розловский А.И. Основы техники взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами. - М.: Химия, 1980 г.) на взрывоопасность смеси инертного газа с горючими газами и парами, можно сделать твердо обоснованный вывод, что инертный газ, производимый устройством, вполне соответствует, при применении, условиям обеспечения взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами. Устройство дешевле и технологически проще, чем установка УКМ-УБ, поскольку последняя основана на дорогостоящей мембранной технологии разделения газов.

Использование изобретения в практике позволит быстро, эффективно, с минимальными материальными затратами, с гарантированной взрывобезопасностью проводить работы с горючими газами и жидкостями в нефтяной, газовой и химической промышленности, осуществлять очистку и продувку нефтегазопроводов, вентиляцию закрытых емкостей, осваивать и восстанавливать нефтяные скважины компрессорным методом.