Публикации

Аспект экологической безопасности нефтегазовой отрасли промышленности

25.05.2016

И.Н. Карелин, .т.н., РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, советник по инновационнным проектам ООО "Передовые Газовые Технологии", Россия, Москва

>

I. Введение

Экологическая безопасность нефтяной и газовой промышленности во многом зависит от надежности технологического оборудования. Масштабы систем трубопроводного транспорта нефти и газа поражают воображение. Соответственно, количество трубопроводных устройств для управления транспортируемыми потоками также исчисляются миллионами единиц. При этом эксплуатация таких устройств в целом ряде случаев сопровождается разного рода отказами. И наиболее печальными последствиями этих отказов являются экологические катастрофы и гибель людей. Поэтому актуальность

Потери энергии транспортируемого потока, в частности, природного газа, происходящие в трубопроводной арматуре, довольно часто являются энергетическим источником происхождения отказа. То есть энергоэффективность трубопроводных устройств можно и нужно оценивать помимо прочих показателей еще и их гидросопротивлением, инициирующим те самые потери энергии потока.

Рис.1. Осевой регулирующий клапан

К примеру, самые совершенные в настоящее время регулирующие клапаны осевого типа (рис. 1), используемые в системах антипомпажной защиты газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях Газпрома, также не лишены недостатков и именно по указанной выше причине возникновения и развития отказа (рис. 2). Поэтому совершенствование геометрии проточной части регулирующего клапана является наиболее эффективным направлением повышения качества данных изделий. Об этом убедительно объявлено на конференции "Valve World 2010" на примере клеточного клапана с плунжером, перпендикулярным оси потока [1].

Рис.2. Вид отказавших деталей проточной части осевого регулирующего клапана

Принцип осевого течения, реализованный в конструкции известного клапана [2], по сравнению с существующими аналогами безусловно имеет существенные преимущества (кроме стоимости), которые скопированы в мировом арматуростроении [3, 4, 5], а в России еще и регламентированы требованиями к конструкции регулирующих клапанов, поставляемых на объекты ОАО "Газпром" [6].

II. Постановка задачи

Учитывая вышеизложенное, задачей настоящей работы является вскрытие недостатков существующих конструкций трубопроводных регулирующих устройств и предварительное обоснование выполненных этапов разработки принципиально нового регулирующего клапана мод. "ИГР". Конечно же, в соответствии с существующими требованиями ОАО "Газпром" и с ожидаемым минимальным гидросопротивлением. При этом использовался качественный метод сравнительного анализа и расчетно-аналитический метод при оценке функциональных параметров нового изделия.

III. Результаты и обсуждение

Анализируя конструктивные схемы современных осевых регулирующих устройств клеточного типа (рис. 3) трудно не заметить отсутствие принципиальной разницы в схеме регулирования площади проходного отверстия. Разница наблюдается лишь в приводе плунжера. Такие виды привода и схема перекрытия плунжером отверстий в клетке известны еще в Советском Союзе в кольцевых задвижках [7]. Кроме этого прецизионный косозубый реечный привод, например, клапана (фиг.3а) составляет немалую долю стоимости всего изделия. Несмотря на известные достоинства клеточного типа затвора повышенное гидравлическое сопротивление такой проточной части очевидно: при прохождении клетки поток дважды на 900 меняет свое направление. В клеточных клапанах с плунжером, перпендикулярным оси потока [1,8], картина та же.

Рис. 3. Конструктивные схемы осевых регулирующих клапанов некоторых современных фирм: а) - [2]; б) - [3]; в) - [4]; г) - [5]

В газовой промышленности упоминаемые требования к регулирующим клапанам [6] наряду с обеспечением необходимых диапазона и характера регулирования параметров потока предъявляется еще и требование обязательного перекрытия затвора с герметичностью по ГОСТ23866. Такое требование возникло, прежде всего, из экономических соображений: считалось, что два устройства (регулирующее и запорное) дороже одного (запорно-регулирующего). В связи с этим специалисты обратились к шаровым кранам, на базе которых и было разработано большое разнообразие регулирующих устройств (компаний FlexStream, Belimo, Borzig, Ball-Trol Rotary Control Valve, Hogfors, Flowserve Atomac , NELES OY, MOGAS и др.). Тем не менее, регулирование потока шаровым затвором сопровождается таким же изменением направления потока (рис. 4) [9].

Рис. 4. Направление потока в регулирующем шаровом клапане

Учитывая актуальность требований к регулирующим клапанам для газовой промышленности, автором была предложена новая схема перекрытия проходного отверстия. Причем первоначально на базе шарового крана, т.е запорно-регулирующий клапан [10]. В проходном отверстии клапана размещены восемь равномерно расположенных по окружности проходного отверстия элементов дросселирования, имеющих в сечении перпендикулярном оси проходного отверстия форму равнобедренного треугольника с 900 вершиной, обращенной к оси проходного отверстия, четыре из которых неподвижны, а другие четыре размещены между ними с возможностью перемещения в направлении оси проходного отверстия и величина перемещения равна катету треугольника неподвижного элемента дросселирования. Такая схема регулирования никак не связана с направлением движения потока.

Предложенная зубчатая конфигурация проходного отверстия клапана (рис. 5) обеспечивает прямолинейную симметричную траекторию потока. Сечение проходного отверстия клапана в положении ОТКРЫТО составляет порядка 50% площади проходного сечения трубопровода, т.е. удовлетворяет известному условию обеспечения регулируемости трубопроводной системы [7]. Анализ зубчатой конфигурации при разработке проточной части клапана показал, что при восьми одинаковых зубцах в положении ОТКРЫТО (рис.5) цилиндрического проходного отверстия отношение площади этих зубцов к площади этого же проходного отверстия без зубцов не зависит от диаметра проходного отверстия. Таким образом, данная схема и условие регулирования реализуется для любого условного прохода DN. Ход подвижного зубца до положения ЗАКРЫТО равен катету сечения неподвижного зубца.

Рис.5. Схема зубчатой конфигурации проходного отверстия: а) положение ОТКРЫТО; б) промежуточное положение.

К тому же зубцы, имеющие в направлении оси проходного отверстия хорошо обтекаемую форму, выполняют функцию, аналогичную известным в аэродинамике спрямляющим сеткам и решеткам. Последние положительно влияют на коэффициент гидравлического сопротивления ξ проточной части устройства. А одним из основных функциональных параметров регулирующего клапана является коэффициент пропускной способности [7]

Kv (или Cv) =f (1/ξ0,5), (1)

для улучшения которого совершенно очевидно требуется всемерное снижение гидросопротивления проточной части клапана. Что собственно и достигается предложенной конструкцией проточной части клапана мод. "ИГР". Зависимость Kv от величины хода h регулирующего элемента (в диапазоне 10%-90% его полного значения) согласно тем же требованиям Газпрома [6] должна быть линейной. А поскольку Kv прямо связан с площадью проходного сечения F клапана, сравнительный анализ расходных характеристик российских запорно-регулирующих клапанов мод. КРЭ (регулируемый кольцевой проход) и мод. ШР (регулируемый проход типа шиберного затвора) можно провести на уровне косвенной зависимости

F= f (h), т.е. (2)

- КРЭ (ход из положения ЗАКРЫТО):

F= π h sin (α/2) [D – (h sin α)/2], (3)

где α – угол обтекаемого конуса проточной части;

D – диаметр проходного отверстия;

- ШР (ход из положения ОТКРЫТО):

F=0,5 D2 [arc cos (h/D) – (h/D) (1– h2/D2)0,5] ; (4)

- ИГР (ход из положения ОТКРЫТО):

F=0,4 D (D – 4h). (5)

Представленные зависимости (3-5) совершенно очевидно свидетельствует о линейности связи площади F (или Kv) с величиной хода h у затвора клапана мод. "ИГР", что полностью соответствует требованиям Газпрома.

Даже приблизительное сравнение характера потока среды в проточной части регулирующего клапана осевого типа (рис. 6 а) [2] и клапана мод. "ИГР" (рис. 6 б) в полуоткрытом положении обнаруживает в последнем минимальную деформацию траектории регулируемого потока. Моделирование потока в клапане мод. "ИГР" выполнено с помощью приложения Flow Simulation программы SolidWorks, причем для пробной обтекаемой формы зубцов в виде конусов.

Рис.6. Визуальная модель потока среды: а) в регулирующем клапане осевого типа [2]; б) в клапане мод. "ИГР"

Шариковый привод элементов дросселирования и привод шарового затвора, объединенные механизмом согласования движений в первоначальном изобретении [10], представляли собой довольно сложную, а значит, дорогостоящую конструкцию. Последующее изобретение [11] было направлено на разделение указанных приводов с их блокированием в крайних положениях (рис. 7). Однако это не упростило конструкцию, а поставило вопрос о целесообразности совмещения в одном изделии регулирующей и запорной функций.

Вышеупомянутые экономические соображения по этому вопросу не выдерживают критики в связи с высокой стоимостью современных нефтегазовых запорно-регулирующих клапанов. Кроме этого, если в конструкциях запорных трубопроводных устройств эффект регулирования (пусть кратковременный) неизбежен, а в загрязненных потоках еще и негативен, то в запорно-регулирующей конструкции эта функция предусмотрена служебным назначением изделия. При этом обтекаемыми в самых современных конструкциях осесимметричных регулирующих устройств являются как регулирующие, так и запорные элементы. Следовательно, одновременно с изнашиванием регулирующих органов утрачивается и запорная функция изделия.

Рис. 7. Конструктивная схема бифункционального клапана мод. "ИГР" Рис.8. Конструктивная схема регулирующего клапана мод. "ИГР"

Это соображение привело к следующим изобретениям. Улучшив герметичность контактирующих между собой поверхностей элементов дросселирования в процессе регулирования [12], в последнем изобретении разработан только регулирующий клапан мод. "ИГР" [13] с простейшей конструкцией привода элементов дросселирования (рис. 8). В загрязненных потоках сред работать таким клапаном следует обязательно в паре с запорным (краном или задвижкой). А учитывая имеющийся опыт применения керамических материалов в нефтегазовых трубопроводных устройствах [14], обтекаемой формы зубцы выполнять из технической керамики.

IV. Выводы

Научная новизна технических решений регулирующего клапана мод. "ИГР" заключается в оригинальных схеме перекрытия проходного отверстия и кинематике реечно-винтового привода элементов дросселирования. В целях практической реализации нового клапана предполагается проведение исследований по следующим направлениям:

  • теоретическое и экспериментальное изучение характера обтекания потоком элементов дросселирования различной геометрической формы и оценка гидросопротивления и пропускной способности проточной части;
  • выбор материалов для элементов дросселирования и оценка их стойкости и прочности в положении ЗАКРЫТО;
  • расчет кинематических и силовых параметров привода элементов дросселирования;
  • прогнозирование параметров надежности регулирующего клапана.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ

  1. Asher Glaun P.E. Индуцированная потоком среды вибрация в регулирующей арматуре // Сб. докладов "Valve World 2010". PV10_004. Дюссельдорф.
  2. http://www.mokveld.com
  3. http://www.genoyer.com
  4. http://www.gk-roost.ru/
  5. www.anod.ru
  6. Общие технические требования к трубопроводной арматуре, поставляемой на объекты ОАО "Газпром". Стандарт организации СТО Газпром 2-4.1-212-2008 // ОАО "Газпром", Ассоциация "Высоконадежный трубопроводный транспорт". М.: 2008. 59 с.
  7. Гуревич Д.Ф. Конструирование и расчет трубопроводной арматуры. Л.: Машиностроение.1968. 888 с.
  8. http://www.vectorvalves.ru
  9. Левицкий М.П., Левицкий С.П., Шевчук С.А. Основные направления работ по улучшению регулирующей арматуры // Трубопроводная арматура и оборудование. 2008. №6. С. 126-130.
  10. Патент RU 2 382 924 Запорно-регулирующий клапан / Карелин И.Н., Парфенов К.В.; опубл. в 2010.
  11. Патент RU 2 453 752 Клапан "ИГР" / Карелин И.Н., Дыскин Д.Ю., Карелина Н.С.; опубл. в 2011.
  12. Патент RU 2 493 462 Бифункциональный клапан "ИГР" / Карелин И.Н., Карелина Н.С.; опубл. в 2011.
  13. Патент RU 2 537 081 Регулирующий клапан "ИГР" / Карелин И.Н.; опубл. в 2014.
  14. Карелин И. Техническая керамика в нефтегазовых трубопроводных устройствах. Опыт применения в России. Germany, Saarbrűcken: Palmarium Academic Publishing. 2012. 284 с.

Обсудить на форуме Armtorg >>>