NO312341B1 - Sikkerhetssystem som er innrettet for a forhindre stort trykkfall over et trykkfolsomt membran - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører et sikkerhetssystem som er innrettet for å forhindre stort trykkfall over et trykkfølsomt membran som er anbrakt i et trykkbestandig kammer der det utgjør et fysisk skille mellom en væske og en gassblanding som føres gjennom kammeret. Sikkerhetssystemet aktiviseres når trykkforskjellen mellom gassen og væsken nærmer seg et nivå som kan medføre skader på membranet, og baseres på et ventilsystem som isolerer den væskeførende kanalen fia sitt øvrige kretsløp for deretter å trykkutlikne det isolerte væskevolumet og gassen.

Oppfinnelsen er spesielt utviklet for å beskytte membraner som brukes til å fjerne karbondioksyd fra naturgass. Slike membraner er gjerne formet som sylindriske rør. Gassen føres langs membranenes ytterflate, og karbondioksyd diffunderer gjennom membranene og absorberes av aminet som strømmer aksielt gjennom det indre av membranet. Aminets evne til å absorbere karbondioksyd øker sterkt med økende trykk. Kontinuerlig fjerning av karbondioksyd besørges ved at aminet utsettes for en trykkreduksjon etter å ha passert membranene slik at karbondioksydet frigjøres til omgivende atmosfære. Trykket i naturgassen vil typisk kunne være av størrelse 60 — 80 bar. Aminets trykk må kunne reguleres meget presist ettersom membranene skades lett av selv modereate trykkforskjeller i radiell retning. For de membranene som brukes til dette formål vil det kunne oppstå skader allerede når trykkforskjellen overstiger +/- 0.6 bar. Vanlig metode til å sikre seg mot skadelige trykkforskjeller over membranene er å anordne en buffertank der naturgassen og aminet er i åpen kontakt. Trykkvariasjonene blir da absorbert ved at amin flyter inn eller ut av buffertanken. Ved å montere inn en enkel kontroUanordning som sikrer at purnpeeffekten reduseres ved økende væskenivå i buffertanken og vice versa, vil trykkforskjellen over membranet alltid kunne holdes lavt.

Et CO2 renseanlegg for naturgass kan omfatte en mengde membraner. Figur 1 illustrerer hvordan et slikt anlegg prinsipielt sett fungerer. Aminet blir sirkulert gjennom sitt kretsløp av en pumpe 5. Trykket i aminet reguleres av en tilbaketrykksventil 7 til å være tilnærmet identisk med trykket i naturgassen. Karbondioksydet som aminet opptar mens den strømmer gjennom membranene 4 blir frigjort når aminet har passert gjennom tilbaketrykksventilen 7. Naturgassen føres inn i røret 8 og fordeles til de respektive membranhus 3. Røret har åpen forbindelse til øvre del av buffertanken 2. Trykkforskjellen mellom gass og amin er derved bestemt av væskehøyden i buffertanken. Ajninnivået holdes stabilt ved at nivå-kontrolleren 1 reduserer purnpeeffekten når ønsket nivå er oppnådd. Denne koplingen er indikert ved en stiplet linje mellom pumpen 5 og nivåkontrolleren 1. Avgivelse av karbondioksyd fra aminet kan eventuelt skje fra reservoaret 6 hvor aminet har lavt trykk. Rørene som fører naturgassen gjennom renseanlegget er påmontert stengeventiler både før og etter renseanlegget (ikke inntegnet). Disse blir automatisk lukket hvis det oppstår feil på anlegget. Det finnes stengeventiler som aktiviseres ved hjelp av sprengladninger og som derfor kan stenges på meget kort tid. Det er imidlertid en relativt omfattende operasjon å gjenåpne disse ventilene. Øvrig kommersielt tilgjengelige ventiler som er egnet til dette formål krever relativt lang lukningstid. Buffertanken kan typisk ha en høyde på 6-8 meter for redusere feren for trykkforskjeller som kan skade membranene. Den blir dessuten svært tung ettersom den må dimensjoneres for høytrykk.

Ulempen ved denne metoden er således at prosessanlegget blir uønsket stort, tungt og kostbart. Problemet med å redusere størrelsen på buffertanken er at man vil trenge en metode til å sikre de meget kostbare membranene mot skadelige trylckpåvrfkninger. Ved lite buffervolum vil skadelige trykkforskjeller kunne oppstå meget raskt hvis pumpe eller trykkreguleringssystem svikter.

Formålet med herværende oppfinnelse har vært å frembringe et sikkerhetssystem som er i stand til effektivt å beskytte membranene mot skadelige trylekpåvirkninger. Videre har man hatt som formål å frembringe et sikkerhetssystem som søker å sette anlegget tilbake i normal drift når betingelsene igjen tillater dette. Oppfinnelsens formål oppnås med et sikkerhetssystem som angitt i den karakteriserende del av krav 1, hvorved foretrukne trekk ved sikkerhetssystemet fremgår av kravene 2 og 3. Figur 1 viser den prinsipielle oppbygging av et anlegg for å fjerne CO2 fra naturgass ved hjelp av membraner. Oppfinnelsen er ikke inkludert.

Figur 2 viser hovedelementene i oppfinnelsen.

Figur 3 viser oppsettet for en foretrukket utførelse av oppfinnelsen.

Figur 4 viser et forstørret utsnitt av foretrukket utførelse på trykkfølerventil i samvirke med en stengeventil. Fig. 5A og 5 B viser situasjonen ved aktivisering av en foretrukket utførelse av oppfinnelsen

Fig. 6 A og 6B viser prinsippet for foretrukket design av buffertanken.

Oppfinnelsens virkemåte vil i det følgende bli forklart med henvisning til fig. 2. Her er størrelsen på buffertanken 2 betydelig redusert. Under normal drift sørger en nivå-reguleringsventil 11 for at arninmengden i tanken holdes på et fastsatt nivå. Trykkforskjellen mellom aminet og gassen overvåkes av en mekanisk trykkfølerventil 14. Denne reagerer umiddelbart dersom trykkforskjellen overstiger en forhåndsinnstilt verdi, og frembringer en trykkpuls i aktiviseringslinjen 13 som bevirker tilnærmet momentan lukking av de to stengeventiler 9,10. Dette isolerer aminet som befinner seg mellom stengeventilene, medstrøms stengeventil 9. Membranene Ugger i den isolerte del av kretsløpet, og det blir følgelig enkelt å forhindre trykkforskjeller som kan skade membranene. Maksimal trykkforskjell bestemmes nå av en tryklaitjamningsventil 12 som er anbrakt mellom gassrøret og øvre del av buffertanken 2. Åpningstrykket for trykkutjamningsventilen 12 blir satt høyere enn det som kreves for at trykkfølerventilen 14 aktiveres, men skal være satt så vidt lavt at membranene ikke skal kunne ta skade. Trykkutjamningsventilen 12 kan alternativt konstrueres slik at den påvirkes av signalet fra trykkfølerventilen 14 til å gi fullstendig åpen forbindelse mellom gassen og buffertanken. Dette kan ytterligere redusere påkjenning på membranene.

I tidsrommet fra utjamningsventilen 12 åpner og fram til stengeventilene er fullstendig lukket vil trykkforskjellen mellom naturgassen og aminet sørge for at amin vil bli presset inn eller ut av buffertanken. I en relevant utførelse vil det typisk ta anslagsvis 1/10 sekund fra trykkfølerventilen 14 reagerer til stengeventilene 9,10 er fullstendig lukket. Man ønsker ikke at buffervolumet skal fylles opp eller tømmes helt. Buffervolumet må derfor tilpasses sikkerhetssystemets reaksjonstid og strømningshastigheten på aminet. Typisk volum på buffertanken kan være 8-10 liter.

I foretrukket utførelse er sikkerhetssystemet basert på at stengeventilene aktiviseres ved at trykkfølerventilen 14 frembringer et raskt trykkfall i kamre som i en normal driftssituasjon holdes trykksatt ved at de er forbundet med naturgassen via trange kanaler. Trykkfølerventilen er konstruert slik at den tillater trykket i disse kamrene til igjen å bygge seg opp straks pumpetrykket er likt naturgassens trykk. Stengeventilene 9,10 vil da langsomt åpnes for å sette anlegget tilbake i drift.

Figurene 4 og 5 A og 5B viser foretrukket utførelse av trykkfølerventilen 14 med kopling mot den ene av stengeventilene. Figur 4 indikerer funksjonen når anlegget er i normal drift. Figur 5A indikerer funksjonen umiddelbart etter at stengeventilene har lukket, men før trykket i kamrene III og V er luftet ned til minimumstrykk. Fig. 5B viser deler av trykkfølerventilen i større målestokk. Under normale driftsbetingelser holdes ventillegemet 16 i åpen posisjon av fjæren 15. Amintrykket i kammer IV er i denne situasjonen tilnærmet identisk med gasstrykket i kamrene V og VI, slik at trykkreftene som påvirker ventillegemet er i balanse. Kammer V trykksettes via en trang kanal 17 inn mot kammer VI som er i åpen forbindelse til naturgassen.

Dersom en servoventil 24-27 i trykkfølerventilen 14 aktiviseres, vil trykket i kammer V falle meget raskt. Stengeventilene vil begynne å lukke allerede når trykket i kammer V har falt til anslagsvis 95 % av naturgassens trykk. Servoventilen 24-27 er styrt av bevegelsen til følermembranen 19 via vektarmene 22,23. Følermembranen 19 er i sin tur påvirket til å holde seg i sin midtposisjon av to forspente fjærer 20,21, men vil bli presset bort fra denne posisjonen dersom trykkforskjellen mellom aminet og naturgassen overstiger en gitt verdi. Stengeventilene begynner å lukke allerede få millisekunder etter at følermembranet 19 beveger seg vekk fra midtstillingen.

I nevnte servoventil 24,27 utgjør et relativt stivt membran 24 et skille mellom et nedre kammer II og et øvre kammer III i trykkfølerventilen. Disse kamrene er forbundet med en

trang ventil 26 som fortrinnsvis er anbrakt i mebranet 24. Når kamrene II og III har tilnærmet samme trykk (jfr- figur 4) vil membranet 24 bli presset mot setet 25. Hvis følermembranet 19 presses vekk fra sin midtstilling, vil ventillegemet 27 bli presset oppover og åpne for avlufting av kammer II til eksoskanalen 15 via kammer I. Dette vil i sin tur medføre at trykket i kammer III presser membranet 24 ut fra setet 25 som vist i figur 5, og kammer V vil bli avluftet til omgivende atmosfære via aktiviseringslinjen 13, kammer III og eksoskanalen 15.

For å oppnå kort lukketid på stengeventilene 9,10 velges stort tverrsnitt på tetningsflaten 18 sett i forhold til det effektive sfrømningstverrsnitt i aminets kretsløp. Stengeventilene kan derved koples fra åpen til lukket posisjon med liten bevegelse på ventillegemet 16. Buffertanken 2 omfatter en ventilanordning 11 som er innrettet på å holde et stabilt væskenivå i tanken. Denne ventflanordningen er basert på at det kompenseres for manglende væskenivå ved at det dumpes gass fra buffertanken til eksoskanalen 15 slik at amin kan tilføres via linjen 28 som har åpen forbindelse til aminets kretsløp i området mellom pumpen 5 og stengeventilen 9. Linjen 28 er forsynt med en enveisventil for å hindre at buffervolumet tømmes for amin når nevnte område har lavere trykk enn buffervolumet. Et flytelegeme 30 samvirker med ventUanordningen 11 som stenger linjen 28 når buffervolumet har oppnådd å få korrekt aminnivå. Ved for høyt aminnivå vil ventUanordningen åpne en kanal 29 fra nedre del av buffertanken til reservoaret 6 samt åpne en kanal 31 som lufter av gass fra buffertanken til eksoslinjen 15. Prinsippet for disse funksjonen er indikert i figur 6A og 6B.

I ventUanordningen 11 utøves disse funksjonene av tre separate tiltventiler. Husene 34,35 til tUtventilene som regulerer aminmengden i buffertanken, har en lekkasjefri gjemiomføring av sine manøverarmer 32,33. Figur 6A indikerer tiltventilenes posisjon når aminnivået er korrekt. Figur 6B indikerer tiltventilenes posisjon når aminnivået er for lavt.

I foretrukket utførelse samvirker flytelegemet 30 med en ventil som er anordnet i en kanal mellom aktiveringslinjen 13 og eksoslinjen 15. Denne funksjonen hindrer trykkoppbygging i aktiveringslinjen hvis aminnivået i buffertanken ikke er korrekt, og sikrer at anlegget ikke kan settes i normal drift uten at nødsystemet er fullt operativt. Funksjonen er ikke indikert i figurene.

Figurene 6A og 6B indikerer også funksjonen til trykkutjamningsventilen 12. Denne består i prinsippet av to fjærbelastede enveisventiler med samme åpningstrykk, men med motsatt strømnmgsretning.

Claims (3)

1. Sikkerhetssystem som er innrettet for å forhindre stort trykkfall over et trykkfølsomt membran som er anbrakt i et trykkbestandig kammer (3) der det utgjør et fysisk skille mellom en væske og en gassblanding som føres gjennom kammeret, karakterisert ved at det omfatter to pneumatisk opererte stengeventiler (9,10) som er montert inn i hhv. inn- og utløpskanalen for væsken, en buffertank (2) som er montert inn i kanalen mellom en den ene av de nevnte stengeventiler og det trykkbestandige kammer og som inneholder en gitt mengde av de nevnte fluider som ved aktivering av sikkerhetssystemet kan tilføres det trykkbestandige kammer slik at det kan opprettholdes tilnærmet samme trykk i den gassførende og i den væskeførende del av dette kammeret, en trykkutjamningsventil (12) som er montert i en kanal mellom nevnte gassblanding og buffertanken, samt en trykkfølerventil (14) som registrerer trykkforskjellen over membranet og som aktiviserer stengeventilene straks denne trykkforskjellen overstiger en forhåndsbestemt verdi.

2. Sikkerhetssystem ifølge krav 1, karakterisert ved at stengeventilene (9,10) har stor setediameter slik at ventillegemet (16) har kort vandring fra åpen til lukket posisjon

3. Sikkerhetssystem ifølge krav 1 karakterisert ved at buffertanken (2) omfatter et flytelegeme (30) som samvirker med en ventflanordning (11) som, når væskenivået er for lavt, åpner en kanal (36) for avlufting av gass mot omgivende atmosfære samt åpner for en kanal (28) som kan etterfylle væske til buffervolumet og som, når væskenivået er for høyt, åpner en kanal (29) som dumper væske til et reservoar med lavere trykk.