Версия для печати

Оборудование для СУГ: Испарительные установки и технологические системы для АГЗС и ПНБ.

АВТОРЫ: Научно-исследовательский центр промышленного газового оборудования «Газовик», Саратов.
Р. П. Гордеева, технический директора ООО «Еврогалс»

Сжиженные углеводородные газы (СУГ) – смесь сжиженных пропана и бутана в различных пропорциях (ГОСТ 20448-90), иногда содержащая незначительную часть ШФЛУ (широких фракций легких углеводородов). Существуют близкие по значению термины СПБ (сжиженный пропан-бутан) и СНГ (сжиженные нефтяные газы). Все эти термины идентичны широко применяемой во всем мире аббревиатуре LPG (от англ. Liquefed Petroleum Gas, сжиженный нефтяной газ).
При проектировании и эксплуатации объектов СУГ надлежит руководствоваться ПБ 12-609-03 «Правила безопасности для объектов, использующих сжиженные углеводородные газы», ПБ 10-115-96 «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением».

К преимуществам СУГ можно отнести возможность перевозить и хранить их так же удобно, как жидкости, и регулировать и сжигать паровую фазу так же удобно, как и природный газ. При этом СУГ могут быть использованы в качестве топлива в местах, удаленных от сетей природного газа. По сравнению с природным газом СУГ – более калорийное топливо: теплота сгорания одного кубометра паровой фазы СУГ в 3-3,5 раза выше теплоты сгорания одного кубометра природного газа.

К недостаткам СУГ можно отнести сложность обеспечения бесперебойной поставки (высокую зависимость от автомобильного транспорта), больший объем инвестиций в объекты газификации (по сравнению с газификацией природным газом), потенциальную пожаро- и взрывооопасность, возможность несчастных случаев и человеческих жертв в случае аварий и инцидентов. Кроме того, сегодня стоимость СУГ в качестве топлива также превышает стоимость природного газа.

СУГ в качестве основного топлива используются для бытовых нужд, в энергетике, на автотранспорте, для технологических нужд в промышленности. Автономное газоснабжение осуществляется от резервуарных установок с естественным и искусственным испарением и от баллонных установок (индивидуальных и групповых), выбор которых определяется требуемым расходом паровой фазы СУГ и, соответственно, испарительной способностью баллонной установки. Всего в России находятся в эксплуатации около 20 тыс. резервуарных и групповых баллонных установок.

Для хранения СУГ используются резервуары, иногда называемые газгольдерами, которые можно классифицировать на надземные и подземные, одностенные и двустенные. Сегодня в России резервуары под СУГ выпускаются множеством производителей, кроме того, большое количество маленьких газгольдеров (объемом до 5 м³) импортируется из Польши, Чехии, других стран.
Так как резервуары под СУГ объемом до 5 м³, принадлежащие частным потребителям, не поднадзорны Ростехнадзору, а одной заправки емкости 5 м³ обычно хватает на отопление и ГВС частного дома (коттеджа) площадью 120-140 м³ примерно на один год, рост объема продаж таких емкостей и сопутствующего оборудования частным заказчикам вполне объясним.

Резервуары свыше 25 м³ являются негабаритным грузом, возможно очень тяжелым, поэтому необходимо уделять особое внимание технологии их перевозки от изготовителя до места установки. Нужно иметь в виду, что иногда стоимость транспортировки до места монтажа превышает стоимость самой емкости. Подземные резервуары покрываются битумно-полимерным или эпоксидным покрытием, которое может быть повреждено при погрузочно-разгрузочных работах, поэтому при получении резервуаров у производителя желательно предусмотреть ремкомплект для устранения возможных повреждений.

Резервуары изготавливаются с одной или двумя горловинами, в зависимости от количества установленного на них оборудования. Как правило, каждый резервуар объемом свыше 5 м³ является индивидуальным изделием. На горловины монтируются редукционные головки с вваренными в них патрубками для слива/налива продукта и дренажа (слива конденсата). Кроме того, на редукционных головках в обязательном порядке устанавливаются предохранительный сбросной клапан(ПСК) и уровнемер либо контрольная трубка, низ которой соответствует наполнению резервуара на 85%. И сейчас еще сохранилось множество емкостей под СУГ, имеющих вместо уровнемера несколько контрольных трубок – к примеру, 25%, 50% и 85%. Часто устанавливается мультиклапан, совмещающий в себе несколько функций, например, манометр, выход паровой фазы и контрольную трубку (85%). Вся используемая на резервуаре (до испарителя) запорная арматура должна быть рассчитана на давление 2,5 МПа и иметь температурный режим работы минимум до -40⁰С.

В последние годы наблюдается значительное увеличение потребления СУГ в качестве резервного топлива при газоснабжении котельных, на технологические нужды промышленных предприятий, при газоснабжении индивидуальных жилых домов, домов отдыха в тех районах страны, где в ближайшие 10-15 лет не ожидается газификация природным газом. Отличные теплотехнические и экологические характеристики СУГ, возможность создания автономных баз хранения значительных запасов топлива способствуют дальнейшему развитию этого направления. Рост рынка СУГ привел к увеличению спроса на оборудование: резервуары, испарители, насосы, запорную и предохранительную арматуру.
Объекты, на которых используется оборудования для СУГ, можно условно разделить на три основные группы:

• газонаполнительные станции (ГНС), обычно состоящие из большого резервуарного парка, компрессоров для перелива СУГ из цистерн, а также пунктов наполнения бытовых газовых баллонов;
• автомобильные газозаправочные станции (АГЗС), в состав которых обычно входят емкость, насосный модуль, запорная арматура, топливораздаточная колонка (ТРК);
• системы автономного газоснабжения, как правило, имеющие в своем составе емкость, насос, испаритель, запорную арматуру, регуляторы давления паровой фазы СУГ.

Горловина бытового резервуара для СУГ: 1 – крышка горловины; 2 – предохранительный сбросной клапан; 3 – мультиклапан с манометром; 4 – налив (наполнительный клапан); 5 – угловой клапан к дренажной трубке; 6 – механический уровнемер.

Перевалка СУГ.
Все операции при перевалке СУГ обычно осуществляются с помощью циркуляционных насосов или компрессоров. Насосы работают так же, как при перекачке обычных жидких сред, и устанавливаются в случае необходимости перекачки небольших объемов СУГ, например на АГЗС. Компрессоры предназначены для перекачивания больших объемов СУГ (например, во время наполнения и опорожнения железнодорожных и автоцистерн). Главное отличие насосов от компрессоров состоит в том, что насосы перекачивают жидкую фазу СУГ, а компрессоры - газовую. Рассмотрим процесс работы компрессора подробнее.

Важным элементом системы является четырехходовой клапан, который может принимать два положения. В первом положении он связывает опорожняемый и заполняемый резервуары, между которыми будет осуществляться транспортировка СУГ трубопроводами и в жидкой, и в газовой фазах. Когда соединение между жидкостными объемами открывается, то, поскольку сосуды сообщаются, жидкая фаза СУГ достигает определенного уровня, затем переток прекращается. Создавая давление в опорожняемом резервуаре, можно вытеснить жидкость в заполняемый резервуар. Это достигается путем откачки газа из заполняемого резервуара, его сжатия компрессором и подачи под давлением в сливаемый. Процесс сжатия газа одновременно повышает его температуру, что также способствует росту давления в опорожняемом резервуаре.
По завершении выдавливания жидкой фазы из цистерны четырехходовой клапан занимает положение 2, и начинается процесс отбора остаточных паров, при котором паровая фаза перекачивается обратно из опорожняемого в заполняемый резервуар.

Испарители и испарительные установки.
Одним из основных видов оборудования для газификации на базе СУГ являются испарительные установки. Они применяются в случаях, когда естественного испарения СУГ в резервуаре не хватает для обеспечения необходимого потребителям количества газа. В России, где стоимость земли относительно невысока и существуют проблемы с доставкой СУГ «точно вовремя», популярно техническое решение, при котором в проект закладывается большее количество емкостей (или емкости большего объема), чем это нужно. В других странах, где земля дорогая, применяют современные технические решения, уменьшая объем резервуаров и оснащая их испарителями и системами дистанционного автоматического контроля уровня продукта. Например, в Японии даже групповые баллонные установки для частных потребителей из двух баллонов с автоматическим переключением при окончании газа с пустого на полный баллон снабжены GSM-модулями, которые посылают сигнал в газовую компанию о необходимости замены пустого баллона на полный.

Увеличение объема резервуарного парка, принятое в России, имеет свои плюсы: нужно реже заправлять резервуары, а главное – больший объем парка способствует ускорению естественного испарения СУГ и позволяет обойтись без использования испарительной установки. При очень грубых (прикидочных) расчетах можно считать, что в подземном резервуаре естественным путем из жидкой фазы СУГ в газообразную переходит примерно 1 кг/ч на каждый 1 м³ объема емкости.
Тем не менее обойтись без испарителей не всегда получается. Российской промышленностью в настоящее время выпускается ограниченный типо-ряд испарительных установок – в частности, электрические испарители типа ГИР производительностью 15-20 м³/ч, которые используются в резервуарных установках небольшой мощности для газоснабжения населения, коммунально-бытовых и сельских потребителей, а также типа УИ с теплоносителем «горячая вода» производительностью 200-250 кг/ч паровой фазы СУГ.

Широкое распространение в России получили испарительные (электрические и жидкостные) установки различной производительности фирмы FAS (Германия). Следует отметить высокую стоимость изделий производства FAS на российском рынке в сравнении с их стоимостью в других странах Европы и Азии. Отчасти эту ситуацию можно объяснить ограниченным ассортиментом испарительных установок отечественных производителей, отчасти - длительным, практически полным отсутствием конкуренции со стороны других иностранных компаний.

Сегодня ситуация меняется в лучшую сторону. В мире существует большое количество производителей надежных и зачастую значительно более дешевых испарительных установок (Algas-SDI, Pegoraro, Gasteh, и др.). Сейчас они ведут активную работу по продвижению своей продукции на российском рынке, что приводит к росту конкуренции и снижению цен для потребителей. Испарители СУГ, независимо от производителя, можно классифицировать по типу нагрева продукта:

• сухой электрический, когда нагрев корпуса испарителя осуществляется вмонтированными в него ТЭНами;
• жидкостной с использованием теплоносителя (водяная баня), когда испарение происходит в теплообменниках различной конструкции. Теплоноситель может поступать от стороннего источника тепла (котельная), подогреваться ТЭНами или теплом исходящих от горелки газов. В качестве теплоносителя может выступать горячая вода, водно-гликолевая смесь и т.п.;
• нагрев открытым пламенем (прямого огня, direct fired), когда под действием тепла от горелки нагревается сосуд с СУГ.

При выборе того или иного типа испарителя для проектирования следует ориентироваться на технические условия в месте подключения. Если есть возможность подключения электроэнергии, можно использовать электрические испарители, при возможности использования теплоносителя от существующих теплосетей - жидкостные, в случае отсутствия и того и другого - испарители прямого огня, основное преимущество которых - автономность. Необходимо также учитывать частоту и стоимость обслуживания. К примеру, испарители прямого огня необходимо обслуживать чаще других. Реже всего нуждаются в обслуживании испарители с водяной баней.

Другой параметр, который нужно иметь в виду, - скорость выхода испарителя на рабочий режим. Его особенно важно учитывать при проектировании систем, обеспечивающих бесперебойную подачу резервного топлива. Жидкостные испарители с внутренним разогревом теплоносителя более инерционные, чем электрические и прямого огня, поскольку для начала работы требуется разогреть теплоноситель, что может занимать от 15 минут до 2 часов.

Примеры испарителей разных конструкций.
Испаритель Zimmer
Производитель: Algas-SDI
Тип: сухой электрический, нагревательные ТЭНы вмонтированы в корпус.

Испаритель Zimmer: 1 — фильтр, 2 — впускной шариковый клапан, 3 — змеевик, 4 — нагревательные электрические тэны, 5 — кабельный ввод, 6 — датчик температуры, 7 — контрольный клапан, 8 — облицовка корпуса.	Примерная схема обвязки испарителя Zimmer

Zimmer – один из самых популярных испарителей, компактный и максимально простой в обслуживании. Он состоит из облицовки корпуса 8, алюминиевого испарителя, в который вмонтированы нагревательные электрические тэны 4. Регулирование температуры тэнов 4 происходит путем изменения подаваемого на них напряжения. Жидкая фаза СУГ поступает на вход испарителя и затем проходит фильтр 1 через впускной шариковый клапан 2. При прохождении жидкой фазы по змеевику 3 происходит ее нагрев и переход в газообразное состояние. Контрольный клапан 7 делает невозможным попадание жидкой фазы СУГ к потребителю, так как сигнал на его открывание формируется встроенным датчиком температуры 6 в зависимости от температуры газа на выходе. Электропитание к испарителю подводится через кабельный ввод 5.

Испарители Zimmer выпускаются в двух исполнениях: версия Z40P для пропана и версия Z40L для смеси пропан-бутан. Модель Z40P нельзя использовать, если в составе сжиженного газа бутана более 15%, модель Z40L используется для пропан-бутановой смеси, в которой количество бутана составляет не более 80%. Отличие между моделями Z40L и Z40P заключается в регулирующем клапане. Его работа основана на разнице в термодинамических свойств конкретного газа, а именно температуре кипения и давлении. На клапанах размещены наклейки «Только пропан» и «LPG» соответственно.

Испарительная установка FAS 3000.
Производитель: FAS
Тип: жидкостной, в качестве теплоносителя используется вода.

В испарительную установку входит теплообменник 5, сепаратор-отсекатель жидкой фазы 11, регулятор давления газа 12 и система автоматики.
Жидкая фаза сжиженного углеводородного газа (СУГ) подается на вход 15 испарительной установки 14, поступает в пластинчатый теплообменник 5 через фильтр-грязеуловитель 3 и электромагнитные клапаны 4. В пластинчатом теплообменнике 5 происходит нагрев и испарение жидкой фазы СУГ за счет процесса передачи теплоты от горячего теплоносителя, который поступает на вход испарительной установки 18. Так как испаритель является проточным, то выход теплоносителя осуществляется через патрубок 17. Полученная паровая фаза СУГ проходя через сепаратор-отсекатель жидкой фазы 11 попадает на вход регулятора давления газа 12, который понижает ее до заданного давления и выходит к потребителю через патрубок 16. Испарительная установка FAS 3000 оборудована необходимыми приборами безопасности, а также имеет высокий уровень автоматизации. Контролируются следующие основные параметры работы:

• температура и давление теплоносителя на входе и на выходе из испарителя;
• давление СУГ в основных точках испарительной установки;
• наличие жидкой фазы СУГ после испарителя.

В случае поступления жидкой фазы СУГ за теплообменник, электромагнитные клапаны на входе СУГ в испаритель перекрываются в автоматическом режиме.
Испарительная установка оборудована регулятором давления, а также ПЗК и ПСК. При запуске подача жидкой фазы СУГ в испаритель осуществляется только при достижении температуры теплоносителя требуемой величины, тем самым не допускается вероятность поступления жидкой фазы СУГ.

Принципиально-габаритная схема испарительной установки FAS 3000:
1 – кран шаровой; 2 – кран с манометром; 3 – фильтр; 4 – клапан электромагнитный; 5 – пластинчатый теплообменник; 6 – кран шаровой; 7 – термометр; 8 – сливной кран; 9 – датчик давления; 10 – термостат двойного действия; 11 – сепаратор-отсекатель жидкой фазы; 12 – регулятор давления; 13 – байпасный клапан; 14 – испарительная установка; 15 – вход жидкой фазы СУГ; 16 – выход паровой фазы СУГ; 17 – выход теплоносителя; 18 – вход теплоносителя; 19 – сбросная линия; 20 – вход паровой фазы СУГ.

Испаритель прямого горения Direct Fired.
Производитель: Algas-SDI
Тип: прямого горения

Характерной отличительной особенностью испарителей Direct Fired является их полная автономность, так как для испарения используется горелка, работающая на газу. Такие испарители мобильны и удобны для временного размещения.
Когда открыт клапан ввода жидкой фазы 6, жидкая фаза СУГ поступает в теплообменник 5 испарителя. При охлаждении датчика температуры 4 ниже определенного уровня запускается горелка 7, которая нагревает газ до кипения, создавая избыточное давление.
Наполнение испарителя жидкой фазой СУГ из емкости в испаритель прекратится в двух случаях:

• если уровень жидкой фазы СУГ повысится настолько, что перекроет клапан поступления жидкой фазы 6;
• если давление в испарителе будет таким же, как давление в резервуаре.

При работающей горелке 7, в испарителе за счет высокой температуры образуются паровая фаза сжиженного углеводородного газа. Если потребление паровой фазы низкое, то давление в испарителе будет расти. И когда оно превысит давление в резервуаре, жидкая фаза благодаря дифференциальному клапану 1 будет поступать обратно в резервуар. Датчик контроля температуры 4 среагирует на повышение температуры в теплообменнике 5 и выключит горелку 7. При увеличении потребления паровой фазы давление в теплообменнике 5 понижается, открывается клапан ввода жидкой фазы и ненагретая жидкая фаза СУГ начинает поступать в теплообменник 5. Температура жидкой фазы СУГ в теплообменнике понижается, в результате чего температурный датчик 4 запускает цикл нагрева.
Таким образом, испаритель циклично поддерживает необходимый для потребления уровень и давление паровой фазы сжиженного углеводородного газа. Предохранительный сбросной клапан 2 предназначен для защиты испарителя в случае превышения давления сверх нормативного. Испарители Direct Fired не требуют подключения к электросети, поэтому удобны в случаях, когда использование электричества нежелательно. Для розжига горелки 7 предусмотрен 9-вольтный поджигающий электрод.

Испаритель Direct Fired: 1 — дифференциальный клапан; 2 — предохранительный клапан; 3 — регулятор горелки; 4 — датчик контроля температуры; 5 — теплообменник; 6 — клапан ввода жидкой фазы; 7 — горелка.	Внешний вид испарителя Direct Fired: 1 — вход жидкой фазы; 2 — воспламенитель; 4 — выход паровой фазы; 5 — регулятор давления газа для горелки; 6 — термостат; 9 — предохранительный клапан.

Технологические системы.
Кроме испарителей широкое распространение в России получили технологические системы, предназначенные для использования при строительстве автомобильных газозаправочных станций (АГЗС), участков СУГ на многотопливных автозаправочных станциях (МТАЗС) и пунктов наполнения бытовых баллонов (ПНБ).
Существует несколько типов технологических систем, выпускаемых различными изготовителями:

• ТС с подземными двустенными резервуарами;
• ТС с подземными одностенными резервуарами;
• ТС с надземными одностенными резервуарами, защищенными теплоизоляцией;
• ТС с одностенными резервуарами, в обсыпке грунтом.

Все варианты ТС с одностенными резервуарами имеют ряд технических решений, которые позволяют приравнивать их по уровню безопасности к ТС с двустенными подземными резервуарами. Поставка технологической системы производится единым комплексом, прошедшим 100-процентный контроль качества и испытания в производственных условиях. В комплект базовой поставки ТС с двустенными резервуарами обычно входит следующее оборудование:

• резервуары для СУГ;
• технологический блок;
• одна топливораздаточная колонка;
• система сбросных труб для паров СУГ;
• система ограничения налива и измерения уровня СУГ в резервуарах;
• система контроля давления СУГ и азота;
• пульт управления ТС;
• азотный блок;
• комплект трубопроводов для жидкой и паровой фазы СУГ;
• система контроля герметичности резервуаров и трубопроводов.

Дополнительными опциями могут быть следующие элементы:

• система контроля концентрации паров СУГ;
• система обнаружения пожара;
• пункт наполнения бытовых баллонов в металлическом контейнере;
• дополнительный насос для слива СУГ из автоцистерны;
• вторая топливораздаточная колонка;
• пульт управления с системой коммерческого учета СУГ;
• система контроля герметичности двустенных резервуаров и трубопроводов;
• навес над технологическим блоком.

Удобные и широко распространенные во многих странах мира блочные технологические системы, в которых в состав блока входит как сама емкость для СУГ объемом до 22-25 м³, так и все остальное оборудование, в настоящее время в России применяться не могут из-за действующих нормативных документов, устанавливающих слишком большие расстояния (разрывы) между резервуаром и ТРК.

Требования к проектированию.
При проектировании резервуарных установок следует предусматривать: резервуары; трубопроводы жидкой и паровой фаз; запорную арматуру; предохранительные запорные клапаны (ПЗК); регуляторы давления газа, предохранительные сбросные клапаны (ПСК); контрольно-измерительные приборы (КИП). При необходимости в состав резервуарной установки следует включать испарительные установки. В составе групповой баллонной установки нужно предусматривать баллоны для СУГ, запорную арматуру, регулятор давления газа, ПЗК, ПСК, манометр.

Конструкция предохранительных запорных клапанов и запорной арматуры должна соответствовать требованиям государственных стандартов, обеспечивать прочность, стойкость к СУГ и быть не ниже класса «А» по герметичности. Для сбора образующегося в трубопроводах конденсата необходимы конденсатосборники. При установке резервуаров уклон должен быть не менее 2% в сторону сборника конденсата, воды и неиспарившихся остатков. Сборник конденсата не должен иметь выступов над нижней образующей резервуара, препятствующих сбору и удалению конденсата, а также неиспарившихся остатков. Для наружных газопроводов следует предусматривать уклон не менее 5% в сторону конденсатосборников. Вместимость конденсатосборников принимается не менее 4 л на 1 м³ расчетного часового расхода газа.

Схема подключения испарителя к системе.
1, 3, 4, 5, 6, 8 – шаровой кран; 2 – регулятор давления; 7 – регулятор давления; 9 – предохранительный клапан; 10 – фильтр.

Для надземной установки могут предусматриваться как стационарные, так и транспортабельные (съемные) резервуары СУГ. Рабочее давление СУГ после регуляторов не должно превышать проектного. ПСК следует устанавливать на каждом резервуаре, а при объединении резервуаров в группы (по жидкой и паровой фазам) – на одном из резервуаров каждой группы. Пропускная способность ПСК определяется расчетом.

В проектах следует предусматривать, как правило, подземную прокладку газопроводов. Наземная и надземная прокладка газопроводов допускается при соответствующем обосновании, а также на территории ГНС, ГНП, АГЗС. Заглубление подземных газопроводов паровой фазы СУГ низкого давления от резервуарных (с искусственным испарением) и групповых баллонных установок следует проектировать не выше уровня промерзания грунта, с целью исключения конденсации паров газа.

Существует два основных вида обвязки испарителей: стандартная, когда после испарения паровая фаза напрямую доставляется потребителю, и «фид бэк», когда паровая фаза поступает в верхнюю часть резервуара, а отбор ее идет из другой точки емкости. Необходимо понимать различия данных проектных решений.

Основная опасность стандартной схемы обвязки при надземной прокладке газопровода - реконденсация и возникновение «пробок» в трубопроводе (обратного перехода из паровой фазы в сжиженную). Она возникает при значительных отрицательных температурах и маленьких диаметрах трубопровода паровой фазы. В этом случае из испарителя выходит газ с температурой порядка 70-75⁰С. Если трубопровод имеет значительную протяженность и небольшой диаметр, а на улице стоит сильный мороз, при прохождении по трубопроводу газ охлаждается до температуры, при которой начинается его реконденсация в жидкую фазу. Частично это можно компенсировать увеличением диаметра трубопровода. В случае если прокладка подземного трубопровода невозможна, а длина трассы трубопровода от испарителя до потребителя подразумевает возможность реконденсации, возможна установка подогревателя газа в нижней точке трубопровода.

При обвязке «фид бэк» паровая фаза СУГ поступает после испарителя обратно в резервуар, несколько повышая давление в нем. Таким образом, при обвязке «фид бэк» КПД испарителя немного меньше, чем при стандартной схеме, поскольку часть энергии тратится на поднятие давления в резервуаре. При этом поступающая из испарителя паровая фаза СУГ смешивается с находящейся в резервуаре и остывает до температуры, близкой к температуре окружающей среды. Более длинные молекулы ШФЛУ, незначительно присутствующие в СУГ, конденсируются на стенках резервуара, который играет роль сепаратора-фазоразделителя. Отбор паровой фазы СУГ производится из другой точки резервуара, и поскольку газ в резервуаре охладился до температуры окружающей среды, его температура при прохождении через трубопровод не изменяется, конденсации в трубопроводе не происходит.
Другим последствием обвязки резервуара методом «фид бэк» является накопление со временем в резервуаре тяжелых фракций ШФЛУ (конденсата). Принятая за рубежом (в частности, в Италии) практика помещения теплообменника испарителя непосредственно в нижнюю часть резервуара, решающая эту проблему путем прямой возгонки тяжелых фракций ШФЛУ, в России распространения не получила.

18 Апреля 2013 г.