Экологически значимые промышленные установки нефтегазовой и химической промышленности на базе регулируемых вихревых труб Ранка-Хилша

Вихревой эффект терморазделения (стратификации) газа, открытый Ж. Ранком в 1931 году и экспериментально изученный Р. Хилшем в 1946 году [1, 2], нашел во второй половине ХХ столетия широкое применение для термостатирования (охлаждения — нагрева) различных технических объектов при использовании воздуха в качестве безопасного и экологически чистого хладагента [3]. Основные достоинства эффекта Ранка — простота реализации, более высокая эффективность по сравнению с дросселированием, надежность и экономическая 

целесообразность эксплуатации вихревых труб (ВТ). С начала 60-х годов прошлого века предпринимались попытки использовать данный эффект в низкотемпературных технологиях разделения всевозможных газовых смесей (в том числе пожароопасных и небезупречных с экологической точки зрения). Это было обусловлено наличием в производствах нефтегазовой и химической промышленности «даровой» энергии, зачастую теряемой при дросселировании. Стендовые и опытно-промышленные испытания на реальных газах продемонстрировали эффективность и надежность работы вихревых генераторов холода, однако в то время они не были доведены до промышленного масштаба реализации.
Основная причина такой ситуации заключалась в постоянной (фиксированной) геометрии тангенциальных сопловых вводов ВТ, что не позволяло регулировать их пропускную способность, как это делается на обычных дроссельных регуляторах. На схеме рис. 1 сопловой ввод ВТ (позиция 2) показан как сопло прямоугольного сечения. Здесь высоконапорный газ входит тангенциально в камеру терморазделения 1, закручивается и за счет эффекта Ранка-Хилша разделяется на два потока. Холодный поток отбирается из центра вихря через диафрагму 4, горячий выходит в противоположном направлении, проходя регулятор 3 соотношения стратифицированных потоков.

Несмотря на значительное количество патентов, а также экспериментов на стендах, вопрос регулирования производительности ВТ оказался весьма непростым при реализации его в неф­тегазовой и химической промышленности. На сегодняшний день в промышленности нашли применение два конструктивных решения.
Первый вариант (рис. 2) представляет собой многосопловой ввод с подвижными регулирующими «сухарями», приводимыми в движение с помощью специального приводного механизма. Он реализован в металле и применяется в основном в «воздушных» системах термостатирования. Имеется информация об опыте его применения в газовой промышленности [4]. Однако конструктивная сложность данного узла регулирования и его невысокая надежность при работе на газах, содержащих жидкие и твердые включения (например, кристаллогидраты), не привели к широкому использованию его в низкотемпературных системах нефтегазовой и химической промышленности.

Есть еще один негативный момент первого варианта узла регулирования — это количество сопловых вводов. В технической литературе неоднократно дискутировался вопрос об оптимальном количестве вводных сопел, однако многие экспериментальные данные указывают на преимущество односоплового спирального ввода. Пример последнего утверждения представлен на графиках рис. 3 [5]. 
Здесь ΔТх — разность температуры газа на входе в ВТ и на холодном потоке. Критерий µ — доля холодного потока, равная отношению количества газа холодного потока к количеству газа на входе в ВТ. 
Простейший односопловой регулируемый ввод ВТ был предложен авторами патента [6]. Здесь в качестве регулирующего элемента используется подвижная клинообразная задвижка 2 со штоком 1, предназначенным для присоединения приводного механизма (рис. 4). Тем самым высота прямоугольного сопла может варьироваться от максимального значения до нуля (полного закрытия соплового ввода). Работа всех последующих низкотемпературных систем основана на ВТ со вторым вариантом регулирования.
Опыт внедрения и эксплуатации. Устройство по варианту рис. 4 впервые было испытано на двухпоточной вихревой трубе (ДВТ), работающей на природном газе в составе демонстрационной холодильной станции с продуктовой камерой (подробности схемы и параметров технологии имеются в публикации [7]).
На рис. 5 приведена фотография ДВТ2.3 во время пуско-наладки (здесь и в дальнейшем номер ВТ соответствует перечню таблице 1). Перемещение регулирующего клина на этой вихревой установке (ВУ) обеспечивалось мембранным исполнительным механизмом (МИМ) с помощью задаваемого давления природного газа над мембраной. 
При конструировании первого регулируемого соплового ввода высказывались мнения, что введение регулирующего элемента может уменьшить температурную эффективность вихревого аппарата по сравнению со «стационарной» конструкцией. Однако этого не произошло — холодильный коэффициент полезного действия (КПД) регулируемой ДВТ2.3 приблизился к уровню лучших ВТ, эксплуатируемых на воздухе. При уменьшении производительности ДВТ2.3 на 50 % от номинала перепад температуры на холодном потоке оставался практически постоянным. Дальнейшее понижение расхода газа до 30 % приводило к снижению температурной эффективности вихревой трубы всего на 15 %. 

Представляют интерес результаты длительной эксплуатации ДВТ2.3. Суммарно было наработано более 16 тыс. часов в диапазоне производительности от 9,0 до 50,6 тыс. нм3/час природного газа. Минимальная температура холодного потока составляла при этом (-22 ÷ -45) °С. Падения температурной эффективности за весь период опытной эксплуатации ДВТ2.3 не зафиксировано. Это говорит о высокой надежности регулируемой вихревой трубы как генератора холода.
Успешные испытания ДВТ2.3 послужили стартом для реализации регулируемых ВТ различных модификаций (в том числе трехпоточных, имеющих третий поток — отсепарированный конденсат [8]). В данной статье мы не будем акцентировать внимание читателей на особенностях технологических схем ВУ (они достаточно подробно отражены в публикации [9]), а сосредоточимся на динамике и особенностях промышленной реализации ВТ с механизмом регулирования производительности.
Перемещение регулирующей задвижки в ДВТ2.3 хотя и обеспечивалось с помощью МИМа, но, по сути, проходило в ручном режиме, так как давление природного газа над мембраной задавалось редуктором. Некоторые заказчики вихревой технологии пожелали иметь ручное регулирование производительности ВТ с помощью обычного штурвала. Данное условие было реализовано на вихревых установках ВУ1.1, ВУ1.2, и ВУ2.2. На фото рис. 6 приведен пример внешнего вида верхней части вертикальной ТВТ1.1 с ручным регулирующим штурвалом. Еще один пример представлен на рис. 7.
На работе ТВТ1.1 остановимся подробнее, так как на ней были проведены эксперименты на сверхзвуковом профиле соплового ввода (по типу сопла Лаваля). Вообще вопрос сверхзвуковых скоростей в ВТ и их влияния на процессы терморазделения и конденсации примесей дебатируется не одно десятилетие. Эти моменты довольно подробно освещены в публикации [10]. В ней на основе анализов компонентного состава газовых смесей при помощи расчетов показано наличие звукового и сверхзвукового истечения в сопловых вводах промышленных ВТ (число Маха соответствовало М = 1,0-1,75). В экспериментах на ТВТ1.1 сравнивались режимы на двух вариантах сопловых вводов — звуковом и сверхзвуковом. Соответствующие режимные показатели представлены в таблице 2. Как видно из таблицы, в случае традиционного звукового сопла конденсат в третьем потоке ТВТ1.1 отсутствовал. При сверхзвуковом же вводе конденсат отбирался, и его (по сравнению с другими ТВТ) было довольно много. Расчеты фазового равновесия показали, что начало процесса конденсации компонентов попутного нефтяного газа (ПНГ) соответствует температуре (-32 °С). Налицо разрыв температуры конденсации в сторону более низкого значения по сравнению с реальной температурой торможения холодного потока. Так, для режима № 8 разница температур составила 17 °С. Такая ситуация может означать только одно: в сверхзвуковом вводе происходит резкое снижение статической (термодинамической) температуры движущегося потока газа, что и обеспечивает интенсивную конденсацию (и последующий отбор) компонентов ПНГ. 
Следующий этап совершенствования механизма регулирования производительности ВТ заключался в полной автоматизации ее работы, а именно: включение вихревого аппарата в автоматическую систему управления технологическим процессом (АСУ ТП) по аналогии с дроссельными регуляторами. Такая задача была реализована на всех ВУ химических производств и на ряде ВУ нефтегазовых предприятий. 
На фото рис. 8 и 9 в качестве примеров показаны ДВТ3.1 (режим эксплуатации) и ДВТ3.2 (пуско-наладка) с автоматическими МИМ-регуляторами.
Регулировка доли холодного потока µ также поддерживается автоматически с помощью соответствующих дроссель-регуляторов на горячем потоке. Следует подчеркнуть, что ВУ3.1 установила в химической отрасли своеобразный рекорд — проработала в непрерывном режиме 16 лет (не считая остановок производства метанола на профилактику) без единой рекламации и без какого-либо существенного ремонта. Установка улавливания паров метанола из продувочного газа эксплуатировалась в диапазоне расходов 9,4-100 % и при этом эффект охлаждения холодного потока колебался в довольно узком интервале 6,4 °С, что составляет 15 % от максимальной величины. Это очень хороший показатель для такого широкого интервала производительности регулируемой вихревой трубы.

О приводах для перемещения регулирующего органа. Кроме приводов, требующих наличия системы воздуха КИП (применение МИМ), на регулируемых ВТ использовались также электроприводы (вихревые установки ВУ1.3, ВУ2.4 и ВУ2.5). На фото рис. 10 показан электропривод ТВТ1.3 в режиме эксплуатации. Ремарка: низкотемпературная система подготовки ПНГ с данной вихревой трубой эксплуатируется без проблем более семи лет (подробности в публикации [11]). 
Аналогичная ситуация в части надежности функционирования регулируемых вихревых терморазделителей прослеживается также при эксплуатации ДВТ2.4.
На возможностях ДВТ2.4 целесообразно остановиться подробнее. Дело в том, что заказчик этой установки установил весьма широкий диапазон регулирования производительности — от 100 до 8400 нм3/час. Причем особое внимание акцентировал на минимальном расходе природного газа (летний режим работы системы подготовки природного газа). Значит, нижний предел производительности ДВТ2.4 должен составлять всего 1,2 % от максимального значения. Односопловая вихревая труба ДВТ2.4 с этим непростым заданием справилась. В таблице 3 приведен ряд характерных режимов работы ВУ2.4 при различных расходах (первый и последний режимы — рабочие, срединные — исследовательские). 
Как видно из таблицы 3, на минимально расходе (75 нм3/час; 0,09 % от максимума) четко выражена вихревая стратификация: холодный поток охлаждался на 23,54 °С, горячий нагревался на 4,63 °С. Можно однозначно сказать (и для этого есть все основания), что регулируемый многосопловой ввод [4] не справился бы с таким заданием, так как в его конструкции неизбежны многочисленные боковые зазоры, которые остаются даже при полном закрытии сопел. Этот факт говорит еще об одном преимуществе односоплового ввода.
При разработке высокорасходных регулируемых ТВТ1.4 (производительность до 160 000 нм3/час) в варианте односоплового ввода пришлось столкнуться с проблемой необходимости использования весьма мощных и громоздких приводов, расположенных горизонтально (большая консоль с риском разрушения). Поэтому по необходимости был применен двухсопловой тангенциальный ввод в пакетной компоновке, когда каждый ввод имеет свою спираль и свой регулирующий привод. И такой подход себя вполне оправдал не только по конструктивным соображениям, но и по достигнутым термодинамическим параметрам [12]. Для представления о масштабах этих рекордных аппаратов (высота 5,5 м, масса более трех тонн) на рис. 11 приведено фото ТВТ1.4, подготовленной к отгрузке на заводе-изготовителе (вверху корпуса расположен фланец входа высоконапорного ПНГ, сбоку виден один из двух штоков регулирующего устройства). 
На рис. 12 представлен внешний вид двух ТВТ1.4 в режиме эксплуатации. На их корпусах имеется по два пневмопривода красного цвета. Справа (в теплоизоляции) просматриваются трубопроводы подвода газа высокого давления. Теплоизолированные трубопроводы, отходящие от корпусов ТВТ1.4 вверх и далее опускающиеся вертикально вниз, — трубопроводы холодных потоков.
Таким образом, в приведенной информации показано, что регулируемые вихревые трубы различной модификации уверенно заняли определенную технологическую нишу в низкотемпературных процессах очистки газов нефтехимических и химических производств. Представленные отечественные разработки регулируемых ВТ не имеют на сегодня промышленных аналогов за рубежом и, что весьма актуально, способствуют решению не только технологических, но и экологических задач. 

Литература
1. Ranque G.I. Experiences sur la Detente Girataire avec Productions Simultahees d` un Echappement d` Air chand at d` Air froid // Journal de Physique at le Radium, 1933, 4, № 7.— p. 112.
2. Hilsch R. Die Expansion von Gasen im Zentrifugalfeld des Kalteprozes // Zeitschrift fur Naturforschung, 1946, №1.— p. 208-214.
3. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. — М.: Машиностроение, 1969. — 183 с.
4. Хаит А.В. Исследование эффекта энергоразделения с целью улучшения характеристик вихревой трубы // Дисс. канд. техн. наук. — Екатеринбург. — УФУ, 2012. — 196 с.
5. Мартынов А.В., Бродянский В.М. // Что такое вихревая труба? М: Энергия, 1976. — 153 с.
6. Жидков М.А. Вихревой аппарат / М.А. Жидков, Г.А. Комарова // Пат. № 2035990 РФ, С1 6В01 J 8/16. Заяв. 07.12.93; Опубл. 27.05.95, Бюл. № 15.
7. Бетлинский В., Жидков М., Овчинников В., Жидков Д. Экспериментальное исследование термодинамической эффективности регулируемой трубы на природном газе // Нефтегазовые технологии, 2008, № 2. — с. 2-6.
8. Жидков М.А., Девисилов В.А., Жидков Д.А., Гусев А.П., Рябов А.П. Трехпоточные вихревые трубы — экологическая значимая альтернатива сжиганию попутного нефтяного газа на факелах // Безопасность в техносфере, 2013, № 3. — с. 19-27.
9. Жидков М.А., Гусев А.П., Рябов А.П., Жидков Д.А. Варианты технологических схем эксплуатируемых и разрабатываемых вихревых установок для подготовки углеводородных газов к транспорту // Нефть. Газ. Новации, 2011, № 10. — с. 12-19.
10. Жидков М., Гусев А., Рябов А., Овчинников В., Жидков Д. Сверхзвуковая сепарация углеводородных газов в вихревых трубах Ранка-Хилша // OIL&GAS JOURNAL, 2007, № 3-4. — с. 101-106.
11. Зеленцов А., Солдатов П., Жидков М., Рябов А., Исламкин В., Пахомова Г. На Капитоновском попутный газ сжигать не будут // OIL&GAS JOURNAL RUSSIA, 2007, № 9. — с. 28-31.
12. Жидков М.А., Бунятов К.Г., Иванов Р.Н., Габдулхаков А.Х., Спиридонов В.С., Кирикова О.В., Жидков Д.А. Температурная эффективность высокорасходных ТВТ на установке подготовки нефтяного газа Комсомольского месторождения (опыт пусконаладки) // Нефть. Газ. Новации. 2012, № 5. — с. 46-52.